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Processus de dissipation des produits

1. 4 2 4 120 5 Wick 2 i gt 3 Soil Ks 75 1 65 100 amp Wick P D Bias Kw 1 65 Ks 75 80 E Soil Ks 225 0 7 S D 8 2 Bias Kw 0 7 Ks 225 702 S 1 60 5 b 2 S zo 40 Yi 1 D g A 5 20 0 T T T T 2 2 0 400 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 FRET Head CM NAO Pressure Head cm H20 Figure 5 Comparaison des propri t s de perm abilit du sol et de la m che pour l association de Ida silt loam avec la m che Amatex 3 8 MD A et pour l association du Rehovot sand avec la m che Peperell B continuous monitoring Bias wick flux reference flux sampling every 12h sampling every 24h 0 50 100 150 200 250 300 350 Time h 281 seig Figure 6 Variations temporelles du biais estim estim sur toirs intervalles d chantillonnage Exemple pour l association du Ida silt loam m che Amatex In fine il s agit plut t d tre en mesure de quantifier l erreur introduite dans la mesure pour appliquer un coefficient de correction aux donn es mesur es L outil num rique repr sente un bon moyen d estimer cette correction ce que ne permet pas l outil analytique de Knutson and Selker 1994 Cette correction peut se faire de deux fa ons On peut d j appliquer un coefficient constant issu d une simulation sur une p riode donn e comme r alis dans ce tra
2. p 500 4 i 600 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Abscisse X cm Figure IV 29 Conditions aux limites du mod le longitudinal utilis es pour d crire la p riode post rieure a un v nement ruisselant La diff rence avec les conditions utilis es pour d crire la p riode ruisselante vient de la condition impos e sur la limite de surface L quation d onde cin matique est remplac e par une condition de flux constant uniforme sur tout le domaine Ce flux repr sente l vapo transpiration du milieu Dans la mesure o le mod le utilis ne permet pas de modifier la nature des conditions aux limites en cours de calcul deux calculs successifs sont r alis s d crivant respectivement l v nement et la p riode post rieure l v nement L tat initial utilis dans le deuxi me calcul correspond l tat final obtenu dans le premier 2 2 Simulation de l v nement naturel L v nement naturel tudi est simul avec le mod le pr sent pr c demment Les param tres hydrodynamiques sont les param tres moyens mesur s d j en partie valid s l chelle locale On rappelle que ces param tres distinguent trois niveaux de perm abilit s dans le profil associ s aux horizons 0 10 cm 10 30 cm et gt 30 cm et trois capacit s de r tention associ es aux horizons 0 10 cm 10 90 cm et gt 90 cm cf chapitre IT Ils sont rappel
3. 240 4 200 a ee E160 4 Variation de stock E L Infiltration cum z E E120 Ruiss o 2 80 5 40 Or 1600 0 60 120 180 240 300 Temps min Figure IV 15 Variation du stock d eau moyen dans la couche de sol 0 50 cm estim e partir des mesures d humidit La courbe repr sent e sur laxe des ordonn es invers correspond au ruissellement entrant Comme pour l v nement naturel on constate que l infiltration est nettement sup rieure la variation de stock ce qui traduit une percolation et ou des flux lat raux importants quasiment d s le d but de l v nement La rapidit du ressuyage de l horizon 0 50 cm est confirm e En effet deux heures apr s la fin de l v nement le stockage n est que de 22 mm soit 30 de la valeur maximale Vingt quatre heures apr s l v nement le stockage est de 10 mm soit 13 de la valeur maximale On note cependant que le ressuyage se ralentit ensuite fortement puisque le retour l tat hydrique initial dure 5 jours Comme pour l v nement naturel on peut consid rer que 24 heures apr s l v nement un flux d eau quasiment quivalent au flux infiltr est sorti de la zone racinaire Vitesse de propagation verticale La propagation verticale des coulements est renseign e par les mesures d humidit les mesures lysim triques instantan es et les mesures de potentiel matriciel faites dans la placette
4. er Moyenne Coefficient Borne sup Borne inf Profondeur Repet g om trique de variation TERRE 68 68 cm mm h o mm h mm h mm h mm h 0 12 676 8 243 1190 1014 521 15 7 125 31 44 380 274 58 25 5 144 52 17 668 583 36 40 5 64 88 6 320 328 13 0 10 5 20 4 oO z 3047 S Q 40 50 T T T 1 10 100 1000 10000 Conductivit hydraulique saturation mm h Figure II 2 Evolution de la perm abilit avec la profondeur Les points repr sentent des moyennes g om triques et les barres l intervalle de confiance 68 111 On distingue trois niveaux de perm abilit correspondant aux mesures faites en surface 15 25 cm et 40 cm La diff rence de perm abilit entre la surface et horizon 15 cm est nette La diff rence entre les horizons 25 cm et 40 cm est plus discutable mais on la suppose significative En effet elle a t tablie sur la base de 5 r p titions ce qui est un nombre correct elle est coh rente avec l observation visuelle du profil elle est coh rente avec les r sultats de Schipman 2002 qui montrent une d croissance progressive de la perm abilit dans les cinquante premiers centim tres de sol d une prairie de montagne La dispersion des valeurs mesur es une m me profondeur est importante avec des coefficients de variation compris entre 8 et 88 et des carts maximaux entre valeur minimale et valeur maximale d un ordre de grandeur
5. lt 300 lt a gt 500 T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T 100 300 700 1100 1500 1900 2300 2700 3100 3500 3900 Ordonn e Y cm Figure IV 43 Discr tisation du domaine plan transversal utilis e pour quantifier les flux transversaux de subsurface Le flux transversal global l chelle de la placette est estim en faisant la moyenne des flux transversaux simul s dans quatre plans repr sentant les niveaux de nappe rencontr s d amont en aval On suppose que la d finition de quatre plans situ s respectivement en X 0 X 200 cm X 400 cm et X 630cm permet de donner une image repr sentative du fonctionnement global de la placette c Conditions initiales et aux limites d crivant l v nement artificiel Les conditions initiales utilis es sont identiques celles utilis es dans le plan longitudinal cf Figure IV 25 Les conditions aux limites utilis es sont repr sent es dans la Figure IV 44 et la condition de surface est explicit e dans la Figure IV 45 195 Imperm able H 1 cm i E 50 4 7 X 630 cm E X 0 SeT l a a a a ee ee ge Ss ee ee es ee E a ees es ee ee N CO UE EE Ba pg on EE TE an heat tc ani ees 5 250 lt H constante gt lt 350 450 99 aaa aaraa 100 300 700 1100 1500 1900 2300 2700 3100 3500 3900 Ordonn e Y cm Figure IV 44 Conditions aux limites utilis es dans le mod le plan transver
6. R sum Les lysim tres m che qui chantillonnent l eau satur e et non satur e du sol ont montr leur capacit mieux estimer les flux de percolation que les m thodes classiques Ici l objectif est d valuer l incertitude sur les flux mesur s par ces lysim tres m che Deux sources d incertitude sont examin es celles associ es aux hypoth ses utilis es pour le dimensionnement des lysim tres m che et celles associ es aux incertitudes exp rimentales sur les param tres n cessaires au dimensionnement Les r sultats sont obtenus avec un code num rique 2D r solvant l quation de Richards pour repr senter les flux non satur s appliqu sur deux sols caract ristiques Nous montrons que la m thode analytique de dimensionnement habituellement utilis e est appropri e mais d int r t limit puisque la perm abilit du sol doit tre ajust e sur une fonction exponentielle Nous montrons aussi que des erreurs significatives sur les flux observ s apparaissent d s lors que les propri t s du sol et des m ches ne sont pas compl tement identiques ce qui est g n ralement le cas du fait d une gamme limit e de m ches en fibre de verre Les incertitudes sur la conductivit hydraulique du sol ont un impact important sur les mesures Cette caract ristique doit donc tre d termin e avec pr caution avant l installation de tels syst mes Par ailleurs ce travail souligne le potentiel de la mod
7. composition chimique des chantillons r colt s si elle est nettoy e comme recommand par Knutson et al 1993 Elle n induit pas non plus de dispersion additionnelle ni de retard dans la courbe de propagation du solut Knutson and Selker 1996 Poletika et al 1992 Les lysim tres m che sont galement utilis s dans des exp riences de terrain pour d terminer les propri t s de transport de solut s l chelle de la parcelle Boll et al 1997 Brahy et al 2000 M me si les lysim tres m che sont largement utilis s pour d terminer les flux de percolation 1l n existe pas notre connaissance de donn es concernant l incertitude de mesure L objectif de cette tude est d valuer l incertitude sur la mesure du flux D apr s nous deux sources d erreur existent e les fortes hypoth ses faites pour tablir les r gles analytiques de dimensionnement existant dans la litt rature e erreur exp rimentale associ e aux param tres utilis s pour le dimensionnement ou associ s la proc dure d installation des lysim tres sur le terrain Nous pr sentons ici dans une premi re partie une m thode de dimensionnement classiquement utilis e dans la litt rature Les potentielles sources d erreur th oriques et exp rimentales sont list es Dans une deuxi me partie nous d crivons la m thodologie num rique d velopp e et les cas tudi s pour valuer l incertitude sur les flux Dans
8. eee eeeeeeeereeeneeeeeeeeserersneeenenes 222 Figure VI 1 Photographies d une motte de sol de l horizon 0 30 cm gauche et de l horizon 0 10 cm o on voit la sp cificit de l horizon 0 5 cm constitu int gralement de mati re v g tale 243 Figure VI 2 Photographie de l horizon 0 20 cm apr s d tachement approximatif du sol 243 Figure VI 3 Photographie d une coupe longitudinale du versant Couche 0 50 cm riche en racines 243 Figure VI 4 Photographies des racines pr sentes 50 cm de profondeur dans la cavit lysim trique A gauche et dans la cavit lysim trique B droite Photographie du plafond des cavit s 244 Figure VIS Photographies du changement de texture et coloration observ entre 90 cm et 130 cm Photographies prises l amont de la placette exp rimentale gauche et Paval droite 244 Figure VI 7 Chronique temporelle brute enregistr e au pas de 1s avec une prise de pression droite de diam tre 4 6mm et coup e en sifflet mesure aux bornes d une r sistance de 350 ohms 249 Figure VI 8 Photographie des diff rentes formes de prise de pression test es 250 Figure V1 9 Sch ma illustrant l offset des capteurs de pression et la forme des prises de pression utilis es 251 Figure VI 10 Incertitude relative sur la mesure de d bit largie au seuil de 95 calcul e en n gligeant l incertitude sur la Courb de taraf E rsrsr ee
9. Les quatri me et cinqui me chapitres pr sentent respectivement une tude des flux d eau et de pesticide se produisant dans une bande enherb e en situation d interception d un coulement de surface contamin L tude exp rimentale et num rique est bas e sur deux v nements enregistr s sur le site exp rimental L un est naturel et l autre artificiel La propagation des flux en surface et dans le sol est caract ris e de fa on dynamique au cours de l v nement et pendant les vingt quatre heures suivantes Elle permet d identifier les processus d coulement et de transport et de faire un bilan des flux entr retenu et sorti de la zone racinaire au cours de chaque v nement La mod lisation conforte le travail exp rimental et permet de valider une repr sentation bi dimensionnelle quivalente du syst me en situation d interception d un coulement de surface Une conclusion g n rale fait la synth se des principaux r sultats obtenus Ceux ci sont discut s et les int r ts op rationnels du travail r alis comme les perspectives scientifiques d gag es sont formul s 20 Chapitre Etat de l art et d marche La premi re partie du chapitre est consacr e un tat de l art l issu duquel les objectifs de la th se sont pr sent s en d tails ainsi que la m thodologie envisag e 1 Utilisation de bandes enherb es pour limiter les transferts de produits phytosanitai
10. v nement du 12 ao t 2004 La courbe repr sent e selon un axe des ordonn es invers correspond au flux total re u par la placette C est la repr sentation qui sera utilis e par la suite Repr sentativit de l v nement du 12 ao t 2004 La repr sentativit de l v nement est exprim e travers une pluie source quivalente d intensit et de dur e correspondant a l intensit moyenne et au volume total re us par le syst me pluie et ruissellement confondus Cette pluie source est calcul e sur la base d une hypoth se sur la surface ruisselante exprim e de fa on adimensionnelle par le ratio Surface enherb e Surface ruisselante et d une hypoth se sur le coefficient de ruissellement de cette surface not Cr selon la formule suivante Pluie x Flux entrant HET Pluie Surf ne Surf ruisselante Flux entrant Cr 1 1 Surf M Surf ruisselante amp Pluie On choisit de consid rer deux valeurs pour le ratio Surface enherb e Surface ruisselante la valeur correspondant la configuration du site exp rimental 1 110 et une valeur id ale souvent conseill e dans la litt rature concernant l am nagement des bandes enherb e pour r duire les pollutions diffuses par les pesticides 1 10 On choisit galement deux hypoth ses sur le coefficient de ruissellement de la parcelle source 10 et 20 qui correspondent des valeurs r alistes en parcelles cultiv es Les valeu
11. v nement naturel l abattement de concentration observ entre le ruissellement de surface et les flux r colt s par les lysim tres peut s expliquer par une dilution suivie d une adsorption moyennant l hypoth se d un temps de s jour de 15 minutes dans la couche 0 20 cm et d une heure dans la couche 20 50 cm Lors de l v nement artificiel les concentrations mesur es dans les lysim tres pendant la phase de dopage peuvent tre expliqu es en supposant un temps de s jour de 2 minutes dans la couche 0 20 cm et de 222 5 minutes dans la couche 20 50 cm except la concentration mesur e dans le lysim tre le plus en amont Ceci montre que l ordre de grandeur des concentrations mesur es dans les lysim tres peut tre reproduit simplement moyennant la prise en compte d un processus de dilution et d un processus d adsorption Ceci montre a fortiori que la prise en compte de ces deux processus est n cessaire pour expliquer l abattement de concentration observ Ceci sugg re qu il ne se produit pas dans la zone racinaire de flux pr f rentiels non dilu s et trop rapides pour permettre l adsorption du Diuron Seul le profil amont se distingue sur ce point lors de l v nement artificiel En effet la concentration relev e dans le lysim tre lors du dopage 40 ug L suppose une dilution non id ale et ou une adsorption tr s limit e En ce qui concerne les autres profils on notera que les calc
12. gauche et profil de potentiel total correspondant droite mesur en X 240 cm a et en X 430 cm b Les courbes repr sent es sur laxe des ordonn es invers correspondent au ruissellement entrant et sortant Ces mesures confirment la rapidit de propagation verticale des flux Elles montrent en outre qu au del de la saturation d j constat e gr ce aux mesures humidim triques le profil de sol sous la placette se met en charge au cours de l v nement entre 15 cm et 80 cm de profondeur Ceci explique a posteriori le r le de drain jou par les lysim tres atmosph riques Cette mise en charge est coh rente avec la d croissance de la perm abilit du profil avec la profondeur d crite dans les chapitres pr c dents Toute discontinuit est en effet susceptible d induire un refus d infiltration provoquant une mise charge de l horizon sus jacent de celle ci Ces mesures sugg rent m me ce stade que des discontinuit s existent au del de 30 cm de profondeur ou qu il y a une remont e tr s rapide de la nappe 163 La mise en charge intervient tr s t t entre 20 min et 30 min apr s le d but de l v nement Cette mise en charge se produit notamment avant l apparition d un coulement de surface l exutoire de la placette de sorte qu on peut supposer que c est elle qui est l origine de la propagation du ruissellement l int rieur de la placette De plus la charge o
13. moins d un m tre de profondeur De plus on peut penser qu une tranch e ayant servi mettre en place un grillage anti taupe profonde de 80 cm et ceinturant la placette une distance de 1 m50 sert de protection passive contre les coulements satur s et non satur s de subsurface En effet le remblai de la tranch e ayant une densit nettement inf rieure au sol en place on peut estimer que les parois de la tranch e jouent le r le de barri re capillaire Kutilek and Nielsen 1994 De plus la tranch e peut jouer un r le de drain pour les coulements satur s Toutefois ces arguments strictement qualitatifs ne sauraient remplacer un suivi quantitatif de la pi zom trie et du potentiel 66 matriciel afin de quantifier les entr es ventuelles Dans la partie suivante nous pr sentons les diff rents syst mes de mesure mis en place 1 1 3 3 Mesure des flux de surface a D bitm trie en entr e et sortie de la placette Les d bits instantan s entrant et sortant de la placette exp rimentale sont mesur s l aide de canaux jaugeurs caract ris s par une relation hauteur d bit connue de type Venturi quip s d un capteur de pression de type bulle bulle Malgr l absence de ma onnerie les canaux sont maintenus parfaitement immobiles et horizontaux gr ce des pieux m talliques enfonc s 80 cm de profondeur Le canal install en entr e de placette est un mod le Hydrologic E 1253 AZ
14. rapport au cumul de r f rence 282 Source of bias Relative bias on collected volumes Ida Silt Loam Rehovot Sand P t Value tested Con os AM 3 8 MD PEP 1 2 Kier 0 1 5 128 Soil saturated K 0 5 25 47 conductivity xa cmh fef 37 46 Kie 10 87 97 Kie 0 5 45 38 Wick saturated K 0 9 10 6 conductivity By ia cmh e t 3 Kief 2 60 44 Lie 1 1 6 Wick length Lier 3 1 18 cm Liet 1 0 7 Lief 3 2 21 Riet 0 5 2 7 Collection area Rit 1 3 15 effective radius i cm Riet 0 5 4 7 Rret 1 8 15 Riet 0 5 12 8 Wick section Rie 1 28 16 effective radius S dE mm ref 5 1 9 7 Ret 1 29 17 Presence of an 20 4 11 atmospheric boundary 50 10 11 of collection area 100 17 20 Table IV Mesure de l incertitude sur les volumes totaux collect s impact des erreurs r alistes associ es aux diff rents param tres utilis s pour le dimensionnement des lysim tres m che Voir les tableaux I III pour les valeurs de r f rence On constate que les trois param tres d entr e test s Ks Kw et Ay peuvent avoir un impact significatif sur les flux simul s en sortie de m che Les r sultats montrent en effet qu la gamme probable d erreur sur le param tre K Ks x 0 1 Ks x 10 correspond une gamme d erreur sur le flux mesur de 87 25 pour l Ida sil loam et 97 127 pour le Rehovot sand De la m me fa on la gamme probable d erreur sur le param tre Ky
15. 0 T T T 0 50 100 150 Temps min Figure VI 16 Incertitude absolue largie 95 sur les masses de solut sorties par ruissellement Remarque le calcul r alis ne tient pas compte de l incertitude induite par l chantillonnage ponctuel d une variable voluant en continu On suppose ici implicitement que le nombre et la position des chantillonnages permettent une bonne repr sentation du nuage de solut dans le ruissellement sortant et donc que cette incertitude est n gligeable Or le caract re anguleux des courbes de concentration nous montre que l chantillonnage n est pas id al Cette source d incertitude n est pas quantifiable simplement Pourtant c est probablement la principale source d incertitude affectant tout calcul de masse r alis par int gration partir de mesures de concentration ponctuelles 266 3 Evaluation num rique du biais associ la mesure de flux d eau et de solutes dans le sol l aide de lysim tres m che projet d article Jean Guillaume Lacas Marc Voltz Philippe Cattan 1 INRA UMR L LS A H 2 place Viala 34060 Montpellier France 2 CIRAD FLHOR Station de Neuf Chateau 97130 Capesterre Belle Eau France 3 present address CEMAGREF UR Qualit des Eaux et Pr vention des Pollutions 3 bis quai Chauveau 69336 Lyon France Corresponding author Tel 33 0 4 72 20 86 05 Fax 33 0 4 78 47 78 75 lacas lyon cemagref fr 267
16. 10 Litres en polypropyl ne PP r f rence Bioblock C21676 situ s en contre bas dans la tranch e de mise en place cf Figure II 24 Des tubes en Teflon FEP de diam tre interne 3 2 mm r f rence Bioblock C28559 permettent de pomper dans les bidons depuis la surface un tube de pompage un tube de mise pression atmosph rique Les chantillons sont pomp s l aide d une pompe volum trique galets Masterflex r f rence 7521 00 Dans les lysim tres m che un tube semi rigide en T flon PTFE de diam tre 16 18 mm r f rence Revol et Saunier TL178118 contenant la m che relie le collecteur a un bidon en poly thyl ne fluor FLPE r f rences Labosi A7250289 et A7250287 de capacit 2 ou 4 Litres 4 L sur les profils A et B 2 L sur les profils C et D Les m ches en fibre de verre ont t nettoy es de leur impuret s organiques par combustion pendant 4 heures a 400 C comme pr conis dans la litt rature Knutson et al 1993 Les mat riaux de confection des deux types de lysim tres ont t choisis de sorte limiter l adsorption des pesticides dans le syst me de mesure tout en restant d un prix acceptable le choix du T flon a t cart pour certains produits pour cette raison Nous re avons notamment vit d employer des plastiques tendres comme le PVC dont la capacit d adsorption sur les pesticides a t d montr e Margoum 2003 Les temps de s jours dans
17. D 50 cm a J D E J Q w gt Mesure gt Mesure S Simu Fmob 40 Simu Fmob 40 8 Simu Fmob 60 Simu Fmob 60 a0 a Simu Fmob 80 Simu Fmob 80 Simu Fmob 100 Simu Fmob 100 0 re eee eme RI O 20 40 60 80 100 120 140 160 180 O 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Temps min Temps min Figure III 18 Courbes de perc e simul es avec diff rentes hypoth ses de fractionnement de la porosit Fmob signifiant Fraction mobile et une constante d change 0 139 L hypoth se de fractionnement de la porosit permet d augmenter la vitesse de propagation simul e du traceur et de limiter le m lange de l eau inject e avec l eau initialement pr sente dans le profil De fait le nuage de solut arrive plus vite au niveau du lysim tre et pr sente une concentration plus lev e en comparaison d une hypoth se de propagation homog ne L acc l ration de la propagation s explique par le fait que flux quivalent la vitesse porale est d autant plus grande que la section efficace d coulement est faible Ces r sultats montrent que la forme de la courbe exp rimentale peut tre approch e de fa on assez satisfaisante avec une hypoth se D1 50 cm et Fmo 40 Cependant il est probable que la dispersivit tr s lev e compense d autres processus En effet il semble peu r aliste de dire que l coulement se produit dans 40 de la porosit avec un
18. Flux stabilis s mesur s en surface et 50 cm de profondeur sur les diff rents profils quip s de lysim tres m che B C L Moyenne X 35 cm X 210 cm X 385 cm X 560 cm Y f 2 Toimet Apparition min 18 20 17 17 16 16 4 4 14 r gime incertitude min 2 2 2 2 iransit ir Stabilisation min 18 20 22 22 39 18 28 28 24 2 Incertitude min 2 2 2 2 Flux Surface mm h 750 480 1100 770 775 250 stabilis __z 50 cm mm h 2 8 78 10 10 22 32 Les temps caract ristiques du r gime transitoire et les flux mesur s en surface sont du m me ordre que ceux mesur s sur le transect EFGH En revanche les flux mesur s 50 cm sont assez diff rents des flux quivalents mesur s sur le transect EFGH on passe de 155 mm h 20 mm h Or il est peu probable qu il 121 existe un tel cart dans les propri t s du sol entre les deux transects alors m me que les valeurs sont assez homog nes au sein de chaque transect Les diff rences entre ces deux transects semblent plut t dues un art fact de mesure li au syst me m che Les valeurs mesur es tant tr s inf rieures celles des lysim tres atmosph riques nous avons des raisons de penser que les m ches pr sentent une conductivit hydraulique limitante qui ne permet pas d assimiler les flux percolant dans le sol Etant donn qu un flux stabilis a t atteint on peut supposer que le sol et la m che sont satur es donc que c
19. Les mesures humidim triques sont illustr es sous la forme d une variation relative l tat initial Elles sont illustr es dans la Figure IV 16 161 0 4 I if TT 0 l 1 fi 1 l TER A i MERD i f HR Y l Hy yh l t 2 03 Aw rt alata relives yi JW get hahaha 0 15em 2 0 15cm z 25cm 2 25cm 9899 pasasess e 40cm E 20 24 40cm S 5 1600 0 40 80 120 160 200 240 0 40 80 120 160 200 240 Temps min Temps min Figure IV 16 Variations relatives d humidit volumique mesur es diff rentes profondeurs au niveau du profil X 35 cm figure de gauche et au niveau du profil X 580 cm figure de droite Les courbes repr sent es sur l axe des ordonn es invers correspondent au ruissellement entrant et sortant La rapidit de propagation des flux dans la zone racinaire est ici encore confirm e Les r sultats obtenus au niveau des profils interm diaires X 215 cm et X 405 cm sont de m me nature que les r sultats illustr s Les mesures instantan es de flux faites avec les lysim tres sont illustr es par la Figure IV 17 On s int resse ici au temps d apparition des flux et non leur valeur absolue qu on sait biais e 10 i 200 X 35cm 7 X 35cm E 8 X 215cm i 160 X 215cm H e E X 405cm 7 X 385cm 2 i 1204 E E T
20. aide de capteurs Watermarks dispos s dans le mat racinaire 159 Figure IV 14 Variations relatives d humidit volumique mesur es dans la couche 0 15 cm d amont en aval de la placette Les courbes repr sent es sur l axe des ordonn es invers correspondent au ruissellement entrant LS LOL acsescccsesetecescnesesisotensdieae heeesebiuenstencndnedbnedemsdereuepsacnedeysaener die denediey scenes ssdenenbedenedsoncspedeneads 160 Figure IV 15 Variation du stock d eau moyen dans la couche de sol 0 50 cm estim e a partir des mesures d humidit La courbe repr sent e sur laxe des ordonn es invers correspond au ruissellement entrant 161 Figure IV 16 Variations relatives d humidit volumique mesur es a diff rentes profondeurs au niveau du profil X 35 cm figure de gauche et au niveau du profil X 580 cm figure de droite Les courbes repr sent es sur l axe des ordonn es invers correspondent au ruissellement entrant et sortant 162 Figure IV 17 Mesures lysim triques instantan es faites avec les lysim tres m che figure de gauche et les lysim tres atmosph riques figure de droite NB les chelles en Y diff rent 162 Figure IV 18 Potentiel matriciel gauche et profil de potentiel total correspondant droite mesur en X 240 cm a et en X 430 cm b Les courbes repr sent es sur l axe des ordonn es invers correspondent Auruissell
21. choisie de sorte tre nettement sup rieure la teneur initiale du milieu de l ordre de 10 20 mg L L exp rience est r p t e sur les huit profils quip s de lysim tres Figure 11 29 Sch ma de principe des exp riences d infiltration percolation r alis es sur les lysim tres 84 On utilise un double anneau type infiltrom tre M ntz enfonc de 5 cm dans le sol parall lement la pente La mesure du flux infiltr se fait l aide de deux r servoirs gradu s alimentant s par ment l anneau interne et l anneau externe de capacit s respectives 33 L et 64 L cf Figure 11 31 La charge est maintenue constante visuellement par un op rateur en r gulant le d bit d alimentation des deux anneaux l aide de vannes Le flux d eau percol 50 cm est quantifi en continu en vidant les bidons enterr s intervalles de temps r guliers On utilise pour cela des pompes volum triques galet Masterflex permettant de pomper simultan ment dans les deux r servoirs La concentration du traceur dans la solution inject e et dans les flux recueillis 50 cm est d termin e indirectement via la conductivit lectrique de la solution En effet la conductivit lectrique d une solution est de fa on g n rale corr l e la force ionique Dans notre cas la concentration d ions Chlorures inject e est telle que la conductivit est enti rement d termin e par celle
22. coulement diffus et un coulement concentr Des valeurs chiffr es sont propos es titre indicatif s appuyant sur des r sultats exp rimentaux obtenus sur le site Arvalis de La Jailli re en Loire Atlantique Patty 1997 Pour un ruissellement diffus des longueurs de 10 et 20 m sont propos es pour des versants respectivement inf rieurs et sup rieurs 100 m si l coulement ne se fait pas perpendiculairement aux limites parcellaires ces longueurs doivent tre appr ci es dans le sens des coulements Pour un ruissellement concentr il convient d enherber la totalit du chenal d coulement ou de cr er des prairies en cascade si l impluvium est sup rieur une centaine d hectares cf Figure I 5 Ai Figure LS Sch mas d am nagement de bandes enherb es types propos s par le C O R P E N 1997 Les recommandations techniques am ricaines ne contiennent pas non plus de r gle quantitative de dimensionnement USDA NRCS 2000 Le dimensionnement doit tre raisonn en fonction d une part des objectifs de protection une bande destin e stopper les particules solides sera moins grande qu une bande destin e intercepter les produits solubles tels que nitrates et pesticides solubles d autre part des conditions propres au site la bande devra tre d autant plus grande que la perm abilit du sol est faible que le sol est proche de la saturation notamment en pr sence d une napp
23. est contributive que pour des hauteurs ruisselantes lev es conform ment la discussion des r sultats exp rimentaux L hypoth se d une perm abilit horizontale sous estim e est justifi e par l absence de mesure directe concernant ce param tre On note cependant que cette hypoth se est analogue celle concernant l existence de flux dans le plan transversal On ne peut pas dire ce stade si elle est n cessaire De plus un telle hypoth se semble difficilement conciliable avec le fait que le flux infiltr et la propagation du ruissellement dans la bande ont t correctement reproduit dans le cas de l v nement naturel sans supposer d anisotropie sauf supposer que cette anisotropie concerne uniquement les horizons inf rieurs la zone racinaire Le bilan des flux instantan s simul s par le mod le montre qu un mod le darcien est apte rendre compte de l arriv e pr coce des flux la base de la zone racinaire Ce bilan montre en outre que des flux lat raux significatifs se produisent dans la zone racinaire d s lors que le profil de sol est en charge Par comparaison avec l v nement naturel on en d duit que l importance des coulements lat raux de subsurface est li e la mise en charge du profil Ces flux lat raux sont probablement surestim s du fait de la repr sentation 2D mais il est difficile d en valuer le biais Celui ci est probablement faible car les potentiels simul s dans
24. humidit faites dans la couche 0 5 cm confirment ce r sultat dans le cas de l v nement naturel Ces mesures montrent en outre que dans le cas de l v nement artificiel le ruissellement se g n ralise rapidement de sorte que 10 minutes apr s l apparition de l coulement l exutoire on peut supposer le ruissellement de surface g n ralis Dans le cas de l v nement naturel la dur e du pic contributif 4 min n est vraisemblablement pas suffisante pour qu une telle uniformisation se fasse En effet la fin de l v nement deux des quatre capteurs de surface n ont toujours pas enregistr de mise saturation Ainsi on peut estimer de fa on relative et l chelle de l v nement que l coulement de surface est plus h t rog ne au cours de l v nement naturel que lors de l v nement artificiel L hypoth se d un coulement h t rog ne est coh rente avec l observation du couvert de la placette enherb e petite chelle qui confirme que celui ci est constitu de touffes d herbes isol es que le relief est tourment constitu de creux et de bosses et que des traces d coulement serpentant entre les touffes d herbe et les accumulations de s diments sont visibles Le fait que l h t rog n it semble plus forte pour l v nement naturel que pour l v nement artificiel peut s expliquer par la diff rence d intensit et de dur e entre les deux v n
25. intervalle de confiance calcul plus ou moins trois cart types d finit un risque proche de 0 En r gle g n rale on utilise l intervalle de confiance 95 crit sous la forme 26 On note qu il est essentiel d adopter ce type d outil de composition des erreurs associ un intervalle de confiance les outils de type intervalle de certitude absolue tels que l intervalle d erreur maximale ou la tol rance tant en comparaison scientifiquement sans fondement Himbert 2001 s345 2 1 2 R gles de calcul 2 1 2 1 Estimation des composantes Avant d tre compos es toutes les composantes de l incertitude doivent tre exprim es sous forme d incertitude type c est dire d cart type Lorsque la composante de l incertitude a t valu e exp rimentalement partir de la dispersion de mesures r p t es elle peut tre facilement exprim e sous forme d un cart type estimation de type A Sinon l estimation se fait par un jugement scientifique fond sur des hypoth ses de distribution des valeurs et sur les l ments disponibles estimation de type B Lorsque l estimation de l incertitude est d duite de r sultats ant rieurs et d j exprim e sous forme d un intervalle de confiance sous la forme a p sans sp cification de la distribution il convient de supposer une distribution normale correspondant un processus al atoire et de calculer l cart type gen divisant
26. saturation afin de s approcher au mieux des conditions in situ 4 3 2 Profil d humidit apr s humectation contr l e La teneur en eau des colonnes au moment du test de calibration a t d termin e par gravim trie par destruction des colonnes le lendemain des tests Les profils d humidit sont repr sent s dans la figure ci dessous Profondeur cm 35 T T T T T T T T T T 0 10 20 30 40 50 60 Humidit volumique Figure VI 18 Profil d humidit d termin par gravim trie On constate que le profil d humidit est assez h t rog ne On est assez loin de Vhypoth se d homog n it sous jacente du protocole de calibration Quinones and Ruelle 2001 Toutefois ces profils d humidit permettent de calculer une humidit moyenne pour chaque profondeur de sol prospect e par la sonde au cours de l insertion et du retrait Ceci permet en principe de d convoluer le biais introduit par cette h t rog n it 29 292 5 Cablage du syst me d acquisition des donn es 5 1 Alimentation lectrique Le syst me d acquisition est aliment par le r seau EDF 220 V grace un branchement chez le propri taire de la parcelle M Ducroux La mise la masse se fait galement via le secteur Un c ble 3 fils de haute r sistance r f rence Radiospare 234102 prot g dans une gaine PVC et enterr 50 cm de profondeur permet d alimenter le site exp rimental distant d
27. une mesure lysim trique est pour le moment de calculer le rapport entre le volume mesur in situ et un volume de drainage th orique calcul partir d un bilan hydrique Ceci est toujours d licat en raison de l impr cision de la d termination des termes du bilan Louie et al 2000 Nous souhaitons donc quantifier l impact de ces hypoth ses simplificatrices sur la mesure des quantit s d eau On envisage pour cela de tester un lysim tre dimensionn sur la base des quations ci dessus dans une situation r elle de fonctionnement c est dire avec des gradients de potentiels quelconques dans le sol hyp 2 pour des coulements transitoires hyp 3 et avec continuit du potentiel entre la m che et le sol alentour interactions 3D hyp 4 L impact de l hypoth se 1 n est pas valu directement il est vident qu un dimensionnement r alis sur la base d un ajustement incorrect ne peut tre satisfaisant mais les autres tests fourniront des arguments la concernant 3 2 2 Aspects exp rimentaux En supposant que les quations de dimensionnement propos es par Knutson and Selker 1994 sont valides celles ci s appuient sur plusieurs param tres d entr e caract ristiques propri t s hydrodynamiques du sol a Ks et de la m che a Kysar section de la m che A dont la valeur est connue une incertitude pr s On envisage donc de quantifier l erreur propag e par chacun de ces param
28. 0 20cm 147 51 62 27 147 51 71 27 20 50cm 49 34 21 15 40 44 20 19 50 90cm 42 12 17 7 18 32 9 14 Total 0 90cm 238 62 100 206 75 100 Les masses adsorb es dans la couche 0 50 cm estim es partir des concentrations effectivement mesur es sur la phase solide 196 mg et 187 mg respectivement pour l hypoth se haute et l hypoth se basse sont tr s coh rentes avec la masse apparemment retenue calcul e par bilan cf Tableau V 11 Ceci confirme la validit de ces calculs de bilan et confirme que le Diuron apparemment retenu dans la zone racinaire est adsorb sur la phase solide 216 Les quantit s de mati re estim es confirment la tendance visible sur la Figure V 5 savoir que l essentiel de la r tention se fait dans l horizon 0 20 cm le plus riche en mati re organique La masse adsorb e dans l horizon 50 90 cm semble nettement inf rieure la masse apparemment percol e 50 cm cf Tableau V 10 quelque soit l hypoth se consid r e Ceci peut tre attribu un transport non homog ne dans la zone racinaire et au fait qu il n y a eu que trois profils chantillonn s sur une petite surface qui plus est carottages de section 10 cm Cette hypoth se implique que deux des trois profils chantillonn s ne repr sentent pas des profils caract ris s une percolation significative 50 cm Ceci peut aussi tre attribu un transport des produits au del de 90 cm Cepen
29. Ceci sugg re que la cin tique d adsorption n est pas fondamentalement d pendante de la nature du milieu 4 Etude et mod lisation de la propagation d un traceur conservatif l chelle locale Nous souhaitons tudier la capacit de l quation de convection dispersion rendre compte du transport de polluants dans la zone racinaire L utilisation d une hypoth se de transport non homog ne de type eau mobile eau immobile est ensuite envisag e et doit permettre de donner des l ments de quantification de la contribution respective des diff rents types d coulements matriciels et macroporaux dont l tude des flux d eau sugg re l existence L objectif est aussi de d terminer les param tres de transport caract ristiques de la matrice solide coefficients de dispersion fractionnement de la porosit 4 1 Etude exp rimentale de la propagation d un traceur dans la zone racinaire Les exp riences d infiltration percolation r alis es l chelle locale sur les profils quip s de lysim tres ont t accompagn es d un tra age au chlorure de potassium KCl inject une concentration de 200 mg L L ion CT est un traceur conservatif de l eau Ces exp riences permettent donc de caract riser les propri t s de transport de la matrice solide dans l horizon 0 50 cm convection et dispersion ind pendamment du processus d adsorption qui affecte aussi le transport des pesticides L
30. D 2 200 at eee Arr ts w 100 Q 5 A 0 T T y T t T l 0 40 80 120 160 200 Temps minute Figure IV 10 D bit inject lors de l v nement artificiel Hormis les p riodes o l injection a d tre interrompue du fait de probl mes techniques le d bit inject dans le syst me est relativement constant Les quelques variations de d bit observ es pendant la phase de dopage sont dues aux variations de charge dans les cuves servant l injection des solut s et aux ruptures de charge lors des changements de cuves 155 Repr sentativit de l v nement simul La repr sentativit de l v nement artificiel simul est exprim e de la m me fa on que pour l v nement naturel c est dire en calculant une pluie source quivalente selon deux hypoth ses sur le ratio Surface enherb e Surface ruisselante 1 110 et 1 10 et deux hypoth ses sur le coefficient de ruissellement de la parcelle g n rant l v nement 10 et 20 On s int resse la phase de dopage et l ensemble phase de dopage phase d lution not Total Les r sultats obtenus sont rassembl s dans le Tableau IV 7 et illustr s par la Figure IV 11 Tableau IV 7 Repr sentativit de l v nement simul phase de dopage et v nement total Dopage Intensit mm h 1 110 1 10 Total Intensit mm h 1 110 1 10 Volume mm 1 110 1 10 Volume mm Ratio surfacique 1 110 1
31. Dans la mesure o les premi res donn es acquises ne satisfaisaient pas nos objectifs elles ont t compl t es par un v nement artificiel le 30 mars 2005 Cet v nement artificiel a t inspir par les protocoles classiques pr sent s dans la litt rature pour caract riser le transport de solut s dans un milieu poreux Ils consistent observer la d formation d un pulse de solut Benoit et al 2000 Landry 2004 ou la dynamique d tablissement d un r gime permanent Leij and Van Genuchten 1999 partir d un r gime hydraulique pr alablement stabilis Toutefois l v nement devait aussi rester repr sentatif d un v nement naturel Nous avons donc conserv l id e d imposer un d bit constant mais nous avons cart celle d une injection de solut r alis e r gime hydraulique tabli de m me que l id e d atteindre une concentration stabilis e la sortie du syst me En effet cela supposait d injecter une masse de Diuron peu r aliste et peu souhaitable pour le syst me puisqu il devait servir pendant la campagne 2005 Nous avons donc choisi d injecter le pulse de solut en d but d v nement reproduisant ainsi le premier flot concentr caract ristique des v nements naturels ou la succession d un v nement concentr et d un v nement faiblement concentr _ 48 Le d bit inject a t choisi suffisamment lev pour permettre l apparition d un coule
32. Il n existe cependant pas l heure actuelle de mod le 2D permettant d envisager un tel travail e Les crit res cl s mis en vidence dans ce travail pour la mod lisation d une zone tampon enherb e devront tre int gr s aux mod les d velopp s l heure actuelle pour comprendre les transferts de pesticides l chelle des petits bassins versants Perspectives op rationnelles La capacit de la zone tampon enherb e exp rimentale intercepter un ruissellement de surface est tr s lev e Au cours de l v nement naturel tudi en d tail et au cours de la plupart des v nements naturels enregistr s la quasi int gralit du flux re u par le syst me s infiltre Cependant au cours de l v nement artificiel tudi une part plus importante du flux total re u par la placette ressort sous forme de ruissellement de surface en lien avec une remont e de la nappe pr sente dans le profil Ceci montre que malgr des propri t s physiques tr s favorables l infiltration dans les horizons de surface la capacit d infiltration d un sol enherb peut tre affect e par d autres variables de type climatique hydrologique et g ologique La profondeur du substratum la pr sence d une zone satur e ou d un horizon peu perm able sont des facteurs cl s qui doivent guider l am nagement des zones tampons enherb es Le mod le num rique utilis s av re apte rendre compte du foncti
33. L cart maximal intervalle 99 7 est de 4 4 mm b Calcul de l incertitude compos e sur la mesure de d bit ne tenant pas compte de l incertitude sur l quation de tarage Dans un premier temps on suppose que l incertitude sur la relation de tarage est n gligeable Le d bit Q est alors fonction d une seule variable la hauteur d eau H les coefficients a et b tant des constantes 251 Q aH f H ey eee gt u v U H abh mna uzan 2 oo 0 Q H Pn __231 Q Jey Hanm 30 n Qentr e Uc f H 25 4 Qsortie Uc f H 20 4 Incertitude relative 95 a D bit L s Figure VI 9 Incertitude relative sur la mesure de d bit largie au seuil de 95 calcul e en n gligeant l incertitude sur la courbe de tarage On constate que l incertitude relative sur le d bit mesur diminue de fa on exponentielle avec la valeur du tirant d eau mesur dans le canal jaugeur L incertitude largie au seuil de 95 reste inf rieure 20 dans la plage de validit des quations d talonnage des deux canaux L incertitude absolue est repr sent e par la Figure VI 10 0 3 Qentr e Uc f H Qsortie Uc f H 0 2 014 Incertitude absolue 95 L s 0 0 n D bit L s Figure VI 10 Courbe d incertitude absolue 95 sur la mesure de d bit faite en entr e et en sortie calcul e en n gligeant l incertitu
34. L un param tre d ajustement analogue hy i 5 8 3 Ks s 3 6 2 5 8 g Mualen s model g Le amp 9 0 h O hs 0 Pressure Head h Pressure Head h Figure IL 33 Description du mod le de Mualem van Genuchten d apr s une figure de Simunek 1999 295 x z 8m Linear interpolation cS 2 Ks 2 8s 8 e E 5 8 Kk Mualem s model DT 8 8 0 0 h O hy hy O Pressure Head h Pressure Head h Figure I1 34 Description sch matique du mod le de Vogel and Cislerova Simunek et al 1999 2 1 1 3 Particularit s du mod le de Vogel and Cislerova L int r t du mod le de Vogel and Cislerova 1988 vient des param tres Kp et G n affectant que la courbe K h Ceux ci permettent de distinguer une plage de potentiel amp Q au voisinage de la saturation du reste de la gamme 6 Seule la gamme 0 est d crite par l quation de Mualem van Genuchten van Genuchten 1980 la plage amp amp tant d crite par une quation lin aire Outre la souplesse d ajustement ceci fait qu on peut modifier le param tre K sans translater l ensemble de la courbe K h comme c est le cas avec le mod le de Mualem van Genuchten L int r t du mod le de Vogel and Cislerova 1988 vient aussi du param tre 6 qui permet de distinguer dans la courbe h 6 les zones h 0 hs et hs h co Seule la gamme As h c est d crite par l quation de van Genuch
35. M K G N Delin S C Komor and C P Regan 1999 Comparison of the stable isotopic composition of soil water collected from succion lysimeters wick samplers and cores in a sandy unsaturated zone J Hydrol 224 45 54 286 Louie M J P M Shelby J S Smesrud L O Gatchell and J S Selker 2000 Field evaluation of passive capillary samplers for estimating ground water recharge Water Resour Res 36 2407 2406 Mualem Y 1976 A catalogue of the hydraulic properties of unsaturated soils Technion Israel Institute of Technology Haifa Israel Parker J C and M T Van Genuchten 1984 Flux averaged and volume averaged concentrations in continuum approaches to solute transport Water Resour Res 20 7 866 872 Poletika N N K Roth and W A Jury 1992 Interpretation of solute transport data obtained with fiberglass wick soil solution samplers Soil Sci Soc Am J 56 6 1751 1753 Radulovitch R and P Sollins 1987 Improved performance of zero tension lysimeters Soil Sci Soc Am J 51 1386 1388 Rimmer A S T Steenhuis and J S Selker 1995 One dimensional model to evaluate the performance of wick samplers in soils Soil Sci Soc Am J 59 88 92 Simunek J M Sejna and M T VanGenuchten 1999 The HYDRUS 2D software package for simulating the two dimensional movement of water heat and multiple solutes in variably saturated media International Groundwater Modelling Center Riv
36. Nous ne disposons malheureusement pas des l ments n cessaires son estimation A titre indicatif Landry 2004 mesure dans des colonnes de sol enherb soumises une application de Diuron en surface une concentration r siduelle quatre fois plus forte dans l horizon 0 5 cm que dans l horizon 5 10 cm sous jacent Ces carts de capacit d adsorption ont d j t d crits dans la litt rature et expliqu s par une corr lation entre le Kp et la teneur en carbone organique Benoit et al 1999 Madrigal et al 2002 Cette corr lation est effectivement visible sur nos chantillons cf Figure III 14 et Tableau 111 13 ce qui autorise le calcul du coefficient Koc qui repr sente l affinit de la mol cule pour la mati re organique Ce coefficient peut tre consid r en premi re approximation comme intrins que la mol cule 16 124 D Na a 8 g 4 i f BE o a Vigne 0 T T T ji 0 5 10 15 20 25 Teneur en C g Kg Figure II 14 Relation entre le coefficient de partage Kp du Diuron et la teneur en carbone organique du sol 132 Tableau IIL 13 Valeurs de K calcul es pour les diff rents horizons L incertitude correspond la propagation de l incertitude sur le Kp elle n int gre pas l incertitude li e la donn e de concentration en carbone Kd C org Koc L kg g Kg L kg BE 0 5cm 14 3 23 3 614 159 BE 5 20cm 13 19 2 677 193 BE 20 50cm 4 7 9 1 516
37. On suppose dans un premier temps que toute la porosit contribue de fa on homog ne au transport Le jeu des conductivit s moyennes est suppos rendre compte des flux d eau dans les profils E G et H de m me que le jeu des conductivit s hautes pour le profil F On fait le choix de repr senter l tat hydrique initial simul par l hypoth se la plus favorable correspondant un potentiel surestim m me si l cart entre les diff rentes hypoth ses ne d passe pas quelques minutes On teste trois valeurs de dispersivit la valeur calcul e par l quation IIL 2 et deux autres valeurs respectivement inf rieure et sup rieure d un ordre de grandeur On ne teste pas de valeur sup rieure la longueur caract ristique L de fa on conserver le sens physique de ce param tre Conductivit moyenne Conductivit haute 20 60 200 Ps RE 200 4 Fa TIBCO9OO00 050050050000 0006 f KT H 50 T i ae 5160 Fe 3160 z E E E AE A S 5120 periret 81204 w 7108 30 amp T D z 8 80 Mesure profil E 3 8 80 5 Mesure ROUES 20 2 8 D 0 5cm is IL 8 4 Simu D 0 5cm m 40 D 5cm 40 ES Simu D 5cm J D 50cm Simu D 50cm 7 10 4 Flux d eau simul Flux d eau simul QT ne a O 0 Pee eet 0 O 20 40 60 80 100 120 140 160 180 O 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Temps min Temps min Figure IIL 17 Comparaison des courbe
38. TD xe T gt Mesure S 204 oe Simulation 0 T 7 0 60 120 180 Temps min Figure IV 39 Variations de stock dans la couche 0 50 cm mesur e et simul e La variation de stock maximale simul e est tr s proche de la valeur mesur e Ceci signifie que l tat initial la capacit de r tention saturation et la courbe Oh sont bien reproduits Le palier pr sent par la courbe exp rimentale ne semble pas pouvoir tre justifi Cette coh rence entre valeur mesur e et valeur simul e confirme a posteriori qu il y a bien une diff rence dans l homog n it des flux l chelle macroscopique de la placette entre l v nement naturel et v nement artificiel 2 3 1 4 Percolation 50 cm et bilan Les flux de percolation simul s au niveau des quatre profils quip s de lysim tres sont pr sent s dans le Tableau IV 14 Les flux mesur s sont indiqu s titre indicatif pour comparer les ordres de grandeur Tableau IV 14 Comparaison des flux cumul s simul s 50 cm de profondeur avec les flux cumul s mesur s dans les lysim tres m che et lysim tres atmosph riques la fin de l v nement X 35cm X 215cm X 405cm X 580cm M s re lysi m che 58 36 174 70 lysi atmosph 730 730 730 480 Simulation 167 135 115 99 Les flux simul s par le mod le 50 cm de profondeur sont jusqu trois fois sup rieurs aux flux mesur s avec les lysim tres m che et inf rieurs
39. con u pour enregistrer des v nements ruisselants naturels l aval d une parcelle cultiv e trait e chimiquement Le suivi exp rimental a t r alis sur les ann es 2004 et 2005 Toutefois ce suivi a t compl t par un v nement artificiel simul Une mol cule herbicide a t choisie comme mod le le diuron Parall lement un travail de mod lisation a t r alis l aide d un mod le num rique base physique Le mod le permet une repr sentation explicite du ruissellement de surface et des flux se produisant dans le sol verticalement et lat ralement Il est utilis comme une aide la compr hension des processus d coulement de transport et de r tention des pesticides en surface et subsurface On jette ainsi les bases d une repr sentation num rique quivalente d une zone tampon enherb e utilisable court terme pour pr dire l efficacit d une bande enherb e dans des situations types et suppos es risque et int grable moyen terme dans des outils de mod lisation l chelle du bassin versant 19 Plan du rapport Le premier chapitre propose un tat de l art concernant la capacit des bandes enherb es retenir les produits phytosanitaires transport s par ruissellement de surface De cet tat de l art d coulent la formulation des objectifs de la th se et la pr sentation de la m thodologie envisag e Le second chapitre est consacr la pr sentation
40. de d bit minimum 0 47 L s et de d bit maximum 9 28 L s Le canal install en sortie de placette est un mod le Hydrologic E 1253 AX de d bit minimum 0 18 L s et de d bit maximum 3 32 L s A noter que ces limites sont des limites de quantification correspondant la validit de la courbe d talonnage En pratique on identifie proprement un v nement de ruissellement partir d un d bit seuil de 0 1 L s Les capteurs de pression install s sont des transmetteurs bulle bulle Hydrologic Alph e 3020 1 Hydrologic 1995 Ils mesurent la pression hydrostatique par injection d air d bit continu au pied de la colonne d eau mesurer cf Figure 11 15 Les prises de pression ont t r alis es dans du tube inox de diam tre 4 6 mm coup en sifflet leur extr mit basse dessin en annexe 1 Un tube rigide en rilsan de diam tre 4 6 mm assure la liaison pneumatique entre la prise de pression et les transmetteurs situ s dans une cabane distante de plusieurs m tres i T Alimentation lectrique 12V 0 lt q Sortie analogique 4 20mA Prise de pression Liaison pneumatique Figure II 15 Sch ma d un syst me bulle bulle La pr cision de la cha ne de mesure des pressions a t caract ris e en laboratoire et l incertitude globale associ e la mesure du d bit instantan a t calcul e par les formules de OT composition des incertitudes du guide ISO 1993 Le d tail des calcu
41. de l amitrole dans les sols adsorption d gradation et stabilisation des r sidus PhD Thesis I N A Paris Grignon 168 pp Deletic A 2000 Sediment behaviour in overland flow over grassed areas PhD Thesis 175 pp Deletic A 2001 Modelling of water and sediment transport over grassed areas Journal of Hydrology 248 1 4 168 182 Delphin J E and Chapot J Y 2001 Leaching of atrazine and deethylatrazine under a vegetative filter strip Agronomie 21 461 470 Dillaha T A Reneau R B Mostaghimi S and Lee D 1989 Vegetative filter strips for agricultural nonpoint source pollution control American Society of Agricultural Engineers 32 2 513 519 Dosskey M G 2001 Toward quantifying water pollution abatement in response to installing buffers on crop land Environmental Management 28 5 577 598 Dosskey M G 2002 Setting priorities for research on pollution reduction functions of agricultural buffers Environmental Management 30 5 641 650 Edwards D R Shipitalo M J Traina S J Edwards C A and Owens L B 1992 Role of Lumbricus Terrestris L burrows on quality of infiltrating water Soil Biology Biochemistry 24 12 1555 1561 El Kadi A I and Ling G 1993 The Courant and Peclet Number Criteria for the Numerical Solution of the Richards Equation Water Ressource Research 29 10 3485 3494 Esteves M Faucher X Galle S and Vauclin M 2000 Overland flow and infiltration modelling for
42. e absolue largie 95 sur les masses de solut inject es On constate que l incertitude sur les masses totales inject es pendant la phase de dopage sont de 10 g pour le bromure et 7 g pour le diuron 2 3 3 Incertitude sur les volumes sortis du syst me par ruissellement de surface On applique les m mes formules que dans la partie 2 3 1 Le r sultat est illustr dans la Figure VI 15 120 10 Uc Vcum a Uc Vcum Vcum peeh gt Incertitude absolue L Incertitude relative 0 50 100 150 Temps min Figure VI 15 Incertitudes absolues et relatives 95 sur le volume cumul sorti de la placette par ruissellement de surface En valeur absolue l incertitude sur le volume cumul est de 19 Litres la fin de la phase de dopage et de l ordre de 104 Litres la fin de l v nement Les valeurs relatives correspondantes sont inf rieures 5 dix minutes apr s le d but de l coulement et inf rieures 2 45 minutes apr s le d but de l coulement Il faut toutefois rappeler que les formules utilis es ne tiennent pas compte de la corr lation entre les mesures de d bit successives Ces valeurs doivent donc tre consid r es comme des valeurs minimales 264 2 3 4 Incertitude sur le volume infiltr dans la placette Le volume infiltr est calcul par la relation Infiltration Ruiss entr Ruiss sorti L incertitude type s crit donc U Inf
43. en terme d impact sur le transfert des polluants type produits phytosanitaires vers les eaux de surface et les eaux souterraines Ces recommandations restent essentiellement qualitatives et bas es sur des r sultats obtenus sur quelques sites particuliers Or la litt rature ne permet toujours pas ce jour de formuler des r gles quantitatives Les capacit s de pr diction doivent donc tre am lior es L enjeu est double la fois environnemental et conomique dans la mesure o la cr ation et l entretien d une zone tampon ont un co t Des informations quantitatives sur l efficacit attendue d un am nagement en terme de r duction des flux et d impact sur la qualit des milieux aquatiques seraient notamment utiles pour les gestionnaires de l espace rural mais aussi pour convaincre un plus grand nombre d exploitants agricoles de renoncer une partie de leur surface cultivable L am lioration des outils de pr diction passe notamment par la consid ration des sp cificit s de chaque site ce qui induit l utilisation de mod les num riques base physique capables d int grer les principaux processus d terminant la capacit de dissipation des bandes enherb es Le d veloppement d un outil l chelle locale de la bande enherb e permettrait d envisager la formulation de recommandations via le test de sc narios d am nagements dans une large gamme de situations types Un tel mod le devrait ensuite tre
44. hypoth se moyenne concernant l tat initial du profil E Cb PmE Cm PmE Ch PmE Les flux simul s au niveau de la limite de suintement d crivant les lysim tres sont illustr s par la Figure III 10 et le Tableau II 9 2000 Infiltration Ch Percolation Ch 1600 s Infiltration Cm Percolation Cm Infiltration Cb Percolation Cb o _ _4_ _ _ Flux mm h Temps min Figure III 10 Flux simul s en surface et dans les lysim tres via les trois hypoth ses de conductivit Tableau II 9 Comparaison des valeurs de flux stabilis mesur es sur les diff rents profils avec les valeurs simul es selon les hypoth ses de conductivit basse Cb moyenne Cm et haute Ch F Hyp Cb Hyp Cm Hyp Ch gs an Surface 310 640 1300 z 50cm 19 87 310 Flix mesure Profil E Profil F Profil G Profil H Surface 750 880 325 810 mm h z 50cm 90 75 330 370 50 60 115 Le flux simul en r gime permanent sur la limite de suintement semble directement li a la perm abilit de l horizon 30 90 cm cf Tableau II 8 On en d duit que la comparaison des flux simul s et mesur s en r gime permanent dans les lysim tres permet essentiellement 125 de valider le param tre K de cet horizon Le flux simul en surface semble surtout li a la perm abilit de l horizon 0 10 cm dans les hypoth ses Cm et Ch En revanche dans l hypoth se Cb le flux
45. il y a probablement un m lange spatialement variable des deux types de flux par des processus localis s de r infiltration et d exfiltration De surcro t la goutti re de r cup ration du ruissellement la sortie de la placette n est pas rigoureusement pos e sur la surface du sol mais plant e une profondeur comprise entre 2 et 7 cm ce qui implique qu elle r cup re la fois les coulements de surface et issus du mat racinaire L hypoth se d un contr le par le seul horizon 10 30 cm ignore cependant la baisse de perm abilit constat e entre les horizons 10 30 cm et lt 30 cm Ceci est acceptable dans le cas de l v nement naturel car cet v nement est trop fugace pour que l interface situ e 30 cm contr le l infiltration globale de la placette En revanche cette simplification est critiquable dans le cas de l v nement artificiel En effet les mesures humidim triques et tensiom triques permettent de penser que le bulbe s est d j propag au del de la profondeur 30 cm et sur toute la surface de la placette au moment o le ruissellement arrive l exutoire Autrement dit on sugg re que l infiltration est contr l e par horizon lt 30 cm et non par l horizon 10 30 cm au cours de l v nement artificiel Mais la perm abilit moyenne mesur e dans cet horizon 60 mm h sugg re un refus d infiltration 280 mm h incompatible avec les valeurs mesur es l exutoire C
46. int r t principal d une bande repose sur ses capacit s d infiltration Muscutt et al 1993 Patty 1997 USDA NRCS 2000 Ce processus agit principalement sur les produits en solution Cependant les particules fines lt 0 45 um peuvent aussi p n trer dans le sol entra nant avec elles les mol cules adsorb es leur surface Mercier 1998 Peu de r sultats de mesures in situ de perm abilit sont disponibles mais les quelques valeurs mesur es sont particuli rement lev es allant de 2 58 cm h sur un couvert de ray grass anglais de sept ans Souiller et al 2002 et de 15 33 cm h sur la zone racinaire d un couvert de f tuque de 2 3 mois Watanabe and Grismer 2001 L enherbement est l origine d une modification des caract ristiques porales de la couche de surface du sol Ceci peut s expliquer par l effet structurant du chevelu racinaire particuli rement dense et par l enrichissement du sol en mati re organique Benoit et al 26 1999 Madrigal et al 2002 celle ci jouant un r le stabilisateur sur les agr gats de particules Tisdall and Oades 1982 L activit de la macrofaune intervient galement les populations de rongeurs taupes ou vers de terre sont g n ralement importantes en prairie du fait de la pr sence de substrat facilement assimilable de l absence de traitement phytosanitaire et de l absence de travail du sol Beven and Germann 1982 elles favorisent la formatio
47. irr aliste de la matrice solide Le mod le permet de mettre en vidence un processus de non 51432 quilibre physique traduisant le fait que le transport convectif se fait uniquement dans une fraction restreinte de la porosit avec des changes plus lents de type diffusif entre les fractions mobiles et immobiles de la porosit ainsi distingu es Bien que ne reproduisant pas exactement la forme des courbes de perc e exp rimentales le mod le utilis est jug satisfaisant pour rendre compte de la propagation des solut s dans la zone racinaire l chelle d un v nement ruisselant naturel car le retard de la propagation simul e sur la propagation observ est faible de l ordre de quelques minutes Des propri t s caract ristiques de la matrice ont ainsi t d termin es une dispersivit longitudinale de 5 cm un transport convectif limit une fraction mobile avoisinant 60 de la porosit totale et une cin tique d change du premier ordre entre les deux types de porosit caract ris e par une constante cin tique 0 05 h Au final l tude du processus d adsorption montre un potentiel d adsorption important dans la zone racinaire mais associ une cin tique non instantan e L tude de la propagation d un traceur dans cette m me zone racinaire montre l existence d un transport rapide probablement pr f rentiel Par cons quent ces r sultats posent avec insistance la question
48. la zone racinaire ne sont que faiblement surestim s 193 2 3 2 Etude de la contribution des flux transversaux l infiltration Au cours de l v nement artificiel les flux sont probablement significativement tridimensionnels Afin d estimer le biais engendr par une repr sentaion 2D longitudinale on value les flux transversaux g n r s dans le sol l aide d un mod le plan transversal L utilisation de deux mod les 2D ne peut videmment pas se substituer un mod le 3D mais elle fournit des l ments d appr ciation Le risque associ une mod lisation 2D est de surestimer les potentiels sous la placette car les pertes de charge dans le plan orthogonal au plan repr sent sont implicitement suppos es nulles Ceci signifie que les flux lat raux de subsurface ayant lieu aux limites de la placette dans le plan transversal autrement dit les effets de bordure risquent aussi d tre surestim s Les r sultats sont interpr t s en connaissance de cause 2 3 2 1 D marche a G om trie et maillage Les contours ext rieurs du mod le plan transversal sont repr sent s dans la Figure IV 41 Le mod le a t d fini suffisamment large 40 m pour supposer l impact des conditions impos es sur les limites lat rales n gligeables 100 Transect pi zom trique Placette exp rimentale EE E i D N 100 O TD J lt T 300 500 T T T T T T T T T T T T T T T
49. lisation des hauteurs de nappe est en g n ral acceptable l erreur sur les volumes ruissel s est beaucoup plus importante Inamdar et al 1999 Tucker et al 2000 stream Figure I 3 Profil de zone tampon mod lis par REMM Inamdar et al 1999 Finalement aucun de ces outils ne prend en compte le probl me du transfert de produits phytosanitaires travers un syst me enherb Dans leur tat de d veloppement actuel ils s appliquent au transfert d eau de mati re en suspension et d l ments chimiques tels que le phosphore et l azote On observe par ailleurs que les concepts utilis s dans ces mod les ne permettent pas de repr senter la complexit r elle des processus hydrodynamiques se produisant dans une bande Ainsi l quation de Green and Ampt largement utilis e pour repr senter l infiltration est assez restrictive elle suppose une teneur en eau initiale homog ne du sol et n glige le ph nom ne de sorptivit Elle ne permet pas notamment de rendre compte de l infiltration dans un sol stratifi ni en pr sence d une nappe Enfin aucun de ces outils ne consid re les transferts de subsurface de mani re explicite ce qui n cessiterait une approche 2D 1 5 Recommandations pour l am nagement des bandes enherb es La complexit et la variabilit des facteurs contr lant l efficacit d une bande enherb e sont tels quaucun outil quantitatif n est actuellement disponible pour d
50. lisation num rique 2D pour valuer dynamiquement les performances des lysim tres m che et pour corriger le biais ventuel entre les flux draines et les flux r els dans le sol Mots cl s percolation lysim tre m che incertitude de mesure mod lisation 268 3 1 Introduction Les flux verticaux d eau et de solut s dans la zone non satur e du sol sont des variables qu il est int ressant de conna tre en hydrologie pour diff rents buts comme par exemple pour estimer la recharge d une nappe ou un risque de contamination par des polluants De telles variables permettent aussi de valider les mod les num riques de transferts Elles sont alors plus int ressantes car plus int gratrices que les variables d tat telles que l humidit du sol ou le potentiel matriciel Cependant peu de protocoles exp rimentaux sont disponibles pour d terminer les flux d eau et de solut s dans le sol et la plupart d entre eux donnent des mesures peu repr sentatives Les tensiom tres sont souvent employ s du fait de leur co t abordable et de la facilit d installation et d utilisation Ils mesurent un potentiel local qui permet de calculer un gradient local et par l utilisation de la loi de Darcy d estimer le flux Sophocleous and Perry 1985 Stephens and Knowlton 1986 N anmoins la relation entre la conductivit hydraulique et le potentiel doit tre d termin e Ceci repr sente une source d incertitud
51. ne des solut s Ces concepts permettent de rendre compte d coulements de type pr f rentiel malgr l utilisation d une repr sentation homog ne des flux d eau Ces choix sont coh rents avec l utilisation du mod le Hydrus 2D 4 2 2 Le travail de mod lisation Param trisation Nous avons choisi d ajuster les courbes A 0 et K h sur des donn es de conductivit et de r tention acquises exp rimentalement sur le sol du site exp rimental En effet d une part l quation de Richards est extr mement sensible ces param tres D autre part l objet de notre tude est justement de caract riser les sp cificit s hydrodynamiques d un sol enherb Une optimisation des param tres mesur s sera toutefois n cessaire du fait des incertitudes de mesure du changement d chelle entre les mesures hydrodynamiques r alis es petite chelle et le fonctionnement macroscopique de la placette ou encore parce que certains param tres restent difficilement accessibles par la mesure La d termination exp rimentale des courbes h et K h permet somme toute de limiter avantageusement le nombre de degr s de libert lors de ces optimisations et le risque d qui finalit associ Test et validation du mod le d infiltration l chelle locale dans une situation simple La mod lisation est d abord envisag e dans une situation sans ruissellement de surface pour laquelle la condition la surface du so
52. rents protocoles ont t utilis s pour caract riser le fonctionnement du profil de sol en r gime satur et non satur Les caract ristiques chimiques ont t caract ris es travers les propri t s d adsorption incluant isotherme et cin tique Celles ci ont t d termin es en prenant pour mod le la mol cule de Diuron jug e repr sentative Sur le plan num rique nous avons utilis un mod le bidimensionnel repr sentant les coulements dans le sol par l quation de Richards r solue en deux dimensions et l coulement de surface par l quation d onde cin matique Ces deux quations sont r solues de fa on coupl e Le transport des solut s est repr sent par l quation de convection dispersion r solue sur tout ou une partie de la porosit Les relations d tat K h et h ont t d termin es exp rimentalement Elles ont t test es dans un premier temps sur la base de mesures de flux d eau et de solut faites l chelle locale du profil de sol et sans ruissellement Le mod le coupl ruissellement infiltration a ensuite t utilis pour discuter des flux d eau se produisant l chelle macroscopique du dispositif exp rimental lors des deux v nements tudi s Connaissance des propri t s caract ristiques du milieu Les mesures hydrodynamiques sugg rent l existence d une porosit structurale importante dans les horizons de surface Ceci se traduit par u
53. rimentale de deux v nements contrast s ss 145 1 1 Description des v nements CUGICS sicsacsceascsvasiieananicstassnexetaanvadiiatavand laousedstanseannaante 145 1 1 1 L venement naturel dw 12 aout 2004 ix sis kiceescdusensecdenctepsarduncecdenetevenspandncdeosteeetavandneceouieeedse 145 1 1 2 L v nement artificiel sise 153 1 1 3 Synth se comparative des deux v nements 165 1 2 Discussion des processus d cOUl MeNE Lin anim ondons 166 1 2 1 Ecoulements de surface issues 167 1 2 2 Ecoulements de subsurface naar ee a anis these rhone 171 1 3 Conclusions de l analyse exp rimentales sisi moine 172 2 Mod lisation i sssseiisiiceisiseseesssssstessusdrenioss isunen enna DO OR E oa ar ana E E ayaee eee 173 2 2 Simulation de l v nement nantes sandrine 180 2 2 1 Ruissellement de surface et mflltration scsi ceed cuisines 181 2 2 2 Propagation des flux en subsurface eee oeno ieee r ane E OE eE EN EEPE EPOE EERS 183 A e A TEO IREO E A A A EATE OEE A E ET E A T 185 2 2 4 Percolation 50 cm de profondeur et bilan 186 2 3 UMM a GIT de l v nement artificiel 22 castes sue de ni Ra rn 188 2 3 1 Utilisation des param tres hydrodynamiques valid s sur l v nement naturel 188 2 3 2 Etude de la contribution des flux transversaux l infiltration 194 2 3 3 Etude de la contribution de la macroporosit l infiltration
54. ruissellement de surface Ceci justifie a posteriori la remarque faite sur les volumes r cup r s par les lysim tres atmosph riques Le terme de percolation est pour cet v nement aussi tr s important b Dynamique de propagation en surface Ruissellement mesur l exutoire La Figure IV 12 illustre le d bit mesur en surface l exutoire de la placette not Sortie ainsi que le flux infiltr calcul par diff rence Entr e Sortie not Infiltration 600 0 4 500 41 400 4 Sortie 300 Infiltration 200 4 100 4 D bit par unit de surface mm h T 2 2 Ruissellement entrant mm h 0 40 80 120 160 200 240 Temps minute Figure IV 12 Flux mesur s en surface en entr e et sortie de la placette et flux d infiltration calcul La courbe repr sent e sur l axe des ordonn es invers correspond au ruissellement entrant L coulement l exutoire d bute 29 minutes apr s le d but de l v nement Pendant cette phase d imbibition le flux infiltr est gal au flux inject dans la placette La capacit d infiltration de la placette est au moins gale 370 mm h pendant les vingt neuf 158 premi res minutes de l v nement On remarque que cette valeur est sup rieure la capacit d infiltration d termin e durant le pic principal de l v nement naturel Apr s son apparition l cou
55. se un organigramme des variables affectant le fonctionnement d une bande enherb e Tableau I 3 Organigramme des variables affectant le fonctionnement d une bande enherb e Longueur Surface efficace Largeur Dimensions Au systeme Uniformit du relief Topographie P dog n se Ant c dent cultural Anciennet de l enherbement Perm abilit Pr cipitations et ruissellement Contexte climatique Hydrologie de versant Contexte climatique Evapotranspiration Couvert v g tal Infiltration Etat hydrique Texture et Structure P dog n se Ant c dent cultural Anciennet de l enherbement Profondeur du substratum Contexte g ologique Pente Topographie Densit v g tale R sistance a la flexion Hauteur de fauche Hauteur d eau Rugosit D bit section Hydrologie du versant Contexte climatique Pr c dent cultural Anciennet de l enherbement Quantit de mati re organique Taux de min ralisation Adsorption Koc de la mol cule Pratiques phytosanitaires Vitesse d coulement Pente Topographie Densit v g tale Rugosit R sistance la flexion Hauteur de fauche Caract ristiques des MES Contexte p dog n tique Conditions rosives Pente S dimentation Rugosit Densit v g tale R sistance la flexion Hauteur de fauche D bit Contexte climatique Hydrologie du versant 1 3 Devenir des produits intercept s par un dispositif
56. sent es dans le Tableau V 5 Tableau V 5 Concentrations mesur es dans les lysim tres apr s l v nement du 12 ao t 2004 Abscisse X 35cm X 215cm X 405cm X 580cm Concentration L 1 5 0 3 0 5 0 2 Ces concentrations sont inf rieures d un deux ordres de grandeur aux concentrations mesur es dans le ruissellement de surface Cet abattement peut traduire une dilution du flux infiltr dans l eau initialement pr sente dans le profil mais probablement aussi un processus d adsorption sur la matrice solide Ces hypoth ses sont discut es par la suite Nous avons vu que les lysim tres m che induisent une sous estimation du flux d eau percol Par cons quent les flux d eau mesur s dans chaque lysim tre ne sont pas utilis s pour calculer la masse de Diuron percol e On utilise pour cela le flux d eau percol estim l chelle de placette travers le bilan tabli sur la p riode incluant l v nement et les 24 heures suivantes cf chapitre IV Ce calcul est compl t par une estimation bas e sur les flux d eau simul s au niveau de chaque lysim tre par le mod le num rique Les masses ainsi calcul es sont pr sent es dans le Tableau V 6 Tableau V 6 Masse de Diuron percol e 50 cm estim e partir des flux d eau mesur s et simul s Abscisse X 35cm X 215cm X 405cm X 580cm Moyenne Volume d duit du bilan mm 90 90 90 90 Masse quivalente mg 3 4 0 7 1 2 0 5 1 4 Volume simul m
57. sent s dans l annexe 9 b Pi zom trie On constate au droit du site exp rimental la pr sence d une nappe de versant p renne alimentant la rivi re cf Figure IL 11 Le caract re permanent de cette zone satur e est confirm dans la partie basse du versant par la coloration gris clair du sol indicateur d hydromorphie attestant de conditions d anoxie p rennes Cette zone satur e se trouve en g n ral une profondeur sup rieure 1 8 m dans la partie sup rieure et sup rieure 1 m dans la partie basse Elle peut toutefois pr senter des battements d amplitude importante d passant 1 m entre les p riodes s ches et les p riodes pluvieuses cf Figure IL 11 Lors d v nements pluvieux particuli rement intenses la profondeur minimale de la nappe est observ e dans la partie basse de la parcelle elle peut tre 60 cm sous la surface du sol au niveau de la limite aval de la placette mais la profondeur mesur e au m me moment au niveau de la limite amont reste de 1 5 m Parcelle de vigne Parcelle enherb e Rivi re 700 4 cote sol pi zom trie mini 24 05 2005 X pi zom trie maxi 19 04 2005 gt 300 4 2 T 2 0 TD 2 100 4 lt 500 ra 1 3000 2200 1400 600 200 1000 1800 Abscisse relative X cm Figure II 11 Pi zom trie maximale et minimale mesur e en fond de versant sur la p riode 2004 2005 1 1 3 L instrumentation objectifs implantation
58. senter correctement le syst me on utilise le mod le Hydrus 2D r solvant l quation de Richards en deux dimensions en r gime non permanent et permettant de repr senter des mat riaux de propri t s diff rentes 2 2 1 Hypoth ses de mod lisation 2 2 1 1 G om trie et conditions aux limites du domaine de mod lisation On utilise un domaine tridimensionnel pr sentant une sym trie cylindrique ce qui permet de le repr senter par sa section Le domaine a un rayon de 80 cm et une hauteur de 122 200 cm Chaque collecteur lysim trique de forme carr e et de 25 cm de cot est ici repr sent par une surface circulaire quivalente de rayon 14 1 cm situ e 50 cm de profondeur On ne repr sente pas le fait que les collecteurs sont associ s par deux et peuvent interagir l un sur l autre chaque collecteur est suppos isol dans un bloc de sol On ne repr sente pas non plus l excavation r alis e lors de la mise en place des collecteurs On suppose ainsi que le remblai des excavations a t fait de mani re assurer un bon contact entre le remblai et le sol originel et une densit similaire Condition de charge h 3 cm Ky TS A PA LT ISRO A ASRA PAPA nee ae AA Sar FO AAA vat SN SN Ke A RER SRESER g i a W A XX By REESE DK ZPRRERERE a a VA R is AS al D YAN Sai PRANS RE fy ANSE SBS Lt a LAVER Bae Vay
59. tations sont illustr es dans la Figure V 5 sous la forme d une hypoth se haute et d une hypoth se basse Dans les deux cas la concentration avant l v nement est suppos e nulle 215 Profondeur cm 60 Hyp haute 80 Hyp basse 100 oot 0 10 20 30 Concentration ug kg Figure V 5 Concentrations en Diuron d termin es sur la phase solide Les points repr sentent des moyennes et les barres des cart types calcul s sur trois r p titions L hypoth se haute suppose que les valeurs non quantifi es sont gales 2 3 ng kg L hypoth se basse suppose qu elles sont nulles On constate une baisse significative de la concentration adsorb e avec la profondeur Ceci peut tre mis en relation avec le profil de mati re organique constat cf chapitre II et les valeurs de coefficient de partage Kp d termin es en laboratoire cf chapitre IT Ces concentrations permettent d estimer la quantit de mati re adsorb e dans chacun des trois horizons caract ris s Cette estimation est pr sent e dans le Tableau V 12 Les incertitudes sont calcul es par propagation de l incertitude sur la concentration Tableau V 12 Quantit s de mati re adsorb es par horizon exprim es en valeur absolue mg et relativement la masse totale adsorb e entre 0 et 90 cm M tot Hypoth se haute Hypoth se basse Horizon M absolue M relative M absolue M relative m M tot m M tot
60. tique sont repr sentatifs des temps caract ristiques des syst mes et processus tudi s 2 min 5 min 15 min 1 h 6 h 15h et 24h En effet on estime que le temps de s jour du ruissellement de surface dans une bande enherb e d une dizaine de m tres n exc de pas quelques minutes On estime de m me que dans un sol enherb de texture grossi re ou en pr sence de macropores il est probable que le temps de s jour dans la zone racinaire des flux infiltr s en surface ne d passe pas une heure De telles valeurs r alis es pour des temps de contact inf rieur 10 min repr sentent un apport r ellement original la litt rature existante Le rapport massique sol eau utilis 1 2 a lui aussi t choisi aussi repr sentatif que possible c est dire aussi grand que le permet la technique batch 1 3 2 2 D termination des isothermes d adsorption Les horizons caract ris s sont les suivants sol enherb horizon 0 5 cm sol enherb horizon 5 20 cm sol enherb horizon 20 50 cm sol enherb horizon 50 100 cm v g taux de surface correspond la partie a rienne et chlorophyllienne du couvert v g tal ne contient pas de racines ou de tiges sol de vigne horizon 0 20 sol de vigne horizon 20 50 Les isothermes sont d termin es sur la base de quatre concentrations de dopage repr sentatives 5 ug L 20 ug L 100 ug L et 500 ug L Les points a 5 20 et 100 ug L ont t r alis s
61. volution de type cr neau de p riode 7 8 secondes correspondant a la p riode de rafraichissement de la m moire analogique du capteur On constate par ailleurs que le signal pr sente des valeurs erratiques Ces erreurs loign es de 2 mm ou plus de la valeur moyenne donc en dehors du bruit de mesure sont facilement identifiables et filtrables L incertitude de la mesure est estim e par l cart type de chroniques de pression enregistr es pendant 10 min au pas de la seconde Les r sultats figurent dans le Tableau VI 1 Tableau VI 1 Ecart type de mesures obtenues avec diff rents protocoles de mesure et traitement Ecart type des Ecart type des mesures brutes mesures filtr es R sistance Prise de pression cm CE cm CE 350o0hms droite 4 6mm sifflet 0 09 0 06 2500hms droite 4 6mm sifflet 0 15 0 05 1000hms droite 4 6mm sifflet 0 09 0 14 0 05 0 06 1000hms droite 4 6mm trou 0 15 0 13 1000hms droite 7 10mm biseau 0 14 0 09 1000hms droite 7 10mm sifflet 0 18 0 08 1000hms droite 3 4mm biseau 0 19 0 18 100ohms coud e 4 6mm 0 09 0 04 2049 b Figure VI 7 Photographie des diff rentes formes de prise de pression test es On constate que la forme de la prise de pression et son diam tre ont un impact sur le bruit de mesure ce qui est difficile justifier En revanche la mesure n est pas affect e par la longueur de la liaison pneumatique ce qui est logique et semble assez peu sensible la r sistance utilis e l
62. 1 2 R tention hydrique en fonction du potentiel matriciel La courbe de r tention hydrique en r gime non satur a t caract ris e par la m thode de Wind 1968 qui fournit un ajustement de l quation de van Genuchten 1980 sur la base de mesures faites entre 0 1 m et 10 m de potentiel matriciel On note que les valeurs de teneur en eau saturation d termin es sont obtenues par ajustement et non par mesure Les horizons caract ris s sont les suivants 30 40 cm 50 60 cm et 70 80 cm Les mesures ont t r p t es deux fois sauf dans l horizon 70 80 cm pour lequel nous ne disposons que d un chantillon Les r sultats obtenus sont illustr s dans la Figure II 1 0 5 2 30 40cm 1 0 4 30 40cm 2 2 50 60cm 1 gt 50 60cm 2 a 03 D 70 80cm 1 Cc Lo 3 02 EE RE par 5 AR 0 1 r 10 9 8 7 6 5 4 3 2 i 0 1 0 Potentiel matriciel m Potentiel matriciel m Figure III 1 Courbes de r tention hydrique d termin es sur diff rents horizons par la m thode de Wind Les courbes obtenues pour les trois horizons caract ris s sont tr s proches dans la gamme de potentiel 0 5 m 10 m A proximit de la saturation les chantillons 30 40 cm et 50 60 cm pr sentent des valeurs voisines de 0 4 cm cm En revanche l chantillon 70 80 cm pr sente des valeurs ne d passant pas 0 33 cm cm ce qui le distingue des
63. 10 Ruis qu 1 7 10 2 15 7 9 10 3 16 Cr parcellaire 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 Pluie qu 17 9 101 67 25 13 148 99 79 41 101 67 26 14 159 106 Dopage Total 12 ao t 2004 180 160 N A pluies 2004 2005 110 J R Stat T 2ans 1205 aaaea Stat T 5ans 00 A 1 10 Cr 10 2 80 1 10 Cr 20 oO LE fa IRS o A 1 110 Cr 10 60 Ta gZ e N m 1 110 Cr 20 40 4 Sa Se Be eg TSS ica 20 oo Me oe 07T ou 0 e T T j 0 30 60 90 120 150 180 Dur e minute Figure IV 11 Comparaison des pluies sources quivalentes l v nement simul avec les pluies enregistr es dans la p riode 2004 2005 et les caract ristiques Intensit Dur e Fr quence de p riode de retour 2 ans et 5 ans M t ofrance L v nement du 12 ao t est galement indiqu titre de comparaison m mes symboles mais de taille inf rieure Dans la configuration du site exp rimental ratio 1 110 la phase de dopage de l v nement simul correspond un v nement de p riode de retour inf rieure 2 ans Associ e un ratio 1 10 cette m me phase de dopage correspond un v nement de p riode de retour sup rieure 5 ans sauf supposer un coefficient de ruissellement sup rieur 20 En cela la phase de dopage de l v nement artificiel simul est assez proche de l v nement naturel enregistr le 12 ao t Elle peut donc tre
64. 154 BE 50 100cm 3 3 4 16 793 288 Vigne 0 20cm 3 2 11 8 271 136 Vigne 20 50cm 2 4 6 76 355 74 On constate que les coefficients K calcul s pour le sol de la bande enherb e sont coh rents avec les donn es de la litt rature tout en correspondant aux valeurs les plus hautes fourchette de 29 902 L kg d apr s la base de donn e Agritox avec des valeurs guide de 480 L kg SIRIS 525 L kg Bayer Crop Science 538 L kg 696 L kg Dupont de Nemours soit une valeur guide moyenne de 560 94 L kg Elles sont par ailleurs sup rieures aux valeurs d termin es par Gaillardon 1995 441 et 588 L kg par Margoum 2003 420 et 480 L kg sur des s diments de Roujan et La Jailli re et nettement sup rieures aux valeurs d termin es par Landry 2004 de 95 137 L kg L cart important obtenus avec ce dernier est difficile expliquer car malgr un ratio sol eau inf rieur 1 5 la concentration de dopage utilis e est tr s forte 24 6 mg L L cart type associ aux valeurs d termin es ne permet pas de conclure fermement mais on peut voir dans l cart existant entre les Koe d termin s pour le sol enherb tudi et les Koc de la litt rature l effet d une mati re organique particuli rement adsorbante car particuli rement humifi e dans un sol maintenu en herbe de nombreuses ann es Benoit et al 1999 Les coefficients Koc calcul s pour le sol de vigne sont sensiblement inf rieurs aux valeurs d termin
65. 199 Wauchope R D 1978 The pesticide content of surface water draining from agricultural fields a review Journal of environmental quality 7 4 459 472 Wind G P 1968 Capillary conductivity data estimated by a simple method In P E Rijtema and H Wassink Editors Water in the saturated zone Vol 1 Proceedings of the Wageningen symposium Wageningen the Netherlands 19 23 June 1966 IASH Gentbrugge the Netherlands and UNESCO Paris pp 181 191 Wooding R A 1968 Steady infiltration from a shallow circular pond Water Resources Research 4 1258 1273 239 s340 Chapitre VI Annexes 1 Photographies du sol de la placette exp rimentale 2 Calcul des incertitudes exp rimentales 3 Evaluation num rique du biais associ a la mesure de flux d eau et de solut s dans le sol l aide de lysim tres m che projet d article 4 Protocole de calibration des sondes humidim triques Campbell CS616 5 C blage du syst me d acquisition des donn es 6 D termination de la perm abilit au voisinage de la saturation par la m thode multipotentiel 7 Protocole de d termination des isothermes et cin tiques d adsorption du Diuron sur le sol 8 Equations de m lange appliqu es au ruissellement de surface 9 Ev nements enregistr s sur le site pendant la p riode d observation 2004 2005 DAT sja 1 Photographies du sol de la placette exp rimentale 1 1 Le mat racinaire et la zone rac
66. 2 Etude et mod lisation des flux d eau l chelle locale du profil 120 2 1 Etude exp rimentale des flux a l chelle du profil sans 120 2 1 1 Donn es obtenues avec les lysim tres atmosph riques 120 2 1 2 Donn es obtenues avec les lysimetres m che 121 2 2 Mod lisation des flux l chelle locale du profil 122 2 2 1 Hypoth s s de mod lisation oee rone raeo reo one Era OE E Aa E POENAE POEET IEEE OROS 122 QD De FLUX SUES sa nn a ne nat e E E e Ab ope EAE eyes 124 2 3 Conclusion concernant lhydrodynamique ss sn 128 3 Description du processus d adsorption du Diuron ses 129 SOS ne oO pA UD ate args E RER a RERS 129 3 2 Chi tiqu es d adsorption acts dd ad EE EEE ENEE E E 133 4 Etude et mod lisation de la propagation d un traceur conservatif l chelle locale 135 4 1 Etude exp rimentale de la propagation d un traceur dans la zone racinaire 135 4 2 Mod lisation de la courbe de perc e dans le lysimetre nnnnsssnnsnssseeesssereeeseeee 137 4 2 1 Hypoth se d un transport homog ne ss 138 4 2 2 Hypoth se d un transport h t rogeties iccc cient aia EE E E A Ea 139 4 3 Conclusion concernant le transport des solut s dans la zone racinaire 143 Chapitre IV Etude des flux d eau dans une bande enherb e interceptant n ruissellement assssssivssseseivssisssavssisaeivssisavsvseisiessositsusssoisiessioisassssoasasssssssasss LAS 1 Analyse exp
67. 2 et sa persistance potentielles dans l environnement sont moyennes De plus les m thodes d analyse la concernant sont aujourd hui largement valid es Cet argument bien que purement technique est un argument de poids en chimie environnementale Enfin cette mol cule pr sente un risque de contamination av r puisqu elle tait retrouv e en 2002 dans 35 des pr l vements d eau superficielle et 7 des pr l vements d eau souterraine r alis s par l IFEN dans le cadre de sa mission de surveillance de la qualit des eaux fran aises IFEN 2004 Elle figure en outre sur la liste fix e par la Directive Cadre sur l Eau des substances surveiller en priorit dans l environnement Caract risation des propri t s hydrodynamiques du milieu Le sol du site exp rimental et plus particuli rement la zone racinaire a t caract ris du point de vue de ses propri t s hydrodynamiques Ses propri t s de conductivit hydraulique et de r tention hydrique ont ainsi t tablies en r gime satur et non satur Les mesures se concentrent sur la zone 0 50 cm sur laquelle se focalise notre travail Plusieurs horizons ont t caract ris s l int rieur de cette zone dans le but de mettre en vidence une ventuelle corr lation entre perm abilit et densit du chevelu racinaire Les horizons caract ris s ont t choisis apr s observation du profil de sol Caract risation des propri t s
68. 20 1 1 1 3 Devenir des flux entr s dans le syst me ruissellement variation de stock et percolation a Bilan On consid re un syst me constitu de la couche de sol 0 50 cm de la placette exp rimentale Les flux entrants dans ce syst me sont le ruissellement de surface et la pluie On suppose que les flux entrants dans le sol en amont de la couche 0 50 cm sont n gligeables Les flux sortants sont le ruissellement de surface observ l exutoire la percolation 50 cm de profondeur et les flux sortant dans le sol en aval de la couche 0 50 cm 148 On effectue un bilan des flux entrants stock s et sortants sur une p riode incluant l v nement et les vingt quatre heures suivantes de fa on int grer le ressuyage du profil se produisant apr s la fin de l v nement Les flux percol s 50 cm sont estim s dans un premier temps gr ce aux mesures lysim triques pr sent es dans le Tableau IV 3 Les flux stock s sont estim s par diff rence entre les mesures d humidit faites avant l v nement et 24 heures apr s Ce bilan est illustr par le Tableau IV 4 Tableau IV 3 Hauteur d eau totale percol e not e Hperc mesur e dans les lysim tres m che Les incertitudes correspondent l cart type la moyenne calcul e partir des deux collecteurs de chaque lysim tre Abscisse X 35cm X 215cm X 405cm X 580cm Hperc mm 41 8 30 4 17 5 23 0 5 Tableau IV 4 Bilan 2
69. 3 S gt 80 5 LL L L 40 0 0 10 20 30 40 50 60 Temps min Temps min Figure IV 17 Mesures lysim triques instantan es faites avec les lysim tres m che figure de gauche et les lysim tres atmosph riques figure de droite NB les chelles en Y diff rent Ces courbes confirment qu une percolation se produit sous la zone racinaire peu de temps apr s le d but de l v nement conform ment ce que sugg re la dynamique de variation de stock dans la zone racinaire 162 Les mesures tensiom triques faites aux abscisses X 240 cm X 430 cm et X 730 cm sont illustr es par la Figure IV 18 Les donn es repr sent es correspondent la moyenne des mesures r alis es au centre et sur le bord de la placette celles ci ne montrant pas de diff rence majeure a a 120 7 0 0 us h 80c mm Fe DEN 80 an pa wt h sen art a h 15c 2 404 z 5 404 So 2 2 or S 5 60 4 2 0 Baar AA AAA AA AAA AAA 5 S 8 40 c 807 80 a 1600 100 0 40 80 120 160 200 240 280 100 80 60 40 20 9 Temps min Potentiel total cm b 120 b 1 0 J f h 80cm E go Wim h 40cm 80 ji LE De La he E 5 4 10o0cm E 40 oO E alee E 0 h hmaasta nana a 5 YE 2 g 40 oc 80 te 1600 0 40 80 120 160 200 240 280 f Temps min Potentiel total cm Figure IV 18 Potentiel matriciel
70. 70 Figure II 20 Photographie d un capteur Watermark ccccssessessessesssssssessessesssssssecsecsessssussecsessesessessecseeees 71 Figure II 21 Sch ma d implantation des capteurs Watermark la surface de la placette 0 0 ee eeeeeeeeeeeteees 71 Figure II 22 Implantation des diff rents syst mes de mesure de subsurface coupe longitudinale gauche et vue de dessus A droite sis iesestecdeecncaetenneanedneBeacusocneneacponeysdancacde lund densdgnedeeadeneddeades EEEE AE E EE ERRE 72 Figure II 23 Photographie des collecteurs install s 50 cm de profondeur Gauche collecteurs fonctionnant pression atmosph rique Droite collecteurs avec m ches en fibres de verre 74 Figure II 24 Sch ma de principe repr sentant les lysim tres coupe transversale de la placette 75 Figure IL25 Photographie d un lysim tre atmosph rique dans sa cavit gauche et d un lysim tre m che droite avant rebouchage de la galerie et de la tranch e 2 0 eeeeeseeeeneeceerereneeeesneeenaeerseeeeererenetersneeeeas 75 Figure II 26 Sch ma d implantation des cannes tensiom triques capteur d port 79 Figure 11 27 Dessin d une sonde Campbell CS616 Campbell Scientific 2002 c ccccsccccesssseseseeseesesseeeeees 80 Figure 11 28 R sultat de calibration des sondes humidim triques CS616 80 Figure 1 29 Sch ma de principe des exp rienc
71. Figure IV 27 Conditions impos es sur la zone repr sentant la placette enherb e 0 0 0 ee cc eeeeeeseeeeteeeeneeeeeees 179 Figure IV 28 Condition de charge impos e au n ud amont de la zone repr sentant la placette enherb e 179 Figure IV 29 Conditions aux limites du mod le longitudinal utilis es pour d crire la p riode post rieure un V NEMENT risse lant eers paenneen enne eeN E nA EEE rA ei e EAE NA A ne eA E EaR eA SESA 180 Figure IV 30 Ruissellement de surface simul dans l hypoth se d un mat racinaire isotrope et d une rugosit de Si eTA N M TE TER ER RP 182 Figure IV 31 Ruissellement de surface simul dans l hypoth se d un mat racinaire anisotrope dans lequel Kx 100xKz et d une rugosit de surface n 0 4 s m P ooo cccccccccsscssssessessessessessssessessssussecsesseesssseascseees 183 Figure IV 32 Comparaison des variations relatives d humidit mesur es dans la couche 0 15 cm gauche et 40 cm droite avec les variations d humidit simul es 15 cm et 40 cm R sultats simul s obtenus avec l hypoth se 1 correspondant un tat initial sec en haut et avec l hypoth se 2 correspondant un tat initial mterm diaire en DAS sosie rieisstierssenrerecreesesssnnsessseteseniteserengtecsesiete 184 Figure V 33 Courbes isopotentielles simul es dans le plan longitudinal la fin de l v nement t 50 min partir de l hypoth se d tat m
72. absorption des chlorures par les v g taux est suppos e n gligeable l chelle des exp riences durant de deux trois heures Nous ne pr sentons ici que les r sultats obtenus sur les profils E F G et H quip s de lysim tres atmosph riques Les r sultats sont illustr s dans la Figure III 16 135 200 a 4 5 150 J oO 4 S 100 av profil F 8 s profil E S 504 O x profil H T e tee profil G 0 xo T T T T 0 20 40 60 80 100 120 Temps minute Figure IIL 16 Courbe de perc e du traceur Cl enregistr e dans les lysim tres lors des exp riences d infiltration sous charge constante Les courbes de perc e obtenues sur les diff rents profils sont de formes assez diff rentes On ne parle pas des diff rences de temps d apparition de l coulement dues des diff rences dans les propri t s hydrodynamiques des profils cf partie 2 1 mais de la dynamique d arriv e du traceur une fois l coulement tabli On constate ainsi que le profil G se distingue des profils E F et H qui pr sentent tous trois une concentration lev e en traceur d s le d but de l coulement Ces trois profils se caract risent galement par une courbe de perc e en forme de selle de cheval c est dire pr sentant un pic de concentration puis une diminution suivie d une remont e Les profils E F et H montrent aussi des d
73. artificiel d une mesure directe de la concentration de Diuron adsorb e sur la phase solide Celle ci est d termin e gr ce un chantillonnage de sol r alis 2 jours apr s l v nement Un chantillonnage r alis 5 jours avant permet de v rifier qu il n y a pas de Diuron dans le milieu avant l v nement Les deux chantillonnages ont t r alis s suivant un m me protocole trois profils dispos s d amont en aval de la placette X 100 cm X 300 cm et X 500 cm ont t chantillonn s jusqu 90 cm de profondeur de sorte distinguer les compartiments 0 20 cm 20 50 cm et 50 100 cm Les chantillons ont t analys s au Laboratoire d Analyse des Sols de l INRA d Arras selon la norme NF1 1264 Les trois profils chantillonn s apr s l v nement ne pr sentent pas d volution significative de la concentration adsorb e d amont en aval de la placette On d finit donc un profil moyen partir des trois r p titions r alis es Une concentration sup rieure la limite analytique de quantification 2 3 ug kg a t mesur e sur les trois r p titions en ce qui concerne l horizon 0 20 cm sur deux r p titions en ce qui concerne l horizon 20 50 cm et sur une r p tition en ce qui concerne l horizon 50 90 cm Ceci pose un probl me d interpr tation faut il attribuer aux mesures non quantifiables la valeur z ro ou la valeur limite de quantification Les deux interpr
74. bons 8 des 624 points d chantillonnage de surface sont impropres la production d eau potable m me apr s traitement ou la satisfaction des quilibres cologiques Seulement 8 des points chantillonn s peuvent tre suppos s de tr s bonne qualit c est dire permettant la vie des organismes aquatiques et la production d eau potable apr s une simple d sinfection On note que la d finition du SEQ eau m langeant les crit res de potabilit et les crit res cotoxicologiques il n est pas possible de distinguer des situations interm diaires entre ces deux extr mes ni de d coupler l usage eau potable de la satisfaction des quilibres cologiques En ce qui concerne les eaux souterraines non utilis es pour la production d eau potable 1 des 1078 points chantillonn s serait impropre cet usage et 24 n cessiteraient un traitement sp cifique 75 des points chantillonn s peuvent tre suppos s aptes la production d eau potable sachant que 40 repr sentent des r sultats non quantifi s donc soumis au probl me d interpr tation voqu plus haut De l int r t de bandes enherb es pour limiter la contamination des eaux de surface par les pesticides La contamination des milieux aquatiques par les produits phytosanitaires r sulte de deux grands types de pollutions les pollutions ponctuelles et les pollutions diffuses Dans les deux cas l agriculture endosse la responsabilit princip
75. bougie poreuse Ceci induit un mauvais bilan de masse et une sous estimation de la vitesse moyenne des solut s Barbee and Brown 1986 Fleming and Butters 1995 Pour finir la c ramique est une mat riau qui peut alt rer significativement l chantillon par des effets filtrants li s la pr sence de collo des ou par sorption d l ments trace tels que les pesticides Domange et al 2004 Grossmann and Udluft 1991 Les cases lysim triques pes e peuvent repr senter une m thode alternative efficace pour mesurer la percolation Parker and Van Genuchten 1984 puisque la mesure est continue et r alis e sur une aire repr sentative typiquement 1m Mais les co ts de 269 construction et de maintenance sont fortement limitants tout comme le sont l in vitable d structuration du sol et la longue p riode de stabilisation qui suit Keeney 1986 De plus l introduction d une limite atmosph rique au fond de la case peut induire une distorsion du pattern de flux puisque comme d montr pour les lysim tres atmosph riques Boll et al 1991 Jemison and Fox 1992 l eau du sol doit atteindre une pression positive au niveau du collecteur avant que le suintement commence Les lysim tres atmosph riques aussi appel s lysim tres gravitaires propos s initialement par Jordan 1968 diff rent des cases lysim triques pes e par le fait que la collecte des flux est faite sur un volume non destructur Cec
76. charge d une macroporosit rest e s che lors de l v nement naturel Ceci confirme aussi qu une repr sentation darcienne permet de rendre compte des flux se produisant dans cette macroporosit 2 4 Conclusions du travail de mod lisation Nous retiendrons les points suivants du travail de mod lisation e Le mod le param tr avec le jeu des perm abilit s moyennes mesur es permet de rendre compte du volume infiltr dans la placette lors de l v nement naturel et de la dynamique du ruissellement moyennant l ajustement de l paisseur du mat racinaire et de l anisotropie de ce mat Ceci a permis de constater la grande sensibilit des simulations la repr sentation faite dans le mod le du mat racinaire Ceci a en outre permis de confirmer que le ruissellement mesur l exutoire est le fait d un ruissellement de surface et d un coulement se produisant dans le mat racinaire et que la contribution de l coulement dans le mat n est pas n gligeable en terme de volume e Le mod le param tr avec le m me jeu de perm abilit s ne rend pas compte du volume infiltr et du volume ruissel l exutoire lors de l v nement artificiel Le volume ruissel simul est largement surestim et l infiltration dans la placette sous estim e d autant La vitesse de propagation des coulements dans le sol semble aussi sous estim e On montre que ceci est en partie d des coulements lat rau
77. che en fibre de verre pour extraire des flux non satur s Figure 1 La m che en fibre de verre sortant du plateau collecteur agit comme un milieu poreux contenant une colonne d eau et exerce une succion sur le sol sus jacent contr l e par le r gime de flux Boll et al 1992 Un tel lysim tre permet aussi une mesure hautement repr sentative des flux percol s puisqu il recueille l eau mobile de la matrice solide et l eau des macropores Landon et al 1999 sur une gamme de pression allant de 0 10 kPa de fa on continue et sans source ext rieure de vide Mais le lysim tre doit tre dimensionn avec soin pour minimiser la perturbation du r gime de flux original Des quations de dimensionnement ont t tablies pour adapter la fibre de verre l aire du lysim tre la longueur de m che et le nombre de fibres au sol instrument et au r gime typique de flux Boll et al 1992 Knutson and Selker 1994 Rimmer et al 1995 Plusieurs exp rimentations de terrain dans une large gamme de conditions ont confirm que les lysim tres m che donnent une estimation fiable des flux percol s avec des efficiences de collecte proches de 100 Boll et al 1991 Brandi Dohrn et al 1996a Louie et al 2000 Zhu et al 2002 De plus les lysim tres m che sont bien adapt s a l tude des transferts de solut s et particuli rement a l tude du transport de pesticides puisque la fibre de verre n affecte pas la 270
78. ci comme le montre la Figure 11 30 La corr lation illustr e a t d termin e par dosage des ions CI sur des chantillons pr lev s dans les lysim tres au cours de ces exp riences Le coefficient de d termination obtenu 96 6 montre que la relation Conductivit f Cl peut tre correctement d crite par une quation lin aire L quation utilis e est dans la Figure 11 30 Le conductim tre utilis est un appareil portable WTW LF330 donnant une mesure corrig e en temp rature 250 y 0 2847x 4 8812 200 R 0 9657 150 O 100 50 1 1 300 400 500 600 700 800 Conductivit uS cm Figure II 30 Relation entre la concentration en ions Cl et la conductivit lectrique de la solution 1 2 2 Ruissellement infiltration percolation sur l ensemble de la placette 1 2 2 1 Protocole de suivi des v nements naturels La t l gestion du dispositif permet de collecter r guli rement les donn es et d tre inform lorsque des chantillons ont t pr lev s Ceux ci sont alors r cup r s dans un d lai de 24 72 heures puis congel s jusqu analyse Les lysim tres sont vid s apr s chaque p riode pluvieuse m me en l absence de ruissellement de fa on garantir la repr sentativit des chantillons collect s 85 Les chantillons collect s par les chantillonneurs automatiques l entr e et l exutoire de la placette repr sentent des mesu
79. cm Figure IV 23 Profils d humidit gauche et de potentiel droite simul s au 12 ao t 2004 selon trois hypoth ses destin es encadrer la plage des tats initiaux possibles 176 Surface du sol m Pi zo maxi mesur e 4 Pi zo Mini mesur e Pi zo simul e 500 T T T T T T 300 100 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 Abscisse X cm Figure IV 24 Niveau pi zom trique initial simul le 12 ao t 2004 b Mod lisation de l v nement artificiel L tat initial consid r le jour de l v nement artificiel 30 mars 2005 est obtenu par simulation d une p riode ant rieure fictive partir d un versant initialement satur en supposant une vapotranspiration journali re de 5 mm en imposant le niveau de nappe mesur le jour de l v nement artificiel et en contr lant le dess chement de surface via un potentiel minimal accept de 75 cm L vapotranspiration impos e dans le mod le n est pas suppos e tre r aliste pour la p riode consid r e Le seul but de cette simulation pr liminaire est de produire un profil de potentiel correspondant aux mesures La simulation de cette p riode ant rieure est interrompue partir du moment o le profil de potentiel simul correspond au profil effectivement mesur le jour de l v nement en l occurrence au bout d une p riode de 24 heures On suppose que l tat hydrique au d marrage
80. cm On constate de m me qu il existe une grande diff rence entre le mat riau v g tal et le sol de la bande enherb e le premier pr sentant un Kp plus de deux fois sup rieur celui de l horizon 0 20 cm et environ 8 fois sup rieur la valeur de l horizon 20 50 cm 131 Il est aussi possible de distinguer dans le profil de sol enherb une volution de la capacit de r tention avec la profondeur les coefficients de partage sont maximaux en surface et diminuent avec la profondeur Cette baisse est significative entre les horizons 0 20 cm et 20 50 cm La diff rence entre les horizons 20 50 cm et 50 100 cm est plus discutable Ceci sugg re donc que l effet b n fique du maintien d un couvert herbeux p renne sur le potentiel de r tention des pesticides concerne essentiellement les vingt premiers centim tres du profil de sol L cart entre les horizons 0 5 cm et 5 20 cm ne semble pas significatif mais on peut supposer que le Kp de l horizon 0 5 cm est sous estim En effet l chantillon d nomm horizon 0 5 cm a t obtenu apr s s paration du sol et du mat riel v g tal grossier par tamisage 3 9 mm tr s abondant dans cet horizon Etant donn e le Kp d termin sur le mat riau v g tal de surface on peut supposer que le Kp global de l horizon 0 5 cm r sulte d une pond ration des valeurs d termin es sur la fraction solide et sur les parties v g tales a riennes
81. cm est estim sur la base du bilan des flux d eau r alis dans le chapitre IV Les masses de solut percol es calcul es sont pr sent es dans le Tableau V 10 Tableau V 10 Masses de Diuron et de Bromure estim es percol es 50 cm pendant l v nement et les 24 heures suivantes Bromure g Diuron mg Abscisse X 35cm X 210cm X 385cm X 560cm Moyenne X 35cm X 210cm X 385cm X 560cm Moyenne Concentration 24 34 36 17 29 15 7 2 3 6 Volume mm 523 523 523 523 523 523 523 523 Masse 320 443 469 222 379 201 95 21 35 83 On constate que les masses de solut percol es la base de la zone racinaire sont non n gligeables La masse de Diuron est nettement inf rieure la masse de Bromure mais elle reste tr s significative L cart est sup rieur l cart entre les masses inject es une unit pr s confirmant ainsi l existence d un processus d adsorption Bilans sur les masses sortant et retenue dans le syst me On r alise un bilan par d faut en estimant une masse apparemment retenue dans le syst me calcul e comme le reste non retrouv dans le ruissellement l exutoire ni dans le flux de percolation 50 cm L int r t de ce bilan est de comparer le comportement du traceur celui du Diuron et de permettre une comparaison entre les deux v nements Ce bilan est pr sent dans le Tableau V 11 Tableau V 11 Bilan 24h des flux de Diuron et de Bromure entr s sortis et retenus par
82. conditions standards de d bit et pour les longueurs enherb es rencontr es sur le terrain Si les r sultats sur la cin tique d adsorption des herbicides sur le sol sont encore trop peu nombreux pour conclure fermement on peut raisonnablement supposer que les aspects cin tiques limitent s v rement la r tention des pesticides par adsorption Ceci montre aussi la difficult qu il y a interpr ter des r sultats obtenus en conditions naturelles avec des coefficients d adsorption d termin s en batch avec des concentrations lev es des temps de contact importants et une agitation optimisant le contact entre les deux phases Ceci montre enfin un besoin d tudes suppl mentaires men es dans des conditions d coulement r alistes sinon r elles ie 1 2 3 Evolution temporelle de la capacit d interception Il nous semble important de souligner que l efficacit d une bande enherb e n est pas une donn e constante mais qu elle varie dans le temps en relation avec la dynamique de chacun des processus et des facteurs qui les contr lent Cette dynamique de fonctionnement doit tre prise en compte pour expliquer les flux dissip s et export s par un syst me enherb en conditions naturelles et donc l efficacit apparente de la bande l chelle de l v nement de l ann e ou sur le long terme A l chelle de l v nement les flux de ruissellement imposent des conditions d alimentation v
83. conductivit hydraulique permettent de formuler des hypoth ses sur la structure du profil de sol et sur l intensit attendue des flux d eau Elles permettent galement d ajuster des mod les math matiques d crivant les courbes K h et Oh Celles ci sont valid es par mod lisation sur des r sultats exp rimentaux de flux de percolation obtenus in situ l chelle locale du profil de sol Les isothermes et cin tiques d adsorption d termin es au laboratoire permettent de formuler des hypoth ses sur le potentiel de r tention d un sol enherb surface et subsurface vis vis du diuron 1 Description des propri t s hydrodynamiques Nous avons d termin les propri t s de conductivit hydraulique et de r tention hydrique du sol diff rentes profondeurs 1 1 Donn es de r tention hydrique 1 1 1 R tention hydrique saturation La capacit de r tention hydrique saturation du profil de sol est estim e de deux fa ons diff rentes via l humidit volumique saturation et via la porosit totale Tous les horizons n ont pas t caract ris s simultan ment ni de la m me fa on On distingue pour cela les lots 0 10 cm 10 20 cm 20 30 cm et 30 40 cm 50 60 cm 70 80 cm pr lev s un an d intervalle et caract ris s dans deux laboratoires diff rents Les valeurs estim es pr sent es dans le Tableau III 1 sont des moyennes calcul es sur trois r p titions en ce qui concerne le lo
84. consid r e comme repr sentative 156 En revanche si on consid re la totalit de l v nement simul on constate que l v nement source quivalent repr sente un cas extr me y compris dans la configuration du site exp rimental ratio 1 110 1 1 2 3 Devenir des flux d eau entr s dans le syst me ruissellement variation de stock et percolation a Bilan Le bilan est r alis de la m me fa on que pour l v nement naturel par quantification du flux total ruissel l exutoire du stockage r siduel 24 heures apr s la fin de l v nement et de la percolation totale se faisant pendant l v nement et les 24 heures suivantes Les mesures lysim triques sont pr sent es dans les Tableau IV 8 et Tableau IV 9 qui correspondent respectivement aux lysim tres m che et aux lysim tres atmosph riques Tableau IV 8 Hauteur totale d eau percol e not e Hperc mesur e dans les lysim tres m che transect droit pendant l v nement et les 24 heures suivantes Abscisse X 35cm X 215cm X 405cm X 580cm Hperc mm 123 120 66 19 373 428 142 61 Tableau IV 9 Hauteur totale d eau percol e not e Hperc mesur e dans les lysim tres atmosph riques transect gauche pendant l v nement et les 24 heures suivantes Abscisse X 35cm X 210cm X 385cm X 560cm Hperc mm 888 136 1064 128 1126 249 959 119 Les ordres de grandeur sont tr s diff rents entre les flux collect s par les ly
85. crue est galement contr l e par les propri t s hydrodynamiques du sol Ces derni res d pendent notamment de la structure de la couche de surface du sol donc de tous les facteurs l influen ant le type de sol son histoire culturale l anciennet et la nature du couvert herbac qui pr sente un effet structurant sur la porosit du sol Benoit et al 1999 Benoit et al 2000 Reungsang et al 2001 Enfin la capacit d infiltration est d termin e par les conditions initiales du syst me et par les conditions aux limites Comme le montre la th orie de l infiltration l tat hydrique initial du sol la pr sence d un horizon imperm able faible profondeur ou la charge hydraulique pr sente en surface sont des facteurs de variation potentiel Smith 2002 Les observations sur bande enherb e confirment que l efficacit d une bande enherb e est r duite lorsque le sol est d j proche de la saturation quand le ruissellement intervient Arora et al 1996 De m me la capacit d infiltration tend plus ou moins rapidement vers z ro lorsque le profil de sol pr sente une limite imperm able faible profondeur En revanche il n y a pas de d monstration vidente concernant l impact de l paisseur de la lame d eau la surface de la bande dans la mesure o il est difficile de mesurer exp rimentalement une lame d eau la surface d un sol enherb Les donn es montrent que quand le d bit augmen
86. d adsorption Le sol du site exp rimental a aussi t caract ris du point de vue de ses propri t s d adsorption Celles ci ont t d termin es en laboratoire dans des syst mes batch via l tablissement de l isotherme et de la cin tique d adsorption du Diuron Ce travail a t initi pour se donner les moyens de quantifier pr cis ment l effet du processus d adsorption sur le 49 transfert du Diuron dans la bande enherb e exp rimentale Les r sultats de la litt rature portant sur la m me mol cule Gaillardon 1996 Gaillardon and Dur 1995 Landry 2004 Margoum 2003 concernent des substrats trop diff rents pour pouvoir tre extrapol s au milieu tudi 4 2 Approche de mod lisation 4 2 1 Des choix de mod lisation a priori Utilisation de l quation de Richards Un des objectifs de la th se est d expliquer le devenir des flux d eau infiltr s dans le sol Ceux ci doivent donc tre repr sent s explicitement par le mod le utilis Pour cette raison on ne peut se satisfaire des mod les m canistes de bande enherb e d j pr sent s dans la litt rature pour lesquels l infiltration constitue un simple terme de perte vis vis du ruissellement de surface qui est la variable principale Deletic 2001 Mu oz Carpena et al 1993 De plus on souhaite s int resser des situations o l infiltration est limit e par la pr sence d une zone satur e ou d un horizon
87. d une conductivit basse Cb moyenne Cm et haute Ch Hyp Basse Hyp Moyenne Hyp Haute Horizon Ksat th ta k Kk Ksat th tak Kk Ksat th tak Kk mm h mm h mm h mm h mm h mm h 0 10cm 520 0 48 300 680 0 44 300 1010 0 44 300 10 30cm 50 0 396 50 140 0 39 110 430 0 39 110 30 90cm 10 0 37 10 60 0 37 40 330 0 37 40 gt 90cm 10 0 322 10 60 0 32 30 330 0 32 30 1000 0000 J A Donn es Mintz 100 0000 Donn es Trims Donn es Wind 10 0000 4 E 3 0 10cm w 1 0000 4 10 30cm 2 1 30 90cm 2 0 1000 gt 90cm a 1 0 0100 4 O 4 2 1 0 potentiel matriciel m Figure IIL 7 Courbes de conductivit ajust es dans l hypoth se de conductivit moyenne Cm Les param tres ajust s rendent bien compte des perm abilit s mesur es saturation et des points K h d termin s par la m thode de Wind En revanche ils ne rendent pas compte de la baisse brutale de perm abilit entre la valeur saturation et la valeur d termin e sous un potentiel de 1 cm Ceci est du l obligation impos e par le mod le de Vogel et Cislerova de d crire les deux courbes K h et Oh avec un unique jeu de param tre et notamment avec un m me coefficient qui est le coefficient d terminant la pente de ces deux courbes Ainsi la description d une diminution brutale de l humidit dans la gamme de potentiel 0 1 m va de pair avec une diminution brutale de la perm abili
88. d faut dans le syst me exprim s en valeur absolue mg ou g et relativement la masse totale entr e Me Bromure Diuron Ruiss Ruiss ene R tention Ruiss Ruiss Sr o R tention entrant sortant par d faut entrant sortant par d faut g 482 73 379 30 mg 352 64 83 205 Me 100 15 79 6 Me 100 18 24 58 514 On constate qu il n y a quasiment pas de r tention du Bromure dans le syst me Ceci signifie d une part que la phase d lution a t suffisamment longue pour renouveler l eau de toute la porosit et d autre part que la m thode d estimation de la masse de solut percol e 50 cm est bonne La m thode de quantification de la r tention par bilan est donc valid e et avec elle l estimation de la r tention faite lors de l v nement naturel La masse de Diuron apparemment retenue est nettement sup rieure la masse quivalente en traceur Ceci sugg re qu il y a bien une r tention du Diuron par adsorption sur la phase solide Ces r sultats sugg rent en outre que le processus d adsorption est relativement rapide puisque le dopage n a dur que 40 minutes et l lution 140 minutes Ils sugg rent enfin que l adsorption est en partie irr versible puisque les produits apparemment retenus la fin de l v nement correspondent la masse non d sorb e lors de l lution Quantification de la masse de Diuron adsorb e Nous disposons dans le cas de l v nement
89. de certitude de 95 est de 2 4 TVE et la valeur correspondante un niveau de certitude de 99 7 intervalle d incertitude maximale est de 3 6 TVE NB si on suppose que les valeurs fournies par le constructeur ne sont pas des carts maximaux mais des carts au seuil de confiance de 95 comme pr conis par AFNOR vave 05 225 25 en U IVE 1 5 TVE ona L incertitude absolue largie sur la mesure de teneur volumique en eau est de 3 0 TVE au niveau de confiance de 95 La valeur correspondante 99 7 c est dire l cart maximal correspondant est de 4 5 TVE 2 2 5 Pluviom trie 2 2 5 1 Identification du mesurande et des incertitudes type Les deux mesurandes associ s la pluviom trie sont l intensit instantan e et le volume cumul Les sources d incertitudes affectant la mesure de volume sont e incertitude sur le volume des augets associ e un positionnement non id alement horizontal du pluviom tre 260 e les pertes li es au temps de basculement des augets pendant lequel la pluie continue de tomber alors que l auget n est pas en position de collecte A cela s ajoute en ce qui concerne la mesure de l intensit les sources suivantes e intervalle de temps auquel est associ le remplissage d un auget e enregistrement du temps de basculement par l automate CR10X 2 2 5 2 Quantification des incertitudes type e L incertitude sur le
90. de flux stabilis mesur es sur les diff rents profils avec les valeurs simul es selon les hypoth ses de conductivit basse Cb moyenne Cm et haute Ch 125 Tableau IIL 10 Comparaison des temps caract ristiques du r gime transitoire mesur s et simul s avec l tat initial ajust sur les mesures Le temps de stabilisation correspond au temps n cessaire pour atteindre 80 du flux AS YmptOtIQUe s she as ner RER Re ali rene a ste ade kde ea hashed 127 Tableau IIL 11 Comparaison des temps caract ristiques du r gime transitoire mesur s et simul s avec l hypoth se d tat initial humide Le temps de stabilisation correspond au temps n cessaire pour atteindre 80 Yo du flux asymptotiQue 20 miestesseintu ses terns nnen ine er Ee EEEE EOE ENNE NENE Eear 128 Tableau II 12 Coefficients de partage Kp L Kg d termin s pour le Diuron diff rentes concentrations sur diff rents horizons de la parcelle enherb e BE et de la vigne Le point 20 ug L a t caract ris deux reprises lors de la d termination de isotherme i et de la cin tique c Les chiffres en italiques correspondent aux cart types d termin s sur 2 3 points 500 ug L r p titions 131 Tableau 111 13 Valeurs de Ko calcul es pour les diff rents horizons L incertitude correspond la propagation de l incertitude sur le Kp elle n int gre pas l incertitude li e la donn e de concentration en carbone 133 Tableau I
91. de l v nement artificiel est exprim e relativement la dose appliqu e sur la parcelle de vigne 1500 g ha suivant deux hypoth ses sur la surface de la zone contribuant au ruissellement re u par la zone tampon Les masses relatives estim es figurent dans le Tableau V 4 Tableau V 4 Perte parcellaire quivalente la masse de Diuron transport e dans l v nement artificiel exprim e en pourcentage de la dose appliqu e Ratio surfacique 1 110 1 10 Perte quivalente 0 085 0 931 En comparaison de l v nement naturel la masse de Diuron inject e au cours de l v nement artificiel est repr sentative d une fraction de la dose appliqu e dix fois sup rieure L v nement artificiel repr sente donc un v nement nettement plus charg que l v nement du 12 ao t Dans l hypoth se la plus d favorable l v nement artificiel repr sente une perte du m me ordre que celles constat es par Louchart et al Louchart et al 2001 l chelle d une ann e Ceci n est pas irr aliste car il est admis que les pertes de produits phytosanitaires peuvent tre g n r es l chelle annuelle par quelques v nements seulement voire par un unique v nement si celui ci se produit peu de temps apr s l application des produits L v nement artificiel simul repr sente donc un cas d favorable mais n anmoins r aliste 2 Etude des flux de Diuron l chelle de l v nement Les deux v
92. de la concentration adsorb e a 24 heures consid r e comme tant repr sentative de l quilibre vrai Tableau III 14 Coefficients de partage sol eau L kg d termin s pour diff rents temps de contact Coefficient de partage sol eau K L kg 2 min 5 min 15min 1 heure 6 heure 15 heure 24 heure BE 0 5cm 1 2 2 1 3 3 4 2 11 9 11 9 18 6 BE 5 20cm 2 6 3 1 4 1 5 2 14 3 19 9 17 2 BE 20 50cm 0 6 0 8 1 0 2 2 3 1 4 0 6 1 100 100 2 80 80 D 60 60 S gt z 2 40 BE 5 20cm LL 20 BE 0 5cm 20 z BE 20 50cm 0 ri EE ER A a 0 O 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Temps de contact h Temps de contact h Figure III 15 Cin tique d adsorption du diuron sur trois horizons du sol enherb Les cin tiques sont assez proches dans les diff rents horizons avec des carts maximaux de l ordre de 10 d avancement L cart constat entre les horizons 0 5 cm et 5 20 cm est difficile justifier car ces deux horizons pr sentent des teneurs en mati re organique et des coefficients de partage l quilibre similaires On aurait pu s attendre des courbes assez proches Cette diff rence peut s expliquer en partie par le fait qu il n y a eu que deux r p titions De plus il est probable que la cin tique d adsorption sur l horizon 0 5 cm soit sous estim e du fait que la fraction organique grossi re ne sois pas pri
93. de la graduation de la mire et d autre part aux irr gularit s du sol sur lequel on pose la mire L cart maximal associ la graduation est de 1 cm L cart maximal associ aux irr gularit du sol est de 3 cm On suppose que la distribution correspondant l incertitude de r solution est de type rectangle et que celle associ e l incertitude sur le niveau du sol est normale A noter que l incertitude associ e au niveau du sol n intervient qu une fois dans le calcul du potentiel en relation avec la cote sol au niveau de la r glette et qu elle intervient deux fois dans le calcul de la charge en relation avec la cote sol de r f rence e L incertitude du relev de la distance verticale entre le sol et le z ro de la r glette correspond principalement aux irr gularit s du sol On estime que l cart maximal associ est de 3 cm et que la distribution est normale 256 e _ L incertitude associ e la hauteur de la colonne d eau correspond la mesure de la longueur totale du tube tensiom tre sa verticalit et surtout au point pris pour r f rence au niveau de la bougie Les deux premi res sources d incertitude sont n gligeables devant cette derni re En effet une bougie mesure 6 cm de hauteur On choisit d exprimer le potentiel en son centre mais on g n re ainsi une incertitude de r solution d amplitude maximale 3 cm La distribution associ e est rectangle 2 2 2 3 Calcul d
94. de pesticides dans une bande enherb e interceptant un ruissellement contamin L objectif de ce chapitre est de faire une valuation globale des flux de pesticides se produisant dans une bande enherb e interceptant un ruissellement contamin Nous proposons notamment de nous int resser au devenir du flux infiltr dans le sol et au flux percol au del de la zone racinaire L existence de flux d eau importants la base de la zone racinaire a t d montr e dans le chapitre IV mais des questions subsistent quant l origine de cette eau et quant l expression du potentiel d adsorption r v l par les mesures de laboratoire cf chapitre III Notre tude se limite l chelle de l v nement La question de la d gradation des pesticides retenus dans le syst me intervenant des chelles de temps sup rieures mensuelle voire annuelle n est donc pas abord e On se base sur les deux jeux de donn es d j pr sent s dans le chapitre IV traduisant des v nements contrast s sur le plan hydraulique mais aussi chimique La mol cule mod le utilis e est la mol cule herbicide de Diuron 1 Description des v nements tudi s Les caract ristiques hydrauliques des v nements tudi s ne sont que bri vement rappel es mais elles sont pr sent es en d tail dans le chapitre IV Nous pr sentons ici en d tail leurs caract ristiques chimiques 1 1 L v nement naturel du 12 ao t 2004 L v
95. des mat riels et m thodes utilis s sur le plan exp rimental et sur le plan num rique Sur le plan exp rimental il s agit du dispositif r alis in situ et des protocoles utilis s in situ et au laboratoire pour caract riser les propri t s hydrodynamiques et les propri t s d adsorption du Diuron sur le sol Sur le plan num rique il s agit des quations math matiques constitutives du mod le num rique utilis Le troisi me chapitre est consacr aux r sultats obtenus sur les propri t s hydrodynamiques et sur les propri t s de transport et d adsorption du Diuron sur le sol du site exp rimental Les r sultats concernant les propri t s hydrodynamiques traitent de la conductivit hydraulique et de la r tention hydrique du profil de sol en r gime satur et non satur Les propri t s identifi es sont valid es par mod lisation sur la base de mesures de flux d eau r alis es l chelle locale du profil de sol Les r sultats concernant l adsorption du Diuron traitent de la cin tique de r action et du coefficient de partage sol eau atteint l quilibre pour plusieurs niveaux de concentration Ces r sultats ont t tablis sur plusieurs horizons du profil de sol enherb et sur un sol cultiv servant de r f rence Les propri t s de transport des solut s dans la zone racinaire sont tablies par mod lisation sur la base de mesures de flux d un solut conservatif faites l chelle locale
96. des vers de terre notamment mais aussi des galeries de rongeurs L observation ne nous permet pas de conclure sur l organisation spatiale de ces 116 structures En ce qui concerne les trous de vers de terre la litt rature nous informe que quasiment toutes les galeries de Lumbricus Terrestris sont continues jusqu 14 cm et que 10 de ces galeries vont jusqu 70 cm de profondeur Omoti and Wild 1979 cit s par Beven and Germann 1982 On note enfin une teneur en mati re organique variable d croissante entre les horizons 5 20 cm 20 50 cm et 5 100 cm cf chapitre IT Or celle cia un effet stabilisateur av r sur les agr gats de particules Tisdall and Oades 1982 Ainsi ces trois observations sugg rent une baisse de la porosit structurale avec la profondeur susceptible d induire une baisse de la perm abilit et de la r tention a saturation Une interpr tation est galement n cessaire du fait qu il n y a pas dans le profil de discontinuit marqu e y compris pour le mat racinaire dont la limite inf rieure est difficile d limiter Les mesures ont mis en vidence des diff rences entre certains horizons mais celles ci traduisent le caract re discret des mesures et non une r elle stratification du profil qui pr sente probablement une volution progressive de ses propri t s avec la profondeur Ce caract re progressif ne peut cependant pas tre repr sent explicitement dans les
97. e pr c demment peuvent tre expliqu s par les coefficients de partage obtenus en laboratoire Au del de cette question se pose le probl me de la pr diction de l abattement de concentration que l on peut attendre d une zone tampon enherb e Si on consid re la surface de la placette comme un syst me ferm de type batch caract ris par un temps de s jour moyen et un ratio massique sol eau on peut d finir un coefficient de partage K de la fa on suivante Ce Cum K C solide P V 5 V 5 C C liquide sortie Corg V 6 gt C orie entree i 1 0K o K est le coefficient de partage L kg Csolide la concentration de la phase solide du syst me consid r g kg Cquide la concentration de la phase liquide g L Cor e la 219 concentration du ruissellement entrant g L Ce la concentration du ruissellement sortant g L et p le ratio massique sol eau kg L Le Tableau V 13 pr sente une application num rique de l quation V 6 aux donn es exp rimentales Les valeurs consid r es pour le coefficient de partage K sont les valeurs d termin es au laboratoire sur l horizon 0 20 cm et sur les v g taux de surface cf chapitre III La valeur de concentration consid r e en entr e not e Ce pour l v nement artificiel correspond la concentration moyenne mesur e dans le ruissellement entrant entre les instants t 33 minutes et t 41 minutes La valeur de concentrat
98. e et de l incertitude largie sur le volume cumul On fait l hypoth se que les mesures successives de d bit sont ind pendantes Cette hypoth se simplifie fortement le calcul mais elle conduit une sous estimation de l incertitude L incertitude compos e sur le volume total d un v nement se calcule alors comme suit 254 UW gt U A L Par ailleurs l incertitude sur chaque volume l mentaire se calcule de la fa on suivante U AV AIXU Q L incertitude sur le volume cumul se calcule donc par la relation UVY gt At xU 0 Y amp U MW si At cst V 68 gt 20 U V U V met ian ed 2 yO 95 V 68 2 2 2 Tensiom trie mercure 2 2 2 1 Identification du mesurande et des incertitudes type Deux mesurandes peuvent tre distingu s le potentiel matriciel exprim au niveau de la bougie et la charge hydraulique exprim e dans le r f rentiel d altitude local Les sources d incertitude affectant la mesure de potentiel correspondent aux diff rents arguments intervenant dans le calcul des deux variables Potentiel Hauteur colonne d eau Valeur lue C te z ro r glette C te bougie Valeur lue C te sol r glette Hauteur z ro C te haut de tube Hauteur tube Valeur lue Charge hydraulique Potentiel matriciel Potentiel gravitaire Potentiel matriciel C te bougie C te sol r glette Hauteur z
99. er mai Te ef rrr 0 50 100 150 Temps min Figure IV 46 Flux horizontaux moyens simul s dans le plan transversal sur les limites de la placette Les flux transversaux simul s pr sentent une dynamique compos e de deux phases successives e Une phase correspondant la propagation du bulbe d infiltration dans la zone non satur e du profil Les flux horizontaux traduisent alors l talement du bulbe d infiltration dans la zone non satur e e Une phase 2 correspondant l arriv e du bulbe d infiltration dans la zone satur e et la remont e de la nappe Durant cette phase les flux horizontaux sont quasiment doubl s par rapport ceux observ s pendant la phase 1 du fait qu ils se produisent dans la zone satur e Le flux transversal atteint des valeurs comprises entre 30 et 60 mm h ce qui n est pas n gligeable compar au flux ruissel simul par le mod le longitudinal On note cependant que ce flux se produit sur toute la hauteur du profil et pas seulement dans la zone racinaire Le cumul correspondant est pr sent sous forme de bilan dans le Tableau IV 15 Le ruissellement mesur et le ruissellement simul l exutoire dans le plan longitudinal sont galement indiqu s 197 Tableau IV 15 Bilan des flux d eau sortants en surface et subsurface l chelle de la placette mm Plan longitudinal Plan transversal flux de surface flux de subsurface Dopage _ Elution Total Dopage
100. es de part et d autre de la placette instrument e L objectif de cette r p tition tait d augmenter le nombre de mesures afin de r duire l incertitude li e aux r sultats et de caract riser une ventuelle volution saisonni re de la porosit en lien avec le cycle v g tal et l activit de la macrofaune Lors de chaque campagne trois horizons ont t caract ris s 10 15 cm 15 30 cm 40 50 cm et trois r p titions spatiales ont t faites sur chaque horizon distantes l une de l autre approximativement de 50 cm L horizon 10 15 cm est l horizon le plus proche de la surface permettant d obtenir un contact correct entre le disque et le sol sans avoir introduire une couche de sable trop paisse entre les deux 1 2 mm Le mat racinaire 0 10 cm n a pas _ 88 t caract ris par cette m thode pour cette raison et a fortiori la surface du sol qui outre sa pente pr sente une microtopographie d amplitude de plusieurs centim tres Figure 11 32 Photographie de deux infiltrom tres disque Les mesures ont t faites suivant la m thode multi potentiel pr sent e par Coquet et al 2000 et d taill e dans l annexe 6 on mesure la vitesse d infiltration en r gime permanent l aide d un disque unique mais diff rentes valeurs de potentiel 12 cm 6 cm 3 cm 1 cm et 0 1 3 1 5 Caract risation de la perm abilit en r gime non satur par la m thode de Wind 1
101. est le niveau de confiance conseill par AFNOR L cart type correspondant est donc _2 5 o 1 25 mm 2 Cette valeur a aussi t valu e exp rimentalement valuation de type A Ce travail exp rimental avait pour objectif de quantifier outre l incertitude type du capteur dispersion des mesures ou bruit de mesure un offset ventuel erreur syst matique et un impact ventuel de la forme et du diam tre de la prise de pression et de la longueur de tube entre la 248 prise de pression et le capteur De plus les tests ont t r alis s avec les composants destin s tre install s sur le terrain de fa on englober les incertitudes li es la pr cision de l automate sa r solution et la r sistance utilis e L tude a t r alis e au laboratoire en conditions de temp rature stables et niveau d eau constant Ainsi elle ne permet pas d estimer toutes les sources d incertitude notamment la lin arit l hyst r sis la d rive et la sensibilit du capteur la temp rature 5 8 Pression cm CE Temps minutes Figure VI 6 Chronique temporelle brute enregistr e au pas de 1s avec une prise de pression droite de diam tre 4 6mm et coup e en sifflet mesure aux bornes d une r sistance de 350 ohms La Figure VI 6 illustre le type de r sultat obtenu On constate que le signal n est pas stable mais suit une
102. et al 1991 Jemison and Fox 1992 Nous avons donc choisi de tester aussi l impact de cette surface repr sent e sous forme d un anneau potentiel z ro concentrique du collecteur Les surfaces test es entre 10 et 100 de la surface du lysim tre ont t choisies sur la base des descriptions faites dans la litt rature 3 3 M thode 3 3 1 Principes g n raux L estimation de l incertitude d origine th orique a t r alis e num riquement afin de tester individuellement chaque source d incertitude ce que ne permet pas une exp rimentation in situ Le mod le num rique utilis sert de r f rence En effet en comparaison de l outil analytique que nous souhaitons valuer Knutson and Selker 1994 le mod le utilis a permis de r soudre l quation de Richards sans faire d hypoth se simplificatrice a priori Nous rappelons que ces hypoth ses concernent la nature des coulements leur caract re transitoire ou permanent la g om trie des processus 1D 2D ou 3D la nature des relations d tat forme des quations Oh et K h et les conditions aux limites nappe infiniment loign e ou proche imperm able ponding ou flux en surface De plus l quation de Richards est r solue chaque pas de temps sur l int gralit du domaine 275 int grant la couche de mat riau sol et la couche de mat riau en fibre de verre cf Figure 2 ceci garantit la continuit des potentiels et des f
103. et porosit totale de diff rents horizons d un sol enherb 109 Tableau III 2 Description des conductivit s hydrauliques saturation mesur es sur le site d tude Figurent aussi le nombre de r p titions not R p t et les limites sup rieures et inf rieures de l intervalle de confiance 68 ASSOCIE AUX MOYENNES eee 111 Tableau II 3 Description des conductivit s hydrauliques mesur es au voisinage de la saturation 113 Tableau IIL 4 Param tres de r tention ajust sus cu seones c srinensrsorsensonueesonenregemnuremeeareegeresmesineetense 118 Tableau IILS Param tres ajust s dans l hypoth se d une conductivit basse Cb moyenne Cm et haute Ch Tableau II 6 Flux instantan s mesur s en r gime permanent en surface et 50cm de profondeur collecteur 1 collecteur 2 sur les diff rents profils quip s de lysim tres atmosph riques L incertitude sur la moyenne correspond l Cart type c cccscccecceesccecesseccaceiscacdeessccessessccessestecessuntecessabtecessattcceaceedeass 120 Tableau III 7 Flux stabilis s mesur s en surface et 50 cm de profondeur sur les diff rents profils quip s de IYSHM TES Meche 45 25555 50 rrerdnsdrre siens reset E esse ann tr ep e pere aeeoepeaaeceeandenbizsnaex beniouekdteaodees seipekdezedbers 121 Tableau II 8 Perm abilit s ajust es pour les hypoth ses Cb Cm Ch 125 Tableau II 9 Comparaison des valeurs
104. exutoire de la placette par le mod le plan longitudinal est repr sent dans la Figure IV 49 350 Mesure Hyp moyenne 308 Hyp haute 250 4 200 150 4 100 4 Ruissellement mm h 50 4 0 50 100 150 Temps min Figure IV 49 Flux ruissel en surface simul en sortie de la placette enherb e avec les perm abilit s de Vhypoth se haute Le ruissellement simul avec les perm abilit s moyennes est indiqu titre de comparaison Le flux lat ral simul dans le mat racinaire n est pas repr sent Le mod le 2D longitudinal ainsi param tr gagne en r alisme e Le temps de propagation simul de l coulement jusqu l exutoire est maintenant d cal de 5 minutes par rapport la mesure contre 20 minutes avec les perm abilit s moyennes e Le caract re progressif de l augmentation du ruissellement l exutoire est mieux rendu e La valeur simul e dans la phase de r gime stabilis est plus proche de la mesure l cart n est que de 50 mm h contre 100 mm h avec les perm abilit s moyennes Cependant le ruissellement reste surestim pendant la phase de r gime stabilis et l infiltration sous estim e d autant Ceci traduit le fait que le flux infiltr en surface est compl tement d termin par les coulements lat raux une fois que le profil est en charge du fait de la limite imperm able Le flux infiltr ne peut donc tre reproduit
105. grandeur On observe une diminution sensible du flux vertical entre la surface et l horizon 50 cm De plus sur trois des quatre profils le flux mesur est tr s proche de la perm abilit mesur e 40 cm Ceci confirme a posteriori la distinction faite entre les horizons 10 30 cm et 30 90 cm lors de l ajustement des param tres hydrodynamiques Cela montre en outre l existence probable d coulements lat raux dans l horizon 0 50 cm Ces r sultats montrent enfin que le flux mesur a 50 cm est non n gligeable 155 mm h en moyenne ce qui confirme une percolation intense sous la zone racinaire Le temps d apparition est dans l ensemble relativement court 13 min en moyenne traduisant une propagation rapide des flux entre la surface du sol et 50 cm de profondeur On en d duit que le temps de s jour de l eau infiltr e en surface dans la zone 0 50 cm est faible Le temps de stabilisation est sensiblement plus long que le temps d apparition de 28 min en moyenne Cet cart entre apparition et stabilisation peut traduire une propagation non homog ne autrement dit la pr sence d coulements pr f rentiels rapides se distinguant d une propagation matricielle plus lente 2 1 2 Donn es obtenues avec les lysim tres m che On dispose des m mes donn es sur les quatre profils A B C et D quip s de lysim tres m che Les r sultats sont pr sent s dans le Tableau HI 7 Tableau IIL 7
106. infiltr semble contr l par la perm abilit de l horizon 10 30 cm L tude du flux infiltr simul nous renseigne donc sur le param tre K de ces horizons Les valeurs de flux simul es avec les trois hypoth ses sont sensiblement diff rentes Ceci confirme la sensibilit du mod le au param tre K Au niveau des lysim tres les flux simul s avec les hypoth se Cm et Ch sont coh rents avec les flux mesur s exp rimentalement Ainsi l hypoth se Cm rend bien compte des flux observ s 50 cm sur les profils E G et H et l hypoth se Ch rend bien compte du profil F L hypoth se Cb appara t quant elle peu pertinente pour le flux 50 cm En surface c est l hypoth se Cm qui semble la plus pertinente except pour le profil G o l hypoth se Cb rend mieux compte du flux infiltr en surface L hypoth se Ch appara t peu pertinente pour repr senter le flux en surface Ceci montre que l hypoth se moyenne Cm ne rend pas compte elle seule des flux mesur s sur tous les profils m me si c est l hypoth se qui semble la plus repr sentative Les flux peuvent tre localement plus faibles en surface ou localement plus forts 50 cm que ce que pr voit cette hypoth se Ces h t rog n it s peuvent respectivement s expliquer par un mat racinaire localement peu pais ce qui induit un contr le par l horizon sous jacent ou par la pr sence localis e de macropores L utilisation de diff rentes hypot
107. infiltr s dans le sol et notamment dans la zone racinaire En effet la litt rature montre que la sp cificit des milieux enherb s vient de cette zone particuli rement structur e et riche en mati res organiques Ces caract ristiques lui conf rent une forte capacit d infiltration et d adsorption mais elles posent aussi la question de la r tention effective des pesticides en solution En effet les vitesses d coulement peuvent tre lev es et entra ner un temps de s jour insuffisant pour permettre une r tention efficace L instrumentation comporte classiquement une mesure des flux d eau et de pesticide entrant dans le syst me et une mesure des flux d eau et de pesticide sortants par ruissellement de surface Il s agit de d bitm tres d chantillonneurs automatiques et d un pluviom tre Elle comporte en outre et c est l son originalit une mesure des flux percolant sous la zone racinaire et des mesures de variables d tat permettant de conna tre pr cis ment l tat hydrique du milieu au moment o se produit un v nement et la propagation des flux infiltr s dans le sol au cours de l v nement Il s agit de tensiom tres d humidim tres et de pi zom tres Utilisation du dispositif exp rimental Le dispositif exp rimental a t utilis pour suivre les v nements ruisselants naturels se produisant l exutoire de la parcelle de vigne instrument e pendant deux ans 2004 2005
108. jour suppos s d apr s les r sultats des chapitres pr c dents exp rimentation et mod lisation et aussi aux temps pour lesquels on dispose d une valeur de coefficient de partage Dans le cas de l v nement artificiel les concentrations mesur es consid r es correspondent aux concentrations mesur es dans les lysim tres pendant la phase de dopage de fa on ne pas tenir compte de la d sorption et de la dilution suppl mentaire induite par l eau inject e pendant l lution Les quatre valeurs indiqu es comme mesure lysim trique correspondent aux quatre lysim tres situ s d amont en aval Les concentrations possibles pour le flux infiltr en surface sont encadr es par les valeurs minimale et maximale mesur es en surface entre l entr e et la sortie de la placette Tableau V 14 Concentrations en solution ug L calcul es par application de la loi de dilution V 3 et de la loi d quilibre instantan V 6 aux concentrations mesur es en surface Hypoth se basse Hypoth se haute Temps de s jour 2min dans 0 20 et 5min dans 20 50 15min dans 0 20 et 60min dans 20 50 Ev nement artificiel Ev nement naturel Ev nement artificiel Ev nement naturel Concentration a a aa o maxi mini maxi mini maxi mini maxi mini mesur e en surface 93 42 21 8 93 42 21 8 calcul e 50cm 17 8 3 1 1 8 4 3 8 1 5 0 6 mesure lysim trique 40 19 8 4 1 5 0 3 0 5 0 2 40 19 8 4 1 5 0 3 0 5 0 2 Lors de l
109. jours 4 Calibration le capteur est ins r compl tement puis retir par paliers de 2 cm par minute Le capteur est ensuite retir compl tement et ins r par paliers de 2 cm 5 Mesure de l humidit volumique des colonnes Apr s les essais de calibration couper les colonnes la scie m taux en tranches de 6 cm 5 tranches de 6 cm et 1 tranche de 5 cm Pr lever le sol au c ur de ces tranches sur toute la hauteur de la tranche et d terminer l humidit volumique par mesure gravim trique M _ Vol eau _ Pi 2 x Prot M M rumide M ws y M VI 6 FES Vol sol M A Ponu M Vol chantillon Psat sec 290 4 3 R sultats annexes 4 3 1 Impact de la conductivit sur le signal Conductim tre utilis WTW LF330 SET cellule de conductivit standard TetraCon 325 Pr cision 0 5 de la valeur mesur e Tableau VL3 Impact de la conductivit lectrique de l eau sur le signal mesur Type d eau Conductivit P riode CS616 uS cm us eau de la morcille 164 0 41 6 eau du robinet 447 0 41 3 eau d min ralis e 27 42 4 Les r sultats du Tableau VI 3 montrent que l impact de la conductivit lectrique de l eau pr sente dans le milieu est faible mais non nul en comparaison de la gamme de mesure du capteur 15 us Pair libre 35 us typiquement dans un sol saturation 5 de la pleine chelle de mesure On choisit d utiliser l eau de La Morcille pour mettre les colonnes
110. l v nement naturel le flux moyen re u par le syst me pendant la p riode identifi e comme contributive 250 mm h est susceptible d induire un refus de 110 mm h dans l horizon 10 30 cm Cette valeur est sup rieure l intensit moyenne du ruissellement observ l exutoire 30 mm h mais cet cart peut s expliquer par l effet de sorptivit du un tat hydrique initialement non satur Cependant la mise en charge de l horizon 0 10 cm n a pas t observ e par les tensiom tres situ s 15 cm Cette absence de charge peut tre un art fact de mesure li l coulement vertical induisant une perte de charge au niveau des bougies mais une perte de 15 cm nous parait improbable Si on suppose que l absence de charge 15 cm est repr sentative ceci implique la pr sence de flux lat raux dans l horizon 0 10 cm quivalents au refus d infiltration dans l horizon 10 30 cm Autrement dit ceci implique que le ruissellement se produit l int rieur du mat racinaire et non sur le mat En fait Il n y a certainement pas l chelle de la bande enherb e une s paration nette des coulements se produisant dans le mat et au dessus du mat racinaire D une part comme le mat pr sente une forte conductivit il n y a sans doute pas de diff rence tr s grande de vitesse d coulement de l eau en son sein et sa surface D autre part du fait de la forte rugosit de surface du mat
111. l existence d un gradient unitaire de potentiel dans le sol Or cette hypoth se est g n ralement fausse notamment si le lysim tre est proche d une nappe ou de la surface du sol Louie et al 2000 montrent ainsi qu un lysim tre dimensionn comme d crit ci dessus peut surestimer les flux de 25 s il se trouve proche d une nappe L hypoth se de gradient unit est galement discutable du fait de la continuit du potentiel l interface sol m che la m che influence le potentiel du sol Rimmer et al 1995 273 3 L coulement est suppos permanent Or les coulements dans les sols sont en g n ral fortement transitoires et ne peuvent tre assimil s une succession d tats permanents 4 L coulement est suppos monodimensionnel Or les gradients de potentiel induits par une ventuelle anomalie de dimensionnement s expriment dans les trois directions de l espace et ne peuvent tre pris en compte dans une approche mono dimensionnelle Enfin cet outil analytique permet d estimer le biais sur le potentiel cart entre le potentiel en t te de m che et le potentiel du sol donc de pr voir si la m che va perturber convergence ou divergence des flux ou non l coulement dans le sol Mais il ne permet pas de quantifier l erreur correspondante sur les quantit s d eau et de solut r colt es Ceci emp che toute correction a posteriori de la mesure La seule fa on pour valuer la justesse d
112. la placette de fa on identifier d ventuels flux lat raux de subsurface Des tensiom tres de r f rence ont aussi t install s l amont de la placette mais ceux ci sont rapidement tomb s en panne ce pourquoi ils ne figurent pas sur la Figure IL 22 Les syst mes de mesure ont t concentr s dans l horizon 0 50 cm correspondant la zone racinaire sur laquelle nous concentrons notre travail Les lysim tres ont t install s 50 cm de profondeur de fa on quantifier les flux verticaux sortants de cette zone Les humidim tres ont t install s entre 0 et 15 cm 25 cm et 40 cm Les tensiom tres ont t install s 15 cm 40 cm et 80 cm b Lysim trie Des lysim tres ont t install s 50 cm sous la surface du sol de fa on a quantifier les flux d eau et de pesticides percolant sous la zone racinaire Deux types de lysim tre ont t employ s des lysim tres dits atmosph riques et des lysim tres dits m che Ces deux types de lysim tres repr sentent une alternative originale et particuli rement int ressante par rapport aux autres syst mes permettant de caract riser des flux dans les sols tensiom tres bougies poreuses et cases lysim triques pes e Une analyse bibliographique comparative de ces diff rents syst mes est propos e dans l annexe 3 Description et int r t des lysim tres utilis s Les lysim tres atmosph riques sont de simples collecteurs r
113. le temps le risque serait donc limit Benoit et al 1999 Dans le cas de l isoproturon la question du relarguage ne concerne pas le produit parent puisqu il est rapidement d compos mais ses m tabolites Le devenir de ceux ci plus stables est intrins quement li l volution de la mati re organique du sol laquelle ils se fixent durablement Benoit et al 2000 1 3 3 Le risque de transferts lat raux de subsurface L occurrence d coulements lat raux de subsurface pose question principalement dans le cas des bandes enherb es situ es en bordure de cours d eau emplacement fr quemment 36 utilis o ce type de transfert peut directement affecter la rivi re De tels coulements sont notamment possibles s il existe une discontinuit dans la matrice poreuse stratification originelle ou d origine anthropique type semelle de labour pouvant induire la formation d un coulement lat ral satur rapide associ aux pisodes d infiltration Ce type d coulement a t mis en vidence sous une zone tampon rivulaire implant e sur un sol comprenant un horizon peu perm able 1m de profondeur Bosch et al 1994 en saison humide on observe un coulement lat ral satur gravitaire sur l imperm able Cependant les faibles vitesses mesur es font que le risque de transfert n est pas tr s important Bosch et al 1996 Il a t constat par ailleurs un cart de conductivit entre le m
114. les eaux superficielles de deux herbicides isoproturon et difluf nicanil M thodologie analytique et tude de l efficacit de bandes enherb es PhD Thesis Universit Joseph Fourier Grenoble I 217 pp Patty L Real B and Gril J J 1997 The use of grassed buffer strips to remove pesticides nitrate and soluble phosphorus compounds from runoff water Pesticide Science 49 3 243 251 Pot V Benoit P Yra A Martinez Cordon M J and Labat C 2003 Dissipation of isoproturon and metribuzin herbicides in undisturbed grassed buffer strip soil columns Congr s du Groupe Fran ais des pesticides Aix en Provence pp 4p Pot V Simunek J Benoit P Coquet Y Yra A and Martinez Cordon M J 2005 Impact of rainfall intensity on the transport of two herbicides in undisturbed grassed filter strip soil cores Journal of contaminant hydrology in press Quinones H and Ruelle P 2001 Operating calibration methodology of a TDR sensor for soil moisture monitoring under irrigated crops Subsurface sensing technology and applications 2 1 Rankins A J Shaw D R and Boyette M 2001 Perennial grass filter strips for reducing herbicide losses in runoff Weed Science 49 647 651 Raturi S Carroll M J and Hill R L 2003 Turfgrass thatch effects on pesticide leaching A laboratory and modeling study Journal of Environmental Quality 32 1 215 223 Reungsang A Moorman T B and Kanwar R S 2001 Transport
115. maintenue constante manuellement par r gulation du d bit d alimentation du syst me L exp rience est maintenue jusqu obtention d un r gime d infiltration permanent pour lequel on peut supposer un gradient de charge voisin de l unit 87 au niveau de la surface caract ris e le front d humectation est alors suffisamment profond pour supposer le gradient de potentiel matriciel n gligeable au niveau de cette surface La vitesse d infiltration mesur e peut alors tre assimil e la conductivit hydraulique saturation du milieu Figure II 31 Photographie du syst me d infiltrom trie M ntz x Au total nous disposons de 8 r p titions en surface sept r p titions 15 cm cinq r p titions 25 cm et cinq r p titions 40 cm r parties sur deux profils complets de la surface 40 cm et trois profils quasi complets sans point de surface le reste tant des points isol s 1 3 1 4 Mesures de la perm abilit au voisinage de la saturation in situ Des mesures d infiltration sous succion ont t r alis es avec un infiltrom tre disque SDEC SW080B Ce syst me permet d obtenir des couples K A conductivit hydraulique potentiel matriciel sur une gamme allant de 15 cm de potentiel matriciel la saturation Le disque utilis a un diam tre de 20 cm Deux campagnes de mesure ont t men es respectivement en avril 2004 et novembre 2004 sur deux zones distinctes situ
116. maximum de capteurs par le cot via une tranch e et non depuis la surface du sol Le but est de minimiser les perturbations de la structure des horizons superficiels et le risque d art facts de mesure tels que des infiltrations pr f rentielles dans la mesure o ces deux points figurent parmi les objectifs de l tude La figure montre cependant que tous les capteurs ne sont pas dans ce plan e Des tensiom tres ont t install s la fois au centre et sur le bord de la placette afin de v rifier l hypoth se d homog n it Nn e Un deuxi me type de lysimetres a t install sur le cot gauche pour compl ter le premier transect qui s est av r partiellement d faillant e Le transect de pi zom tres a t install cot de la placette pour ne pas perturber l tat de la surface du sol et risquer de cr er des voies d infiltration pr f rentielle Les syst mes de mesures install s l int rieur de la placette ont t r partis r guli rement sur quatre profils de sorte avoir une image repr sentative des flux qu on suppose h t rog nes d amont en aval Chaque profil contient un lysim tre et trois humidim tres Les tensiom tres sont l g rement d cal s pour ne pas que les capteurs soient trop proches les uns des autres Deux profils seulement ont t quip s dans la placette pour ne pas multiplier les syst mes Des tensiom tres ont cependant t install s l aval de
117. ment entant et Sontani rsen er eiere e anai een sth teas Se Ae seen ral 163 Figure IV 19 Potentiel matriciel gauche et profil de potentiel total correspondant droite mesur en X 730 cm Les courbes repr sent es sur laxe des ordonn es invers correspondent au ruissellement entrant St SOLAN s ssc ccescceescssssnsiaiscoeberesschasetiecesdanavesdestiesubsouseeesdssisstaconsvesdsetsvssienideedintsessigensteesintsere 164 Figure IV 20 Pi zom trie mesur e 1 6 m du bord droit la placette 165 Figure IV 21 Contours du domaine plan longitudinal sans lysim tre Les limites de la placette exp rimentale et la position des pi zom tres sont indiqu es titre indicatif 174 Figure IV 22 Maillage utilis dans le mod le plan longitudinal Vue rapproch e de la surface du sol 175 Figure IV 23 Profils d humidit gauche et de potentiel droite simul s au 12 ao t 2004 selon trois hypoth ses destin es encadrer la plage des tats initiaux possibles 176 Figure IV 24 Niveau pi zom trique initial simul le 12 ao t 2004 177 Figure IV 25 Comparaison de l tat hydrique initial simul au 30 mars 2005 en X 430 cm avec les valeurs IM SUL ES uenerat Nbre Denon ere redere tte en tre une EEE eNe OEE EE none EE EEPE ES EEA EEEN ESES 177 Figure IV 26 Conditions aux limites du mod le longitudinal utilis es pour d crire un v nement ruisselant 178
118. min Potentiel total cm Figure IV 19 Potentiel matriciel gauche et profil de potentiel total correspondant droite mesur en X 730 cm Les courbes repr sent es sur l axe des ordonn es invers correspondent au ruissellement entrant et sortant On constate une saturation puis une mise en charge des tensiom tres situ s en X 730 cm laval de la bande Dans la mesure o on suppose que Pint gralit du ruissellement de surface est vacu e en X 630 cm ceci montre qu il existe des flux lat raux 164 de subsurface Le gradient hydraulique ascendant mesur au m me endroit sugg re que ces flux lat raux se propagent plus de 40 cm de profondeur jane Pipeomene Pi zo T 202min Placette Pi zo T 137min z pi zo initiale S 100 4 i eee iio Surface du sol 300 500 a _ a a 300 100 100 300 500 700 900 1100 1300 Abscisse X cm Figure IV 20 Pi zom trie mesur e 1 6 m du bord droit la placette L v nement artificiel a engendr une remont e importante de la nappe dans les pi zom tres pourtant situ s une distance de 1 6 m de la placette La figure montre un niveau de nappe maximal situ entre 1 m et 0 5 m sous la surface du sol d amont en aval de la placette ce qui correspond une remont e de l ordre du m tre On en d duit qu il s est produit des flux significatifs dans le plan transversal la pente On n
119. moyen ou en terme de concentration ou flux instantan Et les l ments n cessaires une homog n isation des r sultats ne sont pas toujours fournis Finalement le fait de comparer des r sultats obtenus par diff rents protocoles exp rimentaux et diff rents auteurs appara t relativement al atoire La Figure I 1 illustre ceci travers la quantification du processus d infiltration faite par plusieurs auteurs en fonction de la Longueur enherb e en g n ral consid r e comme le param tre principal d terminant l efficacit d un syst me tampon La dispersion des r sultats est surprenante et n autorise aucune corr lation entre l efficacit d un syst me tampon diminuer les flux ruissel s par infiltration et la longueur du dispositif tampon 24 Donn es v nementielles 100 x 5 x f a i z Dillaha et al 1989 5 at E o Arora 1996 80 4 eh X x Webster 1996 e e a g x 8 me a a 4 Patty 1997 60 a a CA Vaucluse 2000 o t AA a z o Souiller 2002 T o 40 Ke Kl ppel 1997 a Schmitt 1999 20 x R A o Misra 1996 x a a Van Dijk 1996 7 x o 0 A uo e Dilaha 1989 0 5 10 15 20 Longueur enherb e m Figure I 1 Dispersion des r sultats concernant les capacit s d infiltration d une bande enherb e Cette variabilit dans les valeurs d efficacit illustre clairement la diversit des processus p
120. nements tudi s ont g n r un ruissellement l exutoire de la placette et un flux de percolation 50 cm de profondeur Ces flux ont t chantillonn s de sorte qu il est possible d tablir un bilan des quantit s de mati res sorties et retenues dans le syst me Nous disposons en outre en ce qui concerne l v nement artificiel d une mesure directe de la concentration en Diuron adsorb e sur la phase solide 48 heures apr s la fin de l v nement 208 2 1 Flux observ s lors de l v nement naturel Masse de Diuron ruissel e l exutoire L coulement sortant l exutoire de la placette a t chantillonn gr ce un bac pi ge ruissellement On ne dispose donc que d une seule valeur de concentration de 8 ug L La masse de Diuron quivalente est de 0 6 mg On note que la concentration mesur e n est pas totalement repr sentative car le pi ge ruissellement a d bord L abattement de concentration observ entre l entr e et la sortie de la placette peut s expliquer par une dilution du ruissellement par la pluie tombant sur la placette et par un processus d adsorption du Diuron sur le substrat pr sent la surface de la placette Ces deux hypoth ses sont discut es dans la suite du chapitre Masse de Diuron percol e 50 cm de profondeur Les concentrations des chantillons r colt s dans les lysim tres m che vingt quatre heures apr s l v nement sont pr
121. note 60 Figure II 9 Ev nements de pluie ayant g n r un ruissellement quantifiable l exutoire de la parcelle de vigne CEE EE EE ENT ae ees S nese Aerts ks 62 Figure II 10 Description des v nements ruisselants quantifi s l exutoire de la parcelle de vigne 62 Figure I 11 Pi zom trie maximale et minimale mesur e en fond de versant sur la p riode 2004 2005 63 Figure H 12 Sch ma d ensemble du dispositif exp rimental 64 Figure 1 13 Photographie de la rigole sortant de la vigne et des deux regards faisant office de pi ge particules enamont d l canalisation en PVC trs an RENAN A Ne Abang aie RO tr 65 Figure 1 14 Photographie du syst me d amen e et de la d verse en fonctionnement gauche et du syst me de r c p ration l aval droite Josarien M nn Miss Ei or en eie drones nee at EE 66 Figure IL 15 Sch ma d un syst me bulle bulle 67 Figure 11 16 Incertitude relative largie intervalle de confiance 95 associ e aux mesures de d bit 68 Figure 11 17 D termination in situ du z ro des d bitm tres Hauteurs d eau mesur es apr s correction de Fofiset des CAPIEUFS SM somtecex ust annx covtucde ere retient rem etes tatin in espece EOE EERE e ete din 69 Figure I 18 Photographie du pi ge ruissellement quip d un capteur de pression PDCR1830 69 Figure 1 19 Photographie d un pr leveur d chantillons ss
122. num rique Hydrus l value en relatif comme suit w E 11 52 x100 nad 5 Vi VEl L T at gt I0 a e 0 GES o est l erreur absolue 11 53 EY V Vo L T dt X Q dt 0 0 Ay o V et V sont les volumes d eau dans le domaine L respectivement aux temps t et 0 V et V gt les volumes d eau dans l l ment e L la surface de sol soumise transpiration L et T le flux de transpiration LT Le troisi me membre du terme de droite repr sente un ventuel terme d extraction d eau par les plantes Le quatri me terme correspond aux flux cumul s entr e sortie travers les n uds sur la limite Z du domaine ou des n uds puits ou source l int rieur de celui ci On note que dans l expression de l erreur relative l erreur absolue est rapport e non un volume d eau contenu dans le domaine cas habituel mais un volume chang maximal sur tout le domaine jusqu au temps t Ce dernier est estim en prenant le maximum de deux termes le premier est la somme sur tous les l ments de la variation absolue de teneur en eau entre et t ce qui emp che toute compensation entre l ments le deuxi me est la somme 106 des flux absolus dans et sur tout le contour du domaine Cet indicateur est plus strict car les changes sont souvent tr s inf rieurs au volume contenu dans le domaine surtout en d but de simulation Malgr ces crit r
123. oO 0 Cet et ee ee eae QE GE Ze a PTT RE EE O 240 480 720 960 1200 1440 O 240 480 720 960 1200 1440 Temps min Temps min Figure IV 34 Variations de stock de la couche 0 50 cm mesur e et simul e avec les deux configurations retenues 185 La variation de stock simul e au cours de l v nement est nettement sup rieure la variation mesur e et les hypoth ses formul es sur l tat hydrique ne semblent pas expliquer cet cart Ceci est coh rent avec les variations d humidit observ es l chelle des profils instrument s Cela montre a posteriori que la faible variation de stock mesur e n est pas uniquement due des coulements lat raux et profonds comme cela a t sugg r dans l analyse exp rimentale mais aussi une h t rog n it des flux l chelle macroscopique de la placette La dynamique de ressuyage simul e est quasi identique la dynamique mesur e dans les deux configurations test es L hypoth se d tat initial interm diaire sugg re un retour l tat hydrique initial 24 heures apr s la fin de l v nement comme ce qui a t observ L hypoth se d tat initial sec sugg re un stockage r siduel non nul 24 heures mais n anmoins faible 20 de la variation de stock maximale 2 2 4 Percolation 50 cm de profondeur et bilan Etant donn que les deux configurations envisag es jusqu pr sent ne montrent pas de diff renc
124. par un mod le 2D b Flux simul s dans le plan transversal L estimation des flux transversaux de subsurface se produisant aux limites de la placette est illustr e par la Figure IV 50 200 300 Hyp haute 250 Hyp moyenne 200 150 Flux mm h 100 oa Oo Oo 0 50 100 150 Temps min Figure IV 50 Flux de subsurface simul s aux limites de la placette dans le plan transversal Le flux quivalent simul avec les perm abilit s moyennes est indiqu titre de comparaison Les flux simul s pendant la phase 1 de propagation de bulbe d infiltration sont quivalents aux flux simul s avec les valeurs moyennes Pendant la phase 2 de remont e de la nappe l cart entre les deux hypoth ses de perm abilit augmente tr s fortement et atteint un ordre de grandeur En parall le la dur e de la phase 1 est fortement r duite elle passe de 90 minutes 30 minutes Au total l hypoth se haute induit un flux transversal nettement sup rieur celui simul avec les valeurs moyennes Le bilan des flux de surface simul s avec le mod le longitudinal et des flux de subsurface simul s avec le mod le transversal est pr sent dans le Tableau IV 17 Tableau IV 17 Bilan des flux simul s l chelle de la placette avec l hypoth se haute Les valeurs obtenues avec l hypoth se moyenne sont rappel es titre indicatif Plan longitudinal Plan transversal flux de s
125. pas car l eau peu concentr e initialement pr sente dans le profil est progressivement chass e par l eau inject e On note que sauf sur le profil F la concentration du flux r colt par les lysim tres n atteint pas la concentration inject e en surface 200 mg L au cours de l exp rience La premi re hypoth se susceptible d expliquer ceci est que la dur e des exp riences est trop courte pour chasser toute l eau contenue dans le profil donc que la dilution du flux inject se poursuit jusqu la fin de l exp rience Ceci sugg re l existence d une porosit peu accessible l coulement se vidangeant lentement La deuxi me hypoth se est que ce r sultat est d un art fact exp rimental associ la conversion Cl f Conductivit utilis e pour estimer les concentrations et un processus d change de cations entre la solution inject e et la matrice solide En effet le potassium inject peut s changer avec le calcium ou le magn sium du sol esp ces moins conductrices r duisant ainsi la force ionique totale donc la conductivit lectrique de la solution chantillonn e 4 2 Mod lisation de la courbe de perc e dans le lysim tre Le domaine de mod lisation les conditions aux limites et les conditions initiales servant la r solution de l quation de Richards sont les m mes que celles pr sent es avec les r sultats de mod lisation des flux d eau La condition initiale
126. pas incoh rente avec le r alisme des simulations obtenues de l v nement naturel dans la mesure o ces flux transversaux sont probablement essentiellement li s la remont e de la zone satur e qui n a pas eu lieu lors de l v nement naturel On note que cette hypoth se ne peut expliquer l ensemble des observations exp rimentales et notamment la vitesse de transfert vertical des flux L hypoth se d une perm abilit verticale sous estim e sugg re que les propri t s du milieu ont volu entre les deux v nements ou que le syst me est sollicit diff remment lors des deux v nements L volution des propri t s hydrodynamiques avec le temps est une hypoth se possible r guli rement utilis e dans la litt rature pour justifier la calibration du param tre de perm abilit saturation ou de rugosit de surface suivant l v nement Mu oz Carpena et al 1999 Cependant les deux v nements tudi s se sont produits 6 mois d intervalle des mois d automne et d hiver qui plus est pendant lesquels la macrofaune est peu active Une autre justification plus probable selon nous est de consid rer que la condition sur la limite de surface n est pas la m me pour les deux v nements et qu elle sollicite diff remment des zones de perm abilit s par ailleurs elles aussi diff rentes Cette hypoth se revient supposer l existence d une macroporosit significative et le fait qu elle n
127. peu perm able faible profondeur Or seule l quation de Richards permet de rendre compte de telles situations par opposition des mod les plus conceptuels tels que le mod le de Green et Ampt On fait l hypoth se que l quation de Richards permet de rendre compte une chelle macroscopique des flux dans le sol d une bande enherb e Cette quation classiquement utilis e pour repr senter les coulements en milieu poreux suppose une matrice solide homog ne induisant une propagation homog ne des flux Or il est peu probable que cette repr sentation soit conforme l observation qu on pourrait faire petite chelle de la structure d un sol enherb qu on sait caract ris par de nombreuses galeries de racines de vers de terre ou autres rongeurs En revanche on peut supposer que de telles structures n ont qu un impact limit sur les flux une chelle macroscopique de plusieurs dizaines de m tres carr s On peut galement supposer que l quation de Richards m me si elle est utilis e en dehors de la gamme de validit des concepts physiques tablis une chelle fine mais non microscopique sur lesquels elle repose permet de rendre compte des flux une chelle macroscopique via la repr sentation d un milieu homog ne fictif quivalent Ce choix a priori s explique aussi par le fait qu il n existe pas de mod les repr sentant explicitement des coulements non homog nes dans le so
128. potentiel d coulement L T d fini par VLS P A K h dh o h est le potentiel initial de l eau du sol L En supposant que la relation K h est de type exponentiel Gardner 1958 VI 9 K h K exp ah avec K la conductivit hydraulique saturation L T et une constante sp cifique au sol L l expression du potentiel d coulement se simplifie sous la forme K h K h VI 10 h Ko KG En supposant le milieu initialement sec de sorte n gliger K h devant K ho l quation VI 7 se simplifie son tour VI q hy Kai 4 K exer Ara Ara Pour un disque de rayon r et pour un potentiel ho donn le flux infiltr ne d pend que des param tres K et Il suffit donc de deux couples q ho pour r soudre un syst me deux quations et deux inconnues et en d duire les valeurs de K et Le probl me est que la conductivit hydraulique suit rarement une loi exponentielle sur toute la gamme de potentiel Reynolds and Elrick 1991 proposent donc d utiliser une loi exponentielle par morceau On dispose alors de paires de couples g h hj et g h hj pour lesquels on r sout le syst me 297 TWA by el rhis loa r W y In g A fx A i a h VL12 On dispose alors pour chaque potentiel h encadr par les potentiels A et h de deux couples k Kix et Qy Ky donc de deux relations permettant d est
129. profondeur sont hautement variables dans le temps m me s ils pr sentent une inertie par rapport au r gime pluviom trique les r sultats obtenus avec le Rehovot sand sont similaires et ne sont pas pr sent s par souci de clart On constate que le lysim tre m che permet effectivement de rendre compte de ces flux en continu 200 ro 160 4H lie 7 2 40 E 120 5 ae wick flow 145 2 Z 80 CS a reference flow 20 a f a 40 4 25 0 T T T T T 30 0 50 100 150 200 250 300 350 Time h Figure 3 Flux simul s pour le Ida Silt Loam et la m che Amatex 3 8MD Les Figures 4A et 4B permettent de comparer pour les deux configurations sol m che test es les flux simul s par les deux types de mod le repr sentant le m me volume de sol respectivement avec et sans lysim tre On constate que la pr sence du lysim tre ne perturbe pas significativement les coulements dans le solIda Silt Loam Figure 4A les flux transitant a travers la m che repr sentent 106 des flux qui transiteraient dans le sol a cette profondeur en l absence de lysim tre Pour le Rehovot Sand on constate que le biais est plus important autour de 20 Figure 4B Le lysim tre surestime donc les flux de percolation de 20 en induisant une convergence significative des lignes de courant Ce r sultat s explique par le fait que les propri t s hydrauliques des sols et des m ches ne corres
130. qu elle est impl ment e dans les mod les actuels e Le transport des solut s dans la zone racinaire appara t reproductible l aide de l quation de convection dispersion moyennant l hypoth se que seule une fraction de la porosit contribue au transport convectif et qu il existe des changes diffusifs entre les fractions mobiles et immobiles ainsi distingu es Perspectives scientifiques Sur le plan exp rimental des jeux de donn es restent acqu rir sur le dispositif r alis pour valider les hypoth ses mises dans ce travail Il serait notamment int ressant e de confirmer l influence du d bit sur l infiltrabilit macroscopique du syst me La possibilit de simuler des v nements artificiels d bit contr l sera pour cela tr s utile e de confirmer l existence d un coulement surface libre la fois sur le mat racinaire et l int rieur de celui ci Il faudrait pour cela envisager de modifier le syst me de r cup ration du ruissellement install l aval de la placette par exemple en plantant la goutti re de r cup ration du ruissellement plus profond ment vers 10 cm ou 15 cm e de quantifier plus pr cis ment que nous l avons fait l abattement de concentration que l on peut attendre en surface du processus d adsorption notamment en regard de la cin tique de r action L tude du transport de mol cules aux propri t s diff rentes du Diuron et notamment de c
131. que la capacit de stockage de l horizon 0 50 cm est de l ordre de 60 mm 110 mm avant l v nement On constate une certaine variabilit entre les quatre profils instrument s qui ne permet pas de distinguer d volution du profil d humidit d amont en aval de la placette Cette variabilit s explique selon nous par un art fact li l utilisation d une quation d talonnage unique pour tous les capteurs plus que par une r elle h t rog n it dans l tat hydrique du milieu On suppose celui ci relativement homog ne l chelle de la placette 1 1 1 2 Flux entrant dans le syst me ruissellement et pluie Caract ristiques des flux Les caract ristiques hydrauliques des flux entrant dans le syst me sont r sum es dans le Tableau IV 1 et illustr es par la Figure IV 2 Les flux instantan s et cumul s sont rapport s la surface de la placette exp rimentale c est dire 25 2 m Tableau IV 1 Caract ristiques des flux mesur s en surface lors de l v nement du 12 ao t 2004 Dur e Volume D bit moyen D bit max min mm mm h mm h Ruissellement 45 81 2 108 391 Pluie 50 16 0 1 19 97 146 800 700 600 Pluie 500 Ruissellement 400 Ruiss pluie Ruissellement mm h Ruissellement pluie mm h 200 4 co 0 10 20 30 40 50 60 Temps min Figure IV 2 Flux de surface entrant dans le syst me lors de l
132. qui me destinait plut t aux Directions D partementales ou R gionales de l Agriculture et de la For t Je suis reconnaissant aux personnes en charge de l orientation au sein de ce minist re d avoir accept mon choix de r aliser un travail de recherche et de m avoir fait confiance Je pense notamment aux membres du conseil g n ral du GREF et plus particuli rement Daniel Loudi re et Thierry Leviandier Le projet scientifique l origine de ma th se a t labor par Nadia Carluer Jean Jo l Gril et V ronique Gouy de l quipe Pollutions Diffuses du Cemagref de Lyon en accord avec Marc Voltz de l INRA de Montpellier ma contribution y fut minime Je les remercie d avoir formul un projet si int ressant et suffisamment convaincant Enfin je remercie l unit de recherche Qualit des Eaux et Pr vention des Pollutions du Cemagref de Lyon travers les personnes de Jean Jo l Gril et Pascal Boistard tour tour chefs de cette unit pour m avoir accueilli dans leurs murs et fourni tous les moyens mat riels et financiers n cessaires au bon d roulement de mon travail Je souhaite ensuite remercier ceux qui ont encadr ce travail sur le plan scientifique A ce titre je remercie chaleureusement mon directeur de th se Marc Voltz Plus simplement qu une liste de qualificatifs qui serait longue tant j ai appr ci cette relation je voudrais lui exprimer toute ma gratitude pour ce qu il m a apport ces ci
133. quilibre physique Le non quilibre physique repose sur l existence d une double porosit dont une fraction ne contribue pas l coulement et d une cin tique de transfert limit e entre ces deux fractions La phase liquide est fractionn e en une fraction mobile L L et une fraction immobile L L cf quation II 28 de concentrations respectives cm M L et Cim M L La phase solide est galement fractionn e en une fraction de concentration Sm M M en contact avec l eau mobile et une fraction de concentration sim M M en contact avec l eau immobile 11 28 0 0 0 im 100 L quation de convection dispersion ne concerne alors que la fraction mobile dc dc ds ds d dc dc 11 29 0 m 0 im m im D 7 m m S ue ag oe Po Pa 2 i 3 Ea La pr sence de solut dans la fraction immobile d pend uniquement de transferts de masse diffusifs d crits par une loi d ordre 1 et un coefficient de transfert T oc 11 30 On O Cn Cin ot Les sites d adsorption sont eux aussi r partis entre la fraction mobile et la fraction immobile Sin kXC 11 31 Sim kX Cm f xs 11 32 mas Sim 1 f xs ou f est la proportion de sites en contact avec l eau mobile 2 3 Aspects num riques Le principe de r solution de l quation de transport des solut s tant tr s proche de celui associ a l quation de Richards nous ne pr sen
134. restent laminaires et non turbulents On souhaite par ailleurs rester dans une gamme de perm abilit r aliste pour ne pas perdre le sens physique de l quation de Richards On choisit pour cela de tester le jeu de perm abilit s hautes d fini par la limite sup rieure de l intervalle de confiance 68 associ aux perm abilit s mesur es l chelle locale cf chapitre I Ce choix est par ailleurs coh rent avec les r sultats d infiltration percolation obtenus l chelle locale qui montrent que les perm abilit s moyennes ne rendent pas compte des flux observ s sur tous les profils et que l hypoth se haute peut rendre compte de profils particuli rement perm ables cf chapitre III N ayant pas de donn e qui nous permette de supposer que cette macroporosit influence uniquement les flux verticaux l hypoth se d isotropie du milieu sous jacent du mat racinaire est conserv e Les param tres hydrodynamiques correspondant a l hypoth se haute sont rappel s dans le Tableau IV 16 Tableau 1V 16 Param tres hydrodynamiques principaux correspondant l hypoth se de perm abilit haute th tar th tas alpha n Ksat cm 1 mm h 0 10cm 0 15 0 52 0 32 1 46 1010 10 30cm 0 15 0 40 0 10 1 52 430 30 90cm 0 15 0 40 0 10 1 52 330 gt 90cm 0 15 0 33 0 07 1 57 330 Horizon 199 2 3 3 1 Ruissellement de surface a Flux simul s dans le plan longitudinal Le ruissellement simul l
135. s ajouter Par ailleurs on note que les valeurs calcul es sont li es aux sols test s et la chronique de pluie utilis e Elles doivent de ce fait tre utilis es avec prudence 3 5 Conclusion L objectif de ce travail tait d valuer l incertitude associ e la mesure de flux de percolation avec un lysim tre m che Deux sources d incertitude ont t examin es respectivement d ordre th orique et d ordre exp rimental L tude r alis e sur 2 sols types et un r gime de pluie particulier permet de formuler les conclusions g n rales suivantes Concernant l erreur d origine th orique nous avons montr que la formule analytique faisant r f rence dans la litt rature pour dimensionner un lysim tre m che tait satisfaisante mais sous certaines conditions qui en limitent s v rement l application dans les cas o les propri t s de conductivit hydraulique du sol peuvent tre repr sent es par une loi exponentielle si on dispose d un mat riau de m che permettant d ajuster parfaitement le potentiel de m che celui du sol et pour des pas de temps de mesure larges En revanche si l une de ces conditions n est pas satisfaite l approche analytique doit tre compl t e par un travail de mod lisation num rique seul capable de prendre en compte un mod le hydrodynamique complexe et de quantifier en continu l erreur de la mesure pour une correction a posteriori des mesures
136. s x Z Cim x z 0 Cim x z Conditions aux limites pour quation de Richards Pour la r solution de l quation de Richards Hydrus 2D prend en compte trois types de conditions aux limites fixes et deux types d pendant de l tat du syst me nous ne pr sentons que les possibilit s exploit es du mod le Condition de type Dirichlet condition de potentiel constant ou variable dans le temps 11 43 h x z t w x z t avec x zjeT o y L est une fonction de l espace x z et du temps Condition de type Neumann condition de flux constant ou variable dans le temps 103 11 44 rodki Paki n 0 x z t avec x z e y J o o LT est une fonction de l espace x z et du temps Condition de type gradient uniquement sous la forme d un gradient vertical unit constant dans le temps 11 45 i atk In avec x z EeT Condition dite atmosph rique condition de flux pouvant passer une condition de potentiel A 0 lorsque le flux entrant dans le domaine est sup rieur la perm abilit du milieu Condition de type suintement condition de flux nul pouvant passer une condition de potentiel constant 4 0 lorsque le potentiel des n uds adjacents est sup rieur 0 Conditions aux limites pour quation de convection dispersion Pour la r solution de l quation de convection dispersion Hydrus prend en compte deux types principaux de co
137. s de conductivit hydraulique Les courbes de conductivit hydraulique K ou K h sont d crites par le mod le de Mualem 1976 C est un mod le base physique reposant sur l assimilation des pores du sol des capillaires cylindriques sur une expression de vitesse porale issue de la m canique des milieux continus et sur une distribution statistique des pores conducteurs bas e sur la courbe de r tention du sol L quation de type int gral complexe donne les expressions suivantes lorsqu elle est associ e aux mod les de r tention pr sent s ci dessus Le mod le de Mualem van Genuchten van Genuchten 1980 Ce mod le est repr sent par les quations II 8 et IL 9 et illustr par la Figure 11 33 94 2 11 8 K h K S xhi EE 0 0 11 9 S r ae 8 Se est le taux de saturation et un facteur d ajustement g n ralement pris gal a 0 5 Le mod le de Mualem van Genuchten modifi Vogel and Cislerova 1988 Ce mod le est repr sent par les quations II 10 II 13 et illustr par la Figure II 34 K K h h lt h 11 10 K h ee ees h lt hsh h h K h gt h i 2 F F 11 11 Ces Se l K So FO F A A m 0 0 11 12 F 1 a i l 74 0 0 11 13 Sy 7 ne Tae o S est le taux de saturation K LT la conductivit hydraulique saturation Ky LT un param tre d ajustement analogue K h
138. stockage et d puration des sol de dispositifs enherb s vis a vis des produits phytosanitaires Etude et Gestion des Sols 9 4 269 285 Spatz R Walker F and Hurle K 1997 Effect of grass buffer strips on pesticide runoff under simulated rainfall Med Fac Landbouww Univ Gent 62 3a 799 806 Srivastava P Edwards D R Daniel P A Moore P A and Costello T A 1996 Performance of vegetative filter strips with varying pollutant source and filter strip lengths Transactions of the ASAE 39 6 2231 2239 Staddon W J Locke M A and Zablotowicz R M 2001 Microbiological characteristics of a vegetative buffer strip soil and degradation and sorption of metolachlor Soil Science Society of America Journal 65 1136 1142 Stoeckel D M Mudd E C and Entry J A 1997 Degradation of persistent herbicides in riparian wetlands In American Chemical Society Editor Phytoremediation of soil and water contaminants pp 114 132 Suwandono L Parsons J E and Munoz Carpena R 1999 Design guide for vegetative filter strips using VFSMOD 1999 ASAE CSAE SCGR Annual International Meeting Toronto Ontario Canada pp 1 7 Tingle C H Shaw D R Boyette M and Murphy G P 1998 Metolachlor and metribuzin losses in runoff as affected by width of vegetative filter strips Weed Science 46 475 479 Tisdall J M and Oades J M 1982 Organic matter and water stable aggregates in soils Journal of Soil Science 33 141 16
139. surface de la placette enherb e plant s jusqu mi hauteur dans le mat racinaire pour donner une information sur la pr sence d un coulement de surface donn e binaire immerg non immerg Ils informent ainsi sur la vitesse de propagation du ruissellement de surface sur l homog n it de l coulement et sur la distance de propagation lorsque l v nement n est pas suffisant pour g n rer un coulement en sortie de la placette Le temps de r ponse d un capteur sec une immersion instantan e est de l ordre de 10 secondes ce qui est suffisant dans le cas de notre application Les capteurs ont t implant s de fa on suivre l coulement sur l ensemble de la placette tout en densifiant le r seau dans la partie amont pour suivre des v nements peu volumineux ne se propageant pas jusqu en bas et sur le cot quip d humidim tres et de tensiom tres comme illustr dans la Figure II 21 Ordonn es Y cm 0 100 200 300 400 0 f j 100 IS ee __ 200 x 2 300 8 ee e e 3 Sens de la pente Q 2 400 500 5 600 4 Figure II 21 Sch ma d implantation des capteurs Watermark la surface de la placette Fj 1 1 3 4 Mesures de subsurface a Implantation L implantation des diff rents syst mes de mesure install s en subsurface tensiom tres humidim tres pi zom tres et lysim tres est sch matis e dans la Figure I 22 Les proport
140. termin es l aide de plusieurs m thodes compl mentaires et diff rentes profondeurs La compl mentarit des diff rentes m thodes utilis es a permis de caract riser les propri t s hydrodynamiques la fois en r gime satur et non satur La comparaison des mesures obtenues diff rentes profondeurs montre qu il faut distinguer diff rents horizons dans le profil un horizon 0 10 cm correspondant au mat racinaire et les horizons 10 30 cm 30 90 cm et gt 90 cm pour d crire une baisse apparente de la perm abilit et de la porosit avec la profondeur Ces r sultats sugg rent l existence d une porosit structurale importante dans les horizons de surface et une perte de cette structure avec la profondeur Ils sugg rent en outre une h t rog n it spatiale significative de la perm abilit Ils ont permis d ajuster les courbes K h et Oh n cessaires la mod lisation Trois hypoth ses basse moyenne et haute ont t ajust es pour rendre compte de l h t rog n it spatiale de la perm abilit Les courbes K h et Oh ajust es ont t confront es des mesures de flux r alis es en surface et dans les lysim tres lors d exp riences de mise en charge localis e du sol r alis es 128 au dessus de ces derniers Ces exp riences ont t reproduites num riquement l aide du mod le Hydrus 2D Simunek et al 1999 Les r sultats obtenus montrent que les perm abilit s aju
141. tres En effet une erreur sur l un de ces facteurs induit un mauvais dimensionnement et in fine une mauvaise mesure des flux de percolation On propose donc de simuler une erreur sur chacun de ces param tres pour ensuite valuer son impact sur le fonctionnement du lysim tre ainsi mal dimensionn dans une situation r elle Cette valuation se fait en quantifiant l erreur sur le flux collect par la m che On simule ainsi une erreur intervenant sur les param tres Ks Ka et Ay en se basant sur des valeurs probables issues de l exp rience ou de la litt rature les propri t s de conductivit d un sol et notamment la conductivit hydraulique saturation sont g n ralement entach es d une incertitude importante que ce soit d la pr cision de la m thode de d termination 274 elle m me ou l h t rog n it naturelle des sols Nous avons donc simul la propagation d une incertitude probable de facteur 0 1 10 sur le param tre Ks de sol Nous avons simul une incertitude inf rieure de facteur 0 5 2 sur le param tre Ksat de m che obtenu dans la litt rature Knutson and Selker 1994 en supposant une faible variabilit des propri t s des m ches qui sont des produits manufactur s Nous avons galement test une incertitude de 0 5 1 mm sur la mesure du rayon de m che qui correspond selon nous une valeur probable sur la donn e obtenue dans la litt rature Knutson an
142. un basculement et qu un calcul quadratique quivalent doit tre men pour les cumuls par v nement U Vcum nxU VY Vnx0 00686 U cum 1 Vcum A U Vcum _ 0 068 Vcum S Jn x 0 0338 o 7 est le nombre de basculements enregistr s pendant l v nement 261 On note que l incertitude relative diminue rapidement avec le volume de l v nement pour n tre plus que de 0 6 pour un cumul de 20 mm au seuil de 95 2 3 Exemples d application aux donn es exp rimentales A titre d exemple on calcule ici les incertitudes li es aux mesures faites lors de l v nement artificiel 2 3 1 Incertitude sur les volumes inject s On applique les formules tablies pr c demment pour calculer l incertitude sur le volume cumul en tenant compte de l incertitude sur la mesure de la hauteur d eau dans le canal jaugeur et de l incertitude sur les coefficients de l quation de tarage UV gt At xU 0 L avec U Q H U a a H n H U b a H bU H 2aH In H rU aU b Le r sultat est illustr dans la Figure VI 13 160 40 140 Uc Vcum 120 a Uc Vcum Vcum r 8 g Th 2 100 Le S 804 e E TD 604 L 4 2 3 40 4 g es 20 4 0 i i 6 0 50 100 150 Temps min Figure VI 13 Incertitudes absolues et relatives 95 sur le volume cumul entr dans la placette L incertitude sur le volume total entr dans l
143. une m thode de mesure donc applicable toutes les mesures obtenues de cette fa on et ne peut tre utilis e pour corriger le r sultat d une mesure Elle se distingue de l erreur valeur unique obtenue par diff rence entre un r sultat individuel et la valeur vraie qui peut tre appliqu e comme correction d un r sultat L incertitude d un r sultat peut provenir de plusieurs sources dont il convient d estimer les contributions respectives appel es composantes de l incertitude globale Lorsqu elle est exprim e l aide d un cart type une composante est appel e incertitude type S il existe une corr lation entre les composantes celle ci doit tre prise en compte par un calcul de covariance L incertitude globale appel e aussi incertitude type compos e est un cart type estim gal la racine carr e de la variance totale obtenue en combinant toutes les composantes de l incertitude La notion d incertitude type doit tre compl t e par celle d incertitude largie associ e la notion d intervalle de confiance ou intervalle de certitude ma tris e En supposant que les diff rentes valeurs pouvant tre obtenues par la mesure en question suivent une distribution gaussienne l intervalle de confiance calcul plus ou moins un cart type d finit un risque inf rieur 32 l intervalle de confiance calcul plus ou moins deux cart types d finit un risque inf rieur 5 et l
144. volume des augets associ e a l horizontalit du pluviom tre est inconnue On estime arbitrairement l cart maximal 5 sur la base de l cart entre le volume a priori 0 2 mm et le volume mesur lors de l talonnage 0 203 mm qui est de 1 5 e L incertitude associ e aux pertes d eau est de 4 25 mm h et de 8 133 mm h Campbell Scientific 2001 On suppose que ces valeurs sont des incertitudes largies 95 et que la distribution associ e est normale On consid rera une valeur moyenne de 6 e L incertitude sur l intervalle de temps correspondant au remplissage d un auget peut tre assimil e une incertitude de r solution correspondant au volume des augets L cart est donc de 0 2 mm et la distribution associ e est de type rectangle L cart correspondant sur le temps d pend de l intensit de pluie e L incertitude li e l enregistrement par l automate est n gligeable car le basculement est horodat au centi me de seconde pr s 2 2 5 3 Calcul de l incertitude compos e Les sources d erreur list es ci dessus affectant directement le r sultat final de volume l erreur compos e se calcule de fa on additionnelle 2 2 0 05x0 2 0 06x0 2 La DR ee 0 00686 mm L incertitude absolue sur la mesure de volume largie un intervalle de confiance a 95 est de 0 014 mm soit une incertitude relative de 7 On note que cette valeur ne concerne qu
145. 0 T T T T T T T T T T T T T T 300 100 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 Abscisse X cm Figure IV 8 Niveaux pi zom triques mesur s et estim s dans le versant coupe longitudinale avant la simulation de ruissellement Le profil de la nappe dans le versant est estim partir du niveau pi zom trique mesur dans les tubes B et D La surface libre estim e est situ e 250 cm et 175 cm de profondeur respectivement l amont et l aval de la placette Les relev s tensiom triques et humidim triques r alis s avant l v nement sont illustr s dans la Figure IV 9 0 20 5 3 2 J J 3 8 40 J 2 J 4 lt Profil A X 35cm A gg 2 Mesure X 240cm e Profil B X 215cm Mesure X 430cm amp Profil C X 405cm _g9 a Mesure X 730cm yell D e 80 60 40 20 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 Potentiel matriciel cm Humidit volumique Figure IV 9 Mesures tensiom triques et humidim triques faites avant la simulation de ruissellement Les valeurs de potentiel mesur es sont lev es sup rieures a 60 cm L humidit volumique est comprise entre 0 2 cm cm et 0 3 cm em Ces valeurs traduisent un tat hydrique relativement proche de la saturation et par ailleurs voisin de l tat initial constat pour l v nement naturel La capacit de stockage de l horizon 0 50 cm est estim e entre 60 et 110 mm L homog n it des mesures de p
146. 004 146 Figure IV 2 Flux de surface entrant dans le syst me lors de l v nement du 12 ao t 2004 La courbe repr sent e selon un axe des ordonn es invers correspond au flux total re u par la placette C est la repr sentation qui Sera utilis e par la SUIE scscssecesesededescsenseenederedensaeningesaudenen guaiegyedacdeysdreca sedepenins beeeuipade EEEE aecee eos 147 Figure IV 3 Repr sentativit de l v nement du 12 ao t 2004 par rapport aux pluies enregistr es dans la p riode 2004 2005 et par rapport aux caract ristiques Intensit Dur e Fr quence locales de p riode de retour 2 anset Sans M t OfTANCE 2 5 sn mr ln adhe te wshdacseuaddan des E EEE EE PEE lees 148 Figure IV 4 Ruissellement observ l exutoire Le ruissellement entrant et la pluie sont aussi indiqu s pour COMP ALAIS ONS 225 25 sense EE REER E dupes tun cevsstensevwaaesteveades denses nt reed E EEE 150 Figure IV 5 Variations relatives d humidit volumique mesur es dans la couche 0 15 cm d amont en aval de la placette La courbe repr sent e sur l axe des ordonn es invers es correspond au flux total instantan HEGU Par la Placette SR Re se EA EE ENE AE OEE EEN EEEO 151 Figure IV 6 Variation moyenne du stock d eau dans la couche de sol 0 50 cm L infiltration cumul e est indiqu e pour comparaison La courbe repr sent e sur laxe des ordonn es invers es correspond au flux total instantan regu par la placelte sc sis si
147. 04 2005 Ces v nements sont illustr s dans la Figure II 9 Le coefficient de ruissellement repr sent traduit le ratio entre le volume ruissel ramen la surface drain e et le volume de pluie On note que des v nements particuli rement intenses caract ris s par des coefficients de ruissellement probablement lev s ne sont pas repr sent s dans cette figure car ceux ci ont engendr un d p t de s diment dans le d bitm tre rendant impossible la quantification pr cise des d bits donc du volume RE 100 25 10 Pluie EE Ruissellement Q 20 c 8 r pe Oo z 5 Et T6 5 8 5 10 4 3 gt o me 5 ee 2 0 j mY j j E 1 im l 0 123 4 5 6 7 8 9 101112131415 16 Figure II 9 Ev nements de pluie ayant g n r un ruissellement quantifiable lexutoire de la parcelle de vigne Les coefficients de ruissellement constat s dans la parcelle de vigne sont faibles Ceci est coh rent avec la texture sableuse du sol constat e sur l ensemble du versant Les valeurs constat es sont cependant inf rieures aux valeurs attendues au vu de la pente du versant 30 et de l absence de couverture v g tale L cart par rapport aux travaux de Gril 1986 et Munoz 1992 r alis s sur des milieux similaires et pr sentant des coefficients de ruissellement compris entre 20 et 60 s explique probablement par l intens
148. 12V sur 12V de l alimentation stabilis e borne G sur la borne 12V de l Alph e fil rouge sur la borne 12V non r gul e du CR10X fil noir sur la borne G du CR10X et sur la masse de l alimentation stabilis e fil jaune sur la borne C7 du CR10X Multiplexeur 1 Clock sur Cl Reset sur C6 ComOdd H sur SE1 ComOdd L sur C3 ComEven H sur SE2 ComEven L sur AG Multiplexeur 2 Clock sur C5 Reset sur C6 ComOdd H sur 12V ComOdd L sur SE7 ComEven H sur SE9 ComEven L sur SE10 Echantillonneur amont commande par impulsion sur contact sec entre E3 et G 294 Echantillonneur aval commande par impulsion sur contact sec entre C2 et G Modem GSM port E S 9 broches Automate CR10X Multiplexeur Modem GSM Figure VI 19 Photographie du coffret de c blage 295 296 6 D termination de la perm abilit au voisinage de la saturation par la m thode multipotentiel On suppose que la courbe de conductivit hydraulique K h suit une loi de type exponentiel par morceaux ce qui permet de lin ariser la solution de Wooding 1968 qui supposant un milieu homog ne et isotrope donne une valeur approch e du flux d infiltration en r gime permanent a partir d une source circulaire de rayon r L V1 7 q ho K h 4 D h ar o ga hg est la densit de flux d infiltration en r gime permanent L T K ho est la conductivit hydraulique au potentiel ho et Phy est le
149. 14 3 3 7 BE 5 20cm 13 8 4 3 14 8 5 3 7 6 0 8 11 3 1 2 17 3 0 4 13 0 3 7 BE 20 50cm 2 8 1 2 6 0 0 6 4 5 1 2 4 0 0 2 6 2 1 0 4 7 1 4 BE 50 100cm 2 9 0 2 4 7 0 7 1 9 0 1 3 8 0 1 3 3 1 2 BE v g taux 33 4 8 5 40 5 4 2 36 9 5 0 Vigne 0 20cm 0 9 0 4 3 6 1 2 3 7 0 1 4 6 0 2 3 2 1 6 Vigne 20 50cm 1 7 0 2 2 7 0 6 2 6 0 4 2 4 0 2 2 4 0 5 0 lt 20 4 e oO Z 40 oO Cc 60 5 2 BE v g taux a BE sol 80 4 Vigne sol 1 00 T T T T T T T T T O 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 Coefficient de partage Kd L Kg Figure IIL 13 Coefficients de partage moyens d termin s sur les diff rents horizons de la parcelle enherb e BE et de la parcelle de vigne Les points repr sentent des moyennes et les barres des cart types correspondant aux mesures r alis es diff rentes concentrations de dopage L incertitude sur chaque coefficient de partage est faible la majorit des points pr sente un coefficient de variation inf rieur 20 En revanche lorsqu on fait la moyenne des Kp obtenus a diff rents niveaux de concentration l incertitude augmente la majorit des horizons pr sente un coefficient de variation compris entre 20 et 30 Il existe une diff rence nette entre les capacit s de r tention du sol de vigne et du sol enherb celui ci pr sentant des coefficients de partage 4 fois sup rieurs dans l horizon 0 20 cm et 2 fois sup rieurs dans l horizon 20 50
150. 150 Lawrence 1996 Vellidis 2002 Schmitt 1999 Cyanazine 171 116 500 Arora 1996 Misra 1996 Therbuthylazine 8 5 160 447 Kl ppel 1997 Spatz 1997 Norflurazon 28 290 1056 Rankins 2001 Propiconazol 110 382 1789 Syversen 2003 Diuron 538 696 CA Vaucluse 2000 Souiller 2002 Diazinon 40 85 1842 Watanabe 2001 Diflufenicanil lt 0 05 1622 2369 Lecomte 1999 Madrigal 2002 Patty 1997 Souiller 2002 Fenpropimorph 4 3 2772 5943 Spatz 1997 Syversen 2003 Chlorpyriphos 0 94 2500 14000 Cole 1997 Bifenox 0 36 1800 23000 Kl ppel 1997 Pendimethalin 0 3 6700 29400 Spatz 1997 Lee 2000 25 1 2 1 M canismes d abattement des flux de pesticides par une bande enherb e En g n ral quatre processus principaux sont suppos s responsables de la r duction des flux de surface de produits phytosanitaires par une bande enherb e Ces processus sont repr sent s dans la Figure 1 2 Forte perm abilit Parcelle cultiv e Bande enherb e Forte rugosit Teneur lev e en mati res organiques S dimentation des JL Dilution par la pluie Wparticules solides Infiltration de l eau et produits en solution KTTT Zone racinaire Adsorption et d gradation des produits en solution fs Figure I 2 Sch ma des processus et transferts possibles dans un syst me bande enherb e rivulaire 1 2 1 1 L infiltration De nombreux auteurs montrent que l
151. 2 04 22 34 23 04 23 34 0 04 0 34 1 04 1 34 Temps universel hh min Temps universel hh min 305 24 ao t 2004 14 octobre 2004 250 j J 0 250 0 f T M 7 Q1 V s 1 40 a Ruiss Sortant 40 E Ruiss entrant E Ruiss Entrant as 150 Pluie E 2150 Pluie E o E 80 er E 80 100 S Si 2 D o 3 a 3 L120 5 50 T 50 120 0 160 0 160 3 00 5 00 7 00 9 00 11 00 13 00 15 00 17 00 16 00 16 30 17 00 17 30 18 00 18 30 19 00 19 30 Temps universel hh min Temps universel hh min 16 17 avril 2005 3 mai 2005 150 0 150 5 0 4 Ruiss sortant Le E E Ruiss entrant 7 40 Ruiss entrant 40 E100 pluie 100 Ruiss sortant ao o E Pluie E 5 We 205 G 3 p 2 2 50 a g 50 4 F 120 120 0 160 0 a a 160 9 00 13 00 17 00 21 00 1 00 5 00 9 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 21 00 Temps universel hh min Temps universel hh min Figure VI 21 Hydrogrammes mesur s sur le dispositifs exp rimental La Figure VI 22 donne une vision synth tique de l ensemble de ces v nements sur le crit re ruissellement observ l exutoire Elle pr sente le taux d infiltration du volume re u par la placette L v nement du 20 juillet 2004 n est pas repr sent car des donn es ont t perdues emp chant une quantification du vol
152. 2 16 0 1 3 0 3 4 32 90 32 Ve 84 3 16 0 4 3 0 4 4 33 93 33 Seule une faible fraction des flux entrants sortent sous forme de ruissellement Ceci confirme que la capacit d infiltration de la placette exp rimentale est grande en accord avec la texture sableuse et les valeurs lev es de perm abilit pr sent es dans le chapitre III s149 Le stockage r siduel constat e dans l horizon 0 50 cm 24 heures apr s la fin de l v nement est faible cet horizon a retrouv un tat hydrique proche de son tat initial Ceci s explique d un cot par l tat initial proche de la saturation et d un autre cot par une cin tique de ressuyage rapide On en d duit que 24 heures apr s la fin de l v nement on peut consid rer qu un flux quasi quivalent en volume au flux infiltr s est propag au del de 50 cm de profondeur Ceci pose la question du devenir des pesticides transport s en solution b Dynamique de propagation en surface Ruissellement mesur l exutoire EE eena oaaae 0 400 tar Ruissellement entrant E 300 nu 5 Ruissellement sortant lt z e 2 200 4 2 oO n als 2 100 4 0 450 0 10 20 30 40 50 60 Temps min Figure IV 4 Ruissellement observ l exutoire Le ruissellement entrant et la pluie sont aussi indiqu s pour comparaison L v nement du 12 ao t comporte deux pics de ruissellement le deuxi me seulem
153. 20 50 cm et 50 100 cm dans le sol enherb les v g taux pr sents la surface de la parcelle enherb e ainsi que les horizons 0 20 cm et 20 50 cm du sol de vigne 129 Les isothermes sont d termin es sur la base de quatre concentrations de dopage repr sentatives d un coulement de surface en sortie de parcelle 5 ug L 20 ug L 100 ug L et 500 ug L Les r sultats obtenus sur le sol enherb sont repr sent s dans un r f rentiel logarithmique de fa on lin ariser le mod le de Freundlich repr sent par l quation III 1 c kxs 411 1 Ln c Ln k nx Ln s o s est la concentration de la phase solide M M c la concentration de la phase liquide M L k L M et n des coefficients empiriques L ajustement de ce mod le sur les r sultats exp rimentaux est illustr par la Figure III 12 74 y 1 0667x 2 3799 R 0 9871 y 0 9198x 2 613 R 0 9788 0 9892x 1 1939 R 0 9655 y 1 0234x 1 3418 BE 0 5cm Concentration en phase solide Ln S g kg EN R 0 9684 BE 50 100cm 14 x BE 5 20cm BE 20 50cm 0 T T T T T T 4 0 1 2 3 4 5 6 Concentration en phase liquide Ln C ug L Figure II 12 Isothermes d adsorption du Diuron sur les diff rents horizons du sol enherb Les valeurs du coefficient de pente n repr sent es sont toutes tr s proches de l unit et situ es de part et d autre de celle ci On
154. 3 Tucker M A Thomas D L Bosch D D and Vellidis G 2000 GIS based coupling of GLEAMS end REMM hydrology II Field test results Transactions of the Asae 43 6 1535 1544 USDA NRCS 2000 Conservation buffers to reduce pesticide losses USEPA Washington 21 pp van Dijk P M Kwaad F J P M and Klapwijk M 1996 Retention of water and sediment by grass strips Hydrological Processes 10 1069 1080 van Genuchten M T 1980 A Closed form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils Soil Sci Soc Am J 44 892 898 238 van Genuchten M T and Wagenet R J 1989 Two site two region models for pesticide transport and degradation thoritical development and analytical solutions Soil Science Society of America Journal 53 1303 1310 Vellidis G Lowrance R Gay P and Wauchope R D 2002 Herbicide transport in a restored riparian forest buffer system Transactions of the ASAE 45 1 89 97 Vogel T and Cislerova M 1988 On the reliability of unsaturated hydraulic conductivity calculated from the moisture retention curve Transport in Porous Media 3 1 15 Wang M C 1993 In situ evaluation of capillary wick tension in wick lysimeters for sampling from the vadose zone M S Thesis Oregon State University Corvallis Watanabe H and Grismer M E 2001 Diazinon transport through inter row vegetative filter strips micro ecosystem modeling Journal of Hydrology 247 3 4 183
155. 36 Gardner W R 1958 Some steady state solutions of the unsaturated moisture flow equation with application to evaporation from a water table Soil Sci 85 228 232 Gee G W A L Ward T G Caldwell and J C Ritter 2002 A vadoze zone water fluxmeter with divergence control Water Resour Res 38 8 1 7 Grossmann J and P Udluft 1991 The extraction of soil water by the suction cup method A review J Soil Sci 42 83 93 Holder M V Brown J C Thomasn D Zabcik and H E Murray 1991 Capillary wick unsaturated zone soil pore water sampler Soil Sci Soc Am J 55 1195 1202 Jemison J M Jr and R H Fox 1992 Estimation of zero tension pan lysimeter collection efficiency Soil Sci 154 85 94 Jordan C F 1968 A simple tensio free lysimeter Soil Sci 105 2 1 86 Keeney D 1986 Sources of nitrate to groundwater Crit Rev Enviton Control 16 257 304 Knutson J H S B Lee W Q Zhang and J S Selker 1993 Fiberglass wick preparation for use in passive capillary wick pore water samplers Soil Sci Soc Am J 57 1474 1476 Knutson J H and J S Selker 1994 Unsaturated hydraulic conductivities of fiberglass wicks and designing capillary wick pore water samplers Soil Sci Soc Am J 58 721 729 Knutson J H and J S Selker 1996 Fiberglass wick sampler effects on measurements of solute transport in the vadose zone Soil Sci Soc Am J 60 420 424 Landon
156. 4 heures des flux mesur s en entr e et sortie du syst me et des flux stock s exprim s en valeur absolue mm et relativement au volume total entr Ve Les incertitudes correspondent un niveau de confiance de 95 m thode de calcul et exemples en annexe 2 Entr es Sorties Ruissellement Pluie Total Ruissellement Var stock Percolation Total mm 81 2 16 0 1 97 2 3 0 3 4 32 28 44 35 54 Ve 84 3 16 0 4 100 0 3 0 4 4 33 29 45 36 56 La premi re observation est que les flux mesur s en sortie du syst me n expliquent pas les flux mesur s en entr e Ainsi 65 des flux apparemment sortis du syst me n ont pas t quantifi s par les syst mes de mesure mis en place Ce constat r sulte principalement selon nous du biais sur la mesure faite avec les lysim tres m che d j voqu dans le chapitre III Par cons quent on choisit d tablir un bilan dans lequel le flux de percolation est calcul par d faut comme tant le reste non quantifi sous forme de ruissellement de surface ou de variation de stock On verra ult rieurement que cette hypoth se est justifi e par la dynamique de ressuyage de la zone racinaire Ce bilan est pr sent dans le Tableau IV 5 Tableau IV 5 Bilan des flux de surface mesur s de la variation de stock mesur e 24 heures et de la percolation a 24 heures estim e par d faut Entr es Sorties Ruissellement Pluie Ruissellement Var stock Percolation mm 81
157. 40 60 Temps min Figure IV 27 Conditions impos es sur la zone repr sentant la placette enherb e Les conditions de charge impos es sur les limites lat rales amont et aval correspondent un niveau pi zom trique th orique comme explicit dans le paragraphe 2 1 1 2 et illustr dans la Figure IV 24 Cas de l v nement artificiel La charge d crivant le ruissellement entrant dans la placette enherb e est illustr e par la Figure IV 28 La chronique mesur e a t simplifi e pour limiter le temps de calcul num rique On rappelle qu il n y a pas d apport de pluie pendant cet v nement La charge illustr e a t calcul e avec une rugosit n 0 4 sm 14 Charge simul e Charge mesur e PATTES al slt 12 10 I Charge mm 0 50 100 150 200 Temps min Figure IV 28 Condition de charge impos e au n ud amont de la zone repr sentant la placette enherb e 179 Les conditions de charge impos es sur les limites amont et aval correspondent au niveau pi zom trique constat au d but de la simulation de ruissellement cf Figure IV 8 b Mod lisation de la p riode post rieure l v nement Les conditions aux limites utilis es pour d crire la p riode post rieure l v nement sont illustr es par la Figure IV 29 Flux constant lt q Imperm able Q 0 Altitude Z cm D D oO Oo 400 H constante
158. 5 10 cm 20 30 cm 90 130 cm Figure II 6 Photographie et repr sentation sch matique du profil de sol e 0 5 10cm Cet horizon correspond au mat racinaire Il est constitu quasi int gralement de tissu v g tal Couleur brune e 5 10 20 30 cm Cet horizon se distingue du reste du profil par une structuration tr s forte permettant la d coupe de mottes de sol sans perte de la structure associ e un chevelu racinaire tr s dense Couleur brune e 20 30 50 cm Cet horizon peut tre consid r comme la partie inf rieure de la zone racinaire La densit racinaire diminue Toutefois on observe localement que les racines peuvent tre encore relativement nombreuses et de diam tre important Couleur brune e _50 90 130 cm Il y a peu de racines et celles ci ont un diam tre faible Le sol est plus compact au toucher La limite inf rieure est d finie par un changement de couleur du brun au gris tre e 90 130 cm et plus Le sol semble encore plus dense et contient des blocs de granit de belle taille Couleur gris tre Par ailleurs nous avons observ localement en surface et dans les premiers d cim tres du profil des galeries de grandes dimensions plusieurs centim tres de diam tre assimilables des galeries de rongeurs Ces structures semblent peu nombreuses et pr sentes uniquement en surface creus es l horizontale Des galeries de vers de terre ainsi que leur auteur ont t rencontr es en gra
159. 69 48 68 49 76 59 84 32 71 45 86 _ 35 66 92 97 61 89 91 99 73 95 55 73 55 86 77 88 37 100 14 91 77 100 42 100 29 100 23 100 18 100 55 92 61 98 25 70 60 95 lt 10 61 79 lt 10 62 81 24 70 10 80 32 78 50 95 61 73 0 70 0 92 61 98 14 73 70 98 10 79 70 98 _ 30 79 35 80 45 95 5 80 30 90 0 40 40 90 5 65 29 34 26 50 0 7 27 47 0 2 26 47 _ 0 2 Cette variabilit s explique en premier lieu par les diff rences existant entre les protocoles exp rimentaux exp riences r alis es en conditions naturelles ou en conditions 0 contr l es cf Tableau I 1 Les exp rimentations r alis es en conditions naturelles reproduisent la configuration d une bande enherb e adjacente une parcelle cultiv e soumises une pluie quelconque Les simulations en conditions contr l es de pluie et ou de ruissellement se distinguent sur plusieurs points les hi togrammes et ou hydrogrammes simul s sont g n ralement en cr neaux les dimensions de ces simulateurs sont r duites ce qui impose des ratios surface enherb e surface trait e importants la partie enherb e n est g n ralement pas arros e sauf pour les syst mes mixtes ruissellement pluie ce qui ne rend pas compte de la dilution des flux et de l augmentation de la capacit de transport induite par la pluie tomb e directement sur la bande la bande est g n ralement s che lorsque d bute le ruissellement Enfin lors des simulations de ruissell
160. 70 cm de longueur dont l extr mit est pression atmosph rique contient une colonne d eau de m me poids et exerce en th orie en r gime hydrostatique une succion de 70 cm son extr mit sup rieure La succion exerc e diminue en situation d coulement du fait des pertes de charge mais leur conductivit hydraulique lev e fait qu elles peuvent recueillir des flux lev s tout en restant sous tension Cette derni re propri t permet une m che de section r duite de drainer sous tension une surface largement sup rieure sa section propre Ce type de lysimetre moyennant un dimensionnement pr cis qui permet au dispositif de mimer le fonctionnement hydraulique du sol sous jacent permet d extraire les flux satur s et non satur s sans perturber les lignes de courant On se reportera l annexe 3 pour une description plus d taill e de ces syst mes Figure 11 23 Photographie des collecteurs install s 50 cm de profondeur Gauche collecteurs fonctionnant pression atmosph rique Droite collecteurs avec m ches en fibres de verre 74 Placette instrument e Tube de pr l vement Tube de mise pression atmosph rique Sol originel non d structur Tranch e de mise en place sol remani Collecteurs inox 2 mm Madrier en bois 8x8 cm Tube PP 16 mm Bidon PP 10 Litres Figure IL 25 Photographie d un lysim tre atmosph rique dans sa cavit gauche et d un lys
161. 80 Simu w 0 40 Simu w 0 05 h 1 Simu w 5 h 1 0 CR ER EE ER CE EE EE LE CL 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Temps min Figure IIL 19 Courbes de perc e simul es avec diff rentes hypoth ses sur la cin tique d change entre eau mobile et eau immobile On suppose un coefficient de fractionnement de 60 et une dispersivit longitudinale de 5 cm Une constante d change w 5 h donne une courbe de perc e se rapprochant de celle obtenue en l absence de fractionnement cf Figure III 17 les transferts diffusifs entre fractions mobile et immobile sont si rapides relativement la vitesse de l coulement que le transport pourtant simul dans la seule fraction mobile est analogue un transport convectif diffusif homog ne Entre ce sc nario et celui d une absence totale d change 0 une constante d change interm diaire 0 05 h donne une courbe caract ris e par un transfert en deux temps une premi re phase caract ris e par une augmentation brutale de la concentration en solut due un coulement convectif rapide dans la fraction mobile puis une deuxi me phase caract ris e par une augmentation plus lente de la concentration due un change diffusif avec l eau initialement contenue dans la fraction immobile Seul ce sc nario interm diaire repr sente un cas de non quilibre physique vrai Lennartz and Meyer Windel 1995 On constate ainsi qu une hypoth se
162. 968 Simultan ment l ajustement du mod le de van Genuchten 1980 d crivant la courbe h 6 Valgorithme de Wind 1968 permet d ajuster le mod le de Mualem 1976 d crivant la courbe K h L algorithme utilise le flux vapor en surface estim partir de l volution du poids du cylindre et les gradients de potentiels mesur s dans les diff rentes couches par les micro tensiom tres On note que la conductivit saturation n est pas mesur e directement mais ajust e math matiquement pour reproduire la forme d ensemble de la courbe K h De plus les premiers points observ s du nuage K h correspondent des potentiel de 50 cm donc la repr sentativit de l ajustement obtenu au voisinage de la saturation est certainement faible 1 3 1 6 Compl mentarit des diff rents protocoles La compl mentarit des diff rents protocoles utilis s est illustr e par le Tableau ILS Les tailles de pore sont calcul es par la loi de Jurin simplifi e h 0 15 r o h est le potentiel matriciel cm et r le rayon du pore cm Kutilek and Nielsen 1994 89 Tableau ILS Compl mentarit des diff rentes m thodes de caract risation hydrodynamique mises en uvre Potentiel Diam tre de pore ce ee Propri t M thode matriciel max sollicit Paes cm mm R tention a saturation 0 gt 3 Th ta sat Evaporation WIND 50 1000 lt 0 06 K h Th ta h Infiltrom trie M ntz 0 gt 3 Ksat Infiltrom trie T
163. Ce travail a t r alis au laboratoire d analyse des micropolluants du Cemagref de Lyon suivant un protocole identique celui des isothermes ratio sol eau de 2 agitation orbitale douce 209 50 rev min except la masse de la prise d essai qui est de 50 g et le protocole d extraction qui est ici r alis e sur phase solide pour tre automatis e cartouches SPE Le d tail du protocole figure dans l annexe 7 Des coefficients de partage sont d termin s l aide des m mes quations II 4 et II 5 mais pour des temps de contacts compris entre 2 min et 24 heures 2 Outils de mod lisation Nous avons utilis le logiciel HY DRUS 2D version 2 05 qui est un outil de simulation bidimensionnel d coulements d eau de transport multi solut s et de chaleur en milieu poreux variablement satur Simunek et al 1999 Il utilise le code HYDRUS2 adaptation du code CHAIN 2D une interface graphique bas sur les l ments finis en deux dimensions Le logiciel inclut le g n rateur de maillage en l ments finis non structur s MESHGEN 2D version 2 0 Le logiciel fonctionne dans un environnement Microsoft Windows avec une interface interactive pour la saisie des param tres de simulation et la pr sentation des r sultats Nous avons galement utilis un outil de simulation couplant le code HYDRUS2 un code simulant la propagation de l eau par ruissellement de surface Simunek 2002 Cet outil n
164. Concernant l erreur d origine exp rimentale ce travail montre que l incertitude existant sur les param tres hydrodynamiques du sol et de la m che induisent une incertitude non n gligeable sur la repr sentativit des flux pr lev s avec un tel syst me La plus grande attention devra donc tre apport e la d termination de ces param tres comme pr alable l installation des lysim tres au champ On vitera aussi toute proximit entre un lysim tre et une interface susceptible d induire une accumulation d eau 285 R f rences Barbee G C and K W Brown 1986 Comparison between suction and free drainage soil solution samplers Soil Sci 141 2 149 154 Boll J J S Selker B M Nijssen T S Steenhuis J Van Winckle and E Jolles 1991 Water quality sampling under preferential flow conditions Lysimeters for evapotranspiration and environmental measurements Proc ASCE Int Symp Lysimetry Honolulu Hawa 23 25 July 1991 in R G Allen Ed 290 298 Am Soc Civ Eng New York Boll J J S Selker G Shalit and S T Steenhuis 1997 Frequency distribution of water and solute transport properties derived from pan sampler data Water Resour Res 33 12 2655 2664 Boll J T S Steenhuis and J S Selker 1992 Fiberglass wicks for sampling of water and solutes in the vadose zone Soil Sci Soc Am J 56 701 707 Brahy V H Titeux and B Delvaux 2000 Incipient podzolizat
165. Diuron adsorb pendant la phase de dopage Dans la mesure o on ne dispose pas d une mesure fiable du flux d eau percol au cours du temps pour int grer ces solutogrammes on choisit de d terminer une concentration moyenne par lysim tre l chelle de la totalit de l v nement et des 24 heures suivantes On note qu une telle concentration est l analogue de la donn e disponible pour l v nement naturel pour lequel on ne dispose pas de mesure en continu dans les lysim tres La moyenne calcul e tient compte de la dynamique temporelle mesur e des flux d eau dans la mesure o chaque concentration mesur e est pond r e par le volume d eau correspondant Les valeurs de concentration de l chantillon cumul th orique ainsi obtenues sont pr sent es dans le Tableau V 9 213 Tableau V 9 Concentrations moyennes par profil calcul es sur 24 heures Bromure mg L Diuron ug L Abscisse X 35cm X 210cm X 385cm X 560cm Moyenne X 35cm X 210cm X 385cm X 560cm Moyenne Concentration 24 34 36 17 29 15 7 2 3 6 Les concentrations moyennes d termin es sur la p riode englobant l v nement et les 24 heures suivantes sont inf rieures aux concentrations inject es en surface Elles traduisent le m lange avec l eau initialement pr sente dans la zone racinaire le m lange avec l eau inject e pendant l lution et en ce qui concerne le Diuron une adsorption probable Le volume d eau percol 50
166. Elle n est cependant pas sp cifique des sols enherb s Schipman Schipman 2002 fait une revue des travaux exp rimentaux estimant la variabilit de la perm abilit et rapporte des valeurs de coefficient de variation comprises entre 80 et 100 et pouvant aller jusqu a 200 Bien que classique cette dispersion ne doit cependant pas tre n glig e car elle traduit une h t rog n it r elle du sol susceptible d induire une h t rog n it significative des flux La dispersion particuli rement lev e des valeurs mesur es 25cm et 40 cm s explique par des mesures comprises entre 300 et 500 cm h clairement li es la pr sence de macropores En effet plusieurs galeries de 2 3 mm de diam tre en moyenne ont t observ es au niveau des points de mesure en question Ces mesures se diff rencient fortement des mesures r alis es en l absence de macropore per ant la surface On en d duit que le constat de baisse de la perm abilit avec la profondeur peut tre mis en d faut localement par l existence de quelques macropores qui suffisent d multiplier le flux infiltr l chelle de l anneau de M ntz On note que les mesures ont t faites en vitant les galeries de rongeur et les racines les plus grosses Elles ne rendent donc pas compte de l impact de tels m gapores sur l infiltrabilit locale 1 2 2 Conductivit hydraulique au voisinage de la saturation Les propri t s
167. La placette a t implant e dans une zone particuli rement uniforme du point de vue de la topographie et de la couverture v g tale cf Figure II 4 Nous donnons ici ses caract ristiques principales topographie nature du sol et du sous sol hydrologie Figure II 4 Photographie de la placette instrument e 1 1 2 1 Topographie Un relev topographique distinguant trois transects pris sur les limites lat rales et au centre de la placette et 5 points par transect a permis de v rifier l homog n it de la topographie cf Figure II 5 la placette pr sente une surface quasiment plane de pente 25 3 on note une l g re pente transversale au niveau de la limite aval gale 2 5 56 J 0 2 ag Transect lat ral gauche S Transect central 5 40 4 Transect lat ral droit E 60 y 0 2526x Q 100 R 0 9995 120 4 N a 140 4 O 160 i T T 0 200 400 600 800 Abscisse X relative la limite amont cm Figure ILS Topographie de la surface de la placette enherb e 1 1 2 2 Nature et profondeur du sous sol La g ologie du bassin de l Ardi res se caract rise de fa on g n rale par un substrat cristallin imperm able Le sous bassin de la Morcille est caract ris par la pr sence de granite porphyro de biotite souvent d compos en ar nes Munoz 1992 Nous ne disposons pas de donn e fiable concernant la morphologie du socle ni
168. La texture sableuse du sol et son homog n it apparente permettaient de supposer mod lisation 2D l appui que les flux lat raux li s la diffusion du bulbe d infiltration sur les cot s de la placette seraient n gligeables devant le flux vertical infiltr sur 4 m de large Aucun syst me destin limiter ces effets de bord n a t install pour cette raison tort comme nous le verrons dans les chapitres suivants 1 1 3 2 L isolement hydraulique de la placette La placette instrument e peut tre consid r e comme hydrauliquement isol e des ventuels coulements de surface venant de l amont seule une longueur de versant d une dizaine de m tre est susceptible de ruisseler car le ruissellement g n r plus en amont est canalis l int rieur de la vigne En effet elle est prot g e par une goutti re interceptant le ruissellement 3 m en amont de sa limite sup rieure Le ruissellement est r cup r sur une largeur de 12 m tres et canalis vers un exutoire distant de 5 m de la placette Par ailleurs en ce qui concerne les coulements de subsurface on peut penser qu ils sont faibles au moins dans le premier m tre de sol En effet la profondeur du sol dans la partie amont de la parcelle enherb e gt 4 m l absence d imperm able faible profondeur et l absence de zone satur e p renne cette profondeur permettent de supposer qu il n y a pas d coulements satur s superficiels
169. Lowrance R Altier L S and Thomas D L 1999 Riparian Ecosystem Management Model I Testing of the hydrologic component for a coastal plain riparian system Transactions of the ASAE 42 6 1679 1689 ISO 1993 Guide to the expression of Uncertainty in Measurement Geneva Jarvis N 1998 Modelling the impact of preferential flow on non point source pollution In Selim h m and Ma l Editor Physical non equilibrium in soils modelling and application pp 195 221 Jin C X R mkens M J M and Griffioen F 2000 Estimating manning s roughness coefficient for shallow overland flow in non submerged vegetative filter strips Transactions of the ASAE 43 6 1459 1466 Knutson J H Lee S B Zhang W Q and Selker J S 1993 Fiberglass wick preparation for use in passive capillary wick pore water samplers Soil Sci Soc Am J 57 1474 1476 Knutson J H and Selker J S 1994 Unsaturated hydraulic conductivities of fiberglass wicks and designing capillary wick pore water samplers Soil Sci Soc Am J 58 721 729 Kutilek M and Nielsen D R 1994 Soil hydrology GeoEcology CATENA VERLAG Cremlingen germany 370 pp Lacas J G Voltz M Gouy V Carluer N and Gril J J 2005 Using grassed strips to limit pesticide transfer to surface water a review Agronomy for sustainable development 25 253 266 Landry D 2004 Dynamique du transfert vertical d herbicides en sols viticoles calcaires Approche l aide d
170. O Mesures Chaque chantillonneur peut pr lever 12 chantillons de 0 75 L Les pr l vements se font au niveau des canaux jaugeurs Les chantillonneurs sont prot g s dans une cabane en bois donc les chantillons sont l abri du rayonnement A d faut d tre r frig r s les chantillons sont collect s dans un d lai moyen de 24 heures puis congel s pour stockage avant analyse Figure 11 19 Photographie d un pr leveur d chantillons d Mesure de la propagation du ruissellement la surface de la placette On utilise des capteurs Watermark Challenge Agriculture 1999 qui permettent d estimer une valeur approximative du potentiel hydrique du sol via une mesure de r sistivit 70 lectrique La mesure se fait entre deux lectrodes concentriques plac es dans un mat riau constitu de sable et de kaolin confin dans une membrane perm able Celle ci permet les changes d eau entre le mat riau et le milieu ambiant jusqu obtention d un quilibre Figure IL 20 Photographie d un capteur Watermark Ces capteurs sont habituellement destin s aux agriculteurs pour le pilotage de l irrigation Peu pr cis mais peu on reux ils s av rent int ressants pour une application de recherche lorsqu on souhaite multiplier les points de mesure moindre co t et qu on accepte une incertitude de l ordre de 10 kPa Dans le cas de notre application 16 capteurs ont t install s la
171. RIMS 1 12 0 2 3 K h Ces diff rentes m thodes permettent d acc der des tailles de pore diff rentes On s est notamment int ress la fraction grossi re de la porosit intervenant saturation ou proximit de celle ci dans la mesure o elle contribue fortement la capacit d infiltration d une bande enherb e mais aussi au risque de transport profond des pesticides en solution 1 3 2 Propri t s d adsorption du Diuron Ces travaux ont t r alis s par le personnel du laboratoire d analyse des micropolluants du Cemagref de Lyon et par un tudiant de l unit Environnement et Grandes cultures de l INRA de Paris Grignon Toutes les analyses de sol y compris la granulom trie et l analyse des param tres chimiques ont t effectu es sur les m mes chantillons source Ces chantillons source ont t compos s par m lange partir d chantillons de sol pr lev s dans quatre profils situ s proximit des quatre angles de la placette pour le sol enherb et dans la partie basse de la vigne pour le sol de vigne Les v g taux ont t pr lev s au m me moment c est dire au mois de mai 1 3 2 1 Objectifs sp cifiques L isotherme a t tablie sur le sol de la parcelle enherb e et sur celui de la parcelle de vigne de fa on disposer de valeurs de r f rences pour quantifier l effet de l enherbement sur les propri t s du milieu sur l exemple de travau
172. T 14 Coefficients de partage sol eau L kg d termin s pour diff rents temps de contact 134 Tableau IV 1 Caract ristiques des flux mesur s en surface lors de l v nement du 12 ao t 2004 146 Tableau IV 2 Volume et intensit moyenne quivalents l v nement du 12 ao t 2004 148 Tableau IV 3 Hauteur d eau totale percol e not e Hperc mesur e dans les lysim tres m che Les incertitudes correspondent l cart type la moyenne calcul e partir des deux collecteurs de chaque IVSIMEt Cr seins dinse E E lice oncle de res E t e estelle teen tee end RAET 149 Tableau IV 4 Bilan 24 heures des flux mesur s en entr e et sortie du syst me et des flux stock s exprim s en valeur absolue mm et relativement au volume total entr Ve Les incertitudes correspondent un niveau de confiance de 95 m thode de calcul et exemples en annexe 2 149 Tableau IV 5 Bilan des flux de surface mesur s de la variation de stock mesur e 24 heures et de la percolation 24 heures estim e par d falit cicccciicccicesccieciideesacetecdsacatieesacacaeseacecaeeisacaesstcacauatece eines 149 Tableau IV 6 Caract ristiques hydrauliques g n rales de l v nement artificiel Les moyennes de d bit n int grent pas les p riodes d interruption de l alimentation 155 Tableau IV 7 Repr sentativit de l v nement simul phase de do
173. T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T 100 300 700 1100 1500 1900 2300 2700 3100 3500 3900 Ordonn e Y cm Figure IV 41 Contours du domaine plan transversal Les limites de la placette et la position du transect pi zom trique sont donn es titre indicatif Le maillage utilis est repr sent dans la Figure IV 42 Figure IV 42 Maillage du domaine plan transversal Il pr sente une densification des n uds au voisinage de la surface du sol et au niveau des limites de la placette exp rimentale qui sont des zones a fort gradient Le maillage 194 pr sente au total 4585 n uds La distance verticale entre deux n uds cons cutifs est de 2 5 mm la surface du domaine et de 25 cm sa base La distance horizontale est comprise entre 10 cm au voisinage des limites de la placette exp rimentale et 50 cm b Estimation des flux transversaux Les simulations 2D transversales permettent d estimer les flux de subsurface aux limites de la placette non repr sent s par le mod le longitudinal On r alise pour cela un bilan des flux entr s et sortis dans le bloc de sol situ sous la placette instrument e en gris dans la Figure IV 43 Connaissant le flux infiltr on en d duit les flux horizontaux de subsurface sur les limites de la placette Y 1800 cm et Y 2200 cm 100 Contours du mod le transversal Placette exp rimentale 4 E N 100 DIE o gS
174. Tableau V 1 Masse de Diuron mg estim e dans le ruissellement de surface entrant dans la placette pic 1 pic 2 total Masse mg 24 2 12 6 36 8 Repr sentativit de l v nement La repr sentativit de l v nement en terme de masse de Diuron transport e est estim e travers un coefficient de perte relatif la dose appliqu e 1500 g ha sur la parcelle de vigne Deux hypoth ses sur la surface de la zone contribuant au ruissellement re u par la bande enherb e sont envisag es exprim es de fa on adimensionnelle travers le ratio Surface enherb e Surface ruisselante et correspondant respectivement la configuration du site exp rimental 1 110 et un ratio souvent tudi dans la litt rature portant sur les bandes enherb es 1 10 Les coefficients de perte calcul s sont pr sent s dans le Tableau V 2 Tableau V 2 Perte parcellaire quivalente la masse de Diuron transport e dans l v nement du 12 ao t 2004 exprim e en pourcentage de la dose appliqu e Ratio surfacique 1 110 1 10 Perte quivalente 0 009 0 097 L v nement du 12 ao t ne repr sente qu une tr s faible part de la dose de Diuron appliqu e sur la parcelle de vigne dose standard A titre de comparaison Louchart et al Louchart et al 2001 constatent pour une parcelle viticole soumise un climat 206 m diterran en une perte annuelle comprise entre 0 9 et 3 3 de la dose appliqu e La perte constat e
175. U Ruiss entr U Ruiss sorti 2 3 5 Incertitude sur le volume stock dans la placette Le volume stock est calcul partir des mesures d humidit faites diff rentes profondeurs via la relation Stock AS xh AS xh AS xh ou AS S t S t 0 o AS est la variation de stock dans la couche i h l paisseur de la couche i et S Phumidit de la couche i En premi re approximation on n glige l incertitude associ e l paisseur de chaque couche L incertitude sur le stock s crit donc U Stock SU AS xh i 1 3 2 2 S U2 S 0 xh ou U S t est l incertitude type sur l humidit de la couche i L incertitude sur l humidit d une couche r sulte de l incertitude de chaque mesure li e l instrument de mesure et de l incertitude li au calcul d une valeur moyenne pour toute la couche La premi re source d incertitude a d j t valu e via les donn es fournies par le constructeur 1 5 TVE La deuxi me source d incertitude est exprim e par l cart type des quatre mesures r alis es dans une m me couche On note que cet cart type traduit aussi en partie l incertitude sur la courbe d talonnage du capteur r sultant de l h t rog n it du sol et de la d formation ventuelle des guides d onde On a donc U S 0 015 07 On note que l incertitude sur chaque mesure d humidit est n gligeable de
176. UNIVERSITE MONTPELLIER II SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITE MONTPELLIER Il Formation Doctorale Sciences de l eau dans l environnement continental Ecole Doctorale Sciences de la Terre et de l eau pr sent e et soutenue publiquement par Jean Guillaume LACAS le 16 d cembre 2005 Processus de dissipation des produits phytosanitaires dans les zones tampons enherb es Etude exp rimentale et mod lisation en vue de limiter la contamination des eaux de surface devant le jury compos de Michel DESBORDES Universit Montpellier II Pr sident Philippe ACKERER CNRS Strasbourg Rapporteur Marnik VANCLOOSTER Universit Catholique de Louvain Rapporteur Pierre BENOIT INRA Grignon Examinateur Marc VOLTZ INRA Montpellier Directeur de Th se Nadia CARLUER Cemagref Lyon Co encadrante Is C Th se pr par e au sein du Cemagref de Lyon unit de recherche emagre Qualit des Eaux et Pr vention des Pollutions Avant propos Le travail pr sent a b n fici de l attention bienveillante d un certain nombre de personnes Je souhaite les remercier ici car ce m moire n aurait pas vu le jour sans eux Je souhaite d abord remercier les gens qui ont rendu ce projet de th se possible Le Minist re de l Agriculture et de la P che a accept de financer ma formation compl mentaire par la recherche l issue d un cursus d ing nieur des travaux ruraux
177. VA KK VV Wy cf KE Re N A IIK NA RS be AS LE Ki SSG NSSERRT RFO av RASE VA sae VAVA 7 vA LEE Fa KV Va 2X He 0 K VA X LASS Iai x Condition de suintement Q 0 h 0 200 cm RASE ASS LESSEE teen Imperm able _____ Q 0 AASA E PORS G ey IN NZ LS DE PEER NE TES N GE gt IS KJ X 6 K Ge A BQ X im O Lx oy SEK SK Z Condition de charge h 0 80 cm Figure III 8 G om trie maillage et conditions aux limites utilis s pour la mod lisation l chelle du profil La sym trie cylindrique ne permet pas de repr senter la pente du terrain ni celle des horizons de sol On suppose donc que l effet de celle ci est n gligeable Ceci s appuie sur une comparaison pr alable d un domaine 2D plan en pente et d un domaine 2D axisym trique qui ne montre pas de diff rence significative sur les flux simul s au niveau du lysim tre La condition de surface est d crite par une condition de charge constante h 3cm r partie sur une surface circulaire de 20 cm de diam tre et par une condition de flux nul sur le reste de la limite La limite inf rieure du domaine est d crite par une condition de charge nulle constante dans le temps repr sentant le toit de la nappe Les limites lat rales sont d crites pa
178. WICK SAMPLER REFERENCE SOIL CYLINDER SECTION WITHOUT WICK CU YZ xn jJ ON xn ON Seepage h 0 q 0 Unit gradient Unit gradient Symetry axis Symetry axis Figure 2 Conditions aux limites utilis es par le mod le de r f rence et le mod le instrument 3 3 3 Cas d application Donn es de pluie La chronique de pluie utilis e en entr e du mod le provient du site exp rimental du CIRAD de Neuf Ch teaux en Guadeloupe dans les petites Antilles fran aises latitude 16 04 42 N longitude 61 36 22 0 altitude 255m La chronique a t mesur e entre le 13 et le 27 octobre 2001 342h Elle a t choisie pour la diversit des r gimes de pr cipitations Celle ci comprend 4 jours de pr cipitations particuli rement intenses gt 80mm h for 1 min suivis de 7 jours secs ou presque puis d une nouvelle p riode humide de 3 jours cf Figure 3 Le cumul des pr cipitations sur la p riode est de 300 mm Donn es de sol et de m che Nous avons souhait valuer les hypoth ses 2 4 cit es pr c demment gradient unitaire coulement permanent coulement monodimensionnel ind pendamment de l hypoth se 1 conductivit exponentielle Pour cela nous avons travaill avec deux sols correctement d crits par le mod le de Gardner 1958 l Ida Silt Loam et le Rehovot Sand Knutson and Selker 1994 Nous avons r alis un ajustement des fonctions de van Genuchten 1980 dir
179. __ Elution Total Mesure 1741 392 3 410 4 Simulation 81 610 691 15 107 122 Ce bilan montre que les flux de subsurface ayant lieu dans le plan transversal expliquent en partie seulement l infiltration lev e mesur e au cours de l v nement artificiel non reproduite par le mod le longitudinal Le mod le permet donc de d passer la discussion men e sur la seule base des r sultats exp rimentaux Il sugg re que les flux lat raux ne suffisent pas lever la contradiction entre la perm abilit mesur e dans l horizon inf rieur 30 cm et le flux infiltr stabilis mesur On en d duit que les perm abilit s moyennes mesur es ne rendent pas compte du flux infiltr lors de l v nement artificiel b Potentiels simul s Les potentiels simul s dans le plan transversal sont illustr s par les Figure IV 48 et Figure IV 47 La Figure IV 47 illustre la variable objectif niveau pi zom trique simul en Y 160 cm c est dire dans le plan quip de pi zom tres La Figure IV 48 illustre le niveau pi zom trique maximal atteint la fin de l v nement E 0 5720 Mesure 3 Q a 604 Simulation 100 LA 2 5 140 3 180 S 220 0 50 100 150 Temps min Figure IV 47 Comparaison des niveaux pi zom triques mesur s et simul s 1 6 m de la placette avec le mod le plan transversal 160cm h 0 Figure IV 48 Courbes isopotentielle
180. a d termination de la teneur en eau Des protocoles permettant une calibration rapide ont t propos s dans la litt rature Quinones and Ruelle 2001 Le protocole suivi est pr sent dans l annexe 4 Les r sultats sont illustr s dans la Figure 11 28 60 y 0 1112x 2 1333x 6 FA R 0 9957 ol oO i A oO i N oO i Humidit volumique wo oO A data calibration 10 qu constructeur intervalle 95 0 T T 10 15 20 25 30 35 40 P riode d oscillation de la CS616 us Figure 11 28 R sultat de calibration des sondes humidim triques CS616 80 On constate que les points mesur s s cartent des courbes type propos es par le constructeur dans les fortes valeurs de teneur en eau Une loi quadratique sp cifique a donc t ajust e sur les points exp rimentaux cf quation sur le graphique Sont galement repr sent es les limites hautes et basses de l intervalle de confiance 95 Les d tails du calcul d incertitude figurent dans l annexe 2 On montre que l incertitude absolue largie sur la mesure de teneur volumique en eau est de 3 0 de Teneur Volumique en Eau TVE au niveau de confiance de 95 On note que les param tres sp cifiques au milieu peuvent induire des carts sensibles dans la r ponse du capteur Celui ci sera donc sensible aux h t rog n it s notamment aux h t rog n it s structurales impact du volume de vide sur
181. a placette au cours de l v nement est faible En valeur absolue elle est de l ordre de 68 Litres a la fin de la phase de dopage 6000 L et de l ordre de 140 Litres la fin de l v nement 18000 L Les valeurs relatives correspondantes sont inf rieures 2 apr s 15 minutes Il faut toutefois rappeler que les formules utilis es ne tiennent pas compte de la corr lation entre les mesures de d bit successives Ces valeurs doivent donc tre consid r es comme des valeurs minimales 2 3 2 Incertitude sur les masses de Diuron et de Bromure inject es Les masses de solut s inject es se calculent de la fa on suivante 262 M M Cy o M est la masse totale M C la concentration de la i me cuve ML et V le volume de la i me cuve L erreurs comme suit L incertitude compos e sur la masse totale se calcule d apr s la loi de propagation des M C am U y i d E UE U C xV U P xC vian DUC Les concentrations en Diuron dans les cuves ont t d termin es par chromatographie sans extraction ni concentration pr alable en injection directe L erreur de mesure correspond dans ce cas uniquement l int gration du chromatogramme et l incertitude associ e la courbe d talonnage du chromatographe La premi re est suppos e n gligeable car les pics des chromatogrammes sont en g n ral tr s nets L erreur li e la courbe d talonnage tab
182. a teneur en eau L L On rappelle par ailleurs qu elle suppose l coulement laminaire 1 e lent isotherme et le milieu rigide 11 15 g K h VH K 6 VH o K L T est le tenseur de conductivit hydraulique en milieu non satur H L le potentiel total H h z h L le potentiel de pression n gatif en non satur et positif en satur et z L le potentiel gravitaire positif et croissant selon la verticale ascendante L quation de diffusivit de Richards 1931 issue de la combinaison des quations IL 14 et IL 15 peut galement s crire sous plusieurs formes suivant que la variable principale est h ou les deux Le mod le Hydrus r sout la forme mixte qui permet d avoir un bilan de masse satisfaisant tout en vitant les probl mes de discontinuit associ s la forme en Celia et al 1990 Sous forme tensorielle cette relation s crit de la fa on suivante 11 16 ee Kx KA Oh KA dt ox ox 11 17 K K h x K x xK h x o x i 1 2 L sont les coordonn es spatiales K h x L T la fonction conductivit hydraulique en milieu non satur K L T la conductivit saturation K la conductivit relative et K le tenseur d anisotropie 2 1 3 Repr sentation des flux d eau la surface du sol L coulement de surface est repr sent par une quation d onde cin matique monodimensionnelle combinaison de l quation de conserv
183. abilit haute 199 Tableau IV 17 Bilan des flux simul s l chelle de la placette avec l hypoth se haute Les valeurs obtenues avec l hypoth se moyenne sont rappel es titre indicatif 201 Tableau V 1 Masse de Diuron mg estim e dans le ruissellement de surface entrant dans la placette 206 Tableau V 2 Perte parcellaire quivalente la masse de Diuron transport e dans l v nement du 12 ao t 2004 xprim e en pourcentage de l dose appliqu e ss sssinnen trees otre snsbesssentreeneseoeseseltrgemente cb 206 Tableau V 3 Caract ristiques chimiques de la solution dop e L incertitude est estim e au seuil de 95 par composition des incertitudes sur la concentration et le volume le d tail du calcul figure en annexe 2 208 Tableau V 4 Perte parcellaire quivalente la masse de Diuron transport e dans l v nement artificiel exprim e en pourcentage de la dose appliqu e 208 Tableau V 5 Concentrations mesur es dans les lysim tres apr s l v nement du 12 ao t 2004 209 Tableau V 6 Masse de Diuron percol e 50 cm estim e partir des flux d eau mesur s et simul s 209 Tableau V 7 Bilan 24h des flux de Diuron entr s sortis et retenus dans le syst me lors de l v nement du 12 aout 2004 exprim s en valeur absolue mg et relativement la masse totale entr e Me 210 Tableau V 8 Masses de Diuron et de Bromure sorties du syst me par rui
184. acinaire Le potentiel d adsorption du Diuron sur le sol tudi a t d termin travers la caract risation de l isotherme et de la cin tique de r action On montre que l isotherme est lin aire sur la gamme de concentration 5 ug L 500 ug L Les coefficients de partage d termin s l quilibre montrent que l horizon 0 20cm se distingue nettement des horizons 20 50 cm et 50 100 cm sous jacents en lien avec une teneur en mati re organique nettement plus lev e L horizon 0 20cm distingue aussi nettement le sol enherb du sol cultiv en lien notamment avec une teneur en mati re organique plus lev e dans le sol enherb mais pas uniquement d autres facteurs non identifi s semblant favoriser l adsorption dans le sol enherb ou l inhiber dans le sol de vigne L horizon 20 50 cm du sol enherb pr sente aussi un coefficient de partage sup rieur l horizon 20 50 cm du sol de vigne mais la diff rence est moins grande On en d duit que l effet b n fique du maintien d un couvert herbeux p renne concerne essentiellement l horizon 0 20 cm On note que les mesures n ont pas permis de distinguer un potentiel d adsorption sp cifique du mat racinaire 0 5 cm Mais ceci s explique probablement par le fait que la fraction v g tale de cet horizon n est pas prise en compte alors qu elle repr sente une surface d change importante et qu elle se caract rise par un coefficien
185. adapt e aux objectifs 53 Limites du bassin hydrographique Trac du thalweg o jaug la station des Versauds coule la Morcille Figure II 1 Photographie du bassin versant de la Morcille Village de St Joseph 1 1 1 2 Configuration du site Le site exp rimental se situe proximit imm diate de la rivi re Morcille en bas d un versant plant en vigne d sherb chimiquement et dont la pente atteint 30 cf Figure II 2 La parcelle enherb e instrument e d une longueur de 25 m fait donc naturellement office de zone tampon vis vis du ruissellement de surface issu du versant en vigne d une longueur de 170 m La parcelle enherb e est g e d une trentaine d ann e La raison de sa pr sence est donc uniquement historique li e l implantation de la vigne install e une distance suffisante du cours d eau pour limiter la pourriture du raisin due l humidit et non aux recommandations d am nagement formul es ces derni res ann es dans le but de r duire la pollution des eaux par les pesticides Figure II 2 Photographie du versant instrument prise depuis une berge de la Morcille _ 54 1 1 1 3 Climat Le climat du Beaujolais et plus g n ralement du d partement du Rh ne se caract rise par la succession de p riodes d influence m diterran enne continentale et oc anique les trois grandes influences climatiques fran aises Il est g n ralement domin par l influe
186. ale m me si elle n est pas la seule responsable entretien des voiries et des espaces verts publics usages particuliers Les pollutions ponctuelles sont li es une mauvaise manipulation des produits probl mes de stockage des solutions concentr es d bordements des cuves de pr paration rejets sauvages des fonds de cuve lavage des machines servant l pandage sans r cup ration des effluents Ce type de pollution peut g n rer des pics de concentrations tr s lev es mais il est en principe facile r sorber court terme par l information et la formation des agriculteurs par le financement d unit s de lavage permettant un traitement des effluents et par la r cup ration des produits non utilis s Les pollutions diffuses correspondent au transfert vers les masses d eaux des produits appliqu s sur les parcelles cultiv es En ce qui concerne les eaux de surface il s agit essentiellement de transferts par d rive atmosph rique qui se produisent lors de l pandage et de transferts li s aux coulements se produisant apr s pandage Ces derniers regroupent le 16 ruissellement de surface et les coulements de subsurface La d rive peut probablement comme pour les pollutions ponctuelles tre en grande partie r sorb e court terme par des changements de pratique tels qu un entretien r gulier des pulv risateurs et par le respect de zones non trait es en bordure des cours d eau En
187. aleurs r alistes pour ce type de couvert Abu Zreig et al 2001 Deletic 2001 Mu oz Carpena et al 1999 Les r sultats sont pr sent s dans le Tableau IV 12 sous forme d une distance maximale atteinte par l coulement de surface l int rieur de la placette Tableau IV 12 Distance de n maximale du ruissellement simul pour des coefficients de rugosit de 0 4 s m et 0 1 s m m Distance Rugosit Etat initial em Hyp 1 550 n 0 4 Hyp 2 590 Hyp 3 625 Hyp 1 560 n 0 1 Hyp 2 600 Hyp 3 630 La distance maximale atteinte par le ruissellement n est pas tr s loign e de l exutoire 1 3 mais elle ne l atteint pas sauf dans l hypoth se d une rugosit n 0 1 sm et d un tat initial tr s proche de la saturation Toutefois le ruissellement correspondant est quasi nul de 181 0 02 mm ce qui est inf rieur de 2 ordres de grandeur au ruissellement observ On retiendra que pour la majorit de ces simulations l int gralit du ruissellement et de la pluie entrant dans la placette s infiltre Le flux infiltr simul sur la limite de surface est de 103 mm De mani re tonnante ce chiffre est l g rement sup rieur au flux total mesur re u par la bande 97 mm L erreur num rique du mod le ne semble pas en cause puisque inf rieure 1 mm pour la totalit des simulations Cette incoh rence s explique donc probablement par la description simplifi e qu
188. algr le fort potentiel de r tention de surface mais on peut aussi consid rer qu il repr sente un transfert maximum sup rieur notamment ce qui pourrait tre observ sur des sols moins perm ables et pour la majorit des v nements naturels pour lesquels le milieu n est pas soumis lution e Le transport des solut s dans la zone racinaire semble se faire de fa on h t rog ne une partie seulement de la porosit contribuant au transport Ceci induit des vitesses de propagation particuli rement lev es Cependant cette rapidit de propagation ne semble pas incompatible avec une r tention du Diuron par adsorption Ceci est coh rent avec les coefficients de partage d termin s au laboratoire pour des temps de contact courts les coefficients de partage l quilibre s av rent de ce point de vue peu utiles D veloppement de la mod lisation Les r sultats obtenus en terme de mod lisation des flux d eau et de solut s permettent de formuler les remarques suivantes e Le couplage d une repr sentation explicite des coulements de surface et de subsurface appara t n cessaire pour rendre compte de l efficacit d une zone tampon enherb e au del de l tude de la propagation des flux infiltr s dans la mesure o ce type de milieu pr sente une structuration verticale influen ant le flux infiltr en surface e L approximation 1D utilis e pour rendre compte du ruissellement de surface appara t s
189. alimentation est pilot e de fa on d marrer les compresseurs d air uniquement en cas de pluie leur alimentation est initi e par l enregistrement d un basculement d auget par le pluviom tre et se poursuit pendant 30 minutes apr s le dernier basculement Fr quence de scrutation des capteurs La fr quence de scrutation est fixe Deux fr quences de scrutation sont utilis es dans le programme Tous les capteurs sont scrut s en routine au pas de 1 minute En ce qui concerne les d bitm tres la fr quence de scrutation descend 20 secondes lorsque le d bit est sup rieur 0 5 L s Seul le pluviom tre n est pas soumis une fr quence de scrutation fixe chaque basculement est horodat au centi me de seconde pr s Gestion de la sauvegarde des donn es mesur es La gestion de la fr quence de sauvegarde permet de pr venir une saturation de la m moire de l automate limit e 62000 octet tout en autorisant une caract risation fine de ph nom nes fugaces gr ce une fr quence de scrutation lev e Ceci est particuli rement int ressant lorsqu on s int resse des coulements temporaires et que de nombreux param tres sont mesur s simultan ment En ce qui concerne les d bits la sauvegarde est conditionn e par une valeur minimale de 0 01 L s dans l un ou l autre des canaux venturis Ceci permet d viter de sauvegarder les valeurs nulles g n r es par les capteurs bulle bulle lorsqu il pleu
190. and fate of atrazine in midwestern riparian buffer strips Journal of the American Water Ressources Association 37 6 1681 1692 Reynolds W D and Elrick D E 1991 Determination of hydraulic conductivity using a tension infiltrometer Soil Science Society of America Journal 55 633 639 Rimmer A Steenhuis S T and Selker J S 1995 One dimensional model to evaluate the performance of wick samplers in soils Soil Science Society of America Journal 59 88 92 Rohde W A Asmussen L E Hauser E W Wauchope R D and Allison H D 1980 Trifluralin movement in runoff from a small agricultural watershed Journal of Environmental Quality 9 1 37 42 Schaap M G and Leij F J 1998a Database related accuracy and uncertainty of pedotransfer functions Soil Science 163 765 779 Schaap M G and Leij F J 1998b Using neural network to predict soil water retention and soil hydraulic conductivity Soil and tillage research 47 37 42 237 Schiavon M Perrin Ganier C and Portal J M 1995 La pollution de l eau par les produits phytosanitaires tat et origine Agronomie 15 157 170 Schipman A J 2002 Variabilit petite chelle du fonctionnement hydrodynamique d un versant prairial tude exp rimentale et mod lisation PhD Thesis Institut National Polytechnique de Grenoble Grenoble 222 PP Schmid B H 1989 On overland flow modelling can rainfall excess be treated as independent of flow depth Jou
191. aniques sont pr sent s dans le Tableau II 2 et la Figure II 8 Tableau II 2 Teneur en carbone et mati res organiques teneur en azote et ratio C N Mati re earbone Azote total C N Compartiment organique organique g kg g kg g kg BE 5 20cm 33 2 19 2 1 9 10 3 BE 20 50cm 15 8 9 1 0 9 9 7 BE 50 100cm 7 2 4 2 0 6 7 5 Vigne 0 20cm 20 5 11 8 1 1 10 9 Vigne 20 50cm 11 7 6 8 0 7 9 5 0 J acer 1 r 1 out 5 40 7 I Vigne 3 J 7 Bande Enherb e g 60 4 7 7 BE Benoit 1999 me 3 CWC C Culture Benoit 1999 30 Bande Enherb e 1 BE Madrigal 2002 Culture Madrigal 2002 100 T l l T T T 1 0 10 20 30 40 o 10 20 30 40 Concentration en mati res organiques g kg Concentration en carbone organique g kg Figure II 8 Profils compar s de teneur en mati re organique gauche et carbone organique droite dans la vigne et dans la parcelle enherb e Comparaison avec des donn es de la litt rature Benoit et al 1999 Madrigal et al 2002 60 La Figure II 8 montre que les teneurs en carbone organique et plus g n ralement en mati res organiques sont faibles dans le sol de vigne et pas particuli rement importantes dans le sol enherb Elle montre d autre part que ces teneurs d croissent avec la profondeur Elle montre enfin des teneurs en mati res organiques plus fortes dans la parcelle enherb e que dans la parcelle cultiv e en vign
192. antit de Diuron radioactif en solution apr s la p riode de contact est d termin e apr s concentration sur cartouche SPE par scintillation en phase liquide Chaque mesure est r p t e deux fois 3 r p titions au total Le d tail du protocole figure dans l annexe 7 La concentration en Diuron sur la phase solide n est pas mesur e mais estim e par la m thode des restes 11 4 C GECE i M o C est la concentration en phase solide MM Co la concentration de dopage ML C la concentration mesur e de la phase liquide ML V le volume de dopage L et M la masse de l chantillon de sol M Le coefficient de partage sol eau 24 heures est calcul comme suit C 11 5 Kyam C z C o Kp est le coefficient de partage 24 heures M L C la concentration estim e en phase solide 24 heures MM et C la concentration du blanc matrice ML 1 3 2 3 D termination des cin tiques d adsorption Etant donn le nombre d analyses n cessaire pour l tablissement d une cin tique nous avons choisi de nous int resser uniquement au sol de la parcelle enherb e et aux horizons superficiels Les horizons caract ris s sont les suivants sol enherb horizon 0 5 cm sol enherb horizon 5 20 cm sol enherb horizon 20 50 cm Les cin tiques sont d termin es pour une concentration de dopage unique de 20 ug L et pour des temps de contact de 2 min 5 min 15 min 1 h 6 h 15 het 24 h
193. anuel d utilisation 29 pp Celia M A Bououtas E T and Zarba R L 1990 A general mass conservative numerical solution for the unsaturated flow equation Water Ressource Research 26 1483 1496 233 Challenge Agriculture 1999 Watermark manuel d utilisation Ambillou 7 pp Comit d Orientation pour la R duction de la Pollution des Eaux par les Nitrates les phosphates et les produits phytosanitaires provenant des activit s agricoles CORPEN 1997 Produits phytosanitaires et dispositifs enherb s Etat des connaissances et propositions de mise en oeuvre MAP MATE 88 pp Cooper A B Smith C M and Bottcher A B 1992 Predicting runoff of water sediment and nutrients from a New Zealand grazed pasture Transactions of the ASAE 35 1 105 112 Coquet Y Boucher A Labat C Vachier P and Roger Estrade J 2000 Caract risation hydrodynamique des sols l aide de l infiltrom tre disques Aspects th oriques et pratiques Etude et gestion des sols 7 1 7 24 Dabney S M Meyer L D Harmon W C Alonso C V and Foster G R 1995 Depositional patterns of sediment trapped by grass hedges Transactions of the ASAE 38 6 1719 1729 Dages C 2002 Contribution a la compr hension du transfert des produits phytosanitaires dans les coulements de subsurface des zones tampons CEMAGREF lyon 41 pp Dakhel N 2001 Effet des param tres p do climatiques sur les m canismes responsables de la dissipation
194. ap Injection act 00 j 224004 O00 eeatieins Injection F X 210cm Poo F X 210 80 80 ii a G X 385cm S O N G X 385cm H X 560cm E ooi ect 8 _ a le H H 560cm ia 5 Soll Pe T 40 z 5 D z 20 4 5 5 8 0 0 50 100 150 Temps min Figure V 4 Concentrations en Bromure gauche en Diuron droite mesur es dans les lysim tres atmosph riques du transect EFGH Les concentrations inject es en surface sont indiqu es pour comparaison Les concentrations en Bromure mesur es dans les profils E et F sont proches de la concentration inject e traduisant une dilution r duite dans l eau initialement pr sente dans le profil Ceci sugg re un transport pr f rentiel comme d j observ l chelle locale du profil cf chapitre HI Sur les m mes profils E et F et pour les m mes chantillons la concentration mesur e en Diuron est significativement inf rieure la concentration en Bromure l unit pr s ce qui sugg re un processus d adsorption Les concentrations inject es n tant pas identiques il est difficile de conclure fermement mais ceci sugg re que si des coulements pr f rentiels se produisent ils ne sont pas incompatibles avec le processus d adsorption La concentration en Diuron reste un niveau significatif pendant l lution Ceci peut traduire l lution des solut s pr sents dans le sol ou un processus de d sorption du
195. ara t tend se concentrer d amont en aval d un bassin en rigoles ravines et rus marquant progressivement le paysage jusqu emp cher le maintien des cultures A ces diff rents types d coulement en vitesse charge particulaire et hauteur doivent correspondre des am nagements diff rents l am nagement de bandes enherb es intra parcellaires ou en limite de parcelle pour intercepter le ruissellement diffus l enherbement des thalwegs existants ou l am nagement de thalwegs enherb s pour ma triser le ruissellement d j concentr l enherbement des rives de cours d eau pour intercepter les coulements avant l entr e dans la ressource prot ger Par ailleurs les recommandations am ricaines tiennent compte du fait que la concentration du ruissellement repr sente aussi un facteur pouvant limiter l efficacit des dispositifs tampons et recommandent pour cela d am nager les zones tampons le plus pr s possible de la source les bandes enherb es intra parcellaires parall les aux lignes de niveau sont conseill es cet effet En comparaison les bandes implant es en limite de parcelle pr senteraient un risque d apparition d coulements concentr s plus important d aux d p ts de s diments En aval l am nagement des bords de cours d eau devrait obligatoirement prendre en compte ce facteur et pr voir une dispersion pr alable de l coulement Ceci peut se faire soit au niveau de la r alisat
196. ariables tant en termes de flux d eau que de concentration en pesticide Ceci produit logiquement une variabilit de l efficacit de la bande au cours de l v nement du fait de la d pendance des processus d infiltration d adsorption de s dimentation ces conditions On note galement une variation des caract ristiques intrins ques de la bande L tat hydrique et donc la capacit d infiltration de la bande volue au fur et mesure de l humectation progressive du sol Misra et al 1996 Dans les zones d rosion intense la perm abilit de surface peut diminuer par colmatage de la porosit par les s diments d pos s Deletic 2000 Misra et al 1994 de m me que la pente et la rugosit Dillaha et al 1989 A l chelle de l ann e on note que la capacit d infiltration peut voluer de fa on saisonni re en rapport avec les composantes pr cipitation et vapotranspiration du bilan hydrique et le cycle v g tatif du couvert qui influe sur la perm abilit de la bande Souiller et al 2002 C est ainsi qu on observe durant les p riodes pluvieuses o les v nements de pluie sont rapproch s et imposent des tats hydriques humides une diminution de la capacit d infiltration Arora et al 1996 On montre galement que la capacit d adsorption peut voluer du fait de la non lin arit du processus d adsorption relativement la concentration Misra et al 1996 et de l
197. artant de ce constat les objectifs sp cifiques assign s au travail de th se ont t les suivants e Combler le manque de connaissances concernant le devenir des flux de pesticides infiltr s e D velopper une approche de mod lisation des flux d eau et de pesticides l chelle d une bande enherb e en couplant flux de surface flux de subsurface et processus de sorption e Valider l approche de mod lisation macroscopique dans le cas d une bande enherb e en situation d interception d un coulement de surface De ces objectifs a d coul une approche mixte m lant exp rimentation et mod lisation Sur le plan exp rimental un dispositif in situ a t r alis dans le Beaujolais dans le but de fournir les jeux de donn es inexistants dans la litt rature n cessaires la caract risation du devenir des flux infiltr s et au travail de mod lisation L originalit du dispositif r alis tient notamment au fait qu il permet gr ce des lysim tres install s 50 cm de profondeur 225 de faire un bilan complet des flux d eau et de pesticide l chelle de la zone racinaire Il permet en outre de suivre des v nements naturels et de g n rer des v nements artificiels contr l s Deux v nements l un naturel et l autre artificiel ont ainsi t tudi s Le sol du site exp rimental a t caract ris sur le plan hydrodynamique et chimique Sur le plan hydrodynamique diff
198. at racinaire d un couvert herbeux et l horizon sous jacent x3 en hiver X25 au printemps susceptible d induire de tels coulements lat raux Souiller et al 2002 Les m mes auteurs constatent un cart entre l infiltration mesur e lors de simulations de ruissellement et l infiltration th orique d duite de mesures directes de la conductivit hydraulique verticale la valeur th orique tant nettement inf rieure la valeur mesur e cet cart pourrait traduire un coulement lat ral significatif On montre sur un mod le physique de laboratoire que l coulement dans le mat racinaire 3 cm d un couvert gazonnant de f tuque implant sur une pente de 3 est le lieu d un coulement lat ral repr sentant 4 7 de la pluie Watanabe and Grismer 2001 Il semble donc que le risque de transfert lat ral de subsurface soit limit des situations sp cifiques Des coulements superficiels dans la zone racinaire m me importants en terme de volume d eau ne sont pas susceptibles d induire un transfert de pesticide significatif du fait de la capacit de r tention lev e de cet horizon sauf dans le cas d une bande enherb e tr s troite dans laquelle le temps de contact pourrait tre trop faible En revanche le risque de transfert lat ral sous la zone racinaire semble concerner un plus grand nombre de situations dans la mesure o le risque de lessivage profond a t d montr de m me que la capacit
199. ation de la masse simultan ment dans les phases liquide et solide Cette quation s crit de la fa on suivante d0c dps a dc dg c 11 21 6D Ou c pus Ot 2 a ee es Variation de masse Dispersion Convection Puits o s est la concentration de la phase solide M M c la concentration de la phase liquide M L la teneur en eau volumique L L p la densit apparente ML D le 98 tenseur des coefficients de dispersion LT q la i me composante du vecteur flux volumique issu de l quation de Richards LT 4 un coefficient du premier ordre de disparition dans la phase liquide T et 44 un coefficient du premier ordre de disparition dans la phase solide T Le tenseur de dispersion englobe l effet de la diffusion mol culaire et de la dispersivit m canique du milieu Il s crit de la fa on suivante q d D D Od fi 0 11 22 6D D q d wh yO ou D est la diffusion mol culaire dans l eau L T Tun facteur de tortuosit q le vecteur vitesse d coulement issu de l quation de Richards LT 6 le symbole de Kronecker 6 1 si i j et 6j 0 si i j D et Dr les coefficients de dispersivit longitudinale et transversale respectivement L 2 2 2 Repr sentation des quilibres et non quilibres chimiques et physiques Simunek et al 1999 Le mod le Hydrus 2D permet de repr senter des processus de non quilibre
200. ation de la masse monodimensionnelle et d une relation de processus la loi de Manning Strickler 97 La conservation de la masse s crit de la fa on suivante dh dQ 11 18 fe dt dx o A est la hauteur d eau L Q le d bit par unit de largeur L T x l abscisse q x t orient e suivant la surface du sol L et q x t un terme local de recharge gal la diff rence entre pr cipitation et infiltration L T L quation de Manning Strickler s crit de la fa on suivante 5 11 19 9 45 43 n o S est la pente de la surface et n le coefficient de rugosit de Manning EL On note que les propri t s hydrauliques de la surface du sol sont repr sent es par un unique param tre constant dans le temps la rugosit Ce param tre est d fini au niveau de chaque n ud de la surface du sol Il permet donc de d crire un milieu de rugosit non homog ne dans la direction de coulement La combinaison de ces deux quations donne l quation d onde cin matique suivante 2 dh 54S 3 dh 11 20 dt 3 n dx q x t 2 2 Repr sentation des flux de solut Le mod le utilis ne permet pas de repr senter le transport de solut s en surface Nous pr sentons ici les principes du mod le Hydrus 2D non coupl 2 2 1 Repr sentation du transport des solut s en subsurface Simunek et al 1999 Le mod le r sout l quation de convection dispersion quation de conserv
201. atisfaisante malgr l h t rog n it du ruissellement mise en vidence exp rimentalement e La repr sentation 2D utilis e pour rendre compte des flux de subsurface est n cessaire pour reproduire les transferts lat raux se produisant dans le mat racinaire Elle l est aussi pour rendre compte de la propagation des flux au del du mat racinaire dans la mesure o la dynamique de l coulement de surface et la forte perm abilit du profil engendrent une humectation localis e et en profondeur g n rant des gradients lat raux On note qu une repr sentation 2D est insuffisante dans le cas du syst me exp rimental lorsqu il y a une remont e de la nappe Dans ce cas une mod lisation 3D serait n cessaire Cependant on 228 rappelle qu une repr sentation 2D est probablement suffisante pour rendre compte des situations de ruissellement g n ralis qui restent les situations les plus fr quentes e La repr sentation du mat racinaire et notamment de son paisseur et de son anisotropie est d terminante pour la propagation simul e des flux dans et la surface de celui ci e L quation de Richards semble apte rendre compte des flux d eau se produisant dans la zone racinaire et notamment dans la macroporosit Mais deux jeux de perm abilit ont d tre utilis s pour rendre compte de la contribution variable de cette macroporosit ce qui constitue une limite l utilisation de cette quation telle
202. ative de l influence des techniques culturales l exemple du Beaujolais France Z Geomorph N F Suppl Bd 60 149 160 Gril J J 2002 Int r t de l enherbement de la vigne pour limiter le ruissellement l rosion et la pollution par les produits phytosanitaires MONDIAVITI Bordeaux pp 24 28 Gril J J Badel E Patty L Dutertre A and Mocquet M 1996 Mise au point d une m thode d valuation la simulation de ruissellement avec utilisation d un traceur color Rapport interne 15 pp Himbert M 2001 Unit s r f rences incertitudes pour les mesures La pluridisciplinarit dans les enseignement scientifiques Tome 2 La place de l exp rience Actes de l universit d t du 9 au 13 juillet 2001 Cachan pp 8 Holder M Brown V Thomasn J C Zabcik D and Murray H E 1991 Capillary wick unsaturated zone soil pore water sampler Soil Sci Soc Am J 55 1195 1202 Hydrologic 1995 Notice d utilisation des transmetteurs ALPHEE3010 et 3020 St Martin d Heres 13 pp IFEN 2002 Les pesticides dans les eaux Bilan annuel 2002 Donn es 1999 2000 Institut Francais de l Environnement 25 pp IFEN 2003 Les pesticides dans les eaux Cinqui me bilan annuel Donn es 2001 Institut Fran ais de l Environnement 29 pp IFEN 2004 Les pesticides dans les eaux Sixi me bilan annuel Donn es 2002 Institut Fran ais de l Environnement 34 pp Inamdar S P Sheridan J M Williams R G Bosch D D
203. aux flux mesur s avec les lysim tres atmosph riques Cet encadrement confirme que les deux syst mes lysim triques pr sentent des disfonctionnement oppos s savoir une sous estimation du flux par les lysim tres m che li e une perm abilit insuffisante et une surestimation par les lysim tres atmosph riques li e un effet drain induit par la mise en charge du profil 191 Le flux instantan simul 50 cm de profondeur moyen l chelle de la placette est illustr par la Figure IV 40 La figure illustre aussi la variation de stock et l infiltration de fa on faire un bilan en continu des flux entr s sortis et stock s dans la zone racinaire 280 Infiltration 240 Percolation Variation de stock 200 Percolation stock 160 5 120 4 Flux cumul mm 80 40 120 180 Temps min Figure IV 40 Bilan des flux instantan s entr s sortis et stock s dans la zone racinaire au cours de l v nement artificiel Comme pour l v nement naturel on constate qu un mod le d coulement homog ne permet de bien rendre compte de l arriv e pr coce des flux 50 cm de profondeur conform ment aux mesures lysim triques instantan es faites lors de cet v nement Le flux vertical 50 cm et la variation de stock dans l horizon 0 50 cm expliquent 70 du volume infiltr total simul par le mod le la fin de l v neme
204. bitm tres Hauteurs d eau mesur es apr s correction de l offset des capteurs En sortie de placette la mesure de d bit est compl t e par un bac pi ge ruissellement de capacit 150 Litres permettant d identifier et de quantifier les coulements les plus faibles potentiellement non d tect s par le canal Venturi cf Figure IL 18 Le bac est quip d un capteur de pression automatique Campbell PDCR1830 Campbell Scientific 1996 de pleine chelle 0 75 cm et de pr cision lt 0 4 soit une erreur lt 3 mm Figure IL 18 Photographie du pi ge ruissellement quip d un capteur de pression PDCR1830 69 b Pluviom trie Un pluviom tre augets Campbell ARG100 Campbell Scientific 2001 situ a proximit imm diate de la placette et install selon les recommandations du constructeur permet de conna tre le volume et l intensit de pluie instantan e L incertitude relative sur la mesure du cumul de pluie largie au seuil de confiance de 95 est donn e par la formule suivante d tails du calcul en annexe 2 eum _ 0 068 Veum Josy Jn o n est le nombre de basculements enregistr s pendant l v nement 11 2 L incertitude relative diminue rapidement avec le volume de l v nement pour n tre plus que de 0 6 pour un cumul de 20 mm c Echantillonnage en entr e et sortie de la placette On utilise des pr leveurs d chantillons automatiques BAMOCELL BAM
205. bserv e est quasi stabilis e partir de l instant t 30 minutes On peut donc supposer que le gradient hydraulique vertical volue peu partir de cet instant et que la baisse continue de la capacit d infiltration constat e jusqu l instant t 100 min s explique aussi par une baisse des gradients horizontaux existants aux limites de la placette Le niveau de charge apparent n atteint pas la surface du sol En effet les tensiom tres situ s 15 cm de profondeur indiquent un potentiel tendant vers z ro mais restant l g rement n gatif Propagation lat rale A l int rieur de la placette les humidim tres et les tensiom tres ne permettent pas d identifier des flux lat raux de subsurface significatifs En effet la propagation verticale est si rapide qu elle semble syst matiquement expliquer les variations oberv es La propagation lat rale des flux infiltr s dans la placette vers l ext rieur de la placette est renseign e dans le plan longitudinal par les humidit s mesur es en X 730 cm cf Figure IV 19 et dans le plan transversal par le niveau de la nappe relev dans les pi zom tres distant de 1 6 m du cot droit de la placette cf Figure IV 20 120 5 80 _ 20 E 4 oO 2 40 T 40 3 o iz 0 gt 60 5 g 40 c 804 80 EMT errr rp er pray Par pea ry 1600 100 0 40 80 120 160 200 240 280 100 80 60 40 20 0 Temps
206. ccccceceeeeeeeseeeeeeteeeeeeeeeees 199 2 4 Conclusions du travail de mod lisation 203 Chapitre V Etude des flux de pesticides dans une bande enherb e interceptant un ruissellement contamin 205 1 Description des v nements tudi s sssoosssessssssosocesssssssssoscessssssssososesssssssssosssssssss 205 LL L v nement naturel du 12 006200 nement 205 12 L v nement artificieliessiisuisiiina nnen ennuis 207 2 Etude des flux de Diuron l chelle de l v nement ssscssssssssssssssssssssssssssees 208 2 1 Flux observ s lors de l v nement naturel h susantsiant 209 2 2 Flux observ s lors de l v nement attirant 210 2 3 Etude de la r tention du Diuron la surface de la placette sisi 217 2 317 Etude dela dilution parla pluies D nn Rte 217 2 3 2 Confrontation aux coefficients de partage d termin s en laboratoire 219 23 3 CONCIUSION 2iststarcsnec rende ret een ir era E tend ne E E tente desc Mandats sur dite un die 221 2 4 Etude de la r tention du Diuron dans la zone racinaire 221 3 ConCh SiOiS sssssssssssssssssessossssssssssssssscssssssssssssssscsdsssssscsssesadsdsdtsrsdssdrasdossscsso is buis BLO Conclusions et perspectives scene reneiestnes 220 Bib OP ADhIC uses onanerepnanee nissan 20 PAE WEG EEE E AE AEA N l 1 Photographies du sol de la placette exp rimentale ss 243 2 Calcul des incertitudes exp rimentale
207. centration attendu dans le ruissellement de surface semble pouvoir tre estim assez justement par un simple calcul de type batch moyennant l utilisation d un temps de s jour r aliste et d un coefficient de partage obtenu dans des conditions repr sentatives et moyennant la repr sentation de l effet diluant de la pluie Ceci confirme notamment la repr sentativit du mode d agitation douce utilis pour tablir les coefficients de partage Margoum 2003 2 4 Etude de la r tention du Diuron dans la zone racinaire Les mesures montrent un abattement de concentration significatif entre la surface du sol et la base de la zone racinaire Les concentrations mesur es sur la phase solide apr s l v nement artificiel confirment l existence d un processus d adsorption efficace s ajoutant au probable effet de dilution des flux infiltr s dans l eau initialement pr sente dans le sol On souhaite savoir si cet abattement de concentration peut tre estim de fa on simple partir d une interpr tation de type batch et de coefficients d adsorption d termin s en laboratoire Un travail de mod lisation num rique plus labor a t entrepris l aide du mod le Hydrus 2D Simunek et al 1999 sur la base des param tres de transport d termin s dans le chapitre IL mais les simulations r alis es pour un compos r actif sont entach es d une grande erreur num rique encore inexpliqu e ce probl me n
208. ck L est le potentiel en t te de m che qs L T est le flux dans le sol a L et Kom L T sont la constante de Gardner et la conductivit saturation du mat riau indice w pour la m che indice s pour le sol Ly L et Ay L7 sont la hauteur et la section de m che et L7 la section de contact entre m che et sol Le dimensionnement d un lysim tre consiste comparer les potentiels donn s par les quations 4 et 3bis Ainsi pour un sol donn as Ks sat et une gamme de flux qs probables il s agit d ajuster les variables aw Ksar Lw Aw et As autrement dit de choisir un mod le de m che en fibre de verre et de calculer la section donner au lysim tre et ou le nombre de m ches pour que le potentiel en t te de m che soit identique celui du sol la m me profondeur A ce stade on se doit de rappeler que ces d veloppements analytiques n ont t possibles que gr ce des hypoth ses fortes qui limitent s v rement l applicabilit de ce protocole 1 La conductivit hydraulique du sol et de la m che est suppos e suivre la loi exponentielle de Gardner Or s il a t montr que cette loi permettait de bien repr senter les propri t s des m ches en fibres de verre Knutson and Selker 1994 on constate g n ralement qu avec seulement deux param tres ajuster elle ne permet pas de repr senter les propri t s hydrodynamiques des sols de mani re satisfaisante 2 On suppose
209. cm 0 12 0 12 0 07 0 13 0 55 Vigne 20 50cm 0 11 0 11 0 06 0 12 0 60 Moyenne BE 0 14 0 14 0 08 0 11 0 54 Moyenne Vigne 0 11 0 12 0 07 0 13 0 58 On constate que les diff rents horizons distingu s dans le profil de sol enherb 5 20 cm 20 50 cm 50 100 cm ne pr sentent pas de diff rences texturales importantes Il en est de m me dans le profil de sol cultiv en vigne D apr s ces r sultats le profil de sol de la parcelle enherb e peut donc tre consid r comme homog ne entre 5 cm et 1 m de profondeur La Figure II 7 montre que d apr s le triangle de texture du GEPPA la classe texturale est celle d un sable argileux La comparaison des valeurs moyennes d termin es dans la parcelle enherb e et dans la vigne montre que le profil enherb pr sente l g rement plus d l ments argileux et limoneux et moins d l ments sableux que le profil cultiv Il est possible que le couvert herbac soit l origine de cet enrichissement du profil en particules fines par pi geage par s dimentation et infiltration des particules solides transport es par le ruissellement de surface _ 59 ARGILE 0 20 40 260 80 100 LIMON Figure II 7 Position du sol de la parcelle enherb e dans le triangle de texture utilis par le GEPPA Groupe d Etude des Probl mes de P dologie Appliqu e Baize 1988 Mati res organiques Les r sultats obtenus concernant la concentration en mati res org
210. coltant l eau suintant sous un bloc de sol cf Figure IL 23 Figure II 24 et Figure IL 25 L int r t de ces lysim tres est qu ils permettent une mesure en continu en temps r el et sur une surface significative donc repr sentative Leur relative simplicit autorise en outre des r p titions faible co t Mais l int r t principal vient du fait que l installation n est pas destructrice pour la zone sur laquelle les flux sont mesur s En revanche ils introduisent une limite pression atmosph rique Ils ne recueillent donc que la fraction libre h gt 0 de l eau du sol et ils induisent une perturbation des lignes de courant On se reportera l annexe 3 pour une description plus d taill e de ces syst mes 2719 Les lysim tres m che en fibre de verre sont une solution pour capturer la fois les flux satur s et les flux non satur s Boll et al 1991 Holder et al 1991 D aspect identique cf Figure II 23 et Figure 11 25 ils contiennent en plus une m che en fibre de verre pendant sous le collecteur Cette m che est en contact avec le sol sus jacent et son extr mit inf rieure est pression atmosph rique ce qui fait que la m che agit comme une colonne d eau suspendue Elle g n re donc une succion sur le sol sus jacent sans recourir une source ext rieure de vide En effet les fibres exercent de par leur promiscuit des forces capillaires la mani re d un milieu poreux Ainsi une m che de
211. culture lorsque les pr cipitations exc dent nouveau l vapotranspiration Dans cette situation le risque de contamination ne concernerait donc que les mol cules m re ou m tabolites suffisamment persistantes pour tre toujours pr sentes dans le profil de sol une fois la p riode de croissance de la culture achev e Deux tudes montrent par ailleurs des exemples de contamination ponctuelle et localis e d une nappe superficielle par l atrazine et l alachlore l aplomb d une bande enherb e qui sont attribu s l infiltration du ruissellement Lowrance et al 1997 Vellidis et al 2002 Le pic de concentration en atrazine mesur dans la nappe est de 6 pg L l amont imm diat de la bande et de 2 ug L en aval pour une concentration dans le ruissellement de 90 ug L Lowrance et al 1997 Les temps de transfert tr s courts ne peuvent tre attribu s selon les auteurs qu une contamination par le ruissellement de surface et non une propagation en subsurface depuis la parcelle trait e Les r sultats sur le lessivage des produits pi g s dans une bande enherb e sont quasi inexistants En surface on montre que des produits fix s peuvent tre relargu s lors d pisodes de ruissellement ult rieurs Schmitt et al 1999 Watanabe and Grismer 2001 Dans le sol on montre de fa on g n rale que la r versibilit de l adsorption est plus faible qu en sol nu et qu elle diminue rapidement avec
212. d origine chimique et des processus de non quilibre d origine physique affectant le transport des solut s dans le sol Il permet de les repr senter simultan ment mais il ne permet par contre pas de les discerner dans la mesure o ils sont d crits par une seule et m me quation 2 2 2 1 Equilibre et non quilibre chimique Hydrus repr sente le processus d adsorption par une r action d quilibre ou de non quilibre lin aire ou non lin aire entre la phase liquide et la phase solide Le non quilibre permet de repr senter une cin tique de r action limit e L quilibre non lin aire est mod lis par une isotherme d adsorption non lin aire de type Freundlich ou Langmuir L isotherme d quilibre est d crit sous la forme g n rale suivante 11 23 scala _ 1 7xc o s est la concentration de la phase solide M M c la concentration de la phase liquide M L k L M B et 7 L M des coefficients empiriques De cette forme g n rale d rivent les quations de Freundlich 7 0 Langmuir H 1 et la forme lin aire G 1 et 77 0 qui est utilis e dans ce travail 11 24 S kxXe o k est alors le coefficient de partage sol eau aussi not Kp 99 Dans le cas d une r action non instantan e concept de non quilibre chimique les sites d adsorption sont divis s en deux fractions dont l une autorise une r action instantan e application des is
213. d tail dans le corps du rapport La Figure VI 21 pr sente principaux hy togrammes et hydrogrammes mesur s en entr e et sortie de la placette exp rimentale durant la p riode d observation 2004 2005 7 8 juillet 2004 20 juillet 2004 300 7 0 1400 0 J 1200 E 250 Ruissellement L E 200 Pluie A 1000 Me q Flu lt i E 800 Ruiss entrant E t80 E amp E Ruiss sortant 80 gt S 2 amp 6004 E 2 T 5 T Pluie 2 a a a a 2 5 400 F 120 120 T _ 200 460 0 160 1 30 2 00 2 30 3 00 per 19 09 Temps universel hh min Temps universel hh min 23 24 juillet 2004 10 ao t 2004 300 r 0 600 ro 250 500 E So Ruiss entrant EE p40 1 T i Ruiss sortant E Ruiss Entrant 150 Flute L80 2309 Ruiss Sortant L 80 o 2 o 2 5 T Pluie 5 8 1004 a 9200 a E 120 Fi r 120 50 7 100 0 160 0 160 22 48 23 18 23 47 0 17 0 47 1 17 1 47 2 17 16 48 17 47 18 47 19 47 Temps universel hh min Temps universel hh min 17 ao t 2004 18 ao t 2004 Ruiss entrant 350 0 1400 Ruiss Sortant 300 i soren 1200 Pluie Ruiss entrant T ad F 40 E 250 pluie mmh 0 E1000 E 200 E 8004 5 80 2 r 80 z 150 7 5 6004 5 3 100 120 g F 120 sp 200 0 160 0 A r 160 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 2
214. d Selker 1994 Dans un second temps on suppose que le lysim tre a t dimensionn sur la base de param tres d entr e justes mais qu une erreur intervient lors de son installation Cette erreur peut concerner selon nous les param tres A et Ly En effet il se peut que toute la surface du lysim tre ne contribue pas effectivement la collecte des flux soit en raison d un mauvais contact entre le collecteur et le sol sus jacent soit en raison de la couverture non uniforme de la surface du collecteur par les fibres de verre Nous avons test pour cela une incertitude arbitraire de 20 40 sur la surface de collecte qui correspond selon nous une valeur probable Il se peut galement que la longueur effective de la m che diff re l g rement de la valeur calcul e Nous avons test pour cela une incertitude probable de 1 3 cm sur la d termination de la hauteur de m che Enfin on constate que l excavation dans laquelle se trouve le lysim tre a en g n ral des dimensions sup rieures celles du collecteur Boll et al 1991 Brandi Dohrn et al 1996a Holder et al 1991 Zhu et al 2002 ceci pour faciliter le d blaiement lors de l installation et pour loigner le lysimetre de la tranch e Cette surface exc dentaire repr sente une interface horizontale potentiel atmosph rique interceptant les flux verticaux et peut tre le lieu d une accumulation d eau dont le potentiel tend vers la saturation Boll
215. dacdexs qgacdews Qaetawecdacdene ddactentagieteneedoctensedeed 34 1 3 2 Lerisque de percolation profonde ea iii niente EEA 35 1 3 3 Le risque de transferts lat raux de subsurface cccccccceeecceeesceceeeseeeceseneeeceeeeeesseaeeeeeeneeeeees 36 1 4 Mod les num riques int grateurs ii o 5nccassascvanisvnastguicespodtadesabetassdentinndsbbeiawivastdancess 37 1 5 Recommandations pour l am nagement des bandes enherb es 39 1 5 1 Localisation des dispositifs enherb s dans un bassin versant 40 1 5 2 L dimensionnement d la bande ss cdssdevsadnn done cdssseousenedore diveduvacivsdenedinedasncdeed 41 2 Perspectives de recherche privil gier scssisssisesosesesesssasssosesescvesiossssosesesoseseansssesssesesesenes I 3 Les objectifs sp cifiques de la TR S OO 4 D marche nvisag C s ssssssssssssssssossssssosssssssssossssssressosssoss sesi ssas sss osas s osso sssssassssossioosssssas 47 4 1 Approche exp rimentales na iiia ioei EAEE EEEa E 47 4 2 Approche de MOT SSUION mn en nm anni 50 4 2 1 Des Choix de mod lisation a Priori cos peii perea A trim ride de 50 4 2 2 Le travail de mod lisation ss rs sebtstmesepeberosroitenesnenenie tite cove hearacnilersdepedeseseeonesubebessaers 52 Chapitre II Mat riels et m thodes soooooooosoososooosssesessssssssssssssssssssssse DI 1 Protocoles CxperiMentaUx icccccrscssscsossecsosescsssoacssscsessonessossacsssesoosesses
216. dans lequel Kx 100xKz et d une rugosit de surface n 0 4 s m Ces r sultats sont coh rents avec l hypoth se d un coulement l exutoire tant la somme d un coulement de surface et d un coulement se produisant l int rieur d un mat racinaire fortement anisotrope Dans l hypoth se d un mat de 5 cm l coulement de surface repr sente 2 6 mm et l coulement dans le mat 1 3 mm Dans l hypoth se d un mat de 7 cm l coulement de surface et l coulement dans le mat repr sentent des volumes identiques de 1 3 mm chacun La somme des deux coulements superficiel et subsuperficiel est l g rement sup rieure au ruissellement observ mais elle peut tre consid r e comme r aliste Le fait que cette somme soit sup rieure au ruissellement mesur peut s expliquer par le fait que la goutti re de collecte situ e l exutoire n est pas 10 cm de profondeur mais plus proche de la surface entre 4 cm et 6 cm Elle ne capte donc qu une partie du flux simul par le mod le dans le mat racinaire Ces deux simulations servent de r f rence pour l tude de la propagation simul e des flux en subsurface 2 2 2 Propagation des flux en subsurface La propagation simul e des flux en subsurface est valu e sur le crit re des variations relatives d humidit mesur es dans la zone racinaire On note que les humidit s mesur es 183 dans la couche 0 15 cm nous renseignent indirect
217. dans l hypoth se d un mat racinaire isotrope et d une rugosit de surface n 0 4 s m Cette figure montre que l paisseur du mat racinaire est un param tre relativement sensible l chelle d un v nement de courte dur e Le fait de consid rer un mat d paisseur 182 5 7 cm am liore significativement le r alisme de la simulation suivant l hypoth se d tat initial consid r e On montre par ailleurs que moyennant l hypoth se d un mat racinaire d paisseur r duite et d une anisotropie de perm abilit dans celui ci le mod le permet d expliquer l inertie observ e en fin d v nement sur l hydrogramme mesur exp rimentalement Ces r sultats sont illustr s dans la Figure IV 31 Seules les deux configurations les plus r alistes sont repr sent es associant respectivement l hypoth se d tat hydrique sec au mat de 5 cm et l hypoth se d tat hydrique interm diaire au mat de 7 cm Ces deux configurations donnent des r sultats quivalents et ne sont pas discriminables Hyp 1 mat de 5cm anisotropie de 100 Hyp 2 mat de 7cm anisotropie de 100 Mesure Mesure ao Surface Eau Surface E Mat racinaire Mat racinaire 5 5 5 5 5 00 8 3 5 5 0 28 30 32 34 36 38 28 30 32 34 36 38 Temps min Temps min Figure IV 31 Ruissellement de surface simul dans l hypoth se d un mat racinaire anisotrope
218. dans la mise en charge simul e sous la placette est r duit il est d sormais de l ordre de 20 minutes ce qui est compatible avec l incertitude sur l tat initial et sur les propri t s de r tention b Potentiels simul s dans le plan transversal Le niveau pi zom trique simul dans le plan transversal est illustr par la Figure IV 52 20 4 Mesure Simu Hyp haute Simu Hyp moyenne 60 100 4 140 4 180 Profondeur de la nappe cm 220 0 50 100 150 Temps min Figure IV 52 Niveau pi zom trique simul dans le plan transversal en Y 160 cm La pi zom trie simul e avec les perm abilit s moyennes est indiqu e titre de comparaison 202 L hypoth se haute permet une repr sentation plus r aliste du niveau pi zom trique a cot de la placette L cart entre la pi zom trie simul e et la pi zom trie observ e l instant t 137 minutes est maintenant de 15 cm contre 50 cm avec l hypoth se moyenne 2 3 3 3 Bilan sur la contribution de la macroporosit L augmentation des perm abilit s permet d expliquer l ordre de grandeur des flux mesur s Elle permet galement une simulation relativement r aliste des potentiels la fois dans le plan longitudinal et dans le plan transversal Ceci confirme l hypoth se selon laquelle la perm abilit apparente du milieu est sup rieure lors de l v nement artificiel en lien avec la mise en
219. dant tant donn l incertitude sur les masses estim es il semble difficile de trancher entre ces deux points de vue Un plus grand nombre de r p titions aurait t n cessaire pour cela On retiendra que la masse non retrouv e entre 40 et 60 mg reste faible compar e la masse re ue par le syst me 350 mg On note que ces donn es qui montrent une forte contribution du mat racinaire la r tention globale ne permettent pas de distinguer la r tention li e aux coulements lat raux se produisant dans celui ci cf chapitre IV de la r tention li e aux coulements verticaux M me si des mesures de concentration r siduelle dans le sol n ont pas t faites pour l v nement naturel la conclusion d une adsorption rapide sur la phase solide et se faisant essentiellement dans la couche 0 20 cm peut tre extrapol e celui ci En effet de par l absence d lution celui ci pr sente des conditions hydrauliques encore plus favorables l adsorption 2 3 Etude de la r tention du Diuron la surface de la placette L objectif premier est de savoir si l abattement de concentration observ lors de l v nement naturel entre le ruissellement entrant et le ruissellement sortant rel ve d un processus d adsorption ou s il provient uniquement de la dilution par la pluie Le deuxi me objectif concerne la mod lisation de la r tention des pesticides la surface d une zone rampon enherb e Le mod
220. de l v nement artificiel que lors de l v nement naturel La comparaison reste n anmoins d licate du fait des conditions hydrodynamiques tr s diff rentes des deux v nements aucun r gime d infiltration stabilis n apparait pour l v nement naturel au contraire de l v nement artificiel e La saturation du mat racinaire semble plus homog ne lors de l v nement artificiel que lors de l v nement naturel Ceci semble d l existence de voies d coulement pr f rentiel au centre de la placette qui engendrent une propagation h t rog ne du front de ruissellement Ceci a t observ lors de l v nement artificiel mais il est probable que le m me type de propagation ait lieu lors de l v nement naturel En revanche il est tr s probable que l v nement naturel ne soit pas assez long pour permettre une g n ralisation du ruissellement de surface a l ensemble de la bande comme c est le cas pour v nement artificiel Les deux v nements permettent cependant un certain nombre d observations communes qui mettent en vidence des propri t s probablement caract ristiques du milieu e La capacit d infiltration est tr s lev e de l ordre de plusieurs centaines de millim tres par heure e Des flux verticaux rapides se produisent entre la surface et 50 cm de profondeur e L horizon 0 50 cm se ressuie tr s rapidement de sorte que 24 heures apr s la fin de l v ne
221. de r tention limit e de cette zone La vitesse d coulement lat ral de l eau dans le sol et la distance entre le point d infiltration la bande enherb e et la rivi re jouent alors un r le important Les situations risque concernent les sols grossiers de perm abilit lev e reposant sur un imperm able peu profond associ s une implantation proche de la rivi re bande rivulaire troite 1 4 Mod les num riques int grateurs Des mod les num riques m canistes ont t r alis s pour int grer les diff rents processus d crits pr c demment dans le but d expliquer les flux d eau et de polluants mesur s exp rimentalement en sortie de bandes enherb es pour des dimensions et un ruissellement donn s Ces outils repr sentent chaque processus par des quations math matiques souvent des quations diff rentielles fortement non lin aires ne poss dant pas de solution analytique exacte Les param tres intervenant dans ces quations ont en g n ral un sens physique et peuvent de ce fait tre mesur s directement ou indirectement a Les mod le VFSMOD Mu oz Carpena et al 1999 et TRAVA Deletic 2001 repr sentent l coulement de surface par l quation d onde cin matique r solue en 1D et permettent une discr tisation fine de la bande enherb e L infiltration est calcul e par l quation de Green et Ampt Ces mod les se distinguent par des repr sentations sp cifiques du transfert de
222. de conductivit au voisinage de la saturation ont t caract ris es au cours de deux campagnes men es au printemps et l automne 2004 l aide d un infiltrom tre disque de diam tre 20 cm Trois horizons ont t caract ris s 10 20cm 20 30cm et 40 50cm Trois r p titions correspondant trois profils diff rents ont t faites chaque profondeur Les valeurs de perm abilit ont t calcul es par la m thode multi potentiel utilisant un mod le exponentiel par morceau pour d crire la courbe K h Ankeny et al 1991 Reynolds and Elrick 1991 La gamme de potentiel explor e va de 12 cm 1 cm Les r sultats sont pr sent s par la Figure III 3 112 100 0 10 20cm novembre 10 15cm avril 20 30cm novembre 20 30cm avril 10 0 x 40 50cm novembre 5 40 50cm avril wo E 3 10 l je O x 0 1 T T T T T T l 44 42 140 8 6 4 2 0 14 12 10 8 6 4 2 0 Potentiel cm CE Potentiel cm CE Figure IL 3 Conductivit hydraulique mesur e au voisinage de la saturation sur trois horizons et deux poques diff rentes de l ann e Les r sultats obtenus ne permettent pas de distinguer d volution notable des valeurs mesur es entre les deux campagnes Ceci sugg re qu il n y a pas d volution significative de la porosit au cours de l ann e Les r sultats ne permettent pas non plus de
223. de hauteur d eau elle m me affect e par la position verticale de la prise de pression dans le canal jaugeur position du Z ro la r solution du capteur de pression la pr cision du capteur de pression offset et lin arit la mesure de tension aux bornes de la centrale CR10X elle m me affect e par la pr cision de mesure la r solution du convertisseur analogique num rique de la CR10X la r sistance lectrique utilis e En effet le signal analogique 4 20 mA g n r par le capteur de pression est mesur par un automate Campbell CR10X Campbell Scientific 1998 sous forme d une tension lectrique aux bornes d une r sistance donn e La valeur de la r sistance d termine l quation de conversion s247 si R 100Q cmCE 0 0625 x mV 25 si R 250Q emCE 0 025x mV 25 si R 350Q cmCE 0 01786x mV 25 Or toute r sistance est vendue avec une incertitude donn e La capacit de r solution de l automate est li e la conversion du signal analogique en donn e num rique La pleine chelle de mesure est discr tis e en segments dont la largeur d pend de la puissance du convertisseur en l occurrence un 12 bits soit 2 segments Le volume cumul d un v nement est calcul par une relation additionnelle du type V1 4 V AF gt OA Les sources d incertitudes sont donc les volumes l mentaires calcul s chaque pas de temps eux m mes li s la mesure de d bit i
224. de l quation de convection dispersion est d crite par une concentration nulle sur tout le domaine on suppose que la concentration naturelle du milieu en ions chlorures est n gligeable devant la concentration inject e Les conditions aux limites utilis es sont des conditions de Cauchy le mod le calcule un flux de solut infiltr partir d une concentration de 200 mg L impos e sur la limite et du flux d eau calcul par l quation de Richards La diffusion mol culaire est suppos e n gligeable devant la dispersion cin matique Les coefficients de dispersivit sont d termin s par ajustement partir d une premi re valeur estim e par d faut suivant une r gle empirique traduite par l quation II 2 LL 10 o Dz est la dispersivit longitudinale L et Z la distance caract ristique de 11 2 l coulement L Dans la situation tudi e on consid re que L correspond la profondeur des lysim tres 50 cm La dispersivit transversale est d duite de la dispersivit longitudinale suivant la r gle empirique d crite par l quation HI 3 En effet on consid re en accord avec la litt rature que la sensibilit de l quation de convection dispersion ce param tre ne justifie pas un ajustement sp cifique 137 _ D T 10 o Dr est la dispersivit transversale L et Dz la dispersivit longitudinale L 111 3 4 2 1 Hypothese d un transport homog ne
225. de l v nement artificiel est connu avec suffisamment de pr cision pour ne tester qu une seule hypoth se L tat hydrique ainsi obtenu et utilis dans la suite comme tat initial simul au d marrage de l v nement est illustr par la Figure IV 25 20 4 p Mesures 1 a Mesures T Simulation Simulation 704 5 J S 120 O J A 170 4 J 220 l i i 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 100 50 0 Humidit volumique Potentiel matriciel cm Figure IV 25 Comparaison de l tat hydrique initial simul au 30 mars 2005 en X 430 cm avec les valeurs mesur es 177 2 1 1 3 Conditions aux limites Les conditions aux limites utilis es sont de nature diff rente selon qu on repr sente l v nement proprement parler ou la p riode post rieure l v nement a Mod lisation de la p riode ruisselante Les conditions aux limites utilis es dans le mod le longitudinal pour d crire l v nement ruisselant sont illustr es par la Figure IV 26 Onde cin matique H f x t Imperm able Q 0 Altitude Z cm Es o Oo 400 H constante p 500 4 i 600 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Abscisse X cm Figure IV 26 Conditions aux limites du mod le longitudinal utilis es pour d crire un v nement ruisselant La limite inf rieure du domaine est suppos e i
226. de la r tention des pesticides infiltr s dans la zone racinaire Cette question est abord e l chelle macrosopique de la placette dans le chapitre VI 144 Chapitre IV Etude des flux d eau dans une bande enherb e interceptant un ruissellement L objectif de ce chapitre est de proposer une analyse m caniste des flux d eau se produisant en surface et en subsurface dans la bande enherb e instrument e lorqu un ruissellement se produit On pose ainsi les bases pr alables l tude des flux de solut et notamment des flux de Diuron qui fait l objet du chapitre suivant Exp rimentation et mod lisation sont utilis es de fa on compl mentaire dans le but d tablir puis de conforter des hypoth ses partir des observations Notre approche repose sur deux jeux de donn es repr sentant des situations contrast es l un acquis en conditions naturelles et l autre en conditions artificielles 1 Analyse exp rimentale de deux v nements contrast s 1 1 Description des v nements tudi s 1 1 1 L v nement naturel du 12 ao t 2004 Cet v nement a t enregistr pendant la campagne de suivi en continu du dispositif exp rimental qui a d but en juin 2004 et a t arr t e en juillet 2005 Plusieurs autres v nements ont t enregistr s notamment pendant l t 2004 mais les donn es ne pr sentent pas le m me int r t que celles du 12 ao t la plupart des v nements n engendr
227. de non quilibre permet de rendre compte de la forme g n rale des courbes de perc e tout en conservant une valeur de dispersivit r aliste pour la matrice solide La Figure 111 20 illustre le r alisme relatif de l hypoth se de non quilibre physique sur les diff rents profils analys s Les profils E G et H sont repr sent s par le jeu des perm abilit s moyennes et le profil F par le jeu des perm abilit s hautes La dispersivit de la matrice est prise gale 5 cm siai Profil E Profil F 300 300 an gt Mesure Mesure profil F i O D250 Simu D 5cm Fmob 40 w 0 05h 1 5250 4 Simu D 5cm Fmob 60 w 0 Simu D 5cm Fmob 60 w 0 05h 1 E i Det A O O200 5 5 S 5150 4 g E 5 5100 7 S 5 50 o O 0 i T T 0 50 100 0 50 100 Temps minute Temps minute Profil G Profil H 300 300 cr Mesure 2g gt Mesure 250 Simu D 5cm Fmob 60 w 0 05h 1 250 Simu D 5em Fmob 40 w 0 05h 1 Simu D 5cm Fmob 80 w 0 05h 1 Simu D 5cm Fmob 60 w 0 05h 1 5 200 me c oO 5150 7 100 o z O 504 5 0 0 50 100 Temps minute Temps minute Figure IIL 20 Comparaison des courbes de perc e exp rimentales et des courbes simul es par l hypoth se de non quilibre physique sur les profils E F G et H On constate que les courbes exp rimentales des profils E G et H peuvent tre app
228. de partage sol eau Ky L M K C Keti 1 1 Ce foe o C est la concentration adsorb e M M Ceq la concentration du produit en solution M L foc la fraction massique de carbone organique du sol Le K peut tre consid r comme intrins que chaque mol cule et varie consid rablement d un produit l autre cf Tableau I 2 Par cons quent la r tention des herbicides dans une bande enherb e est tr s diff rente d une mol cule l autre Schmitt et al 30 1999 Souiller et al 2002 Spatz et al 1997 A titre d exemples la concentration en difluf nicanil Koc de 1990 L kg dans la phase liquide du ruissellement de surface peut tre divis e par trois en traversant une bande enherb e tandis que les concentrations en atrazine et isoproturon K de 38 174 L kg et 80 230 L kg respectivement ne subissent aucun abattement Souiller et al 2002 et la r tention globale infiltration adsorption dans une bande enherb e du pendimethalin Koc de 5000 L kg peut tre de 96 l o l isoproturon Koc de 122 L kg est retenu 75 Spatz et al 1997 On montre cependant que la teneur en mati re organique n est pas le seul crit re consid rer Des travaux de laboratoire sur chantillon de sol provenant de bande enherb e montrent que la nature de la mati re organique et notamment son degr de min ralisation peut aussi avoir un impact sur le Koe les mati res organiques
229. de s diment il n existe en revanche aucune corr lation entre les valeurs simul es et mesur es de pertes en s diment par v nement Cooper et al 1992 Le mod le GRAPH Lee et al 1989 associ un mod le de ruissellement et d rosion permet de simuler les transferts de solut et plus particuli rement de phosphore travers une bande enherb e Il consid re les processus d advection d infiltration de pr l vement biologique d adsorption d sorption sur le sol et les mati res en suspension GRAPH a t valid sur des donn es de transfert de phosphore issues d exp rimentations en plein champ Le mod le Riparian Ecosystem Management Model REMM Lowrance et al 2000 tient compte d un grand nombre de processus et notamment des flux subsurfaciques pour estimer les transferts d eau d azote de phosphore et de s diment travers un syst me tampon Les flux sont calcul s sur un pas de temps journalier ce qui impose certaines simplifications notamment concernant la propagation du ruissellement de surface celui ci est repr sent par le ratio entre un temps de concentration empirique et la dur e de l v nement De plus le mod le ne permet pas une discr tisation fine de l espace seuls neuf macro compartiments sont d crits travers trois couches de sol et trois zones de v g tation distinctes cf Figure 1 3 Logiquement la validation de cet outil reste partielle si la 38 mod
230. de sur la courbe de tarage 252 On constate que le gain de pr cision dans les faibles valeurs de d bit li l utilisation d un canal de dimensions inf rieures venturi de sortie n est pas tr s important L int r t de r duire les dimensions est surtout d abaisser les limites inf rieures de quantification et de d tection c Calcul de l incertitude compos e sur la mesure de d bit en tenant compte de l incertitude sur l quation de tarage Dans un second temps on souhaite tenir compte de l incertitude sur l quation d talonnage Le d bit O est alors fonction de trois variables entach es d incertitude la hauteur d eau H et les coefficients a et b Bouy et al 2000 L incertitude compos e se calcule partir de la formule g n rale Q aH f H a b By eh CON 0 0 u70 v70 2 roa 2 u70 22 Mais le calcul du troisi me terme de cette derni re quation n cessite un changement de variable qui peut tre fait directement sur la forme H On utilise donc plut t l quation uzo u 2 an2 Le changement de variable est le suivant In H bln H Y X suro 0022 Ob ax 772 2 U 4 i 2 U b In H 22 b run E D H gt U H H n HY U b H b U H gt U Q H U a a H n HY U b a H b U H A cette expression s ajoute un terme de covariance car les variables a et b ne sont pas ind pendantes ma
231. description et incertitude de mesure L quipement du site a t int gralement r alis dans le cadre de la th se Les travaux ont d but pendant l hiver 2003 2004 et ont t achev s la fin du printemps 2004 L quipement a t compl t pendant l hiver 2005 apr s analyse des premiers r sultats Au total les travaux d quipement proprement parler c est dire ne comprenant pas l achat du Ne mat riel ou autre t che pr liminaire ont mobilis deux personnes sur le terrain pendant 48 jours sans compter la participation ponctuelles de personnes suppl mentaires 1 1 3 1 Le syst me d amen e de l eau et de r tention des s diments Un sch ma d ensemble du syst me d amen e est repr sent dans la Figure II 12 Parcelle de vigne Goutti re gt ae d isolement Bacs pi ges Y y N s diments Parcelle D verse enherb e Canaux venturis R cup ration 4 Figure II 12 Sch ma d ensemble du dispositif exp rimental L eau est collect e l exutoire d une rigole cf Figure II 13 collectant le ruissellement de surface de la parcelle de vigne sur une superficie de 2800 m le ratio surface ruisselante surface enherb e est donc de 110 1 ce qui est nettement sup rieur au ratio recommand par le CORPEN de 1 10 C O R P E N 1997 L eau est ensuite canalis e vers la placette instrument e au moyen de 17 m tres de tuyau d assainissement en PVC de diam
232. distinguer les trois horizons caract ris s En novembre les r sultats acquis dans les diff rents horizons montrent une l g re baisse de la conductivit avec la profondeur mais les courbes sont tr s proches En avril les r sultats acquis dans les diff rents horizons montrent des diff rences plus grandes mais en contradiction avec la tendance observ e en novembre la conductivit semble augmenter avec la profondeur Un tel r sultat est par ailleurs en contradiction avec l observation visuelle du profil et avec la tendance mise en vidence sur les perm abilit s mesur es saturation On suppose donc que les diff rences constat es sont dues un nombre insuffisant de r p titions et qu elles ne sont pas significatives On en d duit des valeurs moyennes calcul es sur l ensemble des mesures faites lors les deux campagnes et tous horizons confondus Ces moyennes sont pr sent es dans le Tableau IIL3 et la Figure HI 4 Tableau IIL3 Description des conductivit s hydrauliques mesur es au voisinage de la saturation Moyenne borne sup borne inf Repel Potentiel g om trique 68 68 Gy cm mm h mm h mm h 18 12 0 4 0 8 0 3 17 18 6 1 2 1 8 0 7 21 18 3 3 1 4 5 1 8 36 18 1 16 8 25 4 11 1 81 113 100 0 E 10 0 gt 5 g 1 04 O 0 1 T T T T T 14 12 10 8 6 4 2 0 Potentiel matriciel cm CE Figure III 4 Conductivit hydraulique au voisinage de la satu
233. ducing a high infiltration capacity but also a rapid propagation of fluxes Nevertheless infiltrated pesticides are retained in the root zone Simulations were performed with the Hydrus 2D model at the scale of the soil profile and a coupled version with a kinematic wave surface model was used at the slope scale Soil water fluxes were accurately simulated with the Richards equation A mobile immobile water hypothesis reproduces subsurfacic solute transport as well The dual and explicit representation of surface and subsurface flows appears to be necessary Keywords buffer zone grassed strip pesticide diuron modeling Hydrus 2D Adresse du laboratoire Cemagref UR Qualit des Eaux et Pr vention des Pollutions 3bis quai Chauveau CP220 69336 Lyon cedex 09
234. e Ces observations sont en accord avec la litt rature relative aux milieux enherb s Benoit et al 1999 Madrigal et al 2002 Elles traduisent un effet enrichissant du maintien d un couvert v g tal herbac p renne li aux exsudats racinaires et l accumulation d humus v g taux morts Dans le cas de la parcelle tudi e les valeurs obtenues correspondent un enherbement datant d une trentaine d ann es G ochimie Les r sultats concernant l ambiance g ochimique sont pr sent s dans le Tableau IL 3 Tableau II 3 Ambiance g ochimique du sol de la parcelle enherb e calcaire tot Cuivre CEC Metson Compartiment pH g kg mg kg cmol kg BE 5 20cm 5 1 lt 1 10 2 8 43 BE 20 50cm 5 0 lt 1 2 6 7 30 BE 50 100cm 5 7 lt 1 0 9 7 82 Le caract re acide et l absence de calcaire confirment l origine granitique du milieu On note une concentration importante en cuivre dans l horizon 0 50 cm Le cuivre vient du traitement phytosanitaire des vignes C est un l ment transport principalement en association aux particules de sol Ainsi les teneurs en cuivre mesur es semblent confirmer en partie l origine colluvionnaire du sol pr sent dans le bas du versant 1 1 2 4 Conditions hydrologiques a Ruissellement l exutoire de la parcelle de vigne instrument e Seize v nements de ruissellement ont t quantifi s l exutoire de la parcelle de vigne durant la p riode d observation 20
235. e enherb e pr sente en g n ral un potentiel de d gradation lev du fait d une teneur lev e en carbone organique total et facilement assimilable Les populations de champignons et de bact ries ainsi que l activit enzymatique y sont sup rieures jusqu 4 fois celles d un sol nu Staddon et al 2001 Cela explique les cin tiques de d gradation plus rapides constat es dans un sol enherb par rapport un sol travaill Benoit et al 2000 Mersie et al 1999 et le fait que les horizons sup rieurs les plus riches en carbone pr sentent l activit microbienne et enzymatique la plus intense Benoit et al 2000 Cependant la min ralisation compl te des herbicides reste longue malgr les conditions favorables rencontr es dans un sol enherb La disparition mesur e du produit r sulte en fait d une d composition partielle en sous produits de d gradation Benoit et al 2000 A titre d exemple on mesure sur des chantillons de sol enherb en conditions standards une min ralisation inf rieure 1 pour l Isoproturon apr s 44 jours d incubation Benoit et al 2000 inf rieure 4 pour le m tolachlore apr s 46 jours d incubation Staddon et al 2001 inf rieure 6 pour l atrazine apr s 84 jours d incubation Mersie et al 1999 Les demi vies qui correspondent la disparition de la moiti de la quantit appliqu e estim es pour les mol cules m res sont plus courtes
236. e importante notamment pour les faibles valeurs de flux Fl hler et al 1976 Stephens and Knowlton 1986 et du fait de la ponctualit de la mesure qui ne peut repr senter la variabilit spatiale des flux L estimation des flux de solut s demande en outre de compl ter ces mesures par une mesure de concentration Les bougies poreuses sont commun ment utilis es pour chantillonner les solut s pr sents dans l eau du sol Mais comme pour les pr l vements de sol les bougies poreuses chantillonnent principalement l eau r sidente compos e de la fraction immobile de l eau du sol Cette eau n est donc pas repr sentative de la fraction mobile qui est la variable d int r t dans les tudes de lessivage Brandi Dohrn et al 1996b Landon et al 1999 De plus seule une partie de la porosit peut tre chantillonn e de par une aspiration limit e dans le temps Grossmann and Udluft 1991 Le volume de sol influenc par la bougie n est d ailleurs pas connu England 1974 Par ailleurs cette m thode modifie fortement les lignes de courant du fait de la forte aspiration n cessaire l extraction des chantillons Boll et al 1991 Grossmann and Udluft 1991 Le manque d int gration spatiale est galement probl matique dans les sols argileux bien structur s ou pour les bougies install es proches de la surface du sol o des flux de ressuyage peuvent survenir dans des macropores et court circuiter ainsi la
237. e tombant sur la placette Elle semble de plus r versible court terme Les produits infiltr s sont retenus efficacement par la zone racinaire Cette r tention se fait par adsorption des produits en solution sur la matrice solide L horizon 0 20 cm retient une grande partie du flux infiltr conform ment aux coefficients de partages d termin s au laboratoire Seule une faible part du flux infiltr ressort de la zone racinaire sous forme de percolation lors de l v nement naturel 4 du flux total re u Lors de l v nement artificiel ce chiffre est plus lev de 24 Il s explique en partie par la contribution d une macroporosit caract ris e par des vitesses d coulement lev es peu favorables l adsorption mais aussi par des conditions hydrodynamiques particuli rement d favorables 223 l v nement a t suivi d une lution qui a dur 2 heures ce qui a vraisemblablement entra n la d sorption d une partie des produits fix s pendant la phase de dopage On peut consid rer que ce chiffre repr sente un transfert maximum En effet en plus des conditions hydrodynamiques d favorables de l v nement tudi le milieu est lui m me d favorable de par sa perm abilit tr s lev e Le transfert observ dans une telle situation sugg re que le risque de transfert profond des produits infiltr s et le risque associ de contamination des eaux souterraines existe mais qu il est r
238. e 150 m tres et d apporter une borne de masse Le circuit d alimentation du site est prot g par un disjoncteur unipolaire fusible 6A plac au niveau du branchement chez M Ducroux Un compteur permet de chiffrer la consommation lectrique engendr e par le dispositif de mesure L ensemble de l installation lectrique du site exp rimental est prot g dans une cabane en bois type abri de jardin L alimentation lectrique est par ailleurs prot g e dans un coffret ENC tanche comprenant un adaptateur 220V AC 18V AC de capacit 2 2 A r f rence Campbell AC ADAPT2 alimentant le syst me d acquisition Campbell une alimentation stabilis e 220V AC 12V DC de capacit 3 A r f rence Radiospare LKS 103 12V3A alimentant les deux capteurs de hauteur d eau Alph e 3020 consommation en pointe de 1 1 A et un disjoncteur diff rentiel assurant une protection suppl mentaire et permettant la coupure du courant en cas d intervention dans le coffret de c blage L automate CR10X est aliment via une alimentation stabilis e 18V AC 12V DC s curis e par une batterie de 7 Ah en cas de coupure de courant r f rence Campbell PS12E LA L ensemble des capteurs est aliment par l automate CR10X l exception des capteurs Alph e dont l alimentation est ind pendante et seulement pilot e par l automate au moyen de deux circuits relais Campbell PSW12 Les pr leveurs d chantillon BAMOCELL sont alimen
239. e IV 14 Variations relatives d humidit volumique mesur es dans la couche 0 15 cm d amont en aval de la placette Les courbes repr sent es sur l axe des ordonn es invers correspondent au ruissellement entrant et sortant Les temps de mise saturation successifs enregistr s en X 35 cm X 215 cm X 405 cm et X 580 cm sont coh rents L cart entre les temps d humectation des capteurs en X 405 cm et X 580 cm est tonnant mais en accord avec les mesures Watermark faites dans la m me zone Il s explique par la pr sence d un l ger d vers dans la partie basse de la placette On d duit de ces mesures que l horizon 0 15 cm est satur jusqu en X 405 cm 20 minutes avant l apparition d un ruissellement a l exutoire En comparaison de l v nement naturel caract ris par un m me tat initial l amplitude des variations d humidit observ es ici montre qu on peut consid rer que tous les capteurs ont t satur s lors de cet v nement et confirme a posteriori que seul le capteur du profil X 35 cm a t satur lors de l v nement naturel c Dynamique de propagation dans le sol Variation de stock dans Vhorizon 0 50 cm La variation de stock dans horizon 0 50 cm est estim e comme pour l v nement naturel partir des variations d humidit mesur es sur le cot de la placette a trois profondeurs et suivant quatre profils Elle est illustr e par la Figure IV 15 160
240. e absence totale d change avec le reste de la porosit Ce r sultat traduit cependant le caract re fortement h t rog ne du transport Les r sultats obtenus avec l hypoth se plus probable D1 5 cm sont ce stade moins r alistes car ils ne rendent pas compte du fait que la concentration se stabilise une valeur inf rieure la valeur inject e En ce qui concerne l talement du front l hypoth se la plus r aliste est l hypoth se Fmob 40 M me si le mod le ne reproduit pas exactement la courbe exp rimentale ce r sultat traduit lui aussi le caract re fortement h t rog ne du transport On note par ailleurs qu un coefficient de fractionnement de 40 est coh rent avec les valeurs ajust es par Landry 2004 sur des colonnes de sol enherb non d structur es La diff rence de forme entre les courbes simul es et la courbe exp rimentale repr sent e traduit l existence d un processus d change entre les deux porosit s consid r es 4 2 2 2 Utilisation du concept de non quilibre physique On value l hypoth se d un processus de non quilibre entre la fraction d eau mobile et la fraction d eau immobile Pour cela on teste diff rentes valeurs pour la constante de transfert Cette analyse de sensibilit est illustr e par la Figure II 19 140 D 5 cm Fmob 60 200 no te eS E fe oO 1 120 Mesure Concentration en Cl mg L
241. e cette forme est de permettre une r solution exacte de l quation de Richards dans le cas d un coulement mono dimensionnel permanent Cette r solution aboutit l quation suivante Gardner 1958 z h Link ge 8 2 a o z L est la coordonn e verticale q L T est le flux d eau descendant et B est une constante d int gration valuer partir des conditions aux limites On en d duit notamment l quation permettant de calculer le profil de potentiel dans un sol en quilibre avec une nappe 4 10 Gardner 1958 h gt xn Zz E 4 3 O z L est maintenant l altitude au dessus de la nappe On en d duit galement le profil d un sol gradient unit autrement dit potentiel matriciel uniforme repr sentatif d une nappe infiniment loign e 272 Les quations ci dessus s appliquent galement au cas d un lysim tre m che si on fait l analogie entre la m che en fibre de verre dont l extr mit inf rieure est la pression atmosph rique et un milieu poreux en quilibre avec une condition de potentiel nul i e une nappe sa base Knutson and Selker 1994 Knutson and Selker 1996 L quation 3 peut alors tre r crite pour d crire le potentiel de succion exerc en t te de m che Knutson and Selker 1994 Rimmer et al 1995 l A A hu L 1 q4 3bis wick a xn w a A K a A K w wsat wsat OU Awi
242. e colonnes de sol PhD Thesis Universit de Bourgogne 229 pp Lauren J G Wagenet R J Bouma J and Wosten J H M 1988 Variability of saturated hydraulic conductivity in a glossaquic hapludalf with macropores Soil Science 145 20 28 Le Meillour F 1996 Etude exp rimentale et num rique de la contribution des eaux de surface et de subsurface la formation des crues cons quences sur l hydrogramme d un bassin versant application au R al Collobrier grenoble 1 grenoble 296 pp Leclerc P 2004 Caract risation des propri t s de d gradation d un sol enherb vis vis du diuron Universit du Havre 44 pp Lecomte V 1999 Transfert de produits phytosanitaires par le ruissellement et l rosion de la parcelle au bassin versant Ph D Thesis E N G R E F Paris France 210 pp Lee D Dillaha T A and Sherrard J H 1989 Modeling phosphorus transport in grass buffer strips Journal of Environmental Engineering 115 2 409 427 Lee K H Isenhart T M Schultz R C and Mickelson S K 2000 Multispecies riparian buffers trap sediment and nutrients during rainfall simulations Journal of Environmental Quality 29 1200 1205 235 Leij F J and Van Genuchten M T 1999 Principles of solutes transport In Skaggs R W and van Schilfgaarde J Editor Agricultural drainage American society of agronomy Madison pp 331 360 Lennartz B Louchart X Voltz M and Andrieux P 1997 Diuron and Simazin
243. e convertisseur A N n est pas limitant Une fois la proc dure de filtrage effectu e les r sultats montrent qu on peut obtenir un cart type de l ordre de 0 5 mm avec une prise de pression de 4 6 mm de diam tre coup e en sifflet cf Figure VI 7 et Figure VI 8 Cette valeur est inf rieure l incertitude type issue de la pr cision annonc e par le constructeur 1 25 mm Ceci confirme le fait que toutes les sources d incertitude ne sont probablement pas prises en compte dans le protocole exp rimental r alis Ceci montre aussi que l incertitude li e la cha ne d acquisition pr cision de la mesure de tension lectrique par la CRIOX r solution A N incertitude sur la r sistance est n gligeable devant l incertitude li e au capteur Ces exp riences ont galement permis de mettre en vidence l existence d une erreur syst matique ou offset d pendant de la prise de pression utilis e et du capteur alors que ceux ci ont t talonn s par le constructeur La cote vraie de la valeur z ro a t mesur e pour les deux syst mes de mesure utilis s sur le terrain cf Tableau VI 2 et Figure VI 8 On notera que cette erreur n intervient pas dans le calcul de l incertitude Tableau VI 2 offsets d termin s exp rimentalement Alph e 1 n 99 prise de pression 1 Alph e 2 n 100 prise de pression 2 Z p 0 2mm Z p 0 4 6mm Le z ro se situe 2mm en dessous de Le z ro se sit
244. e du profil Cela sugg re la pr sence de macroporosit permettant des vitesses de transfert importantes Par ailleurs on constate que la capacit d infiltration apparente de la placette est sup rieure lors de l v nement artificiel que lors de l v nement naturel En effet dans le cas de l v nement naturel on identifie un seuil de ruissellement de 210 mm h qui provoque l apparition d un coulement l exutoire 2 minutes plus tard Dans le cas de l v nement artificiel un d bit de 370 mm h induit un ruissellement au bout de 30 minutes Or cette diff rence ne peut pas tre imputable l tat de saturation car partant d un tat hydrique initial similaire le volume entr cumul au bout de 30 minutes est de 120 mm lors de l v nement artificiel alors qu il n est que de 60 mm lors l v nement naturel Ceci est d ailleurs coh rent avec les mesures d humidit qui sugg rent que 30 minutes apr s le d but de l v nement naturel la placette est encore en grande partie non satur e alors qu elle est 171 d j en grande partie satur e 10 minutes apr s le d but de l v nement artificiel Cette diff rence d infiltrabilit peut tre due non seulement une surface d infiltration sup rieure comme sugg r pr c demment mais aussi la mise en uvre d une macroporosit induisant un flux infiltr intense Les r sultats sugg rent lors de l v nement artificie
245. e l incertitude compos e et de l incertitude largie Les sources d incertitude list es ci dessus sont ind pendantes et reli es de fa on additionnelle L incertitude compos e se calcule donc comme suit tom EEE EC U Potentiel 2 4 cm 2 2 2 2 0 2 1 3 3 U ACh hydrauli 2x 2x gt gt i laa a 3 5 e C U Charge hydraulique 1 9 cm Les valeurs ci dessus correspondent un niveau de confiance de 68 Les incertitudes absolues largies sur la mesure du potentiel matriciel et de la charge hydraulique sont respectivement de 4 8 cm et 3 8 cm pour un niveau de confiance de 95 Les valeurs correspondantes 99 7 c est dire les carts maximaux correspondants sont de 7 2 cm et 5 7 cm respectivement 2 2 3 Pi zom trie 2 2 3 1 Identification du mesurande et des incertitudes type Le mesurande est la cote pi zom trique exprim e dans le r f rentiel d altitude local La profondeur de la nappe dans les tubes pi zom triques est lue manuellement l aide d un m tre gradu mont sur un flotteur Les sources d incertitude correspondent aux diff rents arguments intervenant dans le calcul de la cote pi zom trique C te pi zom trique Cote haut de tube H lue H immersion Les sources d incertitude sont donc e la lecture de la profondeur sur le m tre gradu e la verticalit du m tre gradu e la profondeur d immersion du flotteur sous
246. e losses to runoff water in mediterranean vineyards Journal of Environmental Quality 26 1493 1502 Lennartz B and Meyer Windel S 1995 The role of immobile water in unsaturated substrates Hydrog ologie 4 75 83 Lickfeldt D W and Branham B E 1995 Sorption of nonionic compounds by kentucky bluegrass leaves and thatch Journal of Environmental Quality 24 980 985 Lim T T Edwards D R Workman S R Larson B T and Dunn L 1998 Vegetated filter strip removal of cattle manure constituents in runoff Transactions of the ASAE 41 5 1375 1381 Lin C Y Chou W C and Lin W T 2002 Modeling the width and placement of riparian vegetated buffer strips a case study on the Chi Jia Wang Stream Taiwan Journal of Environmental Management 66 3 269 280 Louchart X Lennartz B and Voltz M 2005 Sorption behaviour of diuron under a mediterranean climate Agronomy for Sustainable Development 25 2 301 307 Louchart X Voltz M Andrieux P and Moussat R 2001 Herbicide transport to surface waters at field and watershed scales in a mediterranean vineyard area Journal of Environmental Quality 30 982 991 Lowrance R Altier L S Williams R G Inamdar S P Sheridan J M Bosch D D Hubbard R K and Thomas D L 2000 REMM the Riparian Ecosystem Management Model Journal of Soil and Water Conservation 27 34 Lowrance R Vellidis G Wauchope R D Gay P and Bosch D D 1997 Herbicide trans
247. e majeure dans la propagation simul e des flux en subsurface on choisit de n en consid rer qu une On choisit arbitrairement d tudier les flux simul s avec l hypoth se d tat hydrique sec et le mat de 5 cm d paisseur Les flux de percolation simul s au niveau des quatre profils quip s de lysim tres sont pr sent s dans le Tableau IV 13 Tableau IV 13 Comparaison des flux cumul s simul s 50 cm de profondeur avec les flux cumul s mesur s dans les lysim tres m che X 35cm A X 215cm B X 405cm C X 580cm D Mesure 41 8 30 4 17 5 23 0 5 Simulation 95 86 60 24 Mesure 1 0 73 0 41 0 55 Simulation 1 0 91 0 63 0 25 Les flux simul s par le mod le 50 cm de profondeur sont jusqu trois fois sup rieurs aux flux mesur s Ceci est coh rent avec le constat de sous estimation des flux par les dispositifs lysim triques m ches Le mod le simule lui aussi une diminution du flux percol de l amont aval Ceci confirme que cette diminution est li e la dynamique de propagation du ruissellement la surface de la placette Le flux instantan simul 50 cm de profondeur moyen l chelle de la placette est illustr par la Figure IV 35 La figure illustre aussi la variation de stock et l infiltration de fa on faire un bilan en continu des flux entr s sortis et stock dans la zone racinaire 186 Flux cumul mm Infiltration Variati
248. e partie du Diuron adsorb pendant le dopage se d sorbe lors de la phase d lution Les quantit s de mati re transport es par le ruissellement de surface sont calcul es par int gration de ces solutogrammes Chaque mesure de concentration est int gr e sur un 211 intervalle de volume d limit respectivement par la moiti du temps s parant le pr l vement consid r du pr l vement pr c dent et par la moiti du temps s parant le pr l vement consid r du suivant On suppose ainsi que la fr quence d chantillonnage est suffisante pour donner une image repr sentative du flux de solut Les r sultats sont pr sent s dans le Tableau V 8 le d tail du calcul d incertitude est en annexe 2 La masse de solut retrouv e l exutoire pendant la phase de dopage est notamment compar e la masse inject e partir du moment o un coulement appara t l exutoire de fa on quantifier la perte de masse pendant cette p riode ind pendamment de la perte li e l infiltration pendant la p riode pr c dant l apparition du ruissellement Tableau V 8 Masses de Diuron et de Bromure sorties du syst me par ruissellement de surface exprim s en valeur absolue mg et relativement la masse totale entr e Me pendant l int gralit du dopage 0 40 et la p riode o un coulement est observ l exutoire 30 40 Masse totale Bromure Masse totale Diuron Dopage Elution Total Dopage Elut
249. e pas d coulement l exutoire cf annexe 9 et les deux autres v nements ayant engendr un coulement enregistr s le 17 ao t et le 19 ao t ont fait d bord les lysim tres m ches les lysim tres atmosph riques ont t install s en 2005 emp chant la quantification des flux percol s Seuls deux v nements ont t enregistr s en 2005 L un exceptionnel a fait d bord l ensemble des lysim tres m che et atmosph rique et l autre n a pas encore t analys 1 1 1 1 Etat hydrique initial du syst me Seule l humidit de la couche de sol 0 40 cm est connue cf Figure IV 1 En effet nous ne disposons pas cette date de donn e tensiom trique et de donn e pi zom trique 4 0 g 20 5 3 40 4 5 e Profil A X 35cm e 60 4 lt Profil B X 215cm Profil C X 405cm A Profil D X 580cm 80 T T r T 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 Humidit volumique Figure IV 1 Mesures humidim triques enregistr es une heure avant l v nement du 12 ao t 2004 Les valeurs mesur es sont comprises entre 0 2 et 0 3 cm cm ce qui correspond des potentiels matriciels inf rieurs 100 cm d apr s les courbes de r tention tablies au chapitre III Etant donn que la teneur volumique eau du sol saturation est de l ordre de 0 4 cm cm sous le mat racinaire et de 0 5 cm cm dans le mat racinaire on en d duit
250. e que la limite amont de la zone tampon soit une cote sup rieure celle impos e par la distance minimale garantir entre l aquif re et la surface du sol pour viter sa contamination cf Figure I 6 precipitation uonenjyur flood elevation ss ca amp rou Dd Ware RC vater flow i gt y normal elevation A runoff control area vegetated buffer strip Figure I 6 Conceptualisation des coulements de versant selon Lin et al 2002 On voit donc que les protocoles de dimensionnement existants ne permettent pas de prendre en compte les diff rents processus contr lant l efficacit d une bande enherb e qui ont t mis en vidence dans ce chapitre Une m thodologie de dimensionnement id ale devrait combiner une valuation des flux de surface et des flux de subsurface ceux ci comprenant la fois les flux verticaux et les flux lat raux Une mod lisation m caniste permettrait en outre de prendre en compte l ensemble des sp cificit s des sites Mais nous avons vu que de nouveaux mod les num riques doivent d abord tre d velopp s car les outils existants ne sont pas satisfaisants 2 Perspectives de recherche privil gier Les travaux exp rimentaux effectu s jusqu pr sent ont permis d identifier les processus et facteurs d terminant l efficacit d une bande enherb e intercepter et assimiler 43 les pesticides transport s par le ruis
251. e superficielle et que la surface ruisselante est importante et enfin de ce qui est conomiquement voire politiquement envisageable Malgr cette approche inspir e par la physique des processus une longueur type est malgr tout propos e 50 pieds 15 m pour une efficacit annonc e de 50 si le ruissellement est diffus et modulo les param tres pr c demment cit s Pour le transfert des s diments des coefficients d rosion ont t cal s pour chacune des classes de tailles de bande enherb e tablies empiriquement A l vidence de telles recommandations longueurs a priori sont en contradiction avec la multiplicit d montr e pr c demment des processus et facteurs affectant la capacit de r tention d une bande enherb e dans l espace et dans le temps De telles longueurs standards sont probablement satisfaisantes en moyenne mais une optimisation doit tre recherch e dans un certain nombre de situations sp cifiques ce qui passe par une approche plus m caniste Des formules empiriques permettant de calculer l abattement des flux attendu dans une bande enherb e de dimension donn e ont galement t tablies sur la base de certain processus pris isol ment la r tention des particules solides Flanagan et al 1985 van Dijk et al 1996 la r tention de l azote et du phosphore Lim et al 1998 ou la r duction du volume ruissel en surface Mander et al 1997 Mais leur applicabi
252. e transfert de polluants mais aussi dans le choix des sites d implantation des bandes enherb es En effet des r sultats sugg rent que les pesticides intercept s ne sont pas irr m diablement fix s ni compl tement d grad s dans la bande enherb e surface et horizons superficiels Mais dans la mesure o les travaux ant rieurs se sont focalis s essentiellement sur les processus d interception court terme peu de donn es existent sur le risque de pertes 44 diff r es de pesticide apr s interception Nous sugg rons donc deux directions de recherche principales e Premi rement l tude du devenir des produits intercept s ne devrait pas se limiter aux produits parents mais tre largie aux m tabolites de d gradation En effet m me s il est reconnu que le processus de d gradation est relativement intense dans les bandes enherb es du fait d une activit biologique stimul e par la pr sence de substrats organiques des teneurs lev es l essentiel des r sultats concernent les mol cules parents Or les m tabolites de d gradation peuvent s av rer plus stables et repr sentent aussi de ce fait une source potentielle de contamination e Deuxi mement les flux de subsurface de type pr f rentiel ou non demeurent tr s peu d crits et n cessitent des travaux sp cifiques Ce constat s applique plus g n ralement l tude des processus hydrologiques de subsurface du fait de difficult s d ob
253. eci nous am ne supposer que des flux lat raux importants se produisent quivalents au refus non retrouv l exutoire En conclusion le ruissellement observ l exutoire semble s expliquer par un refus d infiltration dans le sol sous jacent du mat racinaire et par une propagation l int rieur du mat Autrement dit la surface de r f rence du ruissellement consid rer n est pas la surface 169 du mat racinaire mais sa base Cette hypoth se explique relativement bien le flux mesur l exutoire pour les deux v nements observ s N anmoins dans le cas de l v nement artificiel P hypoth se est en contradiction partielle avec la diff rence de perm abilit observ e entre les horizon 10 30 cm et lt 30 cm qui sugg re plut t un contr le de l infiltration par les couches de profondeur inf rieure 30 cm Cette apparente incoh rence entre flux et perm abilit mesur s pourrait toutefois tre lev e en cas d coulements lat raux importants dans l horizon 10 30 cm 1 2 1 2 Uniformit de l coulement de surface Les mesures Watermark r alis es la surface du mat racinaire au cours de l v nement artificiel semblent montrer l existence de voies d coulement pr f rentiel la surface de la placette Elles montrent ainsi qu un coulement peut tre mesur l exutoire alors que seule une fraction de la surface de la placette est satur e Les mesures d
254. ectement sur les param tres de Gardner 1958 utilis s par Knutson and Selker 1994 pour d crire la courbe K h et sur les donn es exp rimentales d origine Mualem 1976 pour d crire la courbe h ceci afin de ne pas introduire de biais li l hypoth se 1 Les param tres ajust s figurent dans le Table 1 Material 0 0 a n m K a Gardner cm cm em cm cm cm h em D sitilsa h 4 0 53 0 00 0 012 1 38 0 28 K h 0 53 0 00 0 028 2 1 0 52 1 5 0 067 h 4 0 43 0 00 0 07 1 9 0 47 Rehovot sand Kin 9 43 0 00 0 044 34 071 275 0 1574 277 Table I Param tres hydrauliques Mualem van Genuchten ajust s sur les param tres du mod le de Gardner K h Knutson and Selker 1994 et sur les donn es de Mualem 1976 pour la courbe Les m ches utilis es sont les mod les inch n 1381 de la Pepperell Braiding Co et 3 8 inch medium density n 10 863KR 02 de Amatex Company Les mat riaux en fibre de verre ont d j t caract ris s dans la litt rature Knutson and Selker 1994 Ces r sultats sont utilis s pour ajuster les param tres du mod le hydrodynamique de van Genuchten Tableau IT Material CA O n m K a Gardner es em em em cem cm cmh cm Pepperell company h 0 0 63 0 00 0 044 2 8 0 643 1 2 inch K h 0 63 0 00 0 04 2 0 0 5 1168 0 098 Amatex company 8 0 672 0 00 0 022 2 5 0 6 3 8 inch Med Density K h 0 672 0 00 0 025 1 9 0 47 460 0 066 Table II Pa
255. eeeseeeeeeereneeeeres 134 Figure III 16 Courbe de perc e du traceur Cl enregistr e dans les lysim tres lors des exp riences d infiltration SOUS charge CONSTANTE s iscacecassiscteepdiacacessscedventaacecedsaeedveuneadheeudeadsvazcaasdeibiaadeesteauhdedys en E EEEE ENE eee 136 Figure IIL 17 Comparaison des courbes de perc e simul es dans les lysim tres selon deux hypoth ses sur la perm abilit et trois hypoth ses sur la dispersivit longitudinale Les courbes mesur es sur les profil E et F fig rent titre mdicatif ais 2708220 sen dun ody stews senc ere eieae e pe d tente De tte net aude dote nue oian ae 138 Figure IIL 18 Courbes de perc e simul es avec diff rentes hypoth ses de fractionnement de la porosit Fmob signifiant Fraction mobile et une constante d change 0 139 Figure IIL 19 Courbes de perc e simul es avec diff rentes hypoth ses sur la cin tique d change entre eau mobile et eau immobile On suppose un coefficient de fractionnement de 60 et une dispersivit loncitudimal de 5 CMe reene renee nn R E EA EERTE E TEREE EREE 141 Figure III 20 Comparaison des courbes de perc e exp rimentales et des courbes simul es par l hypoth se de non quilibre physique sur les profils E F G et H ssssssssssessssresesersserersserersserersserersrerensrerensreressrerests 142 Figure IV 1 Mesures humidim triques enregistr es une heure avant l v nement du 12 ao t 2
256. elativement limit pour la majorit des situations La concentration observable dans le ruissellement la sortie d un syst me tampon enherb semble pr dictible de fa on simple par un calcul de type batch prenant en compte la dilution des flux par la pluie et l adsorption sur le mat riau de surface Des coefficients de partage d termin s au laboratoire pour des temps de contact similaires au temps de s jour dans le syst me r el quelques minutes et sous agitation douce s av rent repr sentatifs A l oppos des coefficients de partage d termin s l quilibre s av rent peu pertinents car conduisant surestimer largement l abattement de concentration attendu en surface La r tention des produits infiltr s dans la zone racinaire semble elle aussi pr dictible par un calcul de type batch tenant compte de la dilution dans l eau initialement pr sente dans le profil et du processus d adsorption Concernant celui ci des coefficients de partage d termin s pour un temps de s jour compris entre une dizaine de minute et une heure permettent de rendre compte de l abattement observ entre 0 et 50 cm de profondeur sur le site d tude 224 Conclusions et perspectives Dans les bassins versants agricoles l am nagement de bandes enherb es repr sente un des moyens de lutte contre les pollutions diffuses des eaux de surface par les produits phytosanitaires En effet ce type d am nagement est s
257. elle 3 2j et 84j apr s er annuelle 3 ruiss cumul sur 127 apr s applic Moyenne in er annuelle 3 Cumul par v nement Moyenne in Cumuls par Moyenne in Instantan e er annuelle 2 v nement 29 er annuelle 3 Cumul par simulation 1 Instantan e R gime permanent 1 Instantan e R gime permanent 1 Cumul par simulation 1 Cumul par simulation 1 Cumul par simulation 1 Dissipation des flux Nature du flux Eau Atrazine tot Metolachlore tot Cyanazine tot Eau Metolachlore dis M tribuzin dis Eau Isoproturon dis Difluf nicanil dis Atrazine dis Lindane dis Atrazine tot Alachlore tot Eau Metolachlore dis Metribuzin dis Eau Fluom turon dis Norflurazon dis Atrazine tot Alachlore tot Bromure Eau Diuron tot Fos tyl Al tot Thiodicarbe tot Pendimethalin tot Fenpropimorph tot Terbuthylazine tot Primicarb tot Isoproturon tot Eau Difluf nicanil dis Atrazine dis Isoproturon dis Diuron dis Glyphosate dis Glyphosate part Fenpropimorph dis Fenpropimorph part Propiconazole dis Propiconazole part Eau Dichlorprop p Isoproturon Terbuthylazine Eau Permethrin tot Atrazine tot Alachlore tot Eau Atrazine dis Metolachlore dis Cyanazine dis Masse Conc 9 98 13 100 22 100 15 100 0 65 13 88 22 89 43 100 99 100 97 100 44 100 72 100 37 86 0 68 50 94 0 75 47 69 48 68 48 69 48
258. ement Bien que pr sent es successivement nous verrons que ces deux discussions ne sont pas ind pendantes 1 2 1 1 Identification de l horizon contr lant le ruissellement de surface a Hypoth se d un contr le par le mat racinaire L hypoth se la plus r pandue pour expliquer le ruissellement suppose que l apport ruissellement ou pluie est sup rieur la capacit d infiltration de surface ce qui g n re un refus qui se propage vers l aval la surface du sol sous l effet de la gravit Ce processus est appel ruissellement hortonien Dans le cas du milieu tudi nous avons montr que le profil de sol comprenait une couche essentiellement v g tale mais tr s dense qui pouvait tre a priori assimil e un milieu poreux Nous faisons l hypoth se ce stade que la surface du sol correspond la surface de ce mat racinaire cf chapitre HT Dans les deux cas tudi s le flux arrivant la surface du sol est inf rieur la perm abilit moyenne mesur e dans ce mat racinaire Dans le cas de l v nement artificiel le d bit de ruissellement inject dans la placette est compris entre 340 mm h et 370 mm h soit moins que la perm abilit moyenne de 680 mm h mesur e dans l horizon de surface Dans le cas de l v nement naturel du 12 ao t 2004 le flux arrivant la surface du sol lorsqu un ruissellement se produit l exutoire est de 250 mm h et le flux maximal enregistr est 470 mm h soit t
259. ement l coulement a une vitesse nulle en entr e de la bande et la concentration en pesticide est g n ralement constante pendant toute la dur e de l v nement Ces diff rences posent la question de la repr sentativit des r sultats obtenus avec les simulateurs et pourraient expliquer en partie la variabilit constat e des r sultats Une seconde source de variabilit provient du fait que plusieurs param tres exp rimentaux varient souvent simultan ment d un r sultat l autre de sorte qu en dehors des modalit s test es par chaque auteur cf Tableau I 1 il est difficile d attribuer les carts constat s un param tre particulier cf Figure I 1 On cite a titre d exemple les dimensions de la bande enherb e les dimensions de la zone ruisselant vers la bande enherb e ou quivalent en ce qui concerne les simulations de ruissellement l intensit et la dur e de l v nement le type de mol cule cf Tableau I 2 qui sont autant de param tres affectant le fonctionnement d une bande enherb e comme on le montre par la suite De plus des param tres cl s tels que l tat hydrique du sol au moment de l v nement et les propri t s hydrodynamiques du sol ne sont quasiment jamais renseign s ou pire n ont pas t mesur s Une derni re source de variabilit r side dans la formulation des r sultats Ceux ci peuvent tre exprim s en terme de quantit de mati re de concentration ou de flux
260. ement a eu lieu et lorsque des pr l vements ont t effectu s Ils peuvent alors tre r cup r s dans un d lai de 24 heures Ceci permet aussi de limiter le risque de perte de donn es par saturation de la m moire de l automate car une consultation fr quente est possible moindre co t 1 1 4 Analyse critique du dispositif exp rimental Certains syst mes de mesure install s n ont pas donn satisfaction au regard des objectifs vis s ou se sont av r s peu fiables Nous d crivons ici les probl mes rencontr s dans un but de capitalisation d exp rience l intention des exp rimentateurs futurs 1 1 4 1 Le syst me tensiom trique capteur d port Ce syst me a arr t de fonctionner quelques mois apr s son installation suite la d faillance de 5 capteurs de pression sur 12 et au d crochage de toutes les bougies pendant P t 2004 d crochage qui n a pu tre corrig malgr le remplissage des cannes l automne Il est probable que la remise en eau des cannes n ait pas suffi re saturer les bougies c est dire chasser l air pr sent dans la c ramique et donc r tablir le contact hydraulique entre l eau du sol et le capteur Or ce type d installation n autorise pas d intervention sur les cannes apr s le rebouchage de la tranch e de mise en place contrairement des cannes rigides install es verticalement que l on peut retirer du sol pour une re saturation de la bougie au
261. ement sur la propagation du ruissellement de surface Les humidit s mesur es et simul es sont compar es dans la Figure IV 32 Profondeur 0 15cm Hyp 1 mat 5cm Profondeur 40cm Hyp 1 mat 5cm 7 Mes X 35cm Simu X 35cm Mes X 35cm Simu X 35cm aC Mes X 215cm_ Simu X 215cm Mes X 215cm Simu X 215cm 0 4 Mes X 405cm Simu X 405cm J Mes X 405cm Simu X 405cm D 477 Mes X 580cm gt Simu X 580cm Mes X 580cm Simu X 580cm 50 3 pa J 802 1 5 0 1 0 0 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 Temps min Temps min as Profondeur 0 15cm Hyp 2 mat 7cm Profondeur 40cm Hyp 2 mat 7cm Mes X 35cm Simu X 35cm Mes X 35cm Simu X 35cm i Mes X 215cm Simu X 215cm Mes X 215cm Simu X 215cm 0 4 Mes X 405cm Simu X 405cm J e Mes X 405cm Simu X 405cm D 477 Mes X 580cm gt Simu X 580cm 4 x Mes X 580cm Simu X 580cm E J M 50 3 J TD C 4 2 5 G gt 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 Temps min Temps min Figure IV 32 Comparaison des variations relatives d humidit mesur es dans la couche 0 15 cm gauche et 40 cm droite avec les variations d humidit simul es 15 cm et 40 cm R sultats
262. ements En effet le d bit sup rieur de l v nement artificiel est susceptible d induire une meilleure immersion de la microtopographie donc un coulement plus homog ne La dur e sup rieure de cet v nement est un autre argument possible dans la mesure o les chemins de l eau marqu s la surface du sol se caract risent probablement par une perm abilit plus faible que la moyenne Au cours d un v nement de courte dur e comme l v nement naturel il est possible que seules les zones les moins perm ables contribuent au ruissellement l exutoire Cette analyse contribue enfin expliquer la diff rence entre les seuils de ruissellement observ s l chelle de la placette lors de l v nement naturel et lors de l v nement artificiel 170 En effet l infiltrabilit macroscopique apparemment sup rieure dans le cas de l v nement artificiel peut s expliquer par une surface d infiltration sup rieure 1 2 1 3 Synth se La discussion sur l uniformit du ruissellement de surface a permis d tablir l existence probable de chemins de l eau la surface de la placette On a en outre sugg r que ces chemins de l eau sont caract ris s par une perm abilit relativement faible Si cette hypoth se est r aliste ceci permet de moduler les conclusions de la premi re discussion dans la mesure o les valeurs de perm abilit de surface alors consid r es correspondant aux vale
263. en noi e NE NEER enh EEE REEE EE EERE EATE NEE 252 Figure VI 11 Courbe d incertitude absolue 95 sur la mesure de d bit faite en entr e et en sortie calcul e en n gligeant l incertitude sur la courbe de tarage REPOR VOEE E N RES EGS 252 Figure VI 12 Courbe d incertitude relative 95 sur la mesure de d bit en fonction du tirant d eau mesur dans le canal JauSeur ssisresissrceranrercdneenete aire ee A ct ach ta remercie nent age RAS 254 Figure VI 13 Sch ma de principe d un syst me tensiom trique mercure Les fl ches en trait fin repr sentent les diff rents relev s faire pour calculer la variable potentiel ou charge 256 Figure VI 14 Incertitudes absolues et relatives 95 sur le volume cumul entr dans la placette 262 Figure VI 15 Incertitude cumul e absolue largie 95 sur les masses de solut inject es ccceeeee 264 Figure VI 16 Incertitudes absolues et relatives 95 sur le volume cumul sorti de la placette par TUISSCLLEM NT de SUT ACS ES a a ee canes cats 264 Figure VI 17 Incertitude absolue largie 95 sur les masses de solut sorties par ruissellement 266 Figure VI 18 Photographie du dispositif exp rimental de calibration 290 Figure VI 19 Profil d humidit d termin par gravimetric eeceeeeceeeeeeeeeeeeereceeeesereceneeeeseeenrerseeenanes 291 Figure VI 20 Ph
264. enherb La question du devenir des produits intercept s par la bande n a pas fait l objet d un grand nombre de travaux Pourtant l importance des flux infiltr s pose la question de leur devenir dans le sol d autant que les bandes enherb es sont souvent de par leur fonction implant es proximit des cours d eau donc potentiellement proches d une ressource souterraine Les questions pos es sont les suivantes les produits sont ils adsorb s sur la matrice solide du sol Sont ils d grad s Quel est le risque de transfert des produits en profondeur d une part travers l infiltration et la percolation des eaux de ruissellement 33 contamin es via des voies de circulation pr f rentielle de type macroporal d autre part travers le lessivage de mol cules adsorb es ant rieurement sur la matrice solide du sol de la bande enherb e Peut il y avoir un transfert lat ral de subsurface Ces transferts sont ils suffisamment importants pour intervenir dans le calcul de l efficacit d un dispositif enherb Existe t il un risque de contamination dans la situation particuli re o un aquif re superficiel est pr sent ou dans le cas d une bande implant e en bordure de rivi re 1 3 1 D gradation des produits infiltr s La d gradation essentiellement d origine biologique permet la d composition des produits infiltr s en solution dans l eau du sol ou adsorb s sur la matrice solide Une band
265. ent Le profil de potentiel au dessus de la nappe au d marrage des v nements de ruissellement est obtenu par simulation en laissant le domaine vaporer partir d un tat initial proche de la saturation en imposant le niveau de la nappe aux n uds des limites lat rales et en contr lant le potentiel minimum autoris sur la limite de surface On produit ainsi un profil de potentiel homog ne sur l ensemble de la placette a Mod lisation de l v nement naturel L tat initial du syst me est connu avec une certaine incertitude du fait de l absence de donn es pi zom trique et tensiom trique 175 Concernant la pi zom trie seuls les niveaux extr mes mesur s au cours de toute la campagne de suivi peuvent tre pris comme rep res correspondant des situations rencontr es au printemps pour le niveau maximal et en t pour le niveau minimal En effet le dernier relev effectu avant le 12 ao t datant du 23 juillet montre un niveau de nappe tr s bas Toutefois un v nement particuli rement intense s est produit le 4 ao t 500 mm re us par le syst me en 2 heures v nement qui a pu saturer la zone du versant mod lis e Le profil de potentiel au dessus de la zone satur e peut tre approch indirectement via les mesures d humidit Mais l incertitude est non nulle du fait de l h t rog n it des mesures entre les diff rents profils cf Figure IV 1 Ceci impose de formuler plus
266. ent appel par la suite pic principal ayant g n r un coulement de surface l exutoire de la placette L coulement l exutoire est fugace et quasi synchrone avec le pic principal observ en entr e Ceci sugg re qu il est g n r par d passement d une capacit d infiltration instantan e existence d un seuil en terme de flux plus que par d passement d une capacit d emmagasinement existence d un seuil en terme de volume Le pic de d bit l exutoire pr sente un retard de 1 min 40 sec 20 sec sur le pic d entr e Ce temps de propagation du ruissellement la surface de la placette permet d estimer une p riode contributive On constate ainsi que le ruissellement observ l exutoire appara t d s que le ruissellement entr d passe un seuil de 220 mm h et qu il se maintient jusqu un seuil de 100 mm h Si on tient compte de la pluie tomb e au m me moment les deux valeurs seuil sont respectivement de 255 mm h et 132 mm h L intensit moyenne re ue par le syst me pendant cette p riode contributive est de 248 mm h soit une capacit d infiltration moyenne du syst me de 210 mm h 150 Propagation l int rieur de la placette La propagation de l coulement de surface est renseign e indirectement par les humidit s mesur es dans la couche 0 15 cm En effet on montre par la suite que la vitesse de propagation verticale est telle que si une lame d eau est p
267. erche s est focalis e sur les travaux concernant les pesticides Les conclusions sont naturellement en partie similaires car les m canismes de transport sont identiques Afin de m viter un laborieux plagiat et d viter au lecteur une copie forc ment fade je conseille ce dernier de se procurer directement ces documents Les r sultats acquis sur l aptitude des zones tampons dissiper les flux de produits phytosanitaires sont r cents m me si on trouve quelques travaux isol s ant rieurs 1990 Asmussen et al 1977 Rohde et al 1980 Depuis 10 ans la bibliographie sur les capacit s d puration des bandes enherb es vis vis des produits phytosanitaires s est consid rablement toff e notamment vis vis des herbicides Outre la mise en vidence de l efficacit des bandes enherb es retenir ces produits les tudes men es ont vis une meilleure compr hension des processus et facteurs affectant leur fonctionnement l objectif in fine tant de rechercher des r gles de dimensionnement et de localisation de ce type d am nagement afin d augmenter son efficacit dans la lutte contre les pollutions diffuses A notre connaissance une seule revue bibliographique fait tat de ces travaux USDA NRCS 2000 Mais ce document vocation d application se borne lister les diff rents r sultats obtenus sur la r tention des pesticides dans diff rents types de zone tampon sans comparaison ni analyse crit
268. erci pour votre bonne humeur aussi Je remercie aussi Perrin Leclerc pour son travail de DESS r alis sur la disponibilit du diuron apr s adsorption donc aussi Pierre Benoit qui a dirig ce travail l INRA de Grignon Je ne pr sente dans mon m moire qu une petite partie du travail r alis mais esp re bien valoriser le reste bient t Je voudrais terminer en remerciant tous ceux qui m ont soutenu pendant ces trois ans Directement ou indirectement tous m ont aid surmonter les moments de d couragement Mes encadrants Marc Voltz et Nadia Carluer ont aussi jou ce r le et je les en remercie de m me que tous les coll gues du Cemagref de Lyon qui m ont fait passer de bons moments Je remercie particuli rement l quipe pollution diffuse Victor Adamiade Christelle Margoum Guillaume Dramais C cile Mi ge Eric Sauquet et Kamal Elkadi Je remercie aussi l quipe du LISAH pour son dynamisme communicatif Je remercie enfin Pascal Boistard dont l int r t et la confiance ont t d un r el r confort de m me que Philippe Cattan du CIRAD de Guadeloupe pour notre correspondance studieuse mais rafra chissante sans oublier Chantal Joubert et No lle Morand les sympathiques et efficaces secr taires de l unit QEPP Le dernier mot est bien entendu pour mon entourage familial dont la pr sence la patience l attention et le soutien ont t infaillibles Parents fr re et s urs ont jou un grand r le p
269. ermin es par la m thode de Wind sur diff rents horizons 114 Figure HI 6 Courbes de r tention hydrique ajust es pour les diff rents horizons 118 Figure III 7 Courbes de conductivit ajust es dans l hypoth se de conductivit moyenne Cm ss sssssesee 119 Figure HI 8 G om trie maillage et conditions aux limites utilis s pour la mod lisation l chelle du profil 123 Figure III 9 Profils de potentiels mesur s avant les exp riences d infiltration et simul s comme tat initiaux 124 Figure HI 10 Flux simul s en surface et dans les lysim tres via les trois hypoth ses de conductivit 125 Figure TL 11 Flux simul dans le lysim tre suivant 3 hypoth ses de conductivit haute Ch moyenne Cm et basse CD M DR en RE Fini sees Baal E ER a Rein 127 Figure HI 12 Isothermes d adsorption du Diuron sur les diff rents horizons du sol enherb eeeeeee 130 Figure III 13 Coefficients de partage moyens d termin s sur les diff rents horizons de la parcelle enherb e BE et de la parcelle de vigne Les points repr sentent des moyennes et les barres des cart types correspondant aux mesures r alis es diff rentes concentrations de dopage 131 Figure HI 14 Relation entre le coefficient de partage Kp du Diuron et la teneur en carbone organique du 132 Figure HI 15 Cin tique d adsorption du diuron sur trois horizons du sol enherb ccecc
270. erside California Sophocleous M and C A Perry 1985 Experimental studies in natural groundwater recharge dynamics the analysis of observed recharge events J Hydrol 81 297 332 Stephens D B and R Knowlton 1986 Soil water movement and recharge through sand at a semi arid site in New Mexico Water Resour Res 22 881 889 van Genuchten M T 1980 A Closed form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils Soil Sci Soc Am J 44 892 898 Zhu Y R H Fox and J D Toth 2002 Leachate collection efficiency of zero tension pan and passive capillary fiberglass wick lysimeters Soil Sci Soc Am J 66 37 43 287 288 4 Protocole de calibration des sondes humidim triques Campbell CS616 4 1 Principe La calibration de ce type de capteur n cessite classiquement une mesure ind pendante de la variable brute donn e par le capteur et de la variable objectif qui est l humidit volumique Etant donn que la loi empirique reliant humidit et p riode n est pas lin aire cf quation ci dessous plusieurs couples humidit p riode sont n cessaires sa d termination VIS 8 r C C xr C xr o 6 est la teneur volumique en eau cm3 cm et T la p riode du CS616 us Une premi re m thode pourrait tre de placer la sonde dans diff rents chantillons de sol d humidit connue mais tant donn les dimensions importantes du capteur la pr pa
271. es 70 cm Une interpr tation et une extrapolation des donn es disponibles sont in vitables L observation visuelle du profil de sol repr sente alors un compl ment pr cieux aux donn es quantitatives En l occurrence l observation laisse penser que la texture et la structure du sol changent avec la profondeur mais suivant des patterns diff rents cf chapitre II et photos de l annexe 1 En ce qui concerne la texture l analyse granulom trique n a pas montr de diff rence majeure entre les compartiments 5 20 cm 20 50 cm et 50 100 cm ce en quoi elle confirme l observation visuelle L observation sugg re cependant un changement vers 90 130 cm de profondeur mais qui n a pas t quantifi On en d duit que la texture peut tre consid r e homog ne dans les horizons 0 90 130 cm et gt 90 130 cm Ceci permet de supposer que les caract ristiques K h et h sont elles aussi homog nes sur ces horizons car la forme de ces courbes est essentiellement d termin e par la porosit texturale En ce qui concerne la structure on constate l existence d un mat racinaire de 5 10 cm d paisseur de structure tr s diff rente du sol sous jacent car essentiellement constitu de tissu v g tal Au del de ce mat on observe une baisse progressive de la densit du chevelu racinaire avec la profondeur jusqu 50 cm On constate galement l existence d une macroporosit d origine animale
272. es la simulation n est pas toujours satisfaisante L erreur sur le bilan de masse bien que pertinente ne saurait donc tre utilis e seule ind pendamment de l observation d autres variables El Kadi and Ling 1993 2 3 5 Couplage entre surface et subsurface L quation de Richards et l quation d onde cin matique pr sent es ci dessus sont coupl es par change de conditions aux limites chaque pas de temps autrement dit de mani re implicite Les deux quations ne sont pas r solues simultan ment Le terme local de perte g x t figurant dans l quation d onde cin matique est gal au flux infiltr calcul par l quation de Richards au pas de temps pr c dent La condition de charge impos e au temps t sur la limite de surface lors de la r solution de l quation de Richards est la valeur calcul e par l quation d onde cin matique au pas de temps pr c dent comme illustr ci dessous LOL l Lt LL Lli Onde cin matique 1D Richards 2D Figure IL 35 Repr sentation sch matique du mod le coupl surface subsurface 107 108 Chapitre Ill Propri t s d un sol enherbe relatives au transfert de polluants r sultats exp rimentaux et mod lisation Nous pr sentons dans ce chapitre les r sultats obtenus concernant les propri t s hydrodynamiques et les propri t s d adsorption du Diuron sur le sol du site exp rimental Des donn es de r tention hydrique et de
273. es d infiltration percolation r alis es sur les lysim tres 84 SE Figure I 30 Relation entre la concentration en ions Cl et la conductivit lectrique de la solution 85 Figure 1 31 Photographie du syst me d infiltrom trie M ntz oi esoissos 88 Figure 11 32 Photographie de deux infiltrom tres disque 89 Figure IL 33 Description du mod le de Mualem van Genuchten d apr s une figure de Simunek 1999 95 Figure 11 34 Description sch matique du mod le de Vogel and Cislerova Simunek et al 1999 eee 96 Figure 11 35 Repr sentation sch matique du mod le coupl surface subsurface eesceeceeeteesenseeeneeeeeees 107 Figure III 1 Courbes de r tention hydrique d termin es sur diff rents horizons par la m thode de Wind 110 Figure II 2 Evolution de la perm abilit avec la profondeur Les points repr sentent des moyennes g om triques et les barres l intervalle de confiance 68 111 Figure II 3 Conductivit hydraulique mesur e au voisinage de la saturation sur trois horizons et deux poques diff rentes de lANM e inner demi doc cvnsadar EERE AE Erea r EE einen ta ide ele meet rad ne te 113 Figure III 4 Conductivit hydraulique au voisinage de la saturation Les points repr sentent des valeurs moyennes les barres l intervalle de confiance 68 114 Figure HI 5 Conductivit s hydrauliques d t
274. es dans le sol enherb Ceci confirme le caract re particuli rement adsorbant de la mati re organique pr sente dans les horizons superficiels des sols enherb s et le fait que l adsorption du Diuron n est pas uniquement corr l e la teneur en carbone organique et que la nature de la mati re organique et le degr d humification interviennent aussi Benoit et al 1999 Le fait que le K de l horizon superficiel du sol de vigne soit sensiblement inf rieur aux valeurs de la litt rature semble difficile a justifier 3 2 Cin tiques d adsorption Seuls les horizons 0 5 cm 5 20 cm et 20 50 cm de la bande enherb e ont t caract ris s Les cin tiques sont d termin es pour une concentration de dopage unique de 20 ug L et pour des temps de contact de 2 min 5 min 15 min 1 h 6h 15h et 24h On note que l humidit initiale des chantillons est faible de l ordre de 3 et que l agitation est douce La cin tique d termin e dans de telles conditions est probablement plus faible que 133 ce qu on pourrait obtenir avec une agitation vive et un substrat humide Margoum et al 2003a Les r sultats sont repr sent s dans le Tableau III 14 en terme d volution du coefficient de partage et illustr s par la Figure IIL 15 en terme d avancement de la r action Dans la figure l avancement de la r action est exprim comme le rapport de la concentration adsorb e a l instant consid r et
275. es obtenues avec diff rents protocoles de mesure et traitement 249 Tableau VI 2 offsets d termin s exp rimentalement ccccecececcceeeceeeeeeneeeeeeeaeeeeeseaeeeeeeeeeeeeseaeeeeeeteeeseeaes 250 Tableau V1 3 Impact de la conductivit lectrique de l eau sur le signal mesur 291 14 Introduction Les enjeux Malgr l introduction progressive de pratiques agricoles limitant l usage des produits phytosanitaires et le retrait des mol cules les plus polluantes on constate encore l heure actuelle une pr sence pr occupante des pesticides dans les eaux de surface et souterraines IFEN 2002 IFEN 2003 IFEN 2004 Les enjeux li s cette situation sont multiples enjeux de sant publique avant tout mais aussi environnementaux et conomiques L enjeu est de sant publique car si l effet toxique des niveaux de concentration retrouv s dans les milieux aquatiques sur la sant humaine n a pas t d montr les tudes men es jusqu pr sent ont mis en vidence des effets potentiels notoires et notamment un risque de d r glement endocrinien Consid rant 15 de la directive 98 83 CE Bien que des valeurs param triques n aient pas encore t d termin es l Europe reconna t son inqui tude cet gard ce qui est l origine de la formulation de normes strictes concernant l eau destin e la consommation humaine directive 98 83 CE Ainsi l eau distribu e doit pr senter u
276. escscsssesseseeessessoaseees DS 1 1 Le dispositif de suivi d v nements ruisselants in situ 0 0 2 eeeeeeeeeeeeeeeeeeeneeeeeees 53 1 1 1 Situation et caract ristiques du site exp rimental 53 1 12 La pla Cette MSHUM N S 2 ona ar a Ee aE o a EEr EEE OPEO E O SE OROT EREE 56 1 1 3 L instrumentation objectifs implantation description et incertitude de mesure 63 1 1 4 Analyse critique du dispositif exp rimental 83 1 2 Utilisation du dispositif exp rimental is nine 84 1 2 1 Infiltration percolation l chelle locale 84 1 2 2 Ruissellement infiltration percolation sur l ensemble de la placette ee eeeeeeeeeeneeeeeeees 85 1 3 Dispositifs et protocoles de caract risation des propri t s du milieu eee 86 1 3 1 Propri t s hydrodynamiques scis i a a e ea 86 1 3 2 Propri t s d adsorption du Duron sinisiin n A ERa 90 2 Outils de MoOd SAUIOM scsi JS 3 2 1 Representation des flux d eau en surface et subsurface usines 93 2 1 1 Repr sentation des propri t s hydrodynamiques du sol 93 2 1 2 R pr sentation des flux d eau dans le sol iccscccscscicceseccac ces eccceceseddensivetecesnweceossdoededesenecdesstaccvene 96 2 1 3 Repr sentation des flux d eau la surface du sol 97 2 2 Repr sentation des flux de SOIR en ea 98 2 2 1 Repr sentation du transport des solut s en subsurface Simunek et al 1999 98 2 2 2 Repr sentation des quilibres et non qu
277. est bien la perm abilit de la m che qui est limitante La perm abilit apparente de la m che peut tre estim e comme suit Kn Qn Q x A z anes 379 cm h 1 65 o Km est la perm abilit apparente de la m che LT Q le flux de percolation observ LT A la section des collecteurs L7 4 la section d une m che L7 On constate que la valeur calcul e est tr s inf rieure la valeur nominale d termin e dans la litt rature 1268 cm h et la valeur nominale d termin e en laboratoire 1900 cm h L cart est probablement d des pertes de charge excessives Ces pertes de charge peuvent tre li es une compression de la m che dans l orifice des collecteurs Wang 1993 une compression dans le tube semi rigide contenant la m che entre le collecteur et le bidon ou encore un colmatage des fibres par des particules de sol Cependant aucune de ces hypoth ses n est r ellement satisfaisante la perm abilit apparente calcul e reste difficile justifier Finalement ce calcul met en vidence un mauvais fonctionnement du syst me Les donn es des lysim tres m che ne seront donc pas utilis es dans la suite 2 2 Mod lisation des flux l chelle locale du profil Etant donn le doute sur l impact des m ches sur les mesures seules les donn es obtenues sur le transect EFGH quip de lysim tres atmosph riques sont utilis es pour la mod lisation Pour repr
278. est tr s variable au cours du temps Des r sultats similaires sont obtenus pour le Rehovot sand non repr sent s Le ratio flux de m che flux de r f rence prend des valeurs instantan es comprises entre 0 5 et 1 5 Ce biais instantan traduit effectivement l cart entre les propri t s hydrauliques des deux mat riaux L absence d erreur significative constat e sur les flux totaux dans le cas de l Ida silt loam s explique par le fait que le biais est faible au voisinage de la saturation dans la gamme de potentiel o les flux sont les plus forts Mais le biais traduit aussi des effets transitoires de r humectation ou de 280 dess chement de la m che En effet la figure 6 montre que le biais d pend de l intervalle de temps sur lequel est fait la mesure Plus la fr quence de mesure est lev e plus l impact de ces ph nom nes transitoires peut tre lev Faible sur la p riode totale de 342 heures le biais peut tre sensible sur 24 heures ou 12 heures et il est maximal pour un suivi en continu Le r sultat obtenu dans le cas de l Ida silt loam s explique donc aussi par la longueur de la p riode d chantillonnage consid r e 342 heures Pour conclure le pas temporel d tude doit tre suffisamment grand pour que les effets transitoires n aient pas d impact significatif Il faudra tre particuli rement attentif lorsqu on envisage un suivi en continu comme propos par Gee 2002
279. et al 1989 1 2 1 3 La dilution Elle s op re la surface de la bande lorsque de l eau de pluie non contamin e tombe sur la bande pour se m langer au ruissellement contamin issu de l amont Le facteur de dilution pluie pluie ruissellement qui repr sente l abattement de concentration attendu dans l hypoth se d un m lange id al est en g n ral significatif Lowrance et al 1997 Schmitt et al 1999 Vellidis et al 2002 Il d pend du ratio de surface zone enherb e zone trait e et donc des volumes d eau ruissel s et pr cipit s Les observations r alis es ont montr des abattements en conditions naturelles qui variaient entre 25 et 50 pour une bande de 8 m laval d une parcelle cultiv e de 2 5 ha Lowrance et al 1997 entre 30 et 67 pour une bande de 8 m l aval d un versant de 10 m Vellidis et al 2002 et entre 15 et 30 pour des bandes de 7 m et 15 m recevant le ruissellement d un versant cultiv de 80 m Schmitt et al 1999 3975 1 2 1 4 L adsorption Elle concerne les mol cules en solution Elle a lieu sur la surface du sol en ce qui concerne le ruissellement de surface sur les parties a riennes de la v g tation et autres d bris v g taux qui peuvent tre pr sents la surface de la bande Elle a lieu dans le sol en ce qui concerne les flux infiltr s Les parties a riennes de la v g tation et les d bris v g taux partiellement humifi s pr sentent le
280. existe pas pour un solut conservatif Les r sultats obtenus ne sont par cons quents pas pr sent s L effet de la dilution des flux infiltr s par l eau initialement pr sente dans le profil est ici quantifi par la loi de m lange V 3 supposant un m lange id al On applique ensuite la loi V 6 supposant un quilibre d adsorption instantan entre les concentrations en solution et adsorb es sur la phase solide La zone racinaire est consid r e comme la superposition de deux r servoirs correspondant respectivement la couche 0 20 cm et la couche 20 50 cm comme illustr dans la Figure V 6 La concentration des flux entrant dans le r servoir 20 50 cm correspond la concentration calcul e apr s dilution et adsorption dans le r servoir 0 20 cm 221 y C il Couche 1 0 20 cm C xC C _ _ il V V e sl 1 pK Ki Vi _ 2 6 Couche 2 20 50 cm Ca gt xX Cy Cy Ko Vo Ft 1 90K y Figure V 6 Illustration du mod le de m lange et d quilibre instantan L application num rique de ces lois simples est pr sent e dans le Tableau V 14 pour les deux v nements En accord avec les humidit s volumiques mesur es avant les deux v nements la couche 0 20 cm est suppos e contenir 50 mm d eau et la couche 20 50 cm 75 mm Deux hypoth ses haute et basse sont envisag es concernant le temps de s jour dans la zone racinaire correspondant aux temps de s
281. face en herbe ou autre couvert int r t environnemental correspondant 3 de la surface en c r ales ol oprot agineux et gels Ces surfaces doivent tre implant es en priorit le long des cours d eau figurant sur les cartes IGN d chelle 1 25000 ou d finis par arr t pr fectoral Cette co conditionnalit repr sente un levier puissant qui devrait conduire au d veloppement rapide des zones tampons enherb es dans les paysages agricoles De plus l autre pilier de cette politique agricole commune pr voit la contractualisation de mesures agricoles et environnementales MAE dont certaines devraient aussi favoriser la mise en herbe d une partie des terrains actuellement cultiv s Cependant il existe encore un certain empirisme dans les recommandations techniques faites pour l am nagement et le dimensionnement des zones tampons enherb es C O R P E N 1997 USDA NRCS 2000 Des largeurs types sont pr conis es alors qu il est admis que le fonctionnement d une bande enherb e d pend la fois de ses caract ristiques intrins ques et des caract ristiques des versants situ s son amont et son aval qui varient d un site l autre De plus la situation d implantation en bordure de cours d eau favoris e par les mesures de conditionnalit de la PAC ne correspond pas toujours la situation optimale En effet les bords de cours d eau sont souvent des zones humides susceptibles de pr
282. finir les caract ristiques optimales d une bande dans une situation hydrologique donn e tant l chelle locale comme cela a t d montr qu l chelle du bassin versant Aussi les recommandations actuelles en mati re d am nagement de ce type de dispositif positionnement et dimensionnement sont essentiellement qualitatives ou r sultent d approches empiriques L objectif de ce paragraphe est de faire le point sur les approches existantes _ 39 1 5 1 Localisation des dispositifs enherb s dans un bassin versant Deux documents r alis s respectivement en France Comit d Orientation pour la R duction de la Pollution des Eaux par les Nitrates les phosphates et les produits phytosanitaires provenant des activit s agricoles CORPEN 1997 et aux Etats Unis USDA NRCS 2000 pr sentent les pratiques actuelles en terme d am nagement de bandes enherb es Les recommandations techniques formul es pour leur implantation sont tout fait comparables m me si l argumentation diff re sur certains points On retiendra que i Le premier crit re trivial consiste positionner les dispositifs enherb s de fa on intercepter le ruissellement mis par les parcelles cultiv es i Le deuxi me crit re concerne le raisonnement des am nagements de l amont vers l aval du bassin versant Ce crit re repose sur le fait que le ruissellement de surface initialement diffus au niveau de la parcelle o il app
283. gation tr s proches Seule l amplitude des variations d humidit change suivant l tat initial consid r Mais les r sultats ne permettent pas de dire si une des deux configurations est plus r aliste que l autre La profondeur maximale atteinte par le bulbe d infiltration simul e par le mod le est illustr e par la Figure IV 33 X 0 50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Figure IV 33 Courbes isopotentielles simul es dans le plan longitudinal la fin de l v nement t 50 min partir de l hypoth se d tat initial interm diaire Cette figure est en accord avec l hypoth se exp rimentale sugg rant que l v nement naturel n a pas engendr de remont e de la nappe Le bulbe d infiltration simul a induit une saturation du profil jusqu 50 cm On note cependant qu tant donn le retard constat au niveau des humidim tres situ s 40 cm cette propagation est probablement l g rement sous estim e 2 2 3 Variation de stock La variation de stock simul e de la couche 0 50 cm est compar e la variation mesur e dans la Figure IV 34 Hyp1 mat de 5cm Hyp2 mat de 7cm 100 100 90 Variation de stock simul e 90 Variation de stock simul e 80 Variati 5 80 5 gt Variation de stock mesur e 70 Variation de stock mesur e 70 ga 60 Infiltration cum 60 Infiltration cum Variation de stock mm Variation de stock mm O1
284. gime permanent et mono dimensionnel permet de dimensionner un lysim tre m che de mani re satisfaisante mais sous certaines conditions Ainsi le mod le hydrodynamique de Gardner doit pouvoir repr senter le sol de mani re satisfaisante On doit trouver un mat riau de m che aux propri t s adapt es L exemple du Rehovot sand rappelle de plus que lorsqu un dimensionnement exact n est pas possible le biais sur les volumes pr lev s peut tre important Or on note que le choix dans le type de m che en fibre de verre est limit ce qui signifie qu il est rarement possible m me en jouant sur la longueur de m che et la section captante du lysim tre de trouver un mat riau aux propri t s hydrodynamiques parfaitement adapt es pour chaque sol Rimmer et al 1995 Les courbes de la figure 5 montrent galement que l cart entre les propri t s hydrauliques de la m che et du sol n est a priori pas constant sur la gamme de potentiel explor e mais varie suivant la forme respective des courbes Dans le cas du Rehovot sand le lysim tre n est pas assez conducteur sur la gamme 0 25 cm et trop conducteur sur la gamme 25 100 cm On en d duit que le biais n est pas constant dans le temps mais varie en fonction du r gime de pr cipitation Ceci est confirm par la figure 6 qui montre dans le cas de l Ida silt loam que le biais exprim comme une grandeur relative ratio flux de r f rence flux de m che et instantan e
285. h ses de perm abilit se justifie donc par le souhait de rendre compte de ces diff rentes situations Ces r sultats montrent aussi que les conditions aux limites utilis es et l quation de Richards rendent bien compte des flux d eau mesur s en surface et dans les lysim tres en r gime permanent 2 2 2 2 Analyse du r gime transitoire Le r gime transitoire d pend de la totalit des param tres d crivant les courbes h et K h et de l tat initial Les r sultats obtenus avec l tat initial observ le jours des exp riences sur les profils F G et H sont illustr s par la Figure IIL 11 Les r sultats obtenus avec le profil E sont rappel s pour comparaison 126 300 250 5 Cb PmE a Cb Pm FGH 200 Cm PmE 2 Cm PmFGH zZ H Ch PmE Ch Pm FGH 1501 gt f L 1004 0 20 40 60 80 100 120 Temps h Figure III 11 Flux simul dans le lysim tre suivant 3 hypoth ses de conductivit haute Ch moyenne Cm et basse Cb Tableau III 10 Comparaison des temps caract ristiques du r gime transitoire mesur s et simul s avec l tat initial ajust sur les mesures Le temps de stabilisation correspond au temps n cessaire pour atteindre 80 du flux asymptotique E F G H X 35 cm _ X 210 cm X 385 cm X 560 cm Temps Apparition min 8 5 3 16 16 11 mesur s _ Stabilisation min 29 9 5 43 49 20 Temps Hypoth se Cb Cm Ch Cb C
286. h tar alpha n m Ks a Diam tre Densit Porosit Rayon fibres cm 1 emh 1 cm 1 cm g cm 3 mm 0 63 0 00 0 06 3 61 040 1168 0 098 1 45 0 25 0 90 0 0035 Confection des lysim tres install s Les collecteurs identiques pour les lysim tres atmosph riques et m che ont pour dimensions 50 cmx25 cmx2 cm Lxlxh et comprennent chacun deux cellules de dimensions 25 cmx25 cm cf Figure 11 23 Ils ont t r alis s en acier inoxydable d paisseur 2 mm Ils pr sentent une pente vers l exutoire situ au centre de chaque cellule permettant l vacuation rapide de l eau Dans les lysim tres atmosph riques les cellules contiennent uniquement des grilles m talliques de mailles diff rentes en contact avec le sol qui permettent d viter sa d sagr gation sous l effet des coulements et donc le colmatage des collecteurs Dans les lysim tres m che chaque cellule contient des fibres de verre uniform ment r parties sur la surface du collecteur et en contact avec le sol sus jacent cf Figure II 23 photo de droite Les fibres situ es dans le collecteur correspondent aux extr mit s 30 cm d tress es d une m che longue de 100 cm pendant sous le collecteur d une hauteur de 70 cm Dans les lysim tres atmosph riques des tuyaux en polypropyl ne PP semi rigides de diam tre interne 16 mm r f rence Bioblock C21151 canalisent gravitairement l eau r colt e vers des bidons de capacit
287. horizons 114 Le nuage des couples potentiel conductivit est assez dispers approximativement sur un ordre de grandeur dans la gamme de potentiel 10 0 5 m et sur deux ordres de grandeurs dans la gamme 0 5 m 0 On peut en d duire qu il n existe pas de diff rence de conductivit entre les horizons 30 40cm 50 60 cm et 70 80 cm mais la dispersion des points laisse cependant la place des hypoth ses vari es L absence de diff rence entre les horizons 30 40cm et 50 60 cm est coh rente avec ce qui a t observ sur le plan de la r tention En revanche on aurait pu s attendre une diff rence entre les horizons 50 60 cm et 70 80 cm au vu de la courbe de r tention particuli re de ce dernier Mais la dispersion de l information donn e par le protocole Wind au voisinage de la saturation est trop grande et le nombre de r p tition est trop faible pour d gager cette diff rence 1 3 Synth se des propri t s hydrodynamiques 1 3 1 Synth se des donn es et interpr tation 1 3 1 1 Discr tisation du profil de sol a Ce que montrent les mesures Une perm abilit globalement lev e Les valeurs de perm abilit mesur es en surface sont grandes ce qui confirme le potentiel d infiltration lev de ce type de milieu Ce constat est en partie d la texture sablo argileuse du sol mais probablement aussi un effet structurant du maintien d un couvert herbeux p renne au moins dan
288. horizons sus jacents 110 Ces mesures confirment donc les observations faites saturation savoir une certaine homog n it entre 30 cm et 60 cm et un comportement particulier de l chantillon 70 80 cm 1 2 Donn es de conductivit hydraulique 1 2 1 Conductivit hydraulique a saturation La conductivit hydraulique saturation est mesur e lors d exp riences d infiltration sous charge constante l aide d un dispositif de type double anneau de M ntz La charge appliqu e est faible de 3 cm mais non nulle On se situe donc l g rement au del de la saturation et des structures macroporales peuvent tre mises contribution y compris si elle n apparaissent pas en surface car le bulbe d infiltration pr sente une charge positive Ce syst me nous a permis de caract riser la surface du sol et les profondeurs 15 cm 25 cm et 40 cm Les r sultats obtenus sont d crits dans le Tableau II 2 et illustr s par la Figure II 2 Ils sont bas s sur l hypoth se g n ralement admise d une distribution log normale de la conductivit hydraulique saturation Lauren et al 1988 Sharma et al 1980 Sisson and Wierenga 1981 Tableau IIL2 Description des conductivit s hydrauliques saturation mesur es sur le site d tude Figurent aussi le nombre de r p titions not R p t et les limites sup rieures et inf rieures de l intervalle de confiance 68 associ aux moyennes
289. hysiques et bio chimiques intervenant dans le fonctionnement d une bande enherb e et le fait que leur contribution relative peut varier d une situation l autre en fonction de nombreux param tres Il est donc n cessaire de d passer le simple constat de l efficacit d une bande enherb e et d aborder son fonctionnement d un point de vue m caniste dans le but d expliquer la variabilit des r sultats exp rimentaux Pour cela nous pr sentons ci dessous les processus physiques intervenant dans la capacit de dissipation d une bande et les param tres qui les contr lent Tableau I 2 Diversit des mol cules tudi es Solubilit dans Adsorption Koc l eau mg l l kg Mol cule source Agritox__source Agritox R f rences bibliographiques Metribuzin 1200 3 47 Tingle 1998 Webster 1996 2 4 D 300 34000 5 215 Cole 1997 Mecoprop 734 5 43 Spatz 1997 Cole 1997 Fos tyl Al 27 62 CA Vaucluse 2000 Thiodicarbe 35 44 73 CA Vaucluse 2000 Metolachlor 488 41 114 Arora 1996 Misra 1996 Tingle 1998 Mersie 1999 Staddon 2001 Webster 1996 Atrazine 33 38 170 Lowrance 1996 Vellidis 2002 Arora 1996 Misra 1996 Delphin 2001 Mersie 1999 Schmitt 1999 Souiller 2002 Patty 1997 Dicamba 8 3 18 3 260 Cole 1997 Isoproturon 70 36 241 Benoit 1999 Benoit 2000 Kl ppel 1997 Lecomte 1999 Madrigal 2002 Patty 1997 Spatz 1997 Souiller 2002 Alachlor 148 102
290. i est faite des flux impos s en surface En effet le mod le interpole les donn es de flux instantan es rentr es comme conditions aux limites par des fonctions en escalier Cette approximation peut induire une surestimation du flux cumul Ceci tant on retiendra que l cart reste raisonnable relativement au flux total entrant puisqu il n est que de 6 de la valeur mesur e Ces r sultats sugg rent deux hypoth ses e Le ruissellement capt l exutoire est d un coulement lat ral se produisant dans le mat racinaire e La lame d eau retenue dans le mat racinaire est trop importante autrement dit l paisseur du mat racinaire simul est trop grande Concernant la premi re hypoth se on constate que le mod le de transfert utilis simule un flux horizontal dans la couche de sol 0 10 cm au niveau de l exutoire quasi nul y compris en supposant une anisotropie d un facteur 10 ou 100 comme sugg r par Le Meillour 1996 Concernant la lame d eau retenue dans le mat racinaire les r sultats obtenus avec un mat racinaire d paisseur r duite et isotrope sont illustr s dans la Figure IV 30 Mat de 5cm d paisseur Mat de 7cm d paisseur Hyp 3 0 200 J Hyp2 200 Hyp2 Hyp 1 Hyp 1 2 Mesure 8 Mesure Ruissellement Ruissellement 28 30 32 34 36 38 28 30 32 34 36 38 Temps min Temps min Figure IV 30 Ruissellement de surface simul
291. i est rendu possible par une aire de collecte r duite typiquement 500 cm et une installation moins profonde qui permet de creuser un tunnel horizontal depuis la paroi d une tranch e dans lequel le lysim tre est plac au le plafond L eau doit atteindre une pression positive la profondeur du lysim tre pour tre collect e Ainsi les flux macroporaux sont extraits de fa on continue mais les flux non satur s ne sont collect s que partiellement et leur pattern est fortement modifi Boll et al 1991 En effet cette limite atmosph rique induit l apparition de gradients de potentiels qui d vient les flux non satur s Boll et al 1991 Jemison and Fox 1992 L efficacit des collecteurs d pend de la contribution des flux macroporaux et matriciels a la percolation La plupart des efficiences publi es sont faibles s chelonnant de 45 58 Jemison and Fox 1992 13 42 Boll et al 1991 17 36 Radulovitch and Sollins 1987 et 40 Zhu et al 2002 d montrant une faible repr sentativit de la mesure Les lysim tres a m che introduits par Brown et al 1986 repr sente une solution attractive par rapport aux autres syst mes De conception similaire aux lysim tres atmosph riques collecte sur une aire significative mais r duite sous un volume de sol non destructur installation et utilisation facile et peu ch re leur int r t provient de l utilisation des propri t s capillaires d une m
292. id installer le dispositif et qui a contribu aux exp riences d infiltrom trie ainsi qu au suivi de routine du dispositif mais aussi C dric Chaumont d Antony tensiom tres automatiques et humidim tres Guillaume Dramais de l unit Hydraulique Hydrologie de Lyon lysim tres Olivier Huttel lysim tres et tensiom tres mercure et Gwenn Trottoux de l INRA de Montpellier infiltrom trie TRIMS et Nicolas Chigot de l INRA d Orl ans exp riences Wind Je remercie aussi ceux qui sont venus ne serait ce qu une journ e piocher en ma compagnie C line Christelle Victor Jean Pierre et Jean Jo l et l quipe pr sente sur le terrain lors de l exp rience de ruissellement artificiel V ronique Jean Jo l Nadia Flora Christelle C line Anne C cile Donatien Caroline Anne Guillaume Fabien et Bernard Je remercie enfin Quentin Harel pour sa contribution aux exp riences d infiltration percolation r alis es dans le cadre de son stage de fin de DUT et la veille technique assur e pendant l t 2005 Je souhaite galement remercier les laboratoires d analyse des micropolluants et de chimie g n rale du Cemagref de Lyon qui ont r alis les analyses pr sent es dans ce m moire Je remercie particuli rement C line Germain pour son travail sur l adsorption du diuron et Christelle Margoum pour avoir initi et encadr ce travail C line a aussi contribu la calibration des humidim tres M
293. ieurs hypoth ses pour encadrer la gamme des tats initiaux possibles le 12 ao t 2004 Trois hypoth ses sont ainsi envisag es une hypoth se 1 relativement humide une hypoth se 2 interm diaire et une hypoth se 3 relativement s che Les tats initiaux correspondant ces trois hypoth ses sont obtenus eux m mes par simulation de la p riode 4 ao t 12 ao t partir d un versant initialement satur en supposant une vapotranspiration journali re de 5 mm en imposant un niveau de nappe r aliste et en contr lant le dess chement de surface via un potentiel minimal accept Les trois tats initiaux simul s sont g n r s en utilisant trois valeurs diff rentes pour le potentiel minimal accept sur la surface du sol 300 cm 80 cm et 40 cm Nous faisons l hypoth se v rifi e dans la suite que l v nement n est pas suffisamment important pour que le niveau de la nappe atteigne la surface du sol quel que soit son niveau initial Par cons quent un seul niveau de nappe est consid r correspondant une hypoth se relativement proche du niveau maximal observ Les tats initiaux simul s sont illustr s par les Figure IV 23 et Figure IV 24 30 gt J Le E 2 5 Mesures X 3 70 4 Hyp 3 7 Hyp 3 y S Hyp 2 1 Hyp 2 110 4 soo Hyp 1 J Hyp 1 150 H 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 300 200 100 0 Humidit volumique Potentiel matriciel
294. iff rences entre eux mais essentiellement au niveau de la concentration atteinte en d but d coulement Les concentrations mesur es montrent que le flux r colt dans les lysim tres est d s le d but de l coulement en grande partie constitu d eau inject e en surface et non d eau du sol dont la concentration en ions CT est de l ordre de 10 20 mg L Pourtant les mesures d humidit faites avant les exp riences montrent que le profil se trouve dans un tat hydrique compris entre 50 et 70 de la saturation Ces r sultats sont contradictoires avec l hypoth se d un coulement de type piston dans un milieu homog ne et ne peuvent s expliquer uniquement par la perm abilit tr s lev e du milieu Ils sugg rent la pr sence de voies d coulement de type macroporal entre la surface et 50 cm de profondeur Les diff rences observ es entre les profils E F G et H correspondraient alors la contribution de ce type d coulement au flux total largement majoritaire dans le profil F majoritaire dans les profils E et H et plus faible dans le profil G La forme en selle de cheval sugg re qu cot des coulements macroporaux existe un coulement matriciel plus lent et de concentration plus faible au d but du fait du m lange avec l eau initialement pr sente dans le profil Ce flux matriciel dilue les flux macroporaux 136 arrivant au m me moment dans le lysim tre Cette dilution ne dure
295. ilibres chimiques et physiques ccceeeeeeeeteeeees 99 OR ee en a nd idee 101 2321 Discretisation de l Space 2 trim tea inerte E E E nent e init Ei 101 2 3 2 Discr tisation du tepsisini peii n evade aden E REE nndaere send tere ads 102 2 3 3 Conditions initiales et conditions aux limit s 103 2 3 4 Sch ma num rique de r solution de l quation de Richards 105 2 3 5 Couplage entre surface et subsurface 107 Chapitre III Propri t s d un sol enherb relatives au transfert de polluants r sultats exp rimentaux et mod lisation ss 109 1 Description des propri t s hydrodynamiques see LOD Ile Donn es d r tention VATIQU Lane mnenanse 109 1 1 1 R tention hydrique saturation 109 1 1 2 R tention hydrique en fonction du potentiel matriciel 110 1 2 Donn es de conductivit hydraulique drain neinenatiannte 111 1 2 1 Conductivit hydraulique saturation ss 111 1 2 2 Conductivit hydraulique au voisinage de la saturation 112 1 2 3 Conductivit hydraulique en fonction du potentiel matriciel 0 0 eee eeeeeeeeeeeereeeeeeersneeeeenes 114 1 3 Synth se d s propri t s hydrod ynamiques ssssssssssrsest menestssenetnare 115 1 3 1 Synth se des donn es et interpr tation sisisi iire osoei oi EE E R 115 1 3 2 Ajustement des quations de Vogel and Cislerova 1988 117
296. illons de 7 cm pendant 24 heures puis gouttage pendant 1 minute Le temps d gouttage est court de sorte conserver d ventuels macropores en charge Le s chage complet est obtenu en laissant l eau vaporer pendant 72 heures dans une tuve 105 C La porosit totale est estim e partir de la seule pes e s che en faisant une hypoth se sur la densit de la matrice solide Celle ci est en g n ral estim e 2 65 kg L 1 3 1 2 D termination de la courbe de r tention hydrique par la m thode de Wind 1968 Ces mesures ont t r alis es par l INRA d Orl ans en d cembre 2003 Nous avons ainsi caract ris les horizons 30 40 cm 50 60 cm et 70 75 cm avec deux r p titions pour chaque horizon Cette m thode consiste laisser vaporer par sa face sup rieure un cylindre de sol initialement satur non remani de 7 cm de hauteur et 15 cm de diam tre Le profil de potentiel matriciel est mesur l aide de six micro tensiom tres distribu s sur la hauteur du cylindre Seule la teneur en eau moyenne du cylindre est mesur e par pes e Le profil de teneur en eau correspondant est reconstitu par le calcul en se basant sur la forme du profil de potentiel mesur On dispose ainsi simultan ment de six valeurs pour le couple h 0 ainsi que de son volution au cours du dess chement de l chantillon L exp rience s arr te lorsque le potentiel de pression est tel que les tensiom tres d crochent auto
297. im tre m che droite avant rebouchage de la galerie et de la tranch e 718 Dimensionnement des lysim tres Les lysim tres atmosph riques n cessitent pour seul dimensionnement d avoir une capacit de stockage suffisante au regard de l intensit des flux attendus de la surface des collecteurs et de l autonomie attendu du syst me Les lysim tres m ches n cessitent une proc dure de dimensionnement plus pouss e puisque la m che et les dimensions du syst me doivent tre choisies en fonction des propri t s de conductivit hydraulique du sol Knutson and Selker 1994 En effet la m che ne doit pas tre plus conductrice que le sol sous peine d induire une convergence des lignes de courant vers le lysim tre donc une surestimation de la percolation La m che ne doit pas non plus tre moins conductrice que le sol sous peine d induire une divergence des lignes de courant autour du lysim tre donc une sous estimation de la percolation Les propri t s hydrodynamiques de ces m ches ont t caract ris es dans la litt rature Knutson and Selker 1994 et des proc dures de dimensionnement ont t propos es Knutson and Selker 1994 Rimmer et al 1995 Un travail m thodologique pr sent dans l annexe 3 sous forme d article a t men pendant la th se pour quantifier l incertitude existant sur la mesure des flux avec un lysim tre m che en rapport avec ces protocoles de dimensionneme
298. imer deux valeurs pour K h1 une estimation gauche et une estimation droite Ankeny et al 1991 proposent de prendre la moyenne arithm tique de ces deux valeurs 298 7 Protocole de d termination des isothermes et cin tiques d adsorption du Diuron sur le sol 7 1 Mol cules froides 7 1 1 Pr paration Le sol est mis vaporer sous une sorbonne dans un cristallisoir 24 h avant le dopage Le but est de diminuer l humidit du sol pour faciliter le tamisage Le sol est ensuite tamis 2 mm Son humidit est mesur e par gravim trie dans le but de calculer la prise d essai en quivalent sol sec et aussi parce que c est un facteur pouvant influencer le r sultat Peser environ exactement 50g de sol humide dans une coupelle et la placer 24 h dans une tuve 105 C Laisser refroidir dans un dessicateur et d terminer la masse s che L humidit est calcul e de la fa on suivante masse humide masse s che tare coupelle masse humide humidit x100 7 1 2 Dopage Peser exactement l quivalent de 75 g de sol sec tamis 2 mm 50 g pour les tudes cin tiques ou 12 g de v g taux dans un cristallisoir en verre de 500 mL et compl ter avec 150 mL 100 mL pour les tudes cin tiques d une solution de CaCl 0 01 M Ajouter 0 75 mL d une des trois solutions de dopage en Diuron pr alablement pr par es 20 mg L 4 mg L et 1 mg L soit en concentration de dopage 100
299. imul dans le plan longitudinal en X 240 0 eee eeeeeeeseeeeeneeeeerereneeeneres 202 Figure IV 52 Niveau pi zom trique simul dans le plan transversal en Y 160 cm La pi zom trie simul e avec les perm abilit s moyennes est indiqu e titre de comparaison 202 Figure V 1 Echantillonnage de l coulement entr dans la placette et concentrations moyennes d termin es par pic Le ruissellement mesur l exutoire figure titre indicatif 206 Figure V 2 Concentrations en Diuron et en traceur inject es pendant la phase de dopage L intensit du ruissellement est indiqu e titre indicatif ss 207 Figure V 3 Concentrations de Bromure et de Diuron mesur es dans le ruissellement de surface sortant de la PLACES RS an E E a ed ii E 211 Figure V 4 Concentrations en Bromure gauche en Diuron droite mesur es dans les lysim tres atmosph riques du transect EFGH Les concentrations inject es en surface sont indiqu es pour COLA AIS OU ses nn ote eps id eee en ee ee dre da tir 213 Figure V 5 Concentrations en Diuron d termin es sur la phase solide Les points repr sentent des moyennes et les barres des cart types calcul s sur trois r p titions L hypoth se haute suppose que les valeurs non quantifi es sont gales 2 3 ug kg L hypoth se basse suppose qu elles sont nulles 216 Figure V 6 Illustration du mod le de m lange et d quilibre instantan
300. in conomique car les syst mes de d pollution des eaux brutes ont un co t de m me que le captage de nouvelles ressources li l abandon des captages les plus contamin s c est dire pr sentant des concentrations par mol cule sup rieures 2 ug L ou sup rieure 5 ug L pour l ensemble des mol cules En outre il pourrait tre l avenir de plus en plus difficile de trouver des ressources intactes A titre illustratif on rapporte ici les chiffres publi s par l institut fran ais de l environnement concernant la contamination des masses d eau fran aises relev e en 2002 15 IFEN 2004 Concernant les masses d eau utilis es pour la production d eau potable 39 des 838 captages de surface chantillonn s et 21 des 2603 captages souterrains chantillonn s ont pr sent au moins une fois dans l ann e une concentration comprise entre 0 1 ug L et 2 ug L n cessitant l installation d un syst me de traitement sp cifique On note que ces chiffres sous estiment l tat de contamination des masses d eau car d une part les captages les plus contamin s ont t abandonn s et d autre part les mol cules non quantifi es sont suppos es de concentration inf rieure au seuil de potabilit de 0 1 ug L or la limite analytique de quantification est parfois sup rieure ce seuil Concernant les masses d eau non utilis es pour la production d eau potable les chiffres sont logiquement moins
301. in tique d adsorption sup rieure serait particuli rement int ressante e tudier le devenir des flux pi g s par la placette exp rimentale l chelle de l ann e La cin tique de min ralisation et de stabilisation du Diuron adsorb dans le sol de la bande enherb e exp rimentale a d j t caract ris e Leclerc 2004 Ces donn es associ es un suivi du stock de pesticide in situ permettront de faire un bilan de l efficacit d une bande enherb e l chelle de l ann e et de valider une mod lisation cette m me chelle L enjeu est d tudier le risque d accumulation des produis intercept s et le risque de r entra nement associ Il serait par ailleurs int ressant d tudier un autre site caract ris par un enherbement r cent En effet le sol tudi pr sente des caract ristiques physiques et chimiques tr s favorables l effet tampon Mais il est maintenu en herbe et n a subi aucun travail autre que le fauchage depuis 30 ans On peut s interroger sur la vitesse d acquisition de telles caract ristiques L tude d un enherbement plus jeune nous am nerait probablement 229 moduler les conclusions formul es concernant l impact de la macroporosit sur le fonctionnement global d une zone tampon enherb e Sur le plan num rique e Les hypoth ses de param trisation formul es dans ce travail doivent tre confront es aux autres jeux de donn es acqu
302. inaire Figure VI 1 Photographies d une motte de sol de l horizon 0 30 cm gauche et de l horizon 0 10 cm o on voit la sp cificit de l horizon 0 5 cm constitu int gralement de mati re v g tale Figure VL3 Photographie d une coupe longitudinale du versant Couche 0 50 cm riche en racines 043 Figure VI 4 Photographies des racines pr sentes 50 cm de profondeur dans la cavit lysim trique A gauche et dans la cavit lysim trique B droite Photographie du plafond des cavit s 1 2 Bas du profil Figure VLS Photographies du changement de texture et coloration observ entre 90 cm et 130 cm Photographies prises l amont de la placette exp rimentale gauche et Paval droite J44 2 Calcul des incertitudes exp rimentales 2 1 Principes th oriques EURACHEM CITAC La m thode de calcul utilis e s inspire des r gles nonc es par le Guide to the expression of Uncertainty Measurement ISO 1993 traduites en fran ais notamment dans e guide de quantification des erreurs analytiques de EURACHEM CITAC et bri vement pr sent es ci dessous 2 1 1 D finitions L incertitude se d finit comme un param tre associ au r sultat d une mesure qui caract rise la dispersion des valeurs et pourrait tre raisonnablement attribu au mesurande grandeur particuli re soumise un mesurage Elle correspond un intervalle caract ristique d
303. int gr dans un outil l chelle du versant ou du bassin versant pour raisonner l am nagement cette chelle privil gi e d action et permettre une meilleure prise en compte de l tat initial et des conditions amont 3 Les objectifs sp cifiques de la th se L objectif op rationnel de la th se est de donner des l ments quantitatifs pour le dimensionnement et la localisation des syst mes tampons dans un bassin versant pour optimiser l efficacit de ce type d am nagement dans la lutte contre les pollutions diffuses des eaux de surface par les produits phytosanitaires Comme nous l avons mis en vidence pr c demment ceci passe sur le plan scientifique par la mise au point d un mod le num rique m caniste couplant les diff rents processus physiques et biog ochimiques d terminant le potentiel purateur d une bande 46 enherb e vis vis des pesticides transport s par ruissellement de surface Une telle approche doit permettre e de d passer le simple constat de la variabilit de l efficacit des bandes enherb es retenir les pesticides et d aboutir un sch ma conceptuel valid des fonctions puratrices d une bande enherb e permettant de pr dire l efficacit d un syst me tampon donn dans une situation donn e e de faire des tests de sc narios d am nagement l chelle locale du syst me tampon dans le but de formuler des recommandations quantitatives n
304. ion 5mL chantillon Lavage 10mL H20 MilliQ Elution 3mL ACN Pour les temps de contact de 1 24h et les blancs Conditionnement 3mL ACN 3mL MeOH 3mL H20 MilliQ Percolation 10mL chantillon Lavage 10mL H20 MilliQ Elution 3mL ACN Les extraits sont vapor s sec sous azote I Le r sidu sec est repris dans 250uL d un m lange eau ac tonitrile 80 20 puis inject en HPLC 7 1 4 Analyse en chromatographie HPLC Chromatographe en phase liquide WATERS Alliance 2690 quip d un four pour colonne d un d tecteur UV barettes de diode 996 et d un passeur d chantillons Volume d injection 20 uL Colonne de type Lichrocart 125 2 Purospher STAR RP 18 endcapped Longueur 125 mm Diam tre interne 2 mm Granulom trie 5 um Temp rature du four 30 C D bit de la phase mobile 0 3 mL Phase mobile eau ac tonitrile 60 40 V V isocratique D tecteur balayage 200 315 nm d tection 245 nm Dur e d analyse 15 min Temps de r tention du diuron 4 9 min 7 2 Mol cules marqu es Leclerc 2004 Les chantillons de sol sont pr alablement s ch s temp rature ambiante et tamis s 3 93 mm 300 La solution de dopage C14 Diuron est pr par e dans du chlorure de calcium CaCl2 0 01 M Sa radioactivit est de 19794 DPM mL soit environ 500 pg L 10 mL de cette solution sont ajout s cinq grammes de sol plac s dans des tubes centrifuger e
305. ion Total g 65 3 8 0 73 3 mg 40 1 24 1 64 2 Me 0 40 13 1 2 0 15 2 Me 0 40 11 1 7 1 18 1 Me 30 40 50 Me 30 40 34 Les masses calcul es l exutoire sugg rent elles aussi qu une partie du flux de Diuron transport par ruissellement s adsorbe pendant la phase de dopage En effet on constate que la masse de Diuron quantifi e l exutoire est inf rieure la masse de Bromure quantifi e pendant la m me p riode L cart est inf rieur l cart constat sur les concentrations mais il est significatif Les masses calcul es confirment aussi qu une quantit de Diuron significativement sup rieure la quantit de Bromure sort pendant l lution traduisant le processus de d sorption voqu pr c demment On constate qu il n y a pas de r tention sup rieure du Diuron sur l ensemble dopage lution traduisant ainsi une apparente r versibilit de la r action d adsorption sur le substrat pr sent en surface Masses de Diuron et de Bromure percol es 50 cm de profondeur Les quantit s de mati re percol es 50 cm sont estim es partir des concentrations mesur es dans les lysim tres atmosph riques Celles ci sont repr sent es dans la Figure V 4 Les chantillons analys s correspondent des cumuls Sur la figure chaque palier de concentration repr sente une mesure 212 Dopage Elution Dopage Elution Sa TE si R
306. ion and weathering caused by complexation in a forest Cambisol on loess as revealed by a soil solution study Eur J Soil Sci 51 475 484 Brandi Dohrn F M R P Dick M Hess and J S Selker 1996a Field evaluation of passive capillary samplers Soil Sci Soc Am J 60 1705 1713 Brandi Dohrn F M R P Dick M Hess and J S Selker 1996b Suction cup sampler bias in leaching characterization of an undisturbed field soil Water Resour Res 32 5 1173 1182 Brown K W J C Thomas and M W Holder 1986 Development of a capillary wick unsaturated zone water sampler Coop Agreement CR812316 01 0 U S Environ Protection Agency Environ Monit Syst Lab Las Vegas N V Domange N C Gr goire V Gouy and M Tr moli res 2004 Etude du viellissement des c ramiques poreuses sur leur capacit a valuer la concentration de pesticide en solution C R Geoscience 336 49 58 England C B 1974 Comments on a technique using porous cups for water sampling at any depth in the unsaturated zone by Warren W Wood Water Resour Res 10 5 Fleming J B and G L Butters 1995 Bromide transport detection in tilled and nontilled soil solution samplers vs soil cores Soil Sci Soc Am J 59 5 1205 1216 Fl hler H M S Ardakani and L H Stolzy 1976 Error propagation in determining hydraulic conductivities from successive water content and pressure head profiles Soil Sci Soc Am J 40 830 8
307. ion associ e est suppos e normale 2 2 3 3 Calcul de l incertitude compos e Les sources d incertitude list es ci dessus sont ind pendantes et reli es de fa on additionnelle L incertitude compos e est calcul de la fa on suivante U Pi zom trie 4 3 U Pi zom trie 1 5 cm La valeur ci dessus correspond un niveau de confiance de 68 L incertitude absolue largie sur la mesure de la pi zom trie est de 3 cm au niveau de confiance de 95 La valeur correspondante 99 7 c est dire l cart maximal correspondant est de 4 5 cm 2 2 4 Humidim trie capacitive 2 2 4 1 Identification du mesurande et des incertitudes type Le mesurande est la teneur en eau volumique du sol d termin e par des sondes Campbell CS616 Campbell Scientific 2002 partir de la vitesse de propagation d une onde lectromagn tique traduite par une p riode d oscillation d un signal lectrique La p riode du 258 signal est mesur e par un automate CR10X La teneur volumique en eau TVE est estim e partir de la p riode X via une relation de calibration empirique de type quadratique TVE a bX cX Les coefficients a b et c sont issus d un ajustement sur des points exp rimentaux Les sources d incertitude sont les suivantes e sources associ es au capteur CS 616 o la variabilit sol sol correspondant l incertitude sur l quation de calibration o
308. ion consid r e pour l v nement naturel correspond la concentration calcul e apr s dilution par la pluie ol Tableau V 13 Concentration en solution ug L calcul e par application de la loi d adsorption instantan e aux donn es exp rimentales Les concentrations mesur es sont indiqu es pour comparaison Csortie Source des K Ev artif Ev nat ug L donn es L kg Ce 93 ug L Ce 10 ug L 0 20cm 2min 2 6 40 4 4 3 calcul e 0 20cm 24h 14 0 11 6 1 3 V g taux 24h 37 0 4 8 0 5 mesur e 42 0 8 0 L utilisation du coefficient de partage d termin en laboratoire pour un ratio massique sol eau de 2 dans l horizon 0 20 cm et pour un temps de contact de 2 min s av re assez pertinente pour estimer l abattement de concentration que l on peut attendre la surface d une bande enherb e La valeur calcul e est tr s proche de la valeur mesur e lors de l v nement artificiel Elle l est moins de la valeur mesur e lors de l v nement naturel la concentration mesur e aurait due tre plus faible Cependant ceci ne remet pas en question selon nous l hypoth se de la dilution par la pluie ni celle d une adsorption de surface Cela peut tre simplement imput l incertitude sur la donn e exp rimentale qu on sait importante pour cet v nement relativement aux carts de concentration discut s ici Cela peut aussi tre attribu la diff rence existant dans l hydrodynamique des deux
309. ion de la bande par l uniformisation du relief ou l implantation en courbe de niveau soit par un dispositif sp cifiquement d di cet effet Une digue cassant l coulement arrivant de l amont associ e de petites fosses pouvant d border de fa on uniforme sur la bande peuvent jouer ce r le cf Figure 1 4 Fields Forested Riparian Buffer ae Level i rr Spreader ditch Erosion fabric Gravel Diversion berm Level spreader Figure I 4 Dispositif propos aux Etats Unis pour la dispersion des coulements en amont d une bande enherb e USDA NRCS 2000 40 iii Le troisi me crit re ne concerne que les bandes rivulaires et porte sur la ramification du r seau hydrographique l am nagement des rives est d autant plus efficace que les volumes de ruissellement intercept s sont grands Les auteurs am ricains montrent que la plupart du volume transitant dans une rivi re est recueilli au niveau des petits ruisseaux dans les parties hautes du bassin ruisseaux temporaires ou d ordre un et deux C est donc cette cat gorie de ruisseaux qu il faudra prot ger prioritairement La protection des cours d eau d ordre sup rieur trois ou quatre peut n avoir qu un effet tr s limit sur la qualit du cours d eau car la surface ruisselant directement sur cette zone sera n gligeable l chelle du bassin versant Jusqu a maintenant aucun r sultat n a t
310. ions du dessin sont celles des syst mes r els Ordonn es Y cm 300 100 100 300 500 Placette instrument e ae 400 f 1 L 1 1 f L a s i le f 200 1004 Lysim tre 00 os E Tensiom tres N 0 Humidim tres 0 Cy y wa o i Z i amp 200 4 oH a 100 5 ne o me 8 E je E x400 moo 200 lt Pi zom tres gt 6 600 wn 300 T T T T T EENAA j T T T T T T i Tir tT 2 4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ago Abscisse X cm 1000 Transect de mesure 1 gt a Lysim tre 1200 Tensiomeire e Pi zom tre Humidim tre 1400 Figure II 22 Implantation des diff rents syst mes de mesure de subsurface coupe longitudinale gauche et vue de dessus droite Les diff rents syst mes de mesure ont t r partis de fa on fournir une image repr sentative de flux qu on suppose a priori bi dimensionnels En l occurrence on suppose une certaine homog n it dans la largeur de la placette axe Y La plupart des syst mes ont de ce fait t install s dans un m me plan orient dans le sens de la pente La Figure IL 22 montre que ce plan passe sur le cot droit de la placette et non au centre de celle ci les termes droit et gauche sont utilis s comme en hydraulique fluviale c est dire en se positionnant dans le sens de l coulement Ce choix s explique par notre volont d installer le
311. ique saturation et en r gime non satur Les mesures saturation montrent l existence d une diff rence significative de capacit de r tention saturation entre le mat racinaire et le sol sous jacent Les mesures de porosit sugg rent une diff rence entre les horizons 50 60 cm et 70 80 cm mais celle ci est discutable car peu marqu e En revanche les mesures faites en r gime non satur montrent une diff rence nette de comportement entre les horizons 50 60 cm et 70 80 cm au voisinage de la saturation b Interpr tation extrapolation Le jeu des donn es hydrodynamiques disponibles pr sente des lacunes le profil n a pas t caract ris de fa on homog ne les horizons caract ris s ne l ont pas t de fa on exhaustive c est dire en r gime satur et non satur du point de vue de leur capacit de conductivit et de leur capacit de r tention et le nombre de r p titions est faible Ceci am ne les trois questions suivantes e Quelles courbes K h et Oh attribuer l horizon 0 10 cm dans la mesure o celles ci n ont pas t d termin es et o les mesures de perm abilit et de r tention saturation sugg rent une structure tr s diff rente des horizons sous jacents e Quelle discr tisation faut il faire de la couche 10 60 70 cm e Quelles propri t s hydrodynamiques attribuer au sol sous jacent de la zone caract ris e c est dire pour des profondeurs sup rieur
312. ique Il fournit par ailleurs quelques l ments d ordres technique et conomique concernant l implantation localisation et dimensionnement et l entretien des zones tampons mais ne propose pas de m thodologie quantitative La revue de Dosskey 2001 fait galement tat de quelques r sultats concernant les pesticides mais ce n est pas son objet principal 1 2 Des capacit s d interception int ressantes mais variables Le Tableau I 1 pr sente les derniers travaux portant sur la r tention des pesticides par les bandes enherb es en compl ment des synth ses bibliographiques pr c demment publi es Muscutt et al 1993 Patty 1997 USDA NRCS 2000 Les r sultats pr sent s montrent que les bandes enherb es peuvent tre tr s efficaces pour dissiper les flux de phytosanitaires pr sents dans le ruissellement de surface Cependant on constate une grande variabilit dans les r sultats d j soulign e par ailleurs Dosskey 2002 Son interpr tation est d licate 22 Tableau I 1 Synth se des r sultats concernant la dissipation des produits phytosanitaires dans les bandes enherb es R f rence bibliographique Arora et al 1996 Webster and Shaw 1996 Patty et al 1997 Lowrance et al 1997 Tingle et al 1998 Rankins et al 2001 Vellidis et al 2002 Chambre d Agriculture du Vaucluse 2000 Spatz et al 1997 Souiller et al 2002 Syversen and Bechmann 2003 Kl p
313. ique utilis est donc primordiale et l exponentielle de Gardner appara t sur ce point tr s limitante En comparaison l erreur probable associ e au param tre surface du collecteur est plus faible En effet elle varie sur une gamme 3 8 pour l Ida Silt Loam et 15 15 pour le Rehovot sand pour une gamme d erreur test e 1 1 cm sur le rayon effectif de collecte L cart entre les deux sols s explique en partie par le fait que les surfaces de collecte de r f rence sont diff rentes cf Table II exprim e en terme de ratio surfacique la gamme test e devient 25 22 pour l Ida silt loam et 45 37 pour le Rehovot sand On d duit de ces r sultats que le syst me permet une certaine tol rance sur la qualit du contact entre la m che et le sol et sur la r partition des brins de m che sur la surface du collecteur L erreur probable associ e au param tre longueur de m che Z varie sur une gamme 1 2 pour l Ida Silt loam et 18 21 pour le Rehovot sand pour une gamme test e de 3 3 cm Cette erreur est donc plut t faible pour l Ida silt loam mais significative pour le Rehovot sand Cette diff rence s explique selon Rimmer et al 1995 par l cart non nul existant entre les longueurs capillaires param tre a du Rehovot sand et de la m che PEP 1 2 L erreur probable li e la pr sence d une limite horizontale potentiel atmosph rique proxim
314. is au contraire hautement corr l es r 1 Bouy et al 2000 L expression compl te est la suivante Bouy et al 2000 U Q H U a a H In HY U b a H b U H 2aH In H cov A B 253 amp U Q H U a a H In HY U b a H b U AH 2aH In H rU a U b 1 0 Uo exman e 2 2 n HDrU aU b Q a b H a A N U a 0 01xa U b 0 01Xb U H 1 46 r l L application de cette relation dans le calcul d une incertitude relative largie un niveau de confiance de 95 est illustr e par la Figure VI 11 30 Qentr e Uc f H Qsortie Uc f H Qsortie Uc f H a b Qentr e Uc f H a b 25 4 20 4 Incertitude relative a 95 D bit L s Figure VI 11 Courbe d incertitude relative 95 sur la mesure de d bit en fonction du tirant d eau mesur dans le canal jaugeur On note que l incertitude d talonnage pr domine pour les forts d bits et conduit une incertitude globale relativement forte de l ordre de 15 On sera prudent quant l utilisation de ces valeurs d incertitude car l information fournie par le constructeur relative l quation d talonnage est tr s partielle et a n cessit de faire des hypoth ses arbitraires demandant en principe un travail d valuation exp rimentale sp cifique Bouy et al 2000 2 2 1 4 Calcul de l incertitude compos
315. is sur le site exp rimental au cours de la th se e La mod lisation du transport des pesticides l chelle macroscopique de la bande enherb e reste mener Dans un premier temps les probl mes d erreur num rique rencontr s avec le mod le Hydrus 2D doivent tre surmont s Le mod le devrait permettre de valider les hypoth ses formul es sur le transport et la r tention du Diuron dans la zone racinaire et notamment de valider l hypoth se selon laquelle le transport pr f rentiel observ n est pas incompatible avec une r tention par adsorption Dans un second temps la repr sentation explicite du transport et de l adsorption dans le ruissellement de surface devra tre envisag e On note que la prise en compte d une cin tique d adsorption non instantan e permettrait de valider l hypoth se mise sur la variabilit de la r tention que l on peut attendre la surface d une bande enherb e en fonction des caract ristiques chimiques de la mol cule consid r e et d viter des r p titions exp rimentales co teuses e Les hypoth ses propos es concernant la contribution variable de la macroporosit pourraient tre valid es par mod lisation l aide d un mod le double perm abilit comprenant un couplage diff renci de ces deux domaines avec l coulement de surface Ce couplage pourrait tre bas sur un seuil de hauteur d eau ruisselante contr lant la contribution de la macroporosit
316. it de la m che varie sur une gamme 4 17 pour I Ida silt loam et 11 20 pour le Rehovot sand pour une gamme de surfaces test e 20 100 Ces r sultats confirment le fait qu une limite horizontale potentiel atmosph rique peut perturber sensiblement le fonctionnement d un lysim tre m che m me s il a t correctement dimensionn en induisant une accumulation des flux non satur s qui sur alimente artificiellement le lysim tre Cet impact sera d autant plus important si le lysim tre a t mal dimensionn la base et a d j tendance a induire une convergence des lignes de courant ce qui est le cas du Rehovot sand Sur le plan pratique on en d duit premi rement que l excavation de mise en place des lysim tres doit tre creus e selon des dimensions aussi proches que possible de celles du lysim tre Deuxi mement qu il faut viter d installer un lysim tre proximit de toute limite susceptible d induire une accumulation d eau par exemple un horizon peu perm able ou l interface entre un mat riau fin et un mat riau grossier effet de barri re capillaire Troisi mement que l association d un lysim tre m che et d un 284 zero tension pan samplers Boll et al 1997 peut induire un surestimation des flux pr lev s par le lysim tre m che A noter ces diff rentes sources d erreur ont t valu es ind pendamment En r alit elles peuvent a priori
317. it des pluies simul es par ces derniers nettement sup rieure aux pluies observ es et par la diff rence d chelle d investigation les simulations ayant t faites sur des microparcelles de quelques m tres carr s Les d bit et volume des coulements enregistr s l exutoire de la parcelle de vigne et re us par la placette exp rimentale sont pr cis s dans la Figure II 10 8400 4000 10 Volume A A D bit maximal La v a PE E 2000 x Oo 14 E z 5 J A a a 2 j a ATA a a lg J 0 Past meee a T a a A 0 12345 67 8 9 10111213141516 Figure IL 10 Description des v nements ruisselants quantifi s l exutoire de la parcelle de vigne Les d bits maximaux mesur s sont pour la majorit des v nements inf rieurs 2 L s Ceci est inf rieur aux d bits attendus a priori de mani re coh rente avec le coefficient de Ne ruissellement observ sur la parcelle de vigne Le volume des v nements est pour la plupart de l ordre de 1 m Les v nements sont en g n ral tr s brefs car li s des pluies d orages elles m me courtes seules susceptibles d induire un ruissellement de surface sur la parcelle de vigne du fait d une grande perm abilit de surface Des hydrogrammes de ruissellement enregistr s sur le site exp rimental sont pr
318. it imm diate de la surface le sol est d crit par des mailles de m me largeur et de hauteur 1 cm Les mailles les plus grandes situ es la base du domaine sont des triangles quilat raux de 30 cm de cot 2174 X R NE RNS POSES P K VANAT A SN RAS OL A TATANA AA AA AVAE A LEARN EEE vay VAVAVAN A POS A A RTI RRO SONT AT PAPA PA A A AACR OEE LORIE RARER REY CY DERE EEE OAD AB ADADO OE AION DORR SERS ER ORR VA VA BRIOOOCO OOOO EERE ERECTA TN EERIE SPE ASKER EROS A ERYOOVAASEE YEAR AOE ROSS OBALDEAAAERISPHAAZO A D A A A PA AAA ete CRS SERRE RER ORPI ERA RSR SERRE ic XID RES PEE EI RINER AS NE NN RSS DER ERREUR PET AR RIRUOE ER SAORI LEELA RIES AAAN AIRE P OCEZ VP AVAVA ZAVA AN AANANAXANRIY ZLERXDPOVVEK Figure IV 22 Maillage utilis dans le mod le plan longitudinal Vue rapproch e de la surface du sol On choisit de ne pas repr senter explicitement les lysim tres On fait hypoth se que la surface des collecteurs est trop faible pour influencer significativement l infiltration l chelle de la placette 2 1 1 2 Conditions initiales L tat initial du domaine est d fini en terme de potentiel matriciel Il est d duit des mesures de potentiel des mesures pi zom triques et des mesures humidim triques faites avant l v nem
319. itial mterm diaire 2 53ssiseshelhiiuselsiieleislsedterieiteeieiunes 185 Figure IV 34 Variations de stock de la couche 0 50 cm mesur e et simul e avec les deux configurations TELEMUCS a 2h nee rte lt evsadontenkcduedevantacdenaedossiwendscccnscusidenahion duis sin dem tds est usc danesidieceven oudewecdvddevbaducdensees 185 Figure IV 35 Bilan des flux instantan s entr s sortis et stock s dans la zone racinaire au cours de l v nement LE QI RS RE EE EE ET RE PR SE tus EE EE EL incarnate 187 Figure IV 36 Flux ruissel en surface et dans le mat simul avec les param tres moyens mesur s 188 Figure IV 37 Comparaison des potentiels simul et mesur sous la placette en X 240 cm secc 189 Figure IV 38 Courbes isopotentielles simul es par le mod le longitudinal l instant t 180 minutes 190 Figure IV 39 Variations de stock dans la couche 0 50 cm mesur e et simul e 0 ceeeceeeeeeseeeeetteeeeeeees 191 Figure IV 40 Bilan des flux instantan s entr s sortis et stock s dans la zone racinaire au cours de l v nement ALE CLE los deseduscsenecenedencuesscepeuennstweusy caeeatenadinenescdenancnn Uereksvedencucnedsreuvaccrpadensubbeuvbeusporeneddnesibcaeveneneatnedvicess 192 Figure IV 41 Contours du domaine plan transversal Les limites de la placette et la position du transect pi zom trique sont donn es titre indicatif si 194 Figure IV 42 Maillage du domaine plan trans
320. l exutoire simul par le mod le est illustr dans la Figure IV 36 350 e Mesure 300 Surface Mat racinaire g 250 5 E 200 4 o E 2 150 o 2 5 100 4 50 4 0 50 100 150 Temps min Figure IV 36 Flux ruissel en surface et dans le mat simul avec les param tres moyens mesur s Le mod le surestime largement le ruissellement de surface La diff rence d intensit entre ruissellements simul et mesur est d environ 100 mm h Le flux infiltr dans le sol est sous estim d autant La vitesse de propagation dans la placette est de ce fait galement surestim e Le ruissellement simul survient l exutoire 20 minutes trop t t par rapport au ruissellement observ Ceci tait en partie pr visible dans la mesure o le flux infiltr stabilis mesur est sup rieur la perm abilit mesur e dans l horizon 10 30 cm et utilis e dans le mod le Toutefois ce r sultat montre que les flux lat raux se produisant dans le plan longitudinal entre 0 et 30 cm ne sont pas suffisants pour vacuer le refus d infiltration dans 30 cm contrairement ce qui a t sugg r dans l analyse des r sultats exp rimentaux 188 La comparaison avec le r alisme relatif de la mod lisation de l v nement naturel sugg re que des processus non ou peu contributifs lors de l v nement naturel le deviennent lors de l v nement artificiel et q
321. l la pr sence d coulements lat raux diff rentes profondeurs des coulements tr s importants dans le mat racinaire des coulements dans l horizon 10 30 cm et des coulements plus profonds dans la zone initialement satur e 1 3 Conclusions de l analyse exp rimentale Les observations exp rimentales permettent de constater les points suivants e La capacit d infiltration de la placette est tr s importante de l ordre de plusieurs centaines de millim tres par heure Elle peut cependant tre diminu e si la nappe remonte comme c est le cas pour l v nement artificiel e Les flux percol s en dessous de la zone racinaire sont tr s importants Notamment on peut estimer qu un flux quivalent au flux infiltr s est propag au del de cette profondeur 24 heures apr s la fin de l v nement e La propagation des flux dans la zone racinaire est tr s rapide de sorte que la percolation sous la zone racinaire appara t peu de temps apr s le d but de l v nement L analyse des observations sugg re par ailleurs les points suivants e Le ruissellement est certainement h t rog ne tant du point de vue de la lame d eau effective la surface de la bande que de l existence possible d une chenalisation des coulements e Le ruissellement capt l exutoire est probablement la somme d un flux de surface et de flux lat raux dans le mat racinaire e Il existe probablement une macro
322. l est bien ma tris e Cette mod lisation concerne aussi une chelle m soscopique interm diaire entre l chelle des mesures hydrodynamiques et l chelle macroscopique du syst me exp rimental La capacit des param tres hydrodynamiques ajust s sur les mesures locales rendre compte des flux sortant de la zone racinaire est valu e ainsi que la discr tisation du profil de sol Ce premier travail permet aussi de discuter des hypoth ses de mod lisation pr sent es pr c demment Test et validation du mod le de ruissellement infiltration une chelle macroscopique La mod lisation des flux d eau et de pesticides l chelle macroscopique du syst me exp rimental est envisag e sur deux v nements contrast s Elle s appuie dans un premier temps sur les param tres et hypoth ses valid s l chelle m soscopique Les hypoth ses de mod lisation sont nouveaux discut es cette chelle macroscopique notamment la repr sentation du ruissellement de surface Par manque de temps les param tres ajust s ne sont pas valid s sur d autres v nements _ 52 Chapitre Il Mat riels et m thodes Nous pr sentons ici la m thodologie exp rimentale mise en uvre les syst mes de mesure install s in situ l utilisation qui en a t faite les protocoles utilis s pour caract riser les propri t s intrins ques du milieu tudi Nous pr sentons aussi les outils de mod lisation uti
323. l et r pondant aussi l ensemble de nos objectifs savoir repr senter explicitement le ruissellement de surface et des flux bidimensionnels dans le sol Utilisation de l quation d onde cin matique On fait l hypoth se que l quation d onde cin matique permet de rendre compte de fa on satisfaisante du ruissellement se produisant la surface d une bande enherb e Ce choix se base sur la litt rature montrant que des mod les d onde cin matique ont t ajust s avec succ s et m me valid s sur des pisodes de ruissellement observ s sur substrat enherb Abu Zreig et al 2001 Deletic 2001 Mu oz Carpena et al 1999 50 L quation d onde cin matique est une repr sentation mono dimensionnelle Elle suppose implicitement que le ruissellement est uniforme sur toute la largeur du syst me consid r Ceci implique que la rugosit hydraulique est suppos e uniforme ainsi que la topographie De telles hypoth ses ne sont probablement pas totalement r alistes et des mod les repr sentant l impact de la microtopographie sur l uniformit du ruissellement existent Esteves et al 2000 mais la r solution qui y est faite de formes moins d grad es des quations de Barr de Saint Venant reste lourde sur le plan num rique et co teuse en terme de param tres renseigner Utilisation d une repr sentation 2D des flux dans le sol L quation de Richards peut tre r solue en une deux o
324. la derni re partie nous pr sentons et discutons les r sultats obtenus quant l incertitude existant sur la mesure des flux avec un lysim tre m che Tubes d extraction des chantillons et de mise pression atmosph rique Fibres en contact avec le sol Support de la m che Cavit d installation Tube contenant la m che Bidon de collecte des chantillons Figure 1 Schema d un lysim tre m che 271 3 2 D finition du probl me presentation des sources d incertitude potentielles 3 2 1 Aspects th oriques commentaries sur la m thode de Knutson and Selker 1994 Nous nous basons sur ces quations car ce sont les plus largement utilis es En effet les d veloppements ult rieurs de Rimmer 1995 restent peu utilis s et conduisent des r sultats assez similaires Ces quations s appuient de fa on classique sur l quation de diffusivit de Richards La r solution de cette quation d pend des mod les math matiques utilis s pour d crire les relations d tat reliant potentiel matriciel et teneur en eau h 6 conductivit hydraulique et teneur en eau KX h Plusieurs mod les math matiques plus ou moins complexes ont t propos s dont une loi exponentielle Gardner 1958 K D ek e 1 o K L T est la conductivit hydraulique A L est le potential matriciel K L T est la conductivit hydraulique saturation et a L est un param tre empirique L int r t d
325. la limite lat rale gauche de la placette Les r sultats sont pr sent s dans le Tableau III 6 On distingue le temps d apparition du temps de stabilisation de l coulement enregistr 50 cm Tableau II 6 Flux instantan s mesur s en r gime permanent en surface et 50 cm de profondeur collecteur 1 collecteur 2 sur les diff rents profils quip s de lysim tres atmosph riques L incertitude sur la moyenne correspond l cart type E F G H X 35 cm _ X 210 cm X 385 cm X 560 cm Moyenne Apparition min 8 5 3 16 16 11 13 10 Temps Incertitude min 2 1 6 2 1 mesur s Stabilisation min 29 9 5 43 49 20 28 17 incertitude min 8 2 1 3 5 3 2 Flux Surface mm h 750 880 325 810 690 250 stabilis _z 50 cm mm h 90 75 330 370 50 60 115 155 140 On constate que les mesures de flux r alis es 50 cm se r p tent assez bien localement Il existe en revanche des carts sensibles entre certains profils en surface et 50 cm de profondeur Ainsi en surface les profils F et H se distinguent des profils E et G par des flux trois 4 quatre fois sup rieurs A 50 cm seul le profil F se distingue avec des valeurs 120 de flux trois quatre fois sup rieures Ces carts de flux sont coh rents avec la dispersion des perm abilit s mesur es On note cependant que la majorit des profils caract ris s pr sente 50 cm de profondeur des flux du m me ordre de
326. la mesure de pression d tails en annexe 2 Une v rification a t effectu e sur le terrain en juin 2004 une fois les canaux jaugeurs et les capteurs de pression en place de fa on tenir compte d une erreur ventuelle dans le positionnement de la valeur z ro r sultant d un mauvais positionnement de la prise de pression dans le canal jaugeur Nous avons pour cela relev la hauteur d eau mesur e par les capteurs d bit nul et pour diff rentes valeurs de d bit Les mesures de d bit manuelles ont t r alis es par volum trie Ces points de v rification illustr s par la Figure 11 17 ont permis de d terminer une correction appliquer aux mesures par rapport au z ro a priori 6 mm pour le d bitm tre de sortie et 8 mm pour le d bitm tre d entr e De plus une nouvelle v rification du d bitm tre d entr e a t effectu e en mars 2005 lors d une exp rience de pompage d bit constant de dur e 2 heures de fa on identifier une d rive ventuelle du syst me de mesure 68 La mesure automatique de d bit renvoie une valeur moyenne sur 2 heures de 2 3 L s cart type de 0 6 L s confirm e par deux mesures manuelles au seau de 2 1 et 2 3 L s 8 Venturi d entr e 7 J Venturi de sortie A Mesure manuelle Hauteur d eau dans le Venturi cm 13 33 36 13 48 00 14 02 24 12 50 24 13 04 48 13 19 12 Temps Figure II 17 D termination in situ du z ro des d
327. la pr cision o la r p tabilit o la r solution e sources associ es l automate CRIOX pr cision et r solution de la mesure de p riode 2 2 4 2 Quantification des incertitudes type La fiche technique du constructeur Campbell Scientific 2002 fait tat des valeurs d incertitude suivantes que l on assimile des carts maximaux e Variabilit sol sol 0 5 de TVE en sol sec et 1 5 de TVE en sol satur On peut supposer que la distribution associ e est rectangle e Pr cision 2 5 de TVE auquel on peut associer une distribution normale e R p tabilit 0 05 de TVE auquel on peut associer une distribution normale e R solution 0 1 de TVE auquel on peut associer une distribution rectangle e L incertitude associ e la mesure de la p riode par l automate est inconnue On la supposera n gligeable On note que la valeur d incertitude associ e la pr cision pose question On ne sait pas tr s bien ce que repr sente cette valeur car la pr cision de mesure de la p riode nous est apparue bien meilleure Selon nous la source principale d incertitude est la relation de calibration Viennent ensuite des facteurs tels que la structure du sol volumes de vide cailloux et le positionnement de la sonde dans le sol parall lisme des guides d onde Ces derniers facteurs n interviennent pas sur la mesure de p riode mais sur la validit de la relation p riode teneur en eau et indui
328. la surface libre qui varie selon l humidit du flotteur en polystyr ne 257 e la d termination de la cote du tube pi zom trique dans le r f rentiel local 2 2 3 2 Quantification des incertitudes type e L incertitude associ e a la lecture du m tre est une erreur de r solution d cart maximal 1 mm La distribution associ e est rectangle Pour un des pi zom tre qui a t endommag il faut aussi tenir compte d une incertitude d amplitude 1 cm associ e la section du tube coup e en biais La distribution associ e est rectangle e L cart maximal associ la verticalit du m tre est estim 1 cm et la distribution associ e est suppos e normale e L cart maximal associ la d termination de la profondeur d immersion du flotteur est estim 1 cm La distribution associ e est suppos e normale e _L incertitude associ e au relev des tubes pi zom triques au niveau bulle correspond au relev de chaque tube et au relev de la cote de r f rence Comme pr c demment on consid re une incertitude li e la graduation de la mire dans le relev du tube et celui de la cote de r f rence et et une incertitude li e aux irr gularit s du sol au niveau de r f rence L cart maximal associ la graduation de la mire est de 1 cm et la distribution correspondante est de type rectangle L cart maximal associ aux irr gularit s du sol est de 3 cm et la distribut
329. la valeur a par la valeur du pourcentage appropri pour le niveau de confiance donn exemple un intervalle 95 est donn 26 donc o a 2 un intervalle 99 7 est donn 30 donc o a 3 Si l incertitude est donn e sous forme d un cart type s d un cart type relatif sx x tant la moyenne ou d un cart type CV sans sp cifier la distribution il convient d utiliser les formules respectives suivantes u x s u x x s x u x x CV 100 Si les limites a sont donn es sans intervalle de confiance que des valeurs extr mes sont probables ou qu il n y a aucune indication a priori sur la forme de la distribution il convient de supposer que celle ci est rectangulaire avec un cart type de a V3 Enfin si les limites a sont donn es sans intervalle de confiance mais qu on sait que des valeurs extr mes sont improbables il convient de supposer que la distribution est triangulaire avec un cart type de a V6 2 1 2 2 Estimation de l incertitude compos e Lorsque les variables sont ind pendantes la formule g n rale de l incertitude compos e est la suivante 2 a VL u y J crua DES u x i l n i l n i ou y x X2z est une fonction de plusieurs variables ind pendantes x c est un coefficient de sensibilit gal la diff rentielle partielle de y par rapport x Lorsqu une contribution l incertitude est associ e la proc dure globale ou lorsque lincer
330. laboratoire Par ailleurs le syst me de canne mixte associant du tube souple et rigide fourni par la soci t SDEC France a montr des d faillances notoires le tuyau flexible est trop souple et se pince sous l effet de la d pression De plus son diam tre est trop petit pour permettre la remont e des bulles d air issues du d gazage de la colonne d eau Ainsi ce syst me original et a priori int ressant s est av r finalement peu adapt une utilisation au champ 1 1 4 2 Caract risation de la propagation du ruissellement de surface L utilisation des capteurs tensiom triques Watermark pour caract riser la vitesse de propagation du ruissellement de surface s est av r e inadapt e au suivi des v nements naturels En effet les capteurs situ s la surface du sol taient aveugl s satur s par la pluie bien avant l arriv e du ruissellement et n taient donc pas en mesure d enregistrer celui ci Le syst me a en revanche bien fonctionn lors des simulations de ruissellement r alis es sans pluie 83 1 1 4 3 Les lysim tres m che La capacit des bidons utilis s dans les lysim tres m che est insuffisante pour la surface des collecteurs utilis s de sorte qu ils ont d bord lors des v nements importants Ceci rappelle l importance du dimensionnement de tels dispositifs En l occurrence nous ne disposions pas des mesures de perm abilit du sol qui avait t largeme
331. laquelle les concentrations en entr e sont constantes et comparables pour le Bromure et le Diuron Ce r gime d injection stabilis semble avoir induit une concentration galement stabilis e dans le ruissellement l exutoire entre les instants t 34 min et t 44 min cf Figure V 3 On note que ceci est coh rent avec le temps de propagation constat du ruissellement entre l entr e et la sortie de la placette valu 1 minute 20 sec lors de cet v nement cf chapitre IV On v rifie pendant cette p riode restreinte que le traceur est bien conservatif et qu il n y a pas de ph nom ne de dilution la concentration en Bromure l exutoire 93 95 mg L est tr s proche de la concentration en Bromure inject e 93 106 mg L On constate en revanche que la concentration en Diuron l exutoire 39 44 ug L est inf rieure la concentration en Diuron inject e au m me moment 92 93 ug L ainsi qu la concentration en Bromure mesur e l exutoire au m me moment abstraction faite de la diff rence d unit La concentration en Diuron l exutoire quivalente 45 de la concentration en Diuron inject e et de la concentration en traceur mesur e l exutoire montre un processus d adsorption du Diuron la surface de la placette On constate que la concentration en Diuron se maintient plus longtemps que la concentration en Bromure pendant la phase d lution succ dant au dopage Ceci sugg re qu un
332. le signal Une autre source d incertitude potentielle est le parall lisme des guides d onde Campbell Scientific 2002 Si ceux ci sont d vi s par des cailloux lors de l insertion le signal est directement affect Or l exp rience montre que les broches sont relativement souples et qu elles d vient fr quemment Mais cet impact n a pas pu tre quantifi Le capteur mesurant entre 0 et 15 cm a t ins r 45 depuis la surface du sol Les capteurs install s 25 cm et 40 cm ont t install s horizontalement depuis la tranch e ouverte cot de la placette e Pi zom trie Les pi zom tres ont t r alis s l aide de tuyaux de hauteur 4 m Toutefois sur trois des quatre profils la pr sence de cailloux et l outil utilis la tari re manuelle n a pas permis d enfoncer le tube int gralement limitant ainsi la zone de mesure Les tubes sont en PVC d assainissement et de diam tre 63 mm Les tuyaux sont cr pin s leur base sur un m tre de haut Des fentes de 1 mm ont t r alis es la scie m taux et compl t es par un g otextile pour emp cher le colmatage du pi zom tre Le trou de mise en place est rempli avec du sable au niveau de la zone cr pin e avec du sol remani au dessus et un bouchon de bentonite est r alis en surface pour viter les courts circuits hydrauliques dans le mat riau de comblement Le niveau de la surface libre est mesur manuelleme
333. le de ruissellement utilis dans le chapitre IV ne repr sentant pas le transport des solut s ce deuxi me objectif a t abord l aide de calculs simples de type batch 2 3 1 Etude de la dilution par la pluie On souhaite savoir si le processus de dilution ne peut expliquer l abattement de concentration observ entre le ruissellement entrant et le ruissellement sortant lors de l v nement naturel Des hypoth ses d homog n it spatiale des flux plus ou moins fortes sont utilis es pour permettre l criture d quations analytiques simples On consid re des flux moyens constants dans le temps l chelle de l v nement 217 Bilan sur un r servoir unique Tout le flux ruissel entr dans la placette est suppos se m langer avec la pluie incidente tombant sur la placette l infiltration intervenant apr s le m lange On ne tient donc pas compte des pertes par infiltration dans le calcul de la dilution et du fait que seule la fraction non infiltr e du ruissellement se m lange effectivement avec la pluie On crit les deux quations de conservation de la masse V1 Q 0 P V2 Q xC 0 xC o Q est le flux d eau ruissel moyen entr dans la placette L T Q le flux d eau ruissel moyen sorti de la placette L T P le flux de pluie moyen tomb sur la placette L T Cela concentration en solut moyenne en entr e de placette M L et C la concentration en sol
334. lement l exutoire de la placette cro t progressivement alors que le d bit inject en entr e reste quasiment constant Ceci signifie que la capacit d infiltration diminue progressivement au cours de l v nement de 370 mm h 140 mm h On constate ensuite une phase de r gime stabilis pendant laquelle le ruissellement l exutoire se maintient 200 mm h ce qui correspond une infiltration de 140 mm h A ce stade on suppose que cette courbe d infiltration r sulte classiquement de la diminution du gradient hydraulique au voisinage de la surface du sol comme le pr voit la th orie de l infiltration en sol homog ne La valeur asymptotique du flux correspond alors la conductivit saturation de la surface du sol Lors des interruptions de l injection on constate que le retard entre le signal mesur en entr e et le signal mesur l exutoire est de 1 min 20 sec Ceci confirme qu une fois tabli l coulement de surface pr sente une vitesse lev e On note en outre que ce temps de propagation est inf rieur au temps quivalent estim lors de l v nement naturel ce qui traduit une vitesse d coulement sup rieure dans le cas de l v nement artificiel Propagation l int rieur de la placette La propagation de l coulement de surface est renseign e indirectement par les humidit s mesur es dans la couche 0 15 cm et par les mesures faites l aide des capteurs Watermarks qui i
335. lement de surface est h t rog ne Ceci est par ailleurs coh rent avec le fait que la variation d humidit constat e lors de l v nement naturel sur ces trois profils s explique enti rement par l apport de pluie c Dynamique de propagation dans le sol Variation de stock dans l horizon 0 50 cm La variation moyenne de stock dans l horizon 0 50 cm durant l v nement est estim e partir des mesures d humidit faites en continu sur le cot de la placette sur quatre profils et 151 trois profondeurs par diff rence entre l instant consid r et l instant pr c dant l v nement Elle est illustr e par la Figure IV 6 0 Infiltration cumul e B 7 200 E Variation de stock 2 2 a 3 400 x E 2 600 3 0 800 0 20 40 60 80 100 120 Temps min Figure IV 6 Variation moyenne du stock d eau dans la couche de sol 0 50 cm L infiltration cumul e est indiqu e pour comparaison La courbe repr sent e sur l axe des ordonn es invers es correspond au flux total instantan recu par la placette Le flux infiltr cumul est nettement sup rieur la variation de stock de la couche 0 50 cm ce qui sugg re des coulements profonds et ou lat raux importants se produisant pendant l v nement Cependant on peut supposer que les coulements lat raux non quantifi s dans la variation de stock sont faibles au m
336. ler les flux de percolation dans un volume de sol sain servant de r f rence cf Figure 2 L impact ventuel du lysim tre est caract ris par comparaison de ces deux configurations Les lignes de courants autour du lysim tre peuvent tre a priori affect es dans les 3 dimensions de l espace Cependant on choisit d tudier un syst me sym trie cylindrique un volume de sol avec un lysim tre en son centre Ce choix permet de repr senter un syst me 3D par sa section 2D cf Figure 2 et donc de limiter la difficult de r solution num rique sans faire d hypoth se limitante sur la sym trie des flux On suppose ainsi que la pente du terrain est nulle ou tr s faible et que l apport de pluie est homog ne ce qui reste repr sentatif d un certain nombre de situations observ es sur le terrain Les conditions impos es aux limites du domaine sont repr sent es sur la Figure 2 Les maillages utilis s pour d crire le domaine sont h t rog nes avec des mailles triangulaires de dimensions caract ristiques variant entre quelques millim tres et plusieurs centim tres entre les zones suppos es soumises de forts gradients ou de g om trie complexe et les autres Les simulations ont t r alis es de fa on obtenir une erreur relative sur le bilan de masse de l ensemble du domaine Simunek et al 1999 qui reste toujours inf rieure 5 276 Variable flux Variable flux SOIL CYLINDER SECTION WITH A
337. les diff rents compartiments du syst me sont courts de sorte qu on peut supposer une adsorption limit e Seul le stockage dans les bidons pose question puisque l eau r colt e peut s journer 24 heures en moyenne et jusqu 72 heures au maximum Il peut donc y avoir adsorption des pesticides sur les parois du bidon voire m me d gradation Un travail exp rimental a permis de v rifier que l adsorption du Diuron tait n gligeable en 24 heures Concernant la d gradation on peut penser que celle ci est limit e du fait de la temp rature de stockage mod r e li e la profondeur des bidons 130 cm En effet on estime que la temp rature des chantillons ne d passe jamais 12 C tout au long de l ann e on mesure une temp rature maximale de 18 C 50 cm de profondeur inf rieure 15 C pendant 9 mois sur 12 Les bidons sont de plus l abri de tout rayonnement Installation des lysim tres Les deux types de lysim tres ont t install s via une tranch e de 1 3 m de profondeur sur 0 8 m de large creus e avec une mini pelle m canique contre le plafond de galeries creus es horizontalement de section rectangulaire de dimensions approximatives 50 cmx20 cm et de profondeur 60 cm cf Figure II 24 Les dimensions donn es aux galeries ont t voulues aussi proches que possible de la surface du collecteur de fa on a minimiser la surface de plafond non couverte par le collecteur ainsi que le volume de sol perturb
338. les profils Pm et Ph sont repr sent s car l hypoth se Pb s av re peu pertinente et n est pas utilis e dans les r sultats pr sent s Potentiel matriciel cm m Mesure E Mesure FGH simu E Pm 150 4 simu FGH Pm simu E Ph cree simu FGH Ph Profondeur cm a oO 200 Figure III 9 Profils de potentiels mesur s avant les exp riences d infiltration et simul s comme tat initiaux 2 2 2 Flux simul s Les diff rents jeux de param tres sont d abord valu s sur la phase de r gime permanent c est dire en conditions satur es puis sur la phase de r gime transitoire L enjeu associ au r gime permanent est de reproduire la valeur absolue du flux mesur 50 cm L enjeu associ au r gime transitoire est de reproduire le temps d arriv e du flux 50 cm Les perm abilit s des trois hypoth ses Cb Cm et Ch sont rappel es dans le Tableau IIL8 124 Tableau IILS8 Perm abilit s ajust es pour les hypoth ses Cb Cm Ch Horizon Hypoth se de perm abilit Cb Cm Ch 0 10cm 520 680 1010 10 30cm 50 140 430 30 90cm 10 60 330 gt 90cm 10 60 330 2 2 2 1 Analyse du r gime permanent Le r gime satur permet d valuer le param tre de conductivit hydraulique saturation en s affranchissant notamment de l tat initial Pour cela les trois hypoth ses de conductivit sont arbitrairement associ es l
339. leur mesur e Ceci sugg re que la mise en charge observ e cette profondeur est due la remont e de la nappe et non la mise en charge de ruptures de perm abilit par le bulbe d infiltration On en d duit que la remont e de nappe simul e est tr s en retard sur la remont e r elle On note en outre que le d but de la premi re phase est lui aussi simul avec un retard important confirmant ainsi une vitesse de propagation verticale sous estim e par le mod le Le niveau de charge simul 40 cm est tr s proche de la valeur mesur e au cours de la premi re phase puis devient sup rieur de 20 cm dans la deuxi me phase Ceci sugg re que la hauteur de remont e de nappe simul e par le mod le est surestim e Le niveau de charge simul 15 cm est 189 sup rieur de 10 cm la valeur mesur e durant les deux phases La valeur simul e est li e la mise en charge des interfaces situ s 7 cm et 30 cm dans le mod le Elle correspond la c te de la surface du sol diminu e des pertes de charge li es aux coulements verticaux et horizontaux dans le mat L cart par rapport aux valeurs mesur es s explique probablement par des pertes de charge se produisant dans les bougies des tensiom tres La vitesse de progression verticale du front d infiltration est li e en th orie soit la perm abilit du milieu et ou l existence de flux pr f rentiels macroporaux soit la capacit initiale d em
340. lie entre 10 et 6000 ug L correspond l erreur de lin arit li e l ajustement d une relation lin aire sur des points non parfaitement align s et l erreur syst matique d analyse cart entre la valeur mesur e et la valeur vraie en chaque point d talonnage Ces erreurs ne sont pas constantes sur toute la gamme de mesure mais d pendent du niveau de concentration prospect Le laboratoire estime l erreur globale d talonnage entre 3 point de v rification 200 ug L et 9 point de v rification 700 ug L suivant le niveau de concentration Etant donn les niveaux de concentration mesur s dans les cuves entre 30 et 100 ug L on consid rera une incertitude relative moyenne de 5 Les concentrations en Bromure ont t d termin es par chromatographie ionique apr s dilution des chantillons L incertitude relative globale de la mesure est d apr s le laboratoire voisine de 5 L incertitude associ e la mesure du volume de chaque cuve U V est estim e en divisant l incertitude totale sur le volume de dopage calcul ci dessus 68 L par le nombre de cuve soit une incertitude de 8 L par cuve L application num rique de la formule pr c dente est illustr e par la Figure VI 14 ci dessous 263 incertitude absolue cumul M oa 45 bromure g 34 diuron mg 2 1 4 0 T T T T 0 10 20 30 40 50 Temps min Figure VI 14 Incertitude cumul
341. lis s pour repr senter les flux d eau et les flux de solut s en surface et en subsurface 1 Protocoles exp rimentaux 1 1 Le dispositif de suivi d v nements ruisselants in situ Un dispositif exp rimental a t mis en place pour suivre in situ l impact d une bande enherb e sur des v nements ruisselants naturels Le dispositif permet galement de simuler des v nements artificiels Nous pr sentons dans cette partie le site choisi le principe du dispositif et les diff rents quipements mis en place 1 1 1 Situation et caract ristiques du site exp rimental 1 1 1 1 Situation g ographique Le site exp rimental est situ dans les Monts du Beaujolais dans le d partement du Rh ne 69 sur la commune de Villi Morgon et plus particuli rement proximit du village de Saint Joseph Il se trouve 60 km au nord de Lyon Ses coordonn es g ographiques exactes sont X 777 704 m Y 133 213 m dans le r f rentiel Lambert II tendu Son altitude est de 448 m D un point de vue hydrographique le site exp rimental se situe dans le bassin versant de la Morcille affluent de l Ardi res Il a t choisi d une part pour sa proximit de l agglom ration lyonnaise autorisant un suivi en continu d v nements naturels d autre part du fait de l historique de travail des diff rentes quipes du Cemagref de Lyon sur le bassin versant et enfin pour sa configuration particuli rement repr sentative et
342. lit est s v rement limit e par l utilisation de coefficients empiriques sans signification physique ajust s dans des conditions particuli res De plus de telles formules ne sont pas par construction en mesure de rendre compte d une pluralit de processus en interaction mutuelle et voluant dans le temps Deux protocoles de dimensionnement base physique ont toutefois t propos s Le premier protocole Suwandono et al 1999 utilise un premier mod le pour simuler 42 l hydrogramme de ruissellement et les pertes de s diments issus de la parcelle mod le bas sur une combinaison du curve number am ricain de l hydrogramme unitaire et de l Universal Soil Loss Equation Il utilise ensuite le mod le VFSMOD Mu oz Carpena et al 1999 d j pr sent pour valuer l impact de diff rents sc narios d enherbement sur le flux d eau et de s diment Le second protocole propos r sulte d une approche originale d velopp e pour les sols perm ables et contenant un aquif re Lin et al 2002 Il est bas sur la minimisation de l impact sur l aquif re des flux infiltr s dans la bande enherb e Une profondeur de propagation probable des produits phytosanitaires dans le sol est calcul e suivant une approche m caniste par r solution de l quation de convection dispersion pour un coulement 1D vertical et permanent Connaissant la topographie du versant la zone tampon est dimensionn e de sort
343. lle parcellaire et les canalisant vers la rivi re la plus proche les zones tampons d finies comme l ensemble des zones susceptibles de ralentir la propagation du flux polluant vers la rivi re voire de diminuer sa concentration ou encore son volume Les zones tampons enherb es qui font l objet de ce travail d signent toute surface en herbe en position de jouer ce r le d interface entre les parcelles cultiv es et les cours d eau Elles repr sentent une perspective tr s int ressante dans la lutte contre les pollutions diffuses par les pesticides utilis s en agriculture dans la mesure o elles occupent d j l heure actuelle une surface significative dans les paysages ruraux Une meilleure utilisation de ces surfaces par un r am nagement des r seaux hydrographiques naturels et anthropiques notamment repr sente une perspective int ressante De plus de nouvelles bandes enherb es peuvent tre am nag es tr s court terme et faible co t pour compl ter les surfaces en herbe existantes Un contexte r glementaire fort dans le domaine de l eau favorable l am nagement de zones tampons enherb es pour lutter contre les pollutions diffuses Le contexte r glementaire illustre une volont politique de reconqu rir l tat cologique et chimique des eaux continentales et c ti res moyen terme Cette volont a t exprim e au niveau communautaire dans la directive 2000 60 CE dite directive cadre s
344. lors de l v nement du 12 ao t 2004 est inf rieure d un deux ordres de grandeurs par rapport ces valeurs On en d duit que la masse de Diuron transport e le 12 ao t est repr sentative d un grand nombre d v nements 1 2 L v nement artificiel L v nement artificiel comporte une phase de dopage de 40 minutes suivie d une phase d lution l eau claire de 140 minutes Le d bit est maintenu constant une valeur proche de 370 mm h pendant toute la dur e de l v nement La phase de dopage repr sente un volume de 200 mm et la phase d lution 740 mm L v nement a t r alis en l absence de pluie La solution de dopage contient du Diuron et du Bromure de potassium Les ions Bromure sont conservatifs et assurent le r le de traceur Quantification des masses de Diuron et de Bromure entrant dans le syst me Les concentrations inject es dans le syst me sont illustr es par la Figure V 2 Diuron ug L Bromure mg L D bit 160 140 7 FM m A Fa aa 17 Co EL ly l 1 T 120 4 I i T 100 4 300 2 a 804 z 200 2 60 E 5 2 oT 100 amp 20 0 0 0 10 20 30 40 50 Temps minute Figure V 2 Concentrations en Diuron et en traceur inject es pendant la phase de dopage L intensit du ruissellement est indiqu e titre indicatif L objectif initial de l v nement artificiel tait d imposer une concentratio
345. ls figure dans l annexe 2 L incertitude associ e la mesure de la hauteur d eau dans les canaux jaugeurs largie 95 de confiance est de 2 9 mm L incertitude relative associ e la mesure de d bit instantan est illustr e par la Figure 11 16 Celle ci pr sente deux courbes l une tenant compte de la seule incertitude sur la hauteur d eau Uc f H et l autre int grant l incertitude sur l quation de tarage du canal venturi Uc H a b On note que l ind termination sur l quation de la courbe de tarage des canaux venturi introduit une incertitude importante sur le d bit La courbe correspondante doit cependant tre consid r e avec prudence car l incertitude sur l quation de tarage n est pas connue pr cis ment 30 Qentr e Uc f H Qsortie Uc f H Qsortie Uc f H a b Qentr e Uc f H a b 25 20 incertitude relative 95 D bit L s Figure 11 16 Incertitude relative largie intervalle de confiance 95 associ e aux mesures de d bit L incertitude largie valeurs absolue et relative associ e au volume cumul not V a galement t d termin e sur la base de l incertitude de mesure des d bits instantan s U D 11 1 20 2 11 si At cst V 2 i Par ailleurs les d bitm tres ont t v rifi s en laboratoire avant installation sur le terrain de fa on a quantifier un biais ventuel dans
346. lux l interface sol m che La seule hypoth se implicite concerne donc la validit de la loi de Darcy repr senter les coulements dans le milieu les coulements de type macroporal non darciens sont suppos s non significatifs L impact des hypoth ses th oriques est valu travers le fonctionnement de deux syst mes sol m che pr alablement dimensionn s suivant ce protocole dans une situation r aliste Pour valuer l incertitude d origine exp rimentale nous avons simul des erreurs possibles successivement sur tous les param tres cl s intervenant dans le dimensionnement ou la r alisation d un lysim tre capillaire L impact est valu par comparaison avec le syst me sol m che de r f rence sans erreur en se basant sur les flux simul s en sortie de m che 3 3 2 L outil de calcul num rique L outil de calcul num rique est le code Hydrus 2D qui r sout l quation de Richards en milieu variablement satur par un sch ma de r solution en l ments finis Simunek et al 1999 Ce code permet entre autres l utilisation du mod le hydrodynamique de van Genuchten 1980 Nous l avons utilis pour d crire les flux d eau dans un volume de sol d chelle m trique comportant un lysim tre m che en fibres de verre cf Figure 2 Il permet notamment de calculer les d bits instantan s r cup r s par ce type de dispositif Le m me mod le num rique est utilis pour calcu
347. m Ch Simul s Apparition min 60 20 7 68 22 8 Stabilisation min 122 47 10 130 54 11 On constate que comme pour les flux les dynamiques simul es avec les trois hypoth ses de conductivit sont sensiblement diff rentes le temps d apparition du flux dans le lysim tre et le temps de stabilisation tant inversement proportionnels aux valeurs de conductivit Les temps d apparition et de stabilisation simul s avec les hypoth ses moyenne Cm et haute Ch sont du m me ordre de grandeur que les temps d apparition mesur s Cependant on constate sur certains profils qu il n y a pas de concordance des hypoth ses pour repr senter la fois les flux et les temps d apparition Par exemple les flux observ s sur les profils E et H sont bien reproduits par l hypoth se Cm cf Tableau II 9 or les temps caract ristiques associ s sont surestim s Les temps observ s sont plus proches de l hypoth se Ch De m me le flux observ sur le profil F est bien reproduit par l hypoth se Ch mais les temps caract ristiques associ s sont surestim s Le fait que le mod le ne rende pas compte de fa on compl tement satisfaisante de la p riode transitoire peut tre d une repr sentation impr cise de l tat hydrique initial en 127 l occurrence un tat initial simul trop sec Nous choisissons donc de tester l hypoth se d un tat hydrique initial humide Ph associ e une conductivit mo
348. m 125 120 79 26 Masse quivalente mg 4 7 1 0 1 0 0 2 1 6 209 La coh rence des valeurs obtenues avec ces deux m thodes de calcul tend les conforter l une et l autre On constate notamment que l utilisation d un volume percol moyen l chelle de la placette n introduit pas un biais trop important sur le flux de Diuron estim Estimation de la masse de Diuron retenue dans le syst me Les quantit s de mati re estim es dans le ruissellement entrant dans le ruissellement sortant et le flux de percolation 50 cm permettent d tablir un bilan des flux de Diuron l chelle de la zone racinaire et l chelle de l v nement Ce bilan est pr sent dans le Tableau V 7 La masse de Diuron retenue dans le syst me est estim e par d faut Tableau V 7 Bilan 24h des flux de Diuron entr s sortis et retenus dans le syst me lors de l v nement du 12 ao t 2004 exprim s en valeur absolue mg et relativement la masse totale entr e Me Ruissellement Ruissellement Percolation R tention entrant sortant par d faut mg 36 8 0 6 1 6 34 6 Me 100 1 6 4 3 94 0 Ce bilan montre un potentiel de r tention tr s lev de la bande enherb e instrument e vis vis du Diuron Il montre que cette r tention se fait dans la couche de sol 0 50 cm En effet seule une faible part du flux infiltr se propage au del de la zone racinaire Ce bilan chimique est assez diff rent du bilan h
349. magasinement Toutefois les param tres hydrodynamiques utilis s correspondent d j une hypoth se favorable concernant la capacit d emmagasinement suppos e faible De plus l incertitude associ e l tat hydrique initial lors de l v nement artificiel est faible Les valeurs de perm abilit reproduisant correctement le flux infiltr et la propagation observ e lors de l v nement naturel hypoth se la plus probable pour expliquer le retard observ 80 cm et dans une moindre mesure 40 cm semble tre la mise en charge d une macroporosit caract ris e par des vitesses de transfert lev es La distribution des potentiels simul e par le mod le la fin de l v nement est illustr e par la Figure IV 38 X 0 Figure IV 38 Courbes isopotentielles simul es par le mod le longitudinal instant t 180 minutes Cette figure confirme une remont e importante de la nappe Cette remont e g n re des gradients la fois dans le plan longitudinal repr sent mais probablement aussi dans le plan transversal non repr sent Ceci confirme donc l hypoth se selon laquelle des flux dans le plan transversal peuvent expliquer la sous estimation du flux infiltr simul par le mod le 2 3 1 3 Variation de stock La variation de stock simul e dans la couche 0 50 cm est compar e la variation mesur e dans la Figure IV 39 190 100 E Xe oO O D 0
350. medianh E ea E E E EAR R R 152 Figure IV 7 Propagation verticale des flux dans les profils situ s en X 35 cm gauche et en X 215 cm droite La courbe repr sent e sur laxe des ordonn es invers es correspond au flux total instantan re u parla placette x s iisciietianiiaen Gan MaRananuanida N E E EO E 153 Figure IV 8 Niveaux pi zom triques mesur s et estim s dans le versant coupe longitudinale avant la simulation de ruissellement 45m knee etniei aeee eee a AEren OEE E RAET Ode nn a inner PRUE 154 Figure IV 9 Mesures tensiom triques et humidim triques faites avant la simulation de ruissellement 154 Figure IV 10 D bit inject lors de l v nement artificiel 155 Figure IV 11 Comparaison des pluies sources quivalentes l v nement simul avec les pluies enregistr es dans la p riode 2004 2005 et les caract ristiques Intensit Dur e Fr quence de p riode de retour 2 ans et 5 ans M t ofrance L v nement du 12 ao t est galement indiqu titre de comparaison m mes symboles mais de taille inf rieure desserte rincer E EA desde eme E EAR 156 Figure IV 12 Flux mesur s en surface en entr e et sortie de la placette et flux d infiltration calcul La courbe repr sent e sur laxe des ordonn es invers correspond au ruissellement entrant 158 Figure IV 13 Temps de passage du front de propagation de l coulement de surface enregistr l
351. ment de surface l exutoire La dur e du dopage et sa concentration ont t choisies suffisamment importantes pour observer un flux de Diuron quantifiable aux sorties du syst me malgr une r tention suppos e lev e L v nement devait toutefois rester repr sentatif en terme de masse de polluant d un v nement ruisselant naturel et ne pas contaminer le syst me de fa on excessive L lution a t choisie suffisamment longue pour une courbe de perc e en traceur et en Diuron aussi compl te que possible toujours en prenant exemple sur les travaux d j cit s et pour laver le syst me avant la campagne 2005 Le dispositif exp rimental a galement t utilis pour r aliser des exp riences d infiltration petite chelle de fa on d coupler l tude de la propagation des flux dans le sol de la propagation du ruissellement de surface Choix de la mol cule pesticide tudi e Parmi les produits pandus sur la parcelle de vigne instrument e nous avons choisi de cibler notre tude sur une mol cule herbicide dans la mesure o ce type de produit repr sente la majorit des mol cules retrouv es dans les milieux aquatiques IFEN 2004 Parmi les mol cules herbicides pandues nous avons choisi la mol cule de Diuron Ce choix s explique d abord par les caract ristiques environnementales moyennes de cette mol cule qui en ont font un objet relativement repr sentatif sa mobilit cf Tableau I
352. ment on peut consid rer qu un flux d eau quivalent en volume au flux infiltr s est propag au del de 50 cm de profondeur e Le front de propagation du ruissellement n est pas uniforme Certaines observations ont t faites uniquement lors de l v nement artificiel sans qu on puisse d terminer si elles sont li es l intensit de l v nement ou au plus grand nombre de syst mes de mesure op rationnels e On observe une mise en charge rapide du profil 40 cm et 80 cm de profondeur e On observe une remont e importante de la nappe Toutefois des donn es manquent pour savoir s il y a un lien avec la charge observ 40 cm et 80 cm et avec l apparition de l coulement l exutoire e Des flux lat raux significatifs peuvent avoir lieu la fois dans le plan longitudinal et dans le plan transversal en lien probable avec la remont e de la nappe 1 2 Discussion des processus d coulement Les observations faites sur le dispositif exp rimental au cours des deux v nements tudi s sugg rent l existence de certains processus types On s int resse au processus de 166 propagation de l coulement la surface du sol et la propagation verticale des coulements dans le sol 1 2 1 Ecoulements de surface Les r sultats exp rimentaux am nent s interroger sur l horizon contr lant coulement de surface et sur l hypoth se d uniformit de cet coul
353. ment artificiel pour lequel les mesures r v lent une g n ralisation rapide de l coulement de surface Elles sont en outre largement inf rieures aux donn es de la litt rature A titre d exemple sur un chantillon de 20 placettes de 1 2 m de large Abu Zreig et al 2001 constatent en moyenne que 80 de la largeur contribuent l coulement Dans 10 des cas cette fraction contributive est de 45 mais elle ne descend pas en dessous Ainsi si on suppose que le ruissellement se produit la surface du mat racinaire et que la perm abilit moyenne mesur e en surface est r aliste l hypoth se de chenalisation ne semble pas pouvoir elle seule expliquer l apparition d un ruissellement l exutoire En tenant compte de l h t rog n it spatiale de la perm abilit de surface on peut faire l hypoth se que le ruissellement observ l exutoire est d aux zones de faible perm abilit connect es avec l exutoire On constate ainsi que 16 des valeurs mesur es sont inf rieures au flux inject lors de l v nement artificiel que 8 des valeurs mesur es sont inf rieures au flux ayant g n r l apparition du ruissellement lors de l v nement naturel et que 16 des mesures sont inf rieures au flux maximal re u par le syst me lors de l v nement naturel L h t rog n it spatiale des propri t s de sol peut donc justifier P apparition d un coulement a l exutoire ind pendammen
354. mperm able car sa c te est inf rieure a lextr mit basse des tubes pi zom triques B C et D cf Figure IV 21 qui sont suppos s sur ou faible distance du substratum granitique lui m me suppos imperm able La limite sup rieure repr sentant la surface du sol est suppos e imperm able hormis la zone correspondant la placette exp rimentale o le ruissellement est repr sent par une onde cin matique Une charge correspondant au d bit mesur est impos e sur le n ud amont Cette charge est d duite du d bit mesur via la relation de Manning Strickler Elle suppose donc une hypoth se sur le param tre de rugosit La valeur de pente utilis e correspond la pente moyenne mesur e dans la placette et la pente de la surface du domaine de mod lisation 0 2526 m m L quation d onde cin matique propage cette charge en tenant compte de l infiltration et de la pluie Les limites lat rales sont d crites par une condition de charge constante correspondant la position mesur e du toit de la nappe Cas de l v nement naturel Les conditions de charge et de flux impos es dans le mod le d onde cin matique sont illustr es dans la Figure IV 27 Charge et flux simul s repr sentent fid lement les flux 178 mesur s exp rimentalement cf Figure IV 2 La charge illustr e a t calcul e avec une ur 1 3 rugosit n 0 4 s m 14 120 100 5 O Flux mm h 0 20
355. n dans la placette peut engendrer des flux profonds et une remont e de la nappe Cette remont e peut en outre tre enregistr e sur les quatre pi zom tres incluant les plus loign s On choisit 173 donc de mod liser un domaine de grandes dimensions incluant l ensemble du transect pi zom trique LT exp rimentale Pi zom tre Altitude Z cm D oO 600 T r T r T r r r r r r r T r T 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Abscisse X cm Figure IV 21 Contours du domaine plan longitudinal sans lysim tre Les limites de la placette exp rimentale et la position des pi zom tres sont indiqu es titre indicatif On note que le domaine simul va au del des pi zom tres les plus loign s car ceux ci ne peuvent tre consid r s comme des plans de charge constante et parce que l volution de la charge au cours du temps y est inconnue La limite aval du versant mod lis est fix e au niveau de la rivi re La limite amont du versant est fix e 3 m en amont du dernier pi zom tre Le maillage utilis pour repr senter le plan longitudinal est repr sent dans la Figure IV 22 Il pr sente une densit de n uds h t rog ne autorisant une discr tisation fine au voisinage de la surface du sol avec un nombre total de n ud limit Il comporte 5600 n uds au total La surface de la placette est d crite par 140 n uds formant des mailles de largeur 4 cm proxim
356. n constante au cours du temps en Diuron et en ion Bromure de fa on ce que le traceur serve de r f rence pour distinguer le processus de dilution par l eau initialement pr sente dans le milieu du processus d adsorption sur le substrat affectant le Diuron La Figure V 2 montre que cet objectif n a pas t atteint et que les concentrations inject es sont en r alit relativement variables Les variations constat es sont difficiles justifier elle sont probablement dues des erreurs de manipulation dans la pr paration de la solution de dopage De plus la concentration en Bromure volue diff remment de la concentration en Diuron Ceci est particuli rement regrettable car les p riodes o le Bromure peut tre consid r comme une r f rence vis vis du Diuron sont de ce fait r duites 207 Les masses de Diuron et de Bromure inject es dans le syst me sont calcul es par int gration de chaque mesure de concentration sur un volume correspondant une demi cuve Les masses ainsi estim es sont pr sent es dans le Tableau V 3 Tableau V 3 Caract ristiques chimiques de la solution dop e L incertitude est estim e au seuil de 95 par composition des incertitudes sur la concentration et le volume le d tail du calcul figure en annexe 2 Bromure Diuron g mg 482 10 352 7 Repr sentativit de l v nement De la m me fa on que pour l v nement naturel la masse de Diuron inject e au cours
357. n de voies d coulements rapides Des observations sur des cylindres de sol pr lev s en bande enherb e confirment la pr sence de racines et de galeries de vers 2 3mm de diam tre jusqu 30 cm sous la surface Benoit et al 2000 Pot et al 2003 Cependant il n existe pas ou tr s peu de donn es quantitatives concernant l impact de cette macroporosit d origine v g tale ou animale sur la capacit d infiltration cette remarque d passe le cadre des bandes enherb es 1 2 1 2 La s dimentation Elle permet de r duire les flux de mati res en suspension et ainsi d intercepter les pesticides adsorb s leur surface Des exp riences sur canal exp rimental montrent que la r tention des particules se fait majoritairement par s dimentation en amont de la bande dans la zone d eau morte form e par accumulation contre le bord sup rieur de la zone enherb e Dabney et al 1995 Ghadiri et al 2001 Meyer et al 1995 plus que par un effet filtrant au sens m canique du terme de la v g tation elle m me comme on peut souvent l entendre Dans cette zone d eau morte la capacit de transport devient quasi nulle entra nant le d p t rapide des particules en suspension Dabney et al 1995 Jin et al 2000 Cependant la capacit de s dimentation l int rieur de la bande n est pas nulle et le d p t form en amont est entra n plus ou moins rapidement vers l int rieur avec le temps Dillaha
358. n verre Corex de 25 mL soit un ratio 1 2 Trois r p titions de chaque chantillon sont ainsi pr par es Ensuite les tubes sont agit s par retournement pendant 24 h 23 1 C apr s quoi les suspensions sont s par es par centrifugation 5000 tour min pendant 10 min La phase liquide est ensuite filtr e sur papier Whatman 90 um La concentration en 14C dans le surnageant est d termin e par mesure de la radioactivit par scintillation en milieu liquide apr s concentration des chantillons La concentration est r alis e au moyen de cartouches SPE C18 Alltech Associates Les cartouches sont pr alablement pr par es par solvatation au m thanol puis quilibration l eau distill e Les chantillons sont d pos s sur les cartouches puis celles ci sont lu es avec 2 mL de m thanol 2 mL d eau distill e sont rajout s l luat pour obtenir un m lange 50 eau 50 m thanol proche de la phase mobile de HPLC L analyse se fait par chromatographie en phase liquide HPLC d tection UV sur barrette de diodes puis comptage de la radioactivit compteur Packard Flo one B A 500 La quantit de 14C Diuron adsorb dans le sol est obtenue par diff rence entre la concentration l quilibre et la concentration de dopage 301 302 8 Equations de m lange appliqu es au ruissellement de surface On r alise un bilan l chelle d une maille l mentaire comme illustr par la Figure VI 20 J est la de
359. nce oc anique mais marqu en p riode estivale du 15 juin au 15 ao t par l influence m diterran enne et subit parfois pendant l hiver des assauts tr s continentaux par vent de nord est froid et sec Le climat y est temp r 11 3 C en moyenne annuelle malgr les carts de temp ratures importants entre t et hiver 8 10 C en hiver 30 C et plus en t La pluviom trie annuelle est moyenne de 840 mm sur le d partement du Rh ne et de 739 mm sur le Beaujolais www meteofrance com En t les orages ne sont pas rares et peuvent apporter de la gr le 1 1 1 4 Pluviom trie enregistr e sur le site en 2004 et 2005 Les donn es pr sent es ci dessous correspondent la p riode avril 2004 juin 2005 Cette p riode est trop courte pour esp rer mettre en vidence de fa on fiable un comportement moyen On choisit toutefois de pr senter les v nements pluviom triques enregistr s dans le but d une part de resituer les v nements analys s en d tail dans la suite du manuscrit par rapport l ensemble des v nements enregistr s et d autre part de donner des l ments de comparaison avec les diff rents travaux analogues d crits dans la litt rature La Figure II 3 montre les v nements de pluie enregistr s Saint Joseph Ils ont pour la plupart une p riode de retour inf rieure un an et peuvent de ce fait tre consid r s comme repr sentatifs d v nements courants source M t
360. ncentration effect on herbicide removal by vegetative buffer strips Transactions of the ASAE 39 6 2105 2111 Mualem Y 1976 A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media Water Ressource Research 12 3 513 522 Munoz J F 1992 Methodologie d tude des produits phytosanitaires Etude d un bassin versant viticole l Ardi res Beaujolais Mise au point de m thodes analytiques de pesticides PhD Thesis Universit Claude Bernard Lyon 175 pp Mu oz Carpena R Parsons J E and Gilliam J W 1993 Numerical approach to the overland flow process in vegetative filter strips American Society of Agricultural Engineers 36 3 761 770 Mu oz Carpena R Parsons J E and Gilliam J W 1999 Modeling hydrology and sediment transport in vegetative filter strips Journal of Hydrology 214 1 4 111 129 Muscutt A D Harris G L Bailey S W and Davies D B 1993 Buffer zones to improve water quality a review of their potential use in UK agriculture Agriculture Ecosystems and Environment 45 59 77 Neumann M Schultz R Shafer K M ller W Mannheller W and Liess M 2002 The significance of entry routes as point and non point sources of pesticides in small streams Water Research 36 835 842 Norris V 1993 The use of buffer zones to protect water quality a review water resources management 7 257 272 Patty L 1997 Limitation du transfert par ruissellement vers
361. ncipalement int ress s a interception des flux d eau et de pesticide a la surface d une zone tampon enherb e Dans le travail pr sent nous avons affin la compr hension des processus de surface et de fa on originale nous avons entrepris la caract risation du devenir des flux de pesticides intercept s Le principal processus d interception tant l infiltration Lacas et al 2005 nous nous sommes int ress s la propagation des flux infiltr s dans le sol la profondeur atteinte par les pesticides lors d un v nement ruisselant au flux quittant la zone racinaire qui est la zone pr sentant une forte capacit d grader les pesticides et aux flux lat raux se produisant dans la zone racinaire Sur la plan temporel notre tude concerne l chelle de l v nement La d gradation et l accumulation des produits intercept s intervenant l chelle annuelle n a pas t trait e explicitement m me si des travaux ont t entrepris en ce sens Une approche exp rimentale a t d velopp e bas e sur un dispositif exp rimental in situ situ dans le Beaujolais 69 Le site exp rimental a t lourdement instrument Il comprend notamment de fa on originale des mesures de flux en subsurface L instrumentation permet de faire un bilan complet incluant les flux de surface et de subsurface de l impact d une zone tampon enherb e sur un ruissellement contamin Le dispositif a t
362. nde quantit jusqu 50 cm sans pouvoir toutefois distinguer une organisation spatiale caract ristique Nous ne disposons d aucune information ne serait ce que qualitative sur les horizons de profondeur sup rieure 140 cm _ 58 b Analyse quantitative Des chantillons de sol ont t pr lev s en mai 2004 puis analys s par le laboratoire d analyse des sols de l INRA d Arras Des chantillons moyens ont t constitu s partir d chantillons pr lev s dans la bande enherb e not e BE sur quatre profils de sol situ s proximit des quatre angles de la placette et dans la parcelle de vigne sur 4 profils dispos s 5 m d intervalle le long de la limite aval de la parcelle Les compartiments moyens analys s sont les suivants Dans la parcelle enherb e Dans la parcelle de vigne horizon 0 5 cm fraction solide du mat racinaire horizon 5 20 cm horizon 5 20 cm horizon 20 50 cm horizon 20 50 cm horizon 50 100 cm Granulom trie Les r sultats obtenus concernant la texture du sol sont pr sent s dans le Tableau II 1 Tableau II 1 Granulom trie du sol de la parcelle enherb e et de la parcelle de vigne ARGILE LIMON FIN LIMON GROSSIER SABLE FIN SABLE GROSSIER Compartiment lt 2 um 2 20 um 20 50 um 50 200 um 200 2000 um kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg BE 5 20cm 0 15 0 13 0 08 0 10 0 54 BE 20 50cm 0 13 0 13 0 08 0 13 0 53 BE 50 100cm 0 13 0 15 0 08 0 12 0 53 Vigne 0 20
363. nditions aux limites dont d coule un troisi me type Condition de type Dirichlet ou 1 type 11 46 c x Z t c x z t avec x z e Tp Condition de type Cauchy ou 3 type pour d crire la concentration d un flux entrant dans le domaine dc 11 47 0D z qnc qn c avec x z e To Xj o gin est le flux sortant n est le vecteur unit sortant normal et co la concentration du flux entrant A noter que lorsque la limite du domaine est imperm able q n 0 ou lorsque l coulement est dirig vers l ext rieur du domaine la condition de type Cauchy se r duit une condition de type Neumann ou 2 type de la forme dc 11 48 SD 2 n 0 avec x z e y 104 2 3 4 Sch ma num rique de r solution de l quation de Richards 2 3 4 1 Le processus d it ration Un processus de calcul it ratif doit tre utilis en raison de la non lin arit du syst me d quations r soudre La r solution it rative intervient pour chaque pas de temps sur des syst mes du type 11 49 A x b Dans un processus it ratif apr s inversion du syst me celui ci est r solu en utilisant les solutions de la r solution pr c dente ceci jusqu l obtention d un degr de convergence satisfaisant c est dire lorsque la diff rence entre les solutions de deux it rations successives est inf rieure une valeur de tol rance pr d termin e par l utilisateur hou et euil respecti
364. ne concentration inf rieure 0 1 ug L pour chaque substance phytosanitaire et inf rieure 0 5 ug L pour l ensemble des substances Ces normes concernent aussi les eaux brutes utilis es pour la production d eau potable celles ci ne doivent pas d passer 2 ug L pour chaque substance 5 ug L pour la somme des substances et doivent subir un traitement sp cifique au dela des seuils de potabilit cit s pr c demment L enjeu est environnemental dans la mesure o ces substances menacent les quilibres cologiques des cosyst mes aquatiques L aussi peu de r sultats quantitatifs existent car les causes de d gradation sont en g n ral multiples Toutefois les risques associ s aux pesticides sont jug s importants Pour cela des classes de qualit ont t dict es SEQ Eau version 2 pour valuer l aptitude la vie aquatique et notamment au maintien de la biodiversit et au maintien de certains taxons polluo sensibles Ces classes sont bas es entre autres sur la concentration en pesticide On d finit notamment deux limites basse et haute d finissant respectivement une tr s bonne qualit permettant la satisfaction des quilibres cologiques et une mauvaise qualit ne la permettant pas Ces limites sont tr s variables d un pesticide l autre mais la limite basse est en g n ral inf rieure au seuil de potabilit de 0 1 ug L et la limite haute est de l ordre de 0 1 ug L 10 mg L L enjeu est enf
365. ne capacit de r tention et une conductivit hydraulique saturation lev es et par une baisse importante de cette capacit en r gime non satur d s lors que la porosit structurale n est plus sollicit e On constate une perte de cette structure avec la profondeur On distingue notamment dans le profil de sol un mat racinaire pr sentant une perm abilit et une porosit particuli rement lev es puis une baisse progressive de la perm abilit et de la porosit avec la profondeur bien que les r sultats ne permettent pas d tre aussi affirmatif ce sujet Cette structure est en relation vidente avec le chevelu racinaire Elle est donc li e au couvert v g tal herbeux Elle est aussi en relation avec la pr sence d une macrofaune bioturbatrice tr s active donc probablement avec l absence de traitement phytosanitaire et l absence de travail du sol Les propri t s d adsorption du Diuron sont caract ris es par une isotherme lin aire sur la gamme de concentration 5 ug L 500 ug L Les coefficients de partage d termin s l quilibre confirment les r sultats de la litt rature concernant le potentiel d adsorption lev d un profil de sol enherb et le fait que ce potentiel concerne surtout l horizon de surface l horizon 0 20 cm en ce qui concerne le milieu tudi Ils confirment que ce potentiel 226 d adsorption est principalement d termin par la teneur en mati re organique d
366. nement du 12 ao t a dur 50 minutes Il repr sente un volume re u par la bande de 97 mm dont 16 mm de pluie Il intervient 4 mois apr s l pandage de Diuron sur la parcelle de vigne Durant la p riode s parant l pandage de l v nement tudi la parcelle de vigne a re u 325 mm de pluie et 5 v nements ruisselants se sont produits repr sentant un volume total de 5 mm l chelle de la parcelle Quantification de la masse de Diuron entrant dans le syst me La Figure V 1 illustre l chantillonnage de l coulement entr dans la placette exp rimentale A partir d un chantillonnage instantan des concentrations moyennes par pic ont t d termin es La pluie est suppos e non contamin e et n a donc pas t chantillonn e 205 21 ug L 14 ug L to te a o Ruiss entrant Echantillonnage Qe 300 Ruiss sortant Ruissellement mm h D j oO L Temps min Figure V 1 Echantillonnage de l coulement entr dans la placette et concentrations moyennes d termin es par pic Le ruissellement mesur l exutoire figure titre indicatif Les concentrations moyennes d termin es par pic sont respectivement de 21 ug L et de 14 ug L pour le premier et le deuxi me pic On d finit arbitrairement la limite entre les deux pics a l instant t 25 min Les quantit s de mati re correspondantes sont pr sent es dans le Tableau V 1
367. nes qui sont aussi les plus charg es Lecomte 1999 Mercier 1998 En revanche le second ne l est pas En effet de nombreux travaux ont montr la pr sence de 35 pesticides faible Ko dans les eaux de ruissellement issus de parcelles agricoles Lennartz et al 1997 Louchart et al 2001 Neumann et al 2002 Schiavon et al 1995 Wauchope 1978 De surcro t plusieurs r sultats exp rimentaux montrent l existence de flux significatifs de pesticides sous des bandes enherb es Ainsi pour une bande implant e l aval d une parcelle de ma s trait e avec de l atrazine les quantit s annuelles lessiv es sous la bande enherb e au del de 120 cm rapport es la surface de la parcelle de ma s sont de l ordre de 0 6 2 9 g ha pour une dose appliqu e de 750 g ha Delphin and Chapot 2001 Les concentrations mesur es par ces auteurs 60 cm dans la solution du sol peuvent atteindre ponctuellement 10 mg L pour l atrazine et 6 mg L pour le deethylatrazine Par ailleurs ces auteurs expliquent que dans leurs conditions hydrologiques le transfert se fait en deux temps i un transfert rapide pendant la p riode qui suit l application du produit mais limit aux premiers 60 cm en raison de l vapotranspiration de la culture et de la bande qui induit un bilan hydrique d ficitaire et 11 un r entrainement en profondeur par lessivage des mol cules adsorb es apr s la p riode de croissance de la
368. nforment sur le temps de passage du front de propagation du ruissellement dans la couche 0 5 cm Les mesures Watermark sont illustr es par la Figure IV 13 0 100 200 300 400 0 6 8 e 100 4 Lol Uo GE ro o e 200 4 3007 Weer Qa 8 0 133 e o e 400 4 500 4 35 0 33 0 17 7 600 Y y Y 29 Figure IV 13 Temps de passage du front de propagation de l coulement de surface enregistr l aide de capteurs Watermarks dispos s dans le mat racinaire 159 Les temps de passage enregistr s indiquent une propagation du ruissellement plus rapide au centre de la placette que sur les bords La propagation est donc h t rog ne On note en outre que les carts s accentuent de l amont vers l aval ils sont de 1 min en X 165 cm de 5 minutes en X 340 cm et de 15 minutes en X 515 cm L coulement enregistr l exutoire l instant t 29 min est donc issu d une portion restreinte de la surface de la placette Ces mesures montrent aussi que le ruissellement se g n ralise rapidement et qu partir de l instant t 35 min tous les capteurs sont satur s Les mesures d humidit sont illustr es dans la Figure IV 14 0 4 0 0 3 sl iat arnaud s X 35cm z 2 l x X 215cm x POX 20000000000000 0 X 405CM T 02 Fo 3 a o MDI ees 900000000000900 y X X 5 x 2 amp D 5 8 gt 0 1 4 3 ne 1600 0 40 80 120 160 200 240 280 Temps min Figur
369. nq derni res ann es tant sur le plan scientifique que sur celui du d veloppement personnel Je remercie galement Nadia Carluer mon encadrante au sein du Cemagref pour l attention qu elle a port e mon travail et la confiance qu elle m a accord e Je remercie enfin les membres du comit de pilotage Christian Guyot Pierre Benoit Liliana di Pietro Robert Mose Jean Paul Laurent Jean Jo l Gril et V ronique Gouy pour leurs avis clair s Toujours sur le plan scientifique je voudrais remercier les membres du jury Michel Desbordes Pierre Benoit Marnik Vanclooster et Philippe Ackerer pour la lecture attentive qu ils ont faite de mon m moire et leurs remarques Je remercie particuli rement MM Vanclooster et Ackerer d avoir accept de rapporter mon travail Je souhaite enfin remercier ceux sans qui toute la machinerie install e sur le terrain n aurait sans doute pas exist ou probablement pas fonctionn Je pense en premier lieu a Jean Pierre Ducroux viticulteur Saint Joseph et propri taire de la parcelle instrument e Je le remercie de nous avoir pr t son champ son lectricit de ne pas s tre effray devant les travaux de terrassement entrepris bref pour son ouverture et sa g n rosit sans oublier la qualit de son Morgon Je remercie ensuite ceux qui m ont assist sur le plan technique 1 Rachel Barrier principalement technicienne dans l quipe Pollutions Diffuses qui m a a
370. nsit de flux infiltr L T P la densit de pluie L T Q x le flux d eau ruissel entrant L T O dx le flux d eau ruissel sortant L T C x la concentration en solut moyenne en entr e M L et C x dx la concentration en sortie M L Q x C x O x dx C x dx a x x dx Figure VI 20 Bilan des flux d eau et de solut l chelle d une maille de longueur dx L On crit les deux quations de conservation de la masse VL13 O x dx Q x P I x dx VL 14 O x dx x C x dx O x x C x IX C x x dx L quation VI 13 est quivalente aux deux formes suivantes VI 15 P VL16 O x O P I xx L quation VI 14 est quivalente au premier ordre VI1 17 ga ct 2 IxC x dx dx La loi de m lange s obtient par substitution de VI 15 et VI 16 dans VI 17 ce qui donne VI 18 0 P 1 xx x LZ CXP 1xC a X VL 19 ac x _ gf sii C x Q P 1I x VL20 en P nf 22 92 C I P Q 303 P VI21 8 C x C i x e na B e On v rifie quation V 4 dans les cas particuliers suivants C x 0 C VI 22 P 0 gt C x C I 0 gt cw c 2 OF Px 304 9 Ev nements enregistr s sur le site pendant la p riode d observation 2004 2005 Nous d crivons ici succinctement les v nements naturels enregistr s sur le site exp rimental qui n ont pas t analyses en
371. nstantan Q et la mesure du pas de temps Ari 2 2 1 2 Quantification des incertitudes type e L quation de tarage des d bitm tres est fournie par le constructeur avec un cart maximal voisin de 2 On peut supposer que la distribution des mesures autour de l quation ajust e est normale que la plus forte probabilit soit que l quation soit juste et que l cart fournit correspond un intervalle de confiance 99 7 puisqu il est dit maximal On suppose en outre que cette incertitude relative peut tre associ e aux deux coefficients a et b intervenant dans la relation de tarage e L cart maximal sur la hauteur d eau li l horizontalit du canal est estim 1 mm La distribution correspondante est suppos e normale on donne ainsi la plus forte probabilit l hypoth se d un positionnement correct e L cart maximal sur la hauteur d eau li au positionnement de la prise de pression dans le canal est estim 2 mm La distribution correspondante est suppos e normale e La r solution du capteur de pression n est pas fournie par le constructeur On suppose donc qu elle est int gr e dans l estimation de la pr cision e La pr cision du capteur de pression annonc e par le constructeur est de 0 25 de la pleine chelle 0 1 m soit 2 5 mm On suppose que cette valeur est associ e une distribution normale et qu elle correspond un niveau de confiance de 95 qui
372. nt Ces diff rentes proc dures de dimensionnement n ont pas pu tre utilis es dans le cas des lysim tres install s dans le dispositif exp rimental car nous ne connaissions pas les propri t s hydrodynamiques du milieu lors de leur installation Un calcul simplement bas sur la perm abilit de sols de catalogue de type sableux et sablo limoneux a donc t r alis pour choisir le mod le de m che et la taille des collecteurs Ce calcul est reproduit ci dessous Ka x Ay A _ 1168x3 14x1 45 27 25 o Kn est la perm abilit du mat riau en fibre de verre LT 4 est la section d une Q 11 3 3 1 cm h m che L et la surface d un collecteur L7 Ce calcul montre que les m ches de diam tre 1 45 cm fabriqu es par la soci t Pepperell Braiding Company Massachusetts USA www wickstore com r f rence SKU 1381 PEP1 2 dont les propri t s hydrauliques figurent dans le Tableau 11 4 associ es des collecteurs de 25 cm de cot pouvaient tre envisag es sur la base d une perm abilit du sol estim e 30 mm h On verra cependant dans le chapitre III que cette valeur est tr s nettement sous estim e par rapport aux perm abilit s effectivement mesur es sur le site exp rimental 76 Tableau II 4 Param tres hydrauliques et physiques des m ches PEP1 2 d crits par Knutson and Selker 1994 th ta h van Genuchten K h Gardner Caract ristiques physiques th tas t
373. nt l aide d un m tre gradu mont sur un flotteur L incertitude globale associ e la mesure a t calcul e par les formules de composition des incertitudes du guide ISO 1993 l incertitude absolue largie sur la mesure de la pi zom trie dans le r f rentiel d altitude local est estim 3 cm au niveau de confiance de 95 cf annexe 2 1 1 3 5 Le syst me d acquisition des donn es Quasiment tous les syst mes de mesure pr sent s pr c demment sont automatis s dans le but de suivre des v nements naturels pouvant se produire tout moment Seuls les 81 lysim tres les pi zom tres et les tensiom tres mercure ne le sont pas Tous les capteurs automatiques sont reli s un automate programmable Campbell CR10X selon le sch ma de branchement d crit dans l annexe 5 On explicite ici le fonctionnement du programme ex cut par l automate disponible sur simple demande Gestion de l alimentation des capteurs Une gestion de l alimentation des d bitmetres bulle bulle est n cessaire car ceux ci doivent tre aliment s en continu pendant la p riode de mesure mais ne peuvent l tre en permanence pour une raison d usure des pi ces m caniques En effet la mise sous pression de la liaison pneumatique pr sente une inertie de plusieurs dizaines de secondes L alimentation doit donc tre maintenue si on souhaite faire une mesure avec une cadence similaire Pour cela l
374. nt Ceci signifie que 30 du flux infiltr se propage lat ralement pendant l v nement dans le plan longitudinal entre 0 et 50 cm On met ainsi en vidence que les flux lat raux de subsurface peuvent tre significatifs en situation de saturation 2 3 1 5 Discussion des r sultats obtenus avec les param tres mesur s Le mod le surestime largement le ruissellement l exutoire de la placette et sous estime l infiltration Il sous estime aussi la vitesse de propagation des flux infiltr s Trois hypoth ses d j formul es lors de l analyse des donn es exp rimentales sont envisag es e Des flux de subsurface se produisent dans le plan transversal non repr sent s par le mod le 2D utilis e La perm abilit verticale apparente du milieu est sous estim e par les mesures faites l chelle locale e Le milieu pr sente une anisotropie de conductivit dans l horizon 10 30 cm de sorte que la perm abilit horizontale qui n a pas t mesur e est sous estim e 192 L existence de flux transversaux est coh rente avec la remont e de nappe observ e dans les pi zom tres situ s cot et non dans la placette Cette hypoth se permettrait en outre d expliquer que le niveau de charge simul sous la placette est surestim car si des pertes de charges ayant lieu dans le plan transversal ne sont pas repr sent es il est normal que le niveau de charge soit surestim Cette hypoth se n est
375. nt grale comme un produit scalaire l criture variationelle suivante 11 35 era A K atk s dQ 0 En appliquant la premi re formule de Green et en rempla ant h par h cette int grale conduit un syst me d quations avec des coefficients non lin aires pouvant se mettre sous la forme matricielle suivante d10 136 a 0 2 00 o 6 A B D et O sont des fonctions de h d o la non lin arit du syst me d quations On note que l tablissement de cette expression implique deux hypoth ses L une concerne le calcul de la d riv e du terme de teneur en eau qui fait intervenir une pond ration par les fonctions de Galerkin L autre concerne le calcul de la moyenne du tenseur d anisotropie sur chaque l ment alors que la teneur en eau la conductivit hydraulique la capacit capillaire sont des fonctions lin aires de l espace sur chaque l ment le mod le utilise un tenseur K moyen par l ment 2 3 2 Discr tisation du temps La r solution du syst me diff rentiel pr c dent se fait par discr tisation du temps et approximation de la d riv e par rapport au temps par une diff rence finie sur chaque intervalle At Hydrus utilise le sch ma semi implicite suivant en satur et non satur Wa wi A Uia 9 Bh ia 7 D j 11 37 F o j correspond au pas de temps de travail 7 au pas de temps pr c dent avec At tj 1 t On note la d composition du
376. nt sous estim e La conductivit hydraulique apparente des lysim tres s est av r e nettement inf rieure la valeur th orique calcul e partir de la conductivit sp cifique donn e par la litt rature pour les m ches choisies En effet la valeur apparente constat e est de 380 cm h cf chapitre III ce qui est tr s inf rieur la valeur nominale d termin e dans la litt rature 1268 cm h et la valeur nominale d termin e par nos soins en laboratoire 1900 cm h L cart entre ces valeurs et la valeur constat e in situ est difficile justifier Il est probablement d des pertes de charges excessives dans le syst me 1 2 Utilisation du dispositif exp rimental in situ Nous pr sentons ici le protocole des diff rentes exp riences qui ont t men es sur le site exp rimental 1 2 1 Infiltration percolation l chelle locale Les exp riences consistent appliquer une charge sur une surface circulaire de 40 cm de diam tre ext rieur l aplomb des lysim tres situ s 50 cm de profondeur cf Figure 11 29 La source a une surface quivalente aux collecteurs lysim triques ce qui permet de supposer que ceux ci sont soumis une percolation uniforme sur toute leur surface La charge est maintenue constante jusqu obtention d un r gime permanent 50 cm de profondeur La solution inject e contient un traceur conservatif du chlorure de potassium 200 mg L de CI La concentration a t
377. ntes hypoth ses pour d crire cette dispersion En revanche nous supposons que la courbe de r tention est 117 suffisamment bien connue au regard de la sensibilit du mod le pour ne formuler qu une seule hypoth se 1 3 2 1 Description de la courbe de r tention hydrique On distingue les horizons 0 10 cm 10 90 cm et gt 90 cm On choisit de ne les distinguer qu au voisinage imm diat de la saturation except pour l horizon gt 90 cm auquel on pr te une capacit de r tention inf rieure aussi en r gime non satur Les jeux de param tres ajust s sont pr sent s dans le Tableau III 4 et illustr s par la Figure III 4 Tableau IIL4 Param tres de r tention ajust s th ta r th tas alpha n th tam th taa cm 1 0 10cm 0 15 0 52 0 32 1 46 0 50 0 52 0 15 10 30cm 0 15 0 40 0 10 1 52 0 50 0 40 0 15 30 90cm 0 15 0 40 0 10 1 52 0 50 0 40 0 15 gt 90cm 0 15 0 33 0 07 1 57 0 50 0 33 0 15 Horizon 0 5 0 10cml 10 30cm D 80 90cm So0 4 gt 90cm 3 Donn es Wind gt w 0 3 4 3 I 0 2 0 1 T T T T T T T T T T T 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 Potentiel matriciel m Potentiel matriciel m Figure IIL 6 Courbes de r tention hydrique ajust es pour les diff rents horizons Le mod le de Vogel and Cislerova permet de rendre compte de fa on satisfaisante des courbes de r tention obtenues par la m thode de Wind Il pe
378. o France Toutefois quelques v nements rev tent un caract re exceptionnel avec des p riodes de retour approchant 2 5 ans 120 pluies 2004 2005 100 T 2ans E 80 4 Sosa T 5ans A 2 604 Vs ar ores 40 C e LR de Ce mt es NS e eee ca dE 0 T T T T T 0 30 60 90 120 150 180 Dur e minute Figure II 3 Comparaison de statistiques de pluie Intensit Dur e Fr quence M t o France avec les v nements enregistr s sur la p riode 2004 2005 55 1 1 2 La placette instrument e La placette instrument e est une partie de la parcelle enherb e d crite ci dessus qui nous a t aimablement pr t e par le propri taire M Ducroux viticulteur St Joseph Ses dimensions sont 4 m de largeur pour 6 3 m de longueur La longueur a t choisie identique celle de plusieurs syst mes exp rimentaux d crits dans la litt rature et notamment ceux de Patty Patty 1997 Elle est galement repr sentative des recommandations techniques formul es pour l implantation de bandes enherb es en vue de limiter la contamination des rivi res par les pesticides C O R P E N 1997 USDA NRCS 2000 La largeur t choisie suffisante pour supposer les effets de bordure faibles donc un fonctionnement principalement bi dimensionnel tout en tant compatible avec des contraintes techniques telles que la faisabilit d un syst me de r partition uniforme de l apport
379. od lisation nous permettra aussi d aborder des questions plus sp cifiques la repr sentation de ces processus par des quations math matiques savoir d valuer e la capacit de l quation d onde cin matique rendre compte du ruissellement de surface e la capacit de l quation de Richards rendre compte des coulements dans le sol e la validit des param tres hydrodynamiques notamment des perm abilit s obtenus l chelle locale On pr sente dans un premier temps la d marche de mod lisation d velopp e Le mod le est ensuite utilis pour reproduire l v nement naturel et v nement artificiel d j pr sent s dans la partie exp rimentale Diff rentes hypoth ses sont successivement envisag es puis valid es 2 1 D marche Ce travail de mod lisation est r alis sur les deux jeux de donn es exp rimentales d j pr sent s On fait l hypoth se ce stade que les flux dans le plan transversal la pente sont faibles et que le syst me peut tre repr sent par un mod le 2D Ceci sous entend d une part que l coulement de surface est uniforme sur toute la largeur de la placette et d autre part qu il n y a pas d effet de bordure significatif 2 1 1 1 G om trie et maillage Les contours ext rieurs du domaine de mod lisation repr sent s dans la Figure IV 21 ont t d finis partir des observations exp rimentales Celles ci montrent que l infiltratio
380. oins dans la premi re partie de l v nement n engendrant pas un ruissellement l exutoire car la variation de stock int gre quatre points de mesure dans la longueur de la placette ce qui permet une bonne discr tisation La cin tique de ressuyage de la couche 0 50 cm est lev e Elle d bute avant la fin de l v nement On constate par ailleurs que vingt quatre heures apr s la fin de l v nement la couche a retrouv un tat hydrique proche de l tat initial Ceci sugg re que si des coulements lat raux se produisent pendant l v nement ils se sont ressuy s avec la m me vitesse ce qui justifie a posteriori les hypoth ses du bilan Vitesse de propagation verticale La vitesse de propagation verticale des flux est renseign e par les mesures d humidit r alis es en continu diff rentes profondeur Les mesures faites dans les profils X 35 cm et X 215 cm sont illustr es dans la Figure IV 7 sous forme d une variation relative l tat initial 152 Profil X 35cm Profil X 215cm 0 4 0 15cm 0 15cm 0 3 E J 25cm EP 40cm Variation d humidit oO i Ruissellement pluie mm h oO 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 Temps min Temps min Figure IV 7 Propagation verticale des flux dans les profils situ s en X 35 cm gauche et en X 215 cm a droite La courbe repr
381. on de stock Percolation Percolation stock 0 60 120 180 240 300 360 Temps min Figure IV 35 Bilan des flux instantan s entr s sortis et stock s dans la zone racinaire au cours de l v nement naturel Malgr le retard constat l chelle des profils la simulation reproduit une propagation relativement rapide du front d infiltration entre la surface du sol et 50 cm de profondeur de sorte qu un flux appara t 50 cm 30 minutes seulement apr s le d but de l v nement Ceci indique qu une repr sentation darcienne standard des coulements avec les param tres hydrodynamiques mesur s suffit repr senter une percolation rapide La percolation et la variation de stock de la couche 0 50 cm l aplomb de la placette expliquent 90 du volume total infiltr l chelle de l v nement Les flux lat raux simul s dans cette couche se produisant vers l aval ou vers l amont sont donc faibles inf rieur 10 y compris pendant l v nement 2 2 4 1 Conclusions relatives la simulation de l v nement naturel Le mod le utilis reproduit bien les ordres de grandeur observ s concernant le volume infiltr et le ruissellement l exutoire moyennant un ajustement de l paisseur du mat racinaire et de sa perm abilit horizontale On en d duit notamment que les perm abilit s moyennes mesur es l chelle locale rendent bien compte des flux s infil
382. on diffus a t mis notre disposition par l auteur Jirka Simunek USDA Riverside Nous pr sentons ci dessous les fondements th oriques de ces deux outils 2 1 Repr sentation des flux d eau en surface et subsurface 2 1 1 Repr sentation des propri t s hydrodynamiques du sol La description d un milieu non satur n cessite la connaissance des trois variables d tat la teneur en eau L L le potentiel de pression h L et la conductivit hydraulique K L T Ces trois variables sont li es par des relations dites d tat h et K 6 ou K h fortement non lin aires Diff rentes formulations math matiques sont propos es pour d crire les relations d tat h et K h d crivant respectivement les propri t s de r tention hydrique et de conductivit hydraulique Les formules de van Genuchten 1980 et Vogel and Cislerova 1988 sont les plus fr quemment rencontr es Les quations de van Genuchten 1980 sont de loin les plus utilis es Le mod le de Vogel and Cislerova 1988 est tr s proche du mod le de van Genuchten 1980 Il utilise les m mes quations auxquelles ont t ajout s des param tres suppl mentaires pour augmenter leur flexibilit notamment au voisinage de la saturation C est ce mod le que nous utilisons car il permet d une part un meilleur ajustement sur des points exp rimentaux et d autre part de r aliser une analyse de sensibilit ou un ajustement de la conducti
383. on du ruissellement contamin par la pluie et d un processus d adsorption sur le substrat pr sent en surface Mais celui ci est limit du fait du temps de s jour tr s court quelques minutes des flux a la surface du 227 syst me Il semble de plus r versible de sorte que les produits fix s pourraient tre r entra n s par un v nement ult rieur e La r tention globale des pesticides dans la zone tampon instrument e est importante Cette r tention est principalement due au processus d infiltration et un processus d adsorption des pesticides infiltr s sur la matrice solide Cette adsorption se fait essentiellement dans horizon 0 20 cm de fa on coh rente avec la teneur en mati re organique de cet horizon Elle est par ailleurs en partie irr versible e La proportion de solut percol e au del de la zone racinaire relativement au flux infiltr est variable suivant l v nement Faible dans le cas de l v nement naturel tudi 4 elle est relativement significative dans le cas de l v nement artificiel 24 Ce dernier chiffre s explique en partie par la contribution de la macroporosit caract ris e par des vitesses de transfert lev es peu favorables la r tention et en partie par la d sorption d une partie des produits adsorb s lors d une phase d lution r alis e dans la continuit de l v nement Ce chiffre montre qu un entra nement en profondeur est possible m
384. onnement d une zone tampon enherb e Le test d une large gamme de situations types autres types de sols 230 autres types d v nements autres mol cules enherbement plus r cent et de situations risque zone tampon enherb e en bordure de cours d eau pr sence d un imperm able faible profondeur peut d sormais tre envisag Ceci devrait permettre de nuancer les recommandations faites actuellement en terme de localisation et de dimensionnement 23 232 Bibliographie Abu Zreig M Rudra R P and Whiteley H R 2001 Validation of a vegetated filter strip model VFSMOD Hydrological Processes 15 729 742 Agence de l eau RMC 2004 Pesticides pas de solution miracle sans un effort cons quent dans les pratiques actuelles 6 pp Ankeny M D Ahmed M Kaspar T C and Horton R 1991 Simple field method for determining unsaturated hydraulic conductivity Soil Science Society of America Journal 55 467 470 Arora K Mickelson S K Baker J L Tierney D P and Peters C J 1996 Herbicide retention by vegetative buffer strips from runoff under natural rainfall Transactions of the ASAE 39 6 2155 2162 Asmussen L E White A W Hauser E W and Sheridan J M 1977 Reduction of 2 4D load in surface runoff down a grassed waterway Journal of Environmental Quality 6 159 162 Assier J M 2001 Etude du pouvoir des zones tampons limiter la pollution des eaux par les produits phy
385. otamment dans des situations risque Dans cet objectif g n ral le travail de th se aura pour objectifs successifs 1 de combler le manque de connaissance concernant certains processus d terminant le potentiel purateur d une bande enherb e et notamment le devenir des flux infiltr s 2 de d velopper une approche de mod lisation des flux d eau et de pesticides l chelle d une bande en couplant flux de surface flux de percolation et processus de sorption 3 de valider l approche de mod lisation macroscopique dans le cas d une bande enherb e en situation d interception d un coulement de surface 4 D marche envisag e La m thodologie envisag e est mixte exp rimentale et num rique Les deux approches sont men es en parall le et en interaction mutuelle En effet la caract risation exp rimentale des processus est le pr alable indispensable toute mod lisation outre la phase de conceptualisation elle permet le param trage du mod le Inversement la mod lisation n est pas consid r e uniquement comme une finalit permettant de rendre compte macroscopiquement de ph nom nes observ s exp rimentalement mais comme un outil de connaissance permettant de valider ou infirmer des hypoth ses 4 1 Approche exp rimentale Conception d un dispositif exp rimental Pour satisfaire nos objectifs il faut un jeu de donn es complet sur les flux d eau et de pesticide se produisant dans
386. ote aussi que la remont e est maximale l aval de la bande ce qui soutient l id e d une recharge de nappe li e tr s majoritairement l infiltration dans la bande On constate enfin que le niveau pi zom trique maximum est d j atteint l instant t 137 minutes mais on ne dispose pas de mesure ant rieure de sorte qu on ignore la cin tique de remont e de la nappe On ignore donc si la charge observ e par les tensiom tres l instant t 30 min 40 cm et 80 cm de profondeur est due cette remont e de la nappe ou si elle r sulte de la mise en charge des ruptures de perm abilit par le bulbe d infiltration En revanche on peut facilement supposer que les variations de potentiels observ es en X 730 cm sont dues la remont e de la nappe du fait du gradient hydraulique vertical ascendant mesur 1 1 3 Synth se comparative des deux v nements Les deux v nements tudi s correspondent des situations contrast es L v nement naturel est repr sentatif d v nements fr quents L v nement artificiel l est aussi si on ne consid re que la phase de dopage mais il repr sente un v nement exceptionnel d s lors qu on consid re la totalit de l v nement 165 De fait les deux v nements sollicitent diff remment le syst me On constate d ailleurs que certaines observations diff rent e La capacit d infiltration macroscopique du syst me semble plus grande lors
387. otentiels faites dans la placette contraste avec la variabilit des mesures d humidit s On en d duit que les diff rences affich es par les 154 humidim tres sont peu significatives et qu on peut supposer l tat hydrique de la placette globalement homog ne 1 1 2 2 Flux entrant dans le syst me L v nement artificiel a t r alis en l absence de pluie Le ruissellement de surface est donc la seule entr e dans le syst me Les caract ristiques de l v nement Les caract ristiques de l v nement artificiel sont r sum es dans le Tableau IV 6 et illustr es par la Figure IV 10 Dans le tableau les volumes et le d bit moyen sont rapport s la surface de la placette 25 2 m L incertitude sur les volumes est calcul e au seuil de 95 par propagation de l incertitude sur la d bitm trie en entr e de placette les d tails du calcul figurent en annexe 2 L incertitude sur le d bit moyen correspond l cart type de la chronique sur la totalit de l v nement Tableau IV 6 Caract ristiques hydrauliques g n rales de l v nement artificiel Les moyennes de d bit n int grent pas les p riodes d interruption de l alimentation Dur e Volume D bit min mm mm h Dopage 41 201 3 370 Elution 137 741 3 340 Total 178 943 6 355 Dopage Elution lt gt lt gt E 400 8 ML Ny Pi 300 wn
388. othermes uniquement et l autre pr sente une loi cin tique d ordre 1 van Genuchten and Wagenet 1989 Ceci est formalis de la fa on suivante s s s a x 11 25 ie Ka s 1 f xs s kxe s M M est la fraction adsorb e sur les sites de type 1 o la r action est instantan e equilibrium s M M la fraction adsorb e sur les sites de type 2 o la r action est cin tique limit e kinetic et f la proportion de sites de type 1 En ce qui concerne la loi cin tique on note que celle ci a la forme g n rale d une loi d ordre 1 mais qu elle r sulte d un mod le conceptuel bas sur l loignement l quilibre Leij and Van Genuchten 1999 On en d duit que le param tre de vitesse ainsi d fini n a pas le m me sens que la constante cin tique intervenant dans les lois cin tiques utilis es en cin tique chimique ou dans la loi d Arrh nius 11 26 J Xg c s o J est le taux de transfert de la phase liquide vers la phase solide ML T un param tre de vitesse aussi appel constante cin tique T et g c s une fonction de c et s permettant de quantifier l cart l quilibre la sorption est d autant plus rapide que le syst me est loin de l quilibre La fonction g c s est d finie de fa on s annuler l quilibre Dans le cas d une adsorption lin aire la relation pr c dente devient 11 27 J K xc s 2 2 2 2 Equilibre et non
389. otographie du coffret de c blage 295 Figure VI 21 Bilan des flux d eau et de solut l chelle d une maille de longueur dx L 303 Figure VI 22 Hydrogrammes mesur s sur le dispositifs exp rimental 306 Figure VI 23 Infiltration relative dans la placette calcul e comme le ratio du volume mesur l exutoire sur le volume mesur en entr e de la placette ss 306 11s 12 Liste des tableaux Tableau I 1 Synth se des r sultats concernant la dissipation des produits phytosanitaires dans les bandes CHR TD ES E suc aues tqs ent aan agent n need nnn tarde baton den en ane date deu E bbe E cawsenioenateees 23 Tableau 1 2 Diversit des moOleculessCtdices 255 en den MR Nestes REA 25 Tableau I 3 Organigramme des variables affectant le fonctionnement d une bande enherb e 33 Tableau II 1 Granulom trie du sol de la parcelle enherb e et de la parcelle de vigne 59 Tableau II 2 Teneur en carbone et mati res organiques teneur en azote et ratio C N 60 Tableau II 3 Ambiance g ochimique du sol de la parcelle enherb e 61 Tableau II 4 Param tres hydrauliques et physiques des m ches PEP1 2 d crits par Knutson and Selker 1994 77 Tableau II 5 Compl mentarit des diff rentes m thodes de caract risation hydrodynamique mises en uvre 90 Tableau II 1 Teneur en eau saturation
390. oujours moins que la perm abilit du mat L hypoth se d un ruissellement hortonien se produisant la surface du mat racinaire implique donc une ou des hypoth ses suppl mentaires sur e un coulement de surface non uniforme e une perm abilit de surface non uniforme Concernant l h t rog n it de l coulement de surface la litt rature montre que la chenalisation est un processus fr quent la surface des sols enherb s du fait d une microtopographie significative et de lames d eau ruisselantes g n ralement faibles Abu Zreig et al 2001 Dillaha et al 1989 De plus nos observations confirment que la propagation du front de ruissellement est h t rog ne ce qui est coh rent avec l existence de chenaux d coulement pr f rentiel la surface de la placette exp rimentale Cependant il faut supposer dans le cas de l v nement artificiel que seule la moiti de la surface de la placette est contributive pour expliquer l apparition d un coulement l exutoire Pour expliquer l intensit du ruissellement observ dans la phase de r gime permanent 200 mm h il faut supposer que seulement 20 de la surface de la placette est 167 contributive Dans le cas de l v nement naturel il faut supposer que seulement 37 de la surface est contributive pour expliquer l apparition de l coulement l exutoire Ces valeurs semblent faibles notamment dans le cas de l v ne
391. our moi et bien entendu No mie qui aura durant ces trois ans us de toutes les casquettes de l appui technique la relecture du m moire Ce fut un soutien permanent et une source d inspiration je lui dois beaucoup Table des mati res Liste lee OMR a dd eo A Panera eae 7 Liste d stableaux 52u5 nie er OM ie ee aura bee ated ehench benes 13 TGR OB CUO Dias 2552 ceadacasicedueseabasudaketadccoasascedsanusacedveedessassbatvel Chapitre I Etat de Part et d marche csi scccsescsaconeassesesetedocnssassnsssssoaeceseatances 20 1 Utilisation de bandes enherb es pour limiter les transferts de produits phytosanitaires vers les eaux de surface Etat de Part seesssssesseesseeesoorssoeesseeesoceseoresoeesseeesoorssoeeseeesseessee 2L 1 1 Introduction historique et autres revues ous hfardibesssebssudispeseietssshatnaatsess 21 1 2 Des capacit s d interception int ressantes mais variables 22 1 2 1 M canismes d abattement des flux de pesticides par une bande enherb e 26 1 2 2 Principales propri t s d une bande enherb e d terminant le potentiel d interception 28 1 2 3 Evolution temporelle de la capacit d interception 32 1 3 Devenir des produits intercept s par un dispositif enherb cceeeeeeeeeeeeteeees 33 1 3 1 D gradation des produits in filtres sic svc cbs acne cess acac tbe a
392. outils de mod lisation utilis s On en d duit les hypoth ses suivantes e Les courbes K h et Oh d termin es sur les horizons 30 40 cm et 50 60 cm sont extrapolables a la couche 0 90 cm e Les courbes K h et Oh d termin es sur l horizon 70 80 cm sont extrapolables au sol sous jacent de la zone caract ris e gt 90 cm e Le param tre Ksa doit tre diff renci entre les horizons 0 10 cm 10 30 cm et gt 30 cm Dans la pratique on suppose une valeur unique de perm abilit a partir de 30 cm de profondeur par manque de donn es e Le param tre Gat doit tre diff renci entre les horizons 0 10 cm 10 90 cm et gt 90 cm 1 3 2 Ajustement des quations de Vogel and Cislerova 1988 Nous avons utilis les quations de Vogel and Cislerova 1988 pour d crire les courbes de r tention hydrique et de conductivit hydraulique du sol tudi En effet le mod le de van Genuchten 1980 ne poss de pas suffisamment de degr s de libert s pour les objectifs suivants e Distinguer les diff rents horizons uniquement au voisinage imm diat de la saturation e Tester des hypoth ses sur le param tre Ksar sans modifier le reste de la courbe X h Etant donn la dispersion des valeurs de perm abilit mesur es il est difficile de d terminer une courbe de conductivit hydraulique unique Connaissant la sensibilit de l quation de Richards ce param tre nous souhaitons formuler diff re
393. page et v nement total 156 Tableau IV 8 Hauteur totale d eau percol e not e Hperc mesur e dans les lysim tres m che transect droit pendant l v nement et les 24 heures suivantes 157 Tableau IV 9 Hauteur totale d eau percol e not e Hperc mesur e dans les lysim tres atmosph riques transect gauche pendant l v nement et les 24 heures suivantes 157 Tableau IV 10 Bilan des sorties du syst me par p riode exprim es en valeur absolue mm et relativement au volume total entr e 96 Ve sisi retient tet dial deanna 158 Tableau IV 11 Param tres hydrodynamiques principaux correspondant aux mesures r alis es l chelle locale EE EE EE E 181 Tableau IV 12 Distance de propagation maximale du ruissellement simul pour des coefficients de rugosit de DT RS SR a a te DD du 181 Tableau 1V 13 Comparaison des flux cumul s simul s 50 cm de profondeur avec les flux cumul s mesur s dans Tes lySimetres M RE Rd E E T r essaie t er E 186 Tableau IV 14 Comparaison des flux cumul s simul s 50 cm de profondeur avec les flux cumul s mesur s dans les lysimetres m che et lysim tres atmosph riques la fin de l v nement ee eeeeeeeeeereees 191 Tableau IV 15 Bilan des flux d eau sortants en surface et subsurface l chelle de la placette mm 198 Tableau IV 16 Param tres hydrodynamiques principaux correspondant l hypoth se de perm
394. par adsorption Patty 1997 Tingle et al 1998 Des r sultats contradictoires existent sur l effet de la hauteur d eau Misra et al 1996 Souiller et al 2002 et il n y a pas de r sultat concernant l impact d une r duction de la largeur efficace d coulement On montre cependant un effet de la densit de v g tation les concentrations en atrazine alachlore et permethrin sont statistiquement plus faibles en sortie d une bande enherb e de 25 ans compar e une bande de 2 ans moins dense Schmitt et al 1999 La capacit d adsorption d une bande enherb e est par ailleurs potentiellement li e l ensemble des facteurs intervenant dans l adsorption des compos s organiques la nature de l adsorbat celle du substrat adsorbant la teneur en eau de l adsorbant la quantit d adsorbat disponible la pr sence d autres mol cules organiques ou ions min raux le pH et la temp rature Calvet et al 1980 En ce qui concerne les herbicides de nombreuses tudes en laboratoire ont montr que la mobilit de ces produits tait essentiellement contr l e par la teneur en mati re organique du milieu Stoeckel et al 1997 Ce r sultat a t confirm par les travaux sp cifiques aux bandes enherb es Benoit et al 1999 Madrigal et al 2002 Reungsang et al 2001 La corr lation entre adsorption et teneur en mati re organique est repr sent e par le coefficient Koe L M d riv du coefficient
395. par le Cemagref de Lyon de la fa on suivante Des prises d essai quivalentes a 75 g de sol sec 12 g pour les v g taux tamis es a 2 mm sont mises en contact avec la solution de dopage pendant 24 heures temp rature ambiante 20 25 C et sous agitation orbitale a faible vitesse de rotation 50 r volutions min et avec un ratio massique sol eau de 2 1 12 pour les v g taux Le rapport sol eau et le mode d agitation ont t choisis de fa on maximiser la repr sentativit des mesures Margoum 2003 Le rapport massique utilis pour les v g taux correspond au ratio maximal r alisable pratiquement avec ce type de mat riau Chaque mesure est r p t e une fois La concentration SOf de la phase liquide est d termin e apr s extraction liquide liquide au dichlorom thane par chromatographie en phase liquide Un dopage au Linuron permet de tenir compte du rendement d extraction Des blancs t moins solution de pesticide sans substrat et des blancs matrices substrat et eau sans pesticide ont t r alis s pour viter un biais ventuel Le d tail du protocole figure dans l annexe 7 Le point 500 ug L a t r alis l INRA de Paris Grignon Leclerc 2004 de la fa on suivante la prise d essai est de 5 g de sol sec et est tamis e 4 mm Le ratio sol eau est de 72 et l agitation se fait par retournement dans un agitateur rotatif La solution de dopage contient du Diuron marqu C14 Diuron La qu
396. par r gression lin aire avec incertitudes sur les deux coordonn es 2 incertitudes du d bit et du cumul volum trique 165 me session du Comit Scientifique et Technique de la SHF Colloque d hydrotechnique Autosurveillance et mesures en r seau d assainissement Lyon pp 8 Brooks R H and Corey A T 1964 Hydraulic properties of porous media Hydrol Paper 3 Colorado State Univ Fort Collins CO 27p C A Vaucluse 2000 Efficacit des bandes enherb es sur la qualit des eaux de ruissellement Groupement de d veloppement agricole Viticulture de Vaucluse 26 pp C O R P E N 1997 Comit d Orientation pour la R duction de la Pollution des Eaux par les Nitrates les phosphates et les produits phytosanitaires provenant des activit s agricoles Produits phytosanitaires et dispositifs enherb s Etat des connaissances et propositions de mise en oeuvre MAP MATE 88 pp Calvet R Terc M and Arvieu J C 1980 Adsorption des pesticides par les sols et leur constituants ITI Caract ristiques g n rales de l adsorption des pesticides Annales agronomiques 31 3 239 257 Campbell Scientific 1996 PDCR1830 Pressure transducer for depth measurement User guide 5 pp Campbell Scientific 1998 Module de mesure et de contr le CR10X Manuel d utilisation Campbell Scientific 2001 ARG100 Pluviom tre augets basculeurs Manuel d utilisation 6 pp Campbell Scientific 2002 CS616 R flectom tre de teneur en eau M
397. partiellement humifi es riches en lignine induisent un K lev Benoit et al 1999 Par ailleurs dans une ambiance carbonat e et ou calcique le caract re hydrophobe de la mati re organique diminue et par cons quent la r tention des mol cules neutres hydrophobes Isoproturon ou tr s hydrophobes Difluf nicanil diminue galement Madrigal et al 2002 Enfin l adsorption peut galement tre corr l e avec la teneur en argile qui est le deuxi me constituant du sol adsorbant apr s la mati re organique Staddon et al 2001 consid rent que l influence de l argile est significative lorsque le ratio argile mati re organique est sup rieur 30 Enfin le potentiel d adsorption d une bande enherb e d pend aussi d aspects cin tiques car les coulements ne sont pas permanents et la r action d adsorption n est pas instantan e Madrigal et al 2002 Margoum et al 2001 On montre dans le cas de l isoproturon et du difluf nicanil que l quilibre est atteint entre 5 minutes et plusieurs heures selon les substrats Madrigal et al 2002 Margoum et al 2001 Par ailleurs on peut estimer approximativement que les vitesses d coulement sur substrat enherb sont de l ordre du m tre par minute Gril et al 1996 ce qui impliquerait des temps de contact de l ordre de quelques minutes suivant la longueur de la bande enherb e Cela signifie que l quilibre n est probablement pas atteint dans les
398. pel et al 1997 Schmitt et al 1999 Misra et al 1996 Conditions exp rimentales Pluie naturelle Pluie naturelle Pluie naturelle Pluie naturelle Pluie naturelle Pluie naturelle Pluie naturelle Pluie naturelle Pluie simul e 60 mm h 90 180 min Ruis simul 117 200 mm h 60 150 min Ruis simul 38 58 mm h 300 min Ruis simul 400 2000I h Pluie simul e 14 mm h Ruis simul 100 200 mm h 25 Pluie simul e 50mm h 30 Ruis simul 190 380 mm h 45 Pluie simul e 64 mm h 60 Dimensions Longueur Ratio de enherb e surface m 20 5 2 18 6 12 18 12 36 8 0 5 4 2 18 0 3 1 4 8 80 3 6 4 8 1 15 14 214 3 5 7 5 10 20 7 5 15 9 19 12 3 7 Modalit test e Mol cule Mol cule Charge entrante Mol cule Longueur Mol cule Mol cule Longueur Mol cule V g tation Mol cule Mol cule Longueur Etat hydrique Longueur Type de sol Mol cule D bit Mol cule Saisonalit Longueur Saisonalit Mol cule Longueur D bit Mol cule Source ponctuelle Longueur Mol cule V g tation D bit Charge entrante Type de donn es Mesure Formulation Instantan e R p titions Cumul par v nements 6 Cumul par v nements 24 Moyenne inter annuelle 3 Cumul par v nements 32 Moyenne inter annuelle 2 Cumul par v nement Moyenne in Cumuls sur application Moyenne in Conc Inst er annu
399. peut donc consid rer que le coefficient n n est pas significativement diff rent de 1 et en d duire que le mod le d isotherme lin aire est acceptable pour le sol enherb Les r sultats obtenus sur le sol de vigne sont similaires et les r sultats obtenus sur le mat riau v g tal sont trop peu nombreux avec deux concentrations de dopage test es pour justifier l utilisation d un mod le non lin aire On d termine donc des coefficients de partage sol eau l quilibre Kp d finis comme le rapport s c de la concentration sur la phase solide et de la concentration en phase liquide obtenu 24 heures Les r sultats obtenus sont rassembl s dans le Tableau III 12 et illustr s par la Figure 111 13 Ces r sultats int grent les coefficients d termin s 24 heures lors de l tude cin tique 130 Tableau III 12 Coefficients de partage Kp L Kg d termin s pour le Diuron diff rentes concentrations sur diff rents horizons de la parcelle enherb e BE et de la vigne Le point 20 ug L a t caract ris deux reprises lors de la d termination de l isotherme i et de la cin tique c Les chiffres en italiques correspondent aux cart types d termin s sur 2 3 points 500 ug L r p titions Concentration 5 ug L 20 ug L i 100 ug L 500 pg L 20 pg L c Moyenne de dopage 2 r p 2 r p 2 r p 3 r p 2 r p L kg BE 0 5cm 9 6 0 2 13 6 1 9 12 5 1 5 14 2 1 2 18 6 0 0
400. pondent pas malgr l ajustement des param tres L 4 et 4 cf Figure 5 Dans les deux cas le lysim tre est globalement plus conducteur que le sol ce qui engendre des potentiels plus bas dans la m che donc des gradients centrip tes On constate aussi que le biais sur les conductivit s est largement sup rieur dans le cas du syst me Rehovot sand Peperell 1 2 ce qui est coh rent avec l erreur constat e sur les flux On peut donc conclure que pour permettre un chantillonnage non biais les mat riaux sol et m che doivent d j avoir des courbes de 279 conductivit parall les sur la gamme de potentiel explor e par le lysim tre 0 Z A noter que lorsqu on utilise le mod le de Gardner i e le protocole de Knutson and Selker 1994 ceci se voit imm diatement gr ce au coefficient a repr sentant la pente de la courbe K h Rimmer et al 1995 3000 E 2 8000 5 y 1 1973x 2 y 1 0629x amp 2000 FR 0 9914 z 6000 Re 0 9986 a Sa DS 5 4000 w 1000 4 2 z 5 2000 4 A E B S 0 T f o 0 E T T T 0 1000 2000 0 2000 4000 6000 8000 Cumulated reference volume cm3 Cumulated reference volume cm3 Figure 4 Comparaison des flux simul s entre le mod le de r f rence et le mod le avec m che pour le Ida silt loam B et le Rehovot sand A En conclusion nous avons montr que la formule analytique propos e par Knutson and Selker 1994 bien qu tablie en r
401. porosit permettant des vitesses de transfert importantes e La capacit d infiltration de la placette varie probablement en fonction des conditions de charge et donc de d bit du ruissellement entrant en lien avec l h t rog n it de l coulement de surface et la mise en charge ou non des macropores e Des coulements lat raux se produisent probablement dans le profil de sol notamment lorsque le profil se met en charge comme lors de l v nement artificiel Ces derni res hypoth ses demandent tre v rifi es La mod lisation des flux d eau l aide d un mod le physique permet de r pondre en partie cette attente Elle permet par ailleurs de rechercher une repr sentation quivalente du syst me 172 2 Mod lisation L objectif g n ral du travail de mod lisation est de contribuer la compr hension des processus d coulement dans la placette enherb e exp rimentale et par l de se rapprocher d une repr sentation macroscopique quivalente du syst me La mod lisation du syst me exp rimental va nous donner l occasion de discuter des processus d j voqu s dans la discussion des r sultats exp rimentaux e l origine strictement superficielle ou galement en partie subsuperficielle du ruissellement de surface mesur l exutoire e existence et la contribution de voies d coulements rapides de type macropores e importance des flux lat raux de subsurface La m
402. port in a managed riparian forest buffer system Transactions of the ASAE 40 4 1047 1057 Madrigal I Benoit P Barriuso E Eti vant V Souiller C R al B and Dutertre A 2002 Capacit de stockage et d puration des sols de dispositifs enherb s vis a vis des produits phytosanitaires Etude et Gestion des Sols 9 4 287 302 Mander U Kuusemets V Lohmus K and Mauring T 1997 Efficiency and dimensioning of riparian buffer zones in agricultural catchments Ecological Engineering 8 4 299 324 Margoum C 2003 Contribution l tude du devenir des produits phytosanitaires lors d coulements dans les foss s caract risation physico chimique et hydrodynamique PhD Thesis Universit Joseph Fourier Grenoble 243 pp Margoum C Gouy C Laillet B and Dramais G 2003a R tention des produits phytosanitaires dans les foss s de connexion parcelle cours d eau Revue des sciences de l eau 16 3 389 405 Margoum C Gouy C Madrigal I Benoit P Smith J Johnson A C and Williams R J 2001 Sorption properties of isoproturon and diflufenican on ditch bed sediments and organic matter rich materials from ditches grassed strip and forest soils BCPC Symposium Margoum C Malessard C and Gouy C 2003b Use of experimental design to investigate pesticide adsorption on ditch bed sediment and leaves in decay XII Symposium Pesticide Chemistry Piacenza pp 175 183 MEDD 2004 Rapport final du
403. pour le m tolachlore 10 jours en bande enherb e et 23 jours sur sol nu Staddon et al 2001 pour l atrazine entre 14 et 121 jours suivant l horizon et le sol consid r Reungsang et al 2001 pour l isoproturon de 72 jours sur sol cultiv 8 jours dans l horizon de surface d un sol enherb Benoit et al 1999 Les m tabolites de d gradation peuvent tre plus stables que la mol cule m re Benoit et al 1999 Benoit et al 2000 Mersie et al 1999 A titre d exemple l atrazine se d grade rapidement en plein champ mais ses produits de d gradation peuvent persister dans le sol jusqu 9 ans apr s l application Stoeckel et al 1997 De plus la r activit des sous produits peut se r v ler forte C est notamment le cas avec l isoproturon Benoit et al 1999 Benoit et al 2000 le m tolachlore Staddon et al 2001 et l atrazine Mersie et al 1999 qui sont des mol cules Koc mod r mais dont les m tabolites sont significativement plus adsorb s que la mol cule m re Ainsi m me si la d gradation biologique peut rapidement diminuer les quantit s de produit parent disponibles et ainsi limiter le risque d accumulation et de lessivage ce n est probablement pas vrai pour les sous produits de d gradation Des donn es suppl mentaires doivent tre obtenues concernant les sous produits des principaux pesticides utilis s pour quantifier le risque d accumulation et de lessi
404. programme PESTICIDES R le des am nagements d origine anthropique dispositifs enherb s et foss s dans le transfert et la dissipation des produits phytosanitaires en bassin versant agricole Mod lisation en vue d appr cier les effets des am nagements et des pratiques agricoles sur la contamination des eaux de surface Subvention du Minist re de l Environnement et du D veloppement Durable n 01106 Cemagref INRA Arvalis 124 pp Mercier P 1998 Contribution m thodologique a l tude des mati res en suspension Application au transfert particulaire en sol drain PhD Thesis ENGREF 164 pp Mersie W Seybold C and Tsegaye T 1999 Movement adsorption and mineralization of atrazine in two soils with and without switchgrass Panicum virgatum roots European Journal of Soil Science 50 343 349 Meyer L D Dabney S M and Harmon W C 1995 Sediment trapping effectiveness of stiff grass hedges Transactions of the Asae 38 3 809 815 236 Michalak B 2000 La simulation de ruissellement un outil d valuation de la capacit des zones enherb es et bois es dissiper les produits phytosanitaires CEMAGREF Lyon 76 pp Misra A K Baker J L Mickelson S K and Shang H 1994 Effectiveness of vegetative buffer strips in reducing herbicide transport with surface runoff under simulated rainfall Mid central meeting of the ASAE Misra A K Baker J L Mickelson S K and Shang H 1996 Contributing area and co
405. ption d sorption et de d gradation affectant les produits phytosanitaires la fois en surface et subsurface Une description plus physique du processus d infiltration est galement n cessaire pour permettre notamment de rendre compte de l infiltration dans un milieu stratifi non homog ne et en pr sence d une zone satur e peu profonde susceptible de limiter fortement l infiltration voire de la rendre nulle conditions relativement fr quentes dans les bandes enherb es Le perfectionnement des outils passe aussi par une repr sentation explicite des flux de subsurface qui peuvent tre verticaux et lat raux et n cessitent donc une repr sentation 2D et ventuellement non homog ne non darcienne De tels mod les pourront alors tre valid s _ 45 sur des crit res plus fins dynamiques notamment reproduction de l hydrogramme et du solutogramme et non plus seulement globaux Enfin les mod les venir devront permettre d envisager des chelles temporelles sup rieures l v nement de fa on mieux repr senter l tat initial du syst me du point de vue des teneurs en eau et en pesticides Il faudra notamment prendre en compte l volution du stock de pesticides et sa disponibilit pour un relargage ventuel En ce qui concerne l am nagement des syst mes tampons enherb s l incertitude associ e aux recommandations techniques actuelles pour le positionnement et le dimensionnement est grande
406. publi concernant la validit de ces recommandations N anmoins un travail de mod lisation hydrologique distribu e confirme le fait que l enherbement d une petite part d un bassin versant peut suffire r duire significativement les flux de contaminant l exutoire si les bandes enherb es sont dispos es sur les voies d coulement les plus contributives et l aval imm diat des parcelles les plus contributives Lecomte 1999 Nous soulignons aussi le fait que ces recommandations ne tiennent absolument pas compte des processus de subsurface Comme ela a t d montr pr c demment ce manque est particuli rement probl matique dans le cas des bandes rivulaires implant es en fond de versant c est dire o un risque de contamination d une nappe peu profonde est non n gligeable 1 5 2 Le dimensionnement de la bande Si l efficacit des bandes enherb es dissiper les flux polluants a t montr e par de nombreux auteurs il y a peu de r f rences d crivant les dimensions donner ces dispositifs pour une efficacit optimale en fonction des sp cificit s d un site Au niveau fran ais Comit d Orientation pour la R duction de la Pollution des Eaux par les Nitrates les phosphates et les produits phytosanitaires provenant des activit s agricoles CORPEN 1997 seules quelques r gles qualitatives ont t nonc es sur le dimensionnement principalement bas es sur la distinction entre un
407. r des conditions de flux nul justifi es par la sym trie en ce qui concerne la limite centrale et par la distance la source en ce qui concerne la p riph rie du cylindre Le collecteur du lysim tre est d crit par une condition de suintement c est dire imperm able en r gime non satur et potentiel atmosph rique en r gime satur 123 Les dimensions du domaine ont t d termin es de sorte pouvoir n gliger l influence des conditions impos es sur la limite lat rale p riph rique et sur la limite inf rieure 2 2 1 2 Conditions initiales Elles sont estim es gr ce aux mesures de potentiel r alis es quelques minutes ou quelques heures avant les exp riences d infiltration Deux profils moyens doivent tre consid r s car le profil E a t caract ris une date diff rente des profils F G et H Les profils moyens simul s sont directement inspir s des potentiels mesur s aux profondeurs 15 cm 40 cm et 80 cm Nous souhaitons galement tester des profils int grant l incertitude sur la mesure du potentiel Pour cela nous testons des profils d riv s des profils moyens par ajout d une incertitude arbitraire gale 15 cm Les profils de potentiels test s sont illustr s dans la Figure HI 9 Le profil moyen est not Pm le profil bas supposant qu on surestime le potentiel de 15 cm est not Pb et le profil haut supposant qu on sous estime le potentiel de 15 cm est not Ph Seuls
408. r sente en surface elle sature quasi instantan ment cette couche Les variations d humidit s mesur es dans l horizon 0 50 cm des diff rents profils instrument s sont illustr es dans la Figure IV 5 sous forme d une variation relative l tat initial 0 4 0 X 35cm s X 215cm gt pa o X 405cm E x X 5B0CM Pluie cumul e 2 02 Ruiss pluie 2 5 o 2 E 5 2 S 01 3 0 0 800 0 20 40 60 80 100 120 Temps min Figure IV 5 Variations relatives d humidit volumique mesur es dans la couche 0 15 cm d amont en aval de la placette La courbe repr sent e sur l axe des ordonn es invers es correspond au flux total instantan re u par la placette Les mesures de surface sugg rent que la premi re partie de l v nement n a pas engendr d coulement au del de l abscisse X 200 cm On en d duit que le pic principal qui g n re un coulement l exutoire se produit sur une placette aux deux tiers non satur e La variation d humidit mesur e en surface sur trois des quatre profils montre que la couche 0 15 cm n est pas port e saturation au niveau de ces profils m me au cours du pic principal En effet en comparaison les variations d humidit constat es pour les m mes capteurs lors de l v nement artificiel partir d un tat initial similaire sont nettement sup rieures Ceci sugg re que le ruissel
409. ram tres hydrauliques Mualem van Genuchten ajust s sur les courbes utilis es par Knutson and Selker 1994 pour d crire les m ches Les dimensions donn es aux lysim tres r sultent de l application du protocole analytique de dimensionnement que l on souhaite valuer Knutson and Selker 1994 elles sont rappel es dans le tableau HI On note qu il n a pas t possible de trouver de m che aux propri t s adapt es au Rehovot Sand Soil type Ida Silt Loam Rehovot Sand Amatex company Pepperell company mule WPS 3 8 inch Med Density 1 2 inch Wick section cm 0 74 1 65 Wick length cm 80 45 Collection area cm 225 75 Table HI Configurations sol m che test es Knutson and Selker 1994 Valeurs de r f rence pour l analyse de sensibilit On choisit arbitrairement de mod liser des lysim tres install s 60 cm sous la surface L tat initial inspir de mesures tensiom triques faites sur le terrain suppose un potentiel matriciel uniforme de 50 cm 278 3 4 R sultats et discussion 3 4 1 Evaluation d un lysim tre dimensionn selon la m thode de Knutson and Selker 1994 La Figure 3 montre les flux instantan s simul s par le mod le en sortie de la m che en fibre de verre pendant la p riode consid r e et les flux instantan s simul s par le mod le de sol non instrument servant de r f rence la profondeur 60 cm Cette figure montre que les flux de percolation 60 cm de
410. ration Les points repr sentent des valeurs moyennes les barres l intervalle de confiance 68 Les valeurs de conductivit mesur es proximit imm diate de la saturation sont tr s diff rentes des valeurs mesur es saturation Il y a en effet une diff rence comprise entre un et deux ordres de grandeur entre la conductivit mesur e sous un potentiel de 1 cm et la conductivit mesur e sous une faible charge Ceci peut traduire la pr sence d une macroporosit ne contribuant a l infiltration que lorsqu une lame d eau libre est pr sente en surface 1 2 3 Conductivit hydraulique en fonction du potentiel matriciel La courbe de conductivit hydraulique en r gime non satur a t caract ris e par la m thode de Wind 1968 qui fournit des couples de valeur conductivit hydraulique potentiel matriciel et conductivit hydraulique teneur en eau sur une gamme de potentiel allant de 50 cm 10 m Les horizons caract ris s sont les suivants 30 40cm 50 60 cm et 70 80 cm Les mesures ont t r p t es deux fois Les r sultats obtenus sont illustr s par la Figure III 5 qui comprend l ensemble des couples de points pour tous les horizons 100 0000 3 E 4 iS 1 0000 3 a J 8 J 3 1 S 0 0100 4 O 1 0 0001 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 potentiel matriciel m Figure III 5 Conductivit s hydrauliques d termin es par la m thode de Wind sur diff rents
411. ration des chantillons serait assez laborieuse Une autre m thode consiste humecter ou dess cher progressivement une colonne de sol pour parcourir la courbe d talonnage avec un m me chantillon Le probl me de ces m thodes par vaporation ou humectation est la lenteur des processus qui implique des exp riences de plusieurs semaines et le fait que l humidit de l chantillon n est jamais parfaitement homog ne mais suit un profil d vaporation ou d humectation Un protocole a t propos par Quinones et Ruelle 2001 pr sentant le double avantage de ne n cessiter qu un seul chantillon de sol hormis les r p titions d usage et de pouvoir se faire en une journ e Il repose sur l hypoth se que la r ponse du capteur est reli e la longueur de tige ins r e dans le milieu par une relation g om trique simple pour un sol d humidit 50 la sonde donnera une valeur de 50 si les 30 cm de tige sont ins r s dans le milieu de 25 si elle ins r e moiti de 12 5 si un quart seulement est dans le milieu etc Ce protocole n cessite donc d avoir une colonne de sol d humidit connue quasiment satur e pour parcourir l int gralit de la gamme de fonctionnement Un premier couple humidit p riode est obtenu en ins rant enti rement la sonde dans la colonne Une mesure avec la sonde mise lair libre nous donne une autre valeur de p riode pour une humidit z ro Les couples inte
412. re de la teneur en eau saturation et de la porosit totale Des mesures de teneur en eau saturation et de porosit totale du sol de la placette exp rimentale enherb e ont t effectu es par l INRA de Montpellier en avril 2005 sur des chantillons de sol provenant de trois horizons 0 10 cm 10 20 cm et 20 30 cm Les chantillons sont des cylindres de sol non remani de 7 cm de haut et de 15 cm de diam tre Ils ont t pr lev s de fa on conserver la structure du sol par battage d une bague m tallique coupante de m mes dimensions dans le sol originel La mesure a t r p t e trois fois dans chaque horizon Les r p titions ont t r parties spatialement de part et d autre de la placette exp rimentale de sorte garantir la repr sentativit de l chantillonnage Des mesures de porosit totale ont galement t r alis es par l INRA d Orl ans en d cembre 2003 sur des chantillons de m mes dimensions et pr lev s de fa on similaire sur les horizons 30 40 cm 50 60 cm et 70 75 cm avec deux r p titions pour chaque horizon La teneur en eau saturation est d termin e par gravim trie par diff rence entre une pes e humide faite apr s une mise saturation de l chantillon et une pes e s che faite apr s s chage complet du m me chantillon La mise saturation est faite par immersion 86 quasi totale de l chantillon 6 cm de hauteur d eau pour des chant
413. res quasi instantan es 1 2 2 2 Protocole de la simulation de ruissellement L eau inject e en amont du syst me exp rimental est pomp e dans la rivi re toute proche puis dop e au moyen de trois cuves de 600 Litres Une pompe lectrique d assainissement de d bit maximal 4 4 L s sous charge faible est immerg e dans la rivi re et sert remplir les cuves Une autre pompe identique est immerg e dans les cuves pour remonter l eau en amont du dispositif exp rimental Le d bit de vidange avoisine les 2 3 L s du fait de la charge de rel vement Au total trois s ries de trois cuves ont t inject es Afin d optimiser l homog n it de la solution inject e chaque cuve est pr par e par dilution d une dose concentr e de 1 Litre contenant du Bromure et de trois doses de 1 Litre contenant du Diuron ces doses ayant t pr alablement pr par es au laboratoire Seule la 2 s rie 2 tiers a t pr par e diff remment par manque de doses concentr es en Diuron pendant cette s rie le Diuron est inject dans les cuves l aide d une micropipette Le volume de dilution est suppos constant toujours gal la capacit des cuves 600 Litres Deux chantillons sont pr lev s dans chaque cuve en d but et fin de vidange afin de contr ler la concentration inject e 1 3 Dispositifs et protocoles de caract risation des propri t s du milieu 1 3 1 Propri t s hydrodynamiques 1 3 1 1 Mesu
414. res vers les eaux de surface Etat de l art Le contenu de cette partie a t publi en anglais sous une forme tr s proche dans la revue Agronomy for Sustainable Development Lacas et al 2005 L objectif de cette revue bibliographique est de faire une analyse critique des r sultats concernant l utilisation de bandes enherb es pour retenir les produits phytosanitaires transport s dans le ruissellement de surface et notamment d identifier quels sont les m canismes d puration bien connus et ceux n cessitant des recherches suppl mentaires Dans ce but apr s une introduction sur l historique des travaux le texte aborde les quatre questions principales suivantes e Quels sont les facteurs de variation affectant l efficacit d une zone tampon retenir les pesticides transport s par ruissellement de surface e Que deviennent les pesticides intercept s par une bande enherb e e Quelles sont les approches de mod lisation existantes et quelles sont leurs limites e Quelles sont les recommandations actuelles faites pour dimensionner une bande enherb e et la localiser dans un bassin versant et sont elles coh rentes avec notre tat des connaissances 1 1 Introduction historique et autres revues L int r t des bandes enherb es dans la lutte contre les pollutions diffuses des eaux de surface a fait l objet de nombreux travaux dans les derni res d cennies Les premiers r sultats exp rimentaux conce
415. revanche les transferts li s aux coulements sont plus difficiles r duire du fait de la complexit des processus physico chimiques et hydrologiques en jeu En ce qui concerne les transferts par ruissellement de surface on constate que la mobilisation des produits pr sents la surface de la parcelle et leur transport vers les rivi res d pendent de nombreux param tres e La masse de polluant mobilisable d pend essentiellement de la dur e entre la date d application et l v nement ruisselant mais aussi des propri t s physico chimiques de la mol cule solubilit demi vie coefficient d adsorption pression de vapeur saturante des conditions m t orologiques apr s pandage et des propri t s physico chimiques du sol de la teneur en mati re organique de l horizon de surface notamment e Le ruissellement parcellaire d pend de variables telles que l intensit et la dur e de la pluie consid r e la pente du terrain les propri t s physiques du sol texture et structure et les pratiques culturales labour non labour e Le transport des produits mobilis s l chelle parcellaire par le ruissellement jusqu aux eaux de surface d pend du fonctionnement hydrologique global du bassin versant Dans les bassins agricoles souvent fortement anthropis s on constate le r le d terminant jou par deux types de zones d interfaces les r seaux de foss s r cup rant les eaux de ruissellement l che
416. rieur 1 fix par d faut 0 7 Si lors d un pas de temps de calcul 4 le nombre d it rations d passe une valeur maximale fix e g n ralement entre 10 et 50 valeur par d faut maxlter 20 le calcul s interrompt At est divis par 3 et le processus it ratif red marre L optimisation de l incr mentation d pend aussi du module de transfert de solut lorsque celui ci est utilis Il poss de d autres r gles d ajustement bas s sur les nombres 105 adimensionnels de P clet et Courant et vite des ph nom nes d oscillation num rique ou de dispersion excessive en diminuant ventuellement le Atma pr d termin 2 3 4 3 Calcul de l erreur sur le bilan de masse Hydrus peut calculer des bilans de masse sur tout ou une partie du domaine des instants pr d termin s Ce calcul se base sur l estimation du volume d eau contenu dans la zone 6 0 6 11 51 V K A o 6 6 amp sont les teneurs en eau estim es aux sommets de l l ment triangulaire e Ae la surface de l l ment e et K un facteur homog ne une longueur La sommation s effectue sur tous les l ments de la sous r gion On souhaite en fait conna tre via le bilan de masse l erreur faite par le mod le c est dire une ventuelle perte d eau dans le domaine par le biais des diff rentes approximations sur h et q Cette erreur nous permet de juger de la qualit d une solution
417. rm diaires sont obtenus lors du retrait ou de l insertion progressif de la sonde de l chantillon en appliquant la relation g om trique pr c dente Le protocole suivi se distingue de celui propos par Quinones et Ruelle 2001 dans la mesure o nous utilisons des colonnes de sol non remani es pour ne pas modifier la porosit de l chantillon par rapport au sol en place En effet le sol tudi est particuli rement structur et les volumes de vide affectent directement le signal des sondes Campbell Scientific 2002 289 Figure VI 17 Photographie du dispositif exp rimental de calibration 4 2 Mode op ratoire 1 Pr l vement de colonnes de sol non destructur dans l horizon 10 50 cm de la bande enherb e On ins re le cylindre en PVC dans le sol par percussion puis on le d gage par les cot s 2 Test de l impact de la nature de l eau sur le signal le fait d apporter une eau de nature diff rente force ionique de celle naturellement pr sente dans le sol de la bande enherb e peut il avoir un impact sur la validit de l quation de calibration obtenue Pour valuer l impact du type d eau sur le signal de la CS616 on immerge successivement la sonde dans trois types d eau diff rents eau du robinet eau d min ralis e eau de La Morcille suppos e a priori la plus repr sentative 3 Mise saturation des colonnes de sol par immersion de la base sous 7 cm de charge pendant 15
418. rm s par des exp rimentations in situ la densit de la v g tation appara t bien d terminante pour la r tention des particules lorsqu on compare des bandes g es de 2 ans des bandes de 15 ans ou 25 ans plus denses Schmitt et 29 al 1999 van Dijk et al 1996 En ce qui concerne la granulom trie des exp riences in situ confirment que les particules les plus grossi res se d posent en premier Lee et al 2000 de telle sorte que la contribution relative des particules les plus fines lt 20 um au transport solide total augmente Lecomte 1999 Or il a t montr que la concentration en pesticide tait jusqu 10 fois sup rieure dans cette fraction lt 20 um compar e aux fractions plus grossi res Lecomte 1999 la s dimentation pourrait donc n avoir qu un effet limit sur le transport des pesticides y compris les mol cules fort potentiel d adsorption 1 2 2 3 La capacit s d adsorption La capacit d adsorption d pend en premier lieu de la surface de contact entre l eau et le substrat Elle devrait donc tre corr l e avec la longueur de bande la largeur efficace d coulement et le ratio rugosit de surface hauteur ruisselante Les r sultats exp rimentaux tablis in situ sur l adsorption proprement parler dans les bandes enherb es sont peu nombreux Ils ne montrent pas de corr lation nette entre la longueur des bandes enherb es et l abattement des concentrations
419. rmet notamment de d crire des teneurs en eau saturation lev es une diminution brutale de la teneur en eau entre la saturation et 1 m de potentiel matriciel et une diminution qui ralentit fortement au del de 1 m de potentiel Ceci est obtenu en ajustant une teneur en eau r siduelle 4 lev e puisque c est ce param tre qui d termine la valeur asymptotique de la courbe et une pente elle aussi lev e On note que la courbe 10 30 cm n est pas visible car confondue avec la courbe 30 90 cm en accord avec les hypoth ses discut es pr c demment 118 1 3 2 2 Description de la courbe de conductivit hydraulique On choisit de tester trois hypoth ses concernant la conductivit saturation correspondant aux valeurs moyennes mesur es u et aux bornes inf rieure et sup rieure de l intervalle de confiance 68 uto associ la moyenne On choisit de ne distinguer les propri t s de conductivit des diff rents horizons qu au voisinage imm diat de la saturation h gt 10 cm L ajustement est r alis sur la gamme de potentiel 0 4 m Les param tres ajust s sont pr sent s dans les Tableau II 5 Seuls les param tres sp cifiques la courbes K h sont pr sent s les autres tant ceux du Tableau II 4 L hypoth se moyenne est illustr e par la Figure IIL 7 Les hypoth ses hautes et basses ne se distinguent qu saturation Tableau IILS Param tres ajust s dans l hypoth se
420. rnaient leur aptitude intercepter les flux de s diments et de nutriments transport s par ruissellement Trois revues majeures doivent tre cit es ce sujet L originalit de la premi re Muscutt et al 1993 vient de son approche m caniste les r sultats obtenus sur la r tention de l azote du phosphore et des s diments sont analys s la lumi re des diff rents processus de transport affectant chacune de ces esp ces dans une bande enherb e L int r t de la seconde Norris 1993 est de discuter des apparentes contradictions des r sultats obtenus sur la r tention des nutriments l chelle de la parcelle enherb e et l chelle du bassin versant pour mettre en vidence l importance de la localisation des zones tampons raisonner en fonction des caract ristiques physiques de chaque zone tampon et du type de polluant en question La troisi me Dosskey 2001 est int ressante du fait qu elle 91 gt aborde l ensemble des fonctions environnementales potentielles d une zone tampon puration des eaux souterraines maintien des berges puration du cours d eau d passant le cadre du transfert de polluant par ruissellement de surface qui est le notre Cette synth se fournit de plus une analyse des lacunes scientifiques et propose un classement des perspectives de recherche Ces synth ses repr sentent donc des approches tout fait comparables celle qui est d crite ici m me si notre rech
421. rnal of Hydrology 107 1 8 Schmitt T J Dosskey M G and Hoagland K D 1999 Filter strip performance and processes for different vegetation widths and contaminants Journal of Environmental Quality 28 5 1479 1489 Sharma M L Gander G A and Hunt C G 1980 Spatial variability of infiltration in a watershed Journal of Hydrology 45 101 122 Simunek J 2002 Coupling of the Hydrus 2D subsurface flow model with ab overland flow submodule Personal report 10 pp Simunek J Sejna M and VanGenuchten M T 1998 The HYDRUS 1D software package for simulating the one dimensional movement of water heat and multiple solutes in variably saturated media International Groundwater Modelling Center Colorado School of Mines Golden Colorado 202 pp Simunek J Sejna M and VanGenuchten M T 1999 The HYDRUS 2D software package for simulating the two dimensional movement of water heat and multiple solutes in variably saturated media International Groundwater Modelling Center Riverside California 227 pp Sisson J B and Wierenga P J 1981 Spatial variability of steady state infiltration rates as a stochastic process Soil Science Society of America Journal 45 699 704 Smith R 2002 Infiltration theory for hydrologic applications Water Resources Monograph 15 212 Washington Souiller C Coquet Y Pot V Benoit P R al B Margoum C Laillet B Labat C Vachier P and Dutertre A 2002 Capacit s de
422. ro Valeur lue 255 Valeur lue C te sol r glette C te haut de tube Hauteur z ro lt Surface du sol Hauteur tube Tensiom tre Bouaie Figure VI 12 Sch ma de principe d un syst me tensiom trique mercure Les fl ches en trait fin repr sentent les diff rents relev s faire pour calculer la variable potentiel ou charge Les sources d incertitude sont donc e la lecture du niveau de mercure sur la r glette gradu e e le relev des cotes au niveau bulle qui intervient deux fois dans le calcul du potentiel matriciel et de la charge hydraulique mais de fa on diff rente e la mesure de la hauteur entre la surface du sol et le z ro de la r glette e la mesure de la hauteur des tubes tensiom triques et leur verticalit qui n intervient pas dans le calcul de la charge hydraulique 2 2 2 2 Quantification des incertitudes type e L incertitude de lecture du niveau de mercure correspond la r solution de la graduation l cart maximal est de 2 mm Etant donn que l chelle gradu e n est pas juste a cot du point de lecture on consid re que l cart maximal est gal une graduation enti re et non une demi graduation Cette incertitude de r solution peut tre associ e une distribution de type rectangle quiprobabilit des valeurs sur la plage 2 mm e L incertitude associ e aux mesures d altitude au niveau bulle correspond d une part la r solution
423. roch es en supposant une dispersivit de 5 cm une cin tique d change entre eau mobile et immobile de 0 05 h et un transport convectif limit 4 une fraction mobile comprise entre 40 et 80 de la porosit totale suivant le profil La courbe observ e sur le profil F n cessite de supposer une absence totale d change avec l eau immobile mais ce profil est jug peu repr sentatif du comportement moyen On note que les courbes simul es ne reproduisent pas exactement le comportement observ Elles ne reproduisent notamment pas la verticalit de la courbe d s l apparition du ruissellement et la forme en selle de cheval caract ristiques d coulements pr f rentiels Ceci montre les limites du mod le utilis Des r sultats plus r alistes peuvent tre attendus d un mod le repr sentant l existence de deux niveaux de perm abilit dans la matrice Pot et al 2005 Cependant on peut consid rer que les ajustements r alis s restent satisfaisants pour l tude d v nements naturels dont la dur e d passe plusieurs dizaines de minutes On consid re donc que le milieu peut effectivement tre repr sent par une dispersivit de 5 cm 142 un fractionnement de la porosit compris entre 40 et 80 mais le plus souvent voisin de 60 et une cin tique d change de l ordre de 0 05 h entre les deux fractions mobile et immobile 4 3 Conclusion concernant le transport des solut s dans la zone r
424. rs quivalentes calcul es sont pr sent es dans le Tableau IV 2 s147 Tableau IV 2 Volume et intensit moyenne quivalents l v nement du 12 ao t 2004 Volume mm Intensit mm h Ratio surfacique 1 110 1 10 1 110 1 10 Ruissellement parcellaire L 5 L 6 Cr parcellaire 10 20 10 20 10 20 10 20 Pluie source 8 4 49 32 11 6 64 42 La Figure IV 3 permet de comparer ces valeurs quivalentes aux pluies de la saison 2004 2005 et aux valeurs statistiques pour des p riodes de retour de 2 et 5 ans 129 e pluies 2004 2005 100 Stat T 2ans pe Eoo aa Stat T 5ans 80 4 i 4 1 10 Cr 10 i o 1 10 Cr 20 a eod AS A a 1 110 Cr 10 3 Jk 1 110 Cr 20 N 2 40 LA Ca 20 a A Dr E taa arenie Marc ier aed 0 T T T T T 0 30 60 90 120 150 180 Dur e minute Figure IV 3 Repr sentativit de l v nement du 12 ao t 2004 par rapport aux pluies enregistr es dans la p riode 2004 2005 et par rapport aux caract ristiques Intensit Dur e Fr quence locales de p riode de retour 2 ans et 5 ans M t ofrance On constate que l v nement du 12 ao t est repr sentatif d v nements relativement fr quents dans la configuration du site exp rimental T lt 2 ans En revanche il repr sente un v nement relativement important si on consid re un ratio Surface enherb e Surface ruisselante de 1 10 T gt 5 ans sauf supposer un coefficient de ruissellement sup rieur
425. s essessssssosesssssssesosocesssssssosocesssssssssososesssssesos 245 3 Evaluation num rique du biais associ la mesure de flux d eau et de solutes dans le sol l aide de lysim tres m che projet d article 267 4 Protocole de calibration des sondes humidim triques Campbell CS616 ssssessssssss00 289 5 Cablage du syst me d acquisition des donn es sssssssssseessssressee 293 6 D termination de la perm abilit au voisinage de la saturation par la m thode multipotentiel sssss ssssssccsssssiisnatessnesssnesensesssssasssssesnsssssssnescssenenase sens etesesessserecesosess ss 297 7 Protocole de d termination des isothermes et cin tiques d adsorption du Diuron sur le LT RPRSNRINSNRRENNERSREE RER ERERR Rene nn 299 8 Equations de m lange appliqu es au ruissellement de surface ssccccccsssssseeseees 303 9 Ev nements enregistr s sur le site pendant la p riode d observation 2004 2005 305 Liste des figures Figure I 1 Dispersion des r sultats concernant les capacit s d infiltration d une bande enherb e 25 Figure I 2 Sch ma des processus et transferts possibles dans un syst me bande enherb e rivulaire 26 Figure I 3 Profil de zone tampon mod lis par REMM Inamdar et al 1999 39 Figure I 4 Dispositif propos aux Etats Unis pour la dispersion des coulements en amont d une bande enherbee USDA NRCS 2000 since 8t n
426. s capacit s d adsorption les plus lev es Benoit et al 1999 Lickfeldt and Branham 1995 Le sol pr sente galement une capacit significative en l occurrence plus lev e que le m me sol cultiv ou que le m me sol nu en relation avec un taux plus lev de mati re organique Benoit et al 1999 Reungsang et al 2001 Staddon et al 2001 Cet enrichissement en mati res organiques vient des d bris v g taux peu d compos s et d exsudats racinaires Benoit et al 1999 Benoit et al 2000 Toutefois il concerne surtout Vhorizon de surface et diminue avec la profondeur pour ne plus tre significatif sous 30 cm Benoit et al 1999 Madrigal et al 2002 La quantification du r le de l adsorption dans l efficacit des bandes enherb es est assez difficile sur le plan exp rimental les mesures de concentration dans la matrice solide sont difficiles sur le plan analytique ce qui induit une estimation indirecte via les concentrations en solution par diff rence entre des mesures en entr e et sortie de bande Ceci impose de tenir compte des autres processus responsables de l abattement de concentration dans la bande la dilution par la pluie mais aussi l infiltration lorsqu on s int resse l adsorption des produits ruissel s en surface En effet seule l eau non infiltr e ou du moins une fraction du ruissellement entrant participe au m lange avec la pluie Ceci explique que les r sultats quantitatif
427. s dans le Tableau IV 11 180 Tableau IV 11 Param tres hydrodynamiques principaux correspondant aux mesures r alis es l chelle locale th tar th tas alpha n Ksat cm 1 mm h 0 10cm 0 15 0 52 0 32 1 46 680 10 30cm 0 15 0 40 0 10 1 52 140 30 90cm 0 15 0 40 0 10 1 52 60 gt 90cm 0 15 0 33 0 07 1 57 60 Horizon On suppose par ailleurs que e les horizons sont de m me pente que la surface du sol e le sol est isotrope la perm abilit horizontale est gale la perm abilit verticale e le ruissellement se produit la surface du mat racinaire et les flux mesur s l exutoire correspondent effectivement celui ci Le mat racinaire de 10 cm d paisseur est donc assimil au profil de sol L onde cin matique est r solue sa surface et les flux dans cet horizon sont repr sent s par l quation de Richards e le ruissellement est uniforme la surface de la placette Ceci signifie que la charge impos e la surface suppose une r partition du d bit entr dans le syst me sur 400 cm de largeur 2 2 1 Ruissellement de surface et infiltration Avec les param tres d crits pr c demment le mod le ne simule pas de ruissellement l exutoire r aliste quelle que soit l hypoth se d tat initial consid r e et quelle que soit la 1 3 1 3 0 6s m a rugosit suppos e Une gamme de coefficients de rugosit allant de 0 1 s m t test e correspondant des v
428. s de perc e simul es dans les lysim tres selon deux hypoth ses sur la perm abilit et trois hypoth ses sur la dispersivit longitudinale Les courbes mesur es sur les profil E et F figurent titre indicatif L hypoth se faite sur la conductivit hydraulique a un impact fort sur la propagation des solut s via le terme de convection Le temps d arriv e du traceur est diminu dans la m me proportion que celui de l eau lorsqu on passe de l hypoth se de conductivit moyenne Cm l hypoth se haute Ch il est divis par trois Le terme de dispersion incluant aussi un terme de vitesse l talement du front de propagation est lui aussi sensible la perm abilit Le param tre de dispersivit a galement un impact sensible sur la courbe de perc e simul e On note que la dispersivit estim e par la r gle III 2 D 5 cm ne rend pas compte de la forme des courbes exp rimentales En revanche la valeur sup rieure 50 cm permet de 138 s en approcher On note qu il n est pas surprenant de devoir utiliser une dispersivit plus grande dans un sol probablement plus structur que la moyenne Malgr une dispersivit maximale test e relativement lev e par rapport la taille du syst me consid r le mod le ne permet pas de reproduire les courbes exp rimentales Les r sultats sugg rent en cela une structuration importante du milieu induisant des flux h t rog nes confirman
429. s fiables concernant l impact de l adsorption sur les solut s transport s par ruissellement la surface de la bande soient peu nombreux N anmoins il a t d montr que l adsorption pouvait contribuer de fa on significative la capacit de r tention m me si les r sultats ne s accordent pas quant la valeur exacte de cette contribution 1 2 2 Principales propri t s d une bande enherb e d terminant le potentiel d interception 1 2 2 1 La capacit d infiltration La capacit d infiltration d pend en premier lieu de la surface infiltrante qui est reli e aux dimensions du dispositif longueur largeur L impact de la longueur enherb e sur les volumes infiltr s a t mis en vidence par de nombreux auteurs par comparaison des flux sortant de bandes de longueurs diff rentes C A Vaucluse 2000 Dillaha et al 1989 Lim et al 1998 Patty et al 1997 Schmitt et al 1999 Spatz et al 1997 van Dyk et al 1996 Mais la surface infiltrante d pend aussi de l uniformit de l coulement a la surface de la bande En effet on constate sur la plupart des bandes enherb es que la largeur efficace d coulement est inf rieure a la largeur de la bande car une topographie non uniforme induit 28 un ruissellement concentr en chenaux ou parce que la bande est en d vers Abu Zreig et al 2001 Dillaha et al 1989 La capacit d infiltration d une bande au cours d un v nement de
430. s l horizon 0 10 cm En effet les perm abilit mesur es en surface et dans une moindre mesure 25 cm et 40 cm sont nettement sup rieures aux valeurs que l on peut trouver dans les bases de donn es de r f rence pour des sols similaires 270 mm h pour un sable 40 mm h pour un sable limoneux et 12 mm h pour un sol de m mes proportions texturales que le sol tudi dans la base de fonctions de p dotransfert de Schaap Schaap and Leij 1998a Schaap and Leij 1998b utilis e par le mod le Rosetta USDA 300 mm h pour un sable et 150 mm h pour un sable limoneux dans la base de Carsel and Parrish 1988 cit par Simunek 1999 utilis e par le mod le Hydrus 2D Simunek et al 1999 Les valeurs de perm abilit mesur es 50 cm de profondeur sont galement lev es Le potentiel de percolation sous la zone racinaire l est donc aussi Diff rents niveaux de conductivit hydraulique Les mesures faites sous charge permettent d identifier une rupture de perm abilit entre le mat racinaire et le sol sous jacent Une l g re baisse a aussi t identifi e entre 25 cm et 40 cm mais celle ci est discutable Les mesures faites en r gime non satur ne montrent pas de diff rence significative entre les horizons chantillonn s Mais ceci n est pas incoh rent avec les r sultats obtenus saturation car ils correspondent une zone diff rente du profil 115 Diff rents niveaux de r tention hydr
431. s particules solides des quations base physique tablies partir d exp rimentations de laboratoire Ces mod les ne repr sentent pas les transferts de solut s Ils ont t test s sur des donn es exp rimentales avec succ s VFSMOD a t calibr et valid sur des v nements de pluie naturels Mu oz Carpena et al 1999 et simul s Abu Zreig et al 2001 TRAVA a t calibr avec succ s sur des simulations de ruissellement Deletic 2000 Cependant les crit res de validation restent modestes les auteurs se contentent de variables globales comme le volume total infiltr sur l v nement erreurs allant jusqu 25 mais en g n ral inf rieures 10 les variables dynamiques telles que le temps de mont e au d bit maximum et le temps de d but de ruissellement tant moins bien reproduites Le mod le CREAMS initialement d velopp pour travailler l chelle de la parcelle et sur le long terme a galement t utilis pour la mod lisation de l impact d une bande enherb e sur le ruissellement de surface et le transfert de particule Flanagan et al 1989 Il r sout galement l quation d onde cin matique en 1D et l quation de Green et Ampt Ce mod le a t test sur des v nements naturels mais donne des r sultats variables s il reproduit peu pr s bien les volumes journaliers de ruissellement le d clenchement des v nements ruisselants et les pertes saisonni res
432. s pesticides dans une bande enherb e une valuation globale de l efficacit de ces dispositifs incluant le devenir des polluants infiltr s dans le sol et la validation d un outil de pr diction susceptible de guider de futures recommandations d am nagement Apr s un tat de l art concernant les processus de dissipation potentiels une exp rimentation a t initi e en conditions naturelles dans le Beaujolais pour tudier la propagation coupl e surface subsurface des flux d eau et d un herbicide diuron dans une bande enherb e Des v nements naturels issus d une parcelle de vigne d sherb e chimiquement et artificiels ont t enregistr s Les propri t s hydrodynamiques et d adsorption du milieu ont t d termin es On montre l existence d une porosit structurale importante li e au couvert induisant une grande capacit d infiltration mais aussi une propagation verticale rapide des flux Les polluants infiltr s sont cependant retenus dans la zone racinaire Un travail de mod lisation a t r alis avec le mod le Hydrus 2D l chelle du profil de sol Une version coupl e avec un mod le de ruissellement de type onde cin matique a t utilis e l chelle du versant Une repr sentation homog ne de type Richards des flux d eau associ e une hypoth se de transport h t rog ne des solut s de type eau mobile immobile permet de reproduire de fa on acceptable les flux obser
433. s restant secs par effet de barri re capillaire De plus les parois d un macropore peuvent aussi tre le lieu d une r tention active li e la pr sence de substances organiques Edwards et al 1992 Mais les r sultats concernant la contribution de ce type de structure aux flux d infiltration et plus g n ralement aux transferts sont encore trop partiels pour pouvoir conclure quant a leur importance Les recommandations techniques faites aux Etats Unis pour l am nagement des zones tampons USDA NRCS 2000 supposent toutefois que le risque de percolation sous les bandes enherb es n est pas significatif Cette hypoth se repose sur les trois arguments suivants 1 Les produits fortement adsorb s ont un potentiel de percolation tr s faible du fait du r le de filtre que joue la bande vis vis des mati res en suspension et de la capacit de r tention d un sol enherb 1i Les produits faiblement absorb s pr sentent un potentiel de percolation important mais qui ne peut s exprimer car ce type de mol cule n est pr sent qu en concentrations tr s faibles dans le ruissellement de surface gr ce une infiltration rapide au niveau de la parcelle iii Un transfert indirect via la subsurface reste pr f rable un transfert direct par ruissellement de surface Les premier et le troisi me arguments apparaissent justifi s m me si concernant le premier un doute subsiste quant la r tention des particules les plus fi
434. s simul es dans le plan transversal l instant t 180 min 198 On constate que l impact des flux infiltr s au niveau de la placette sur le niveau de la nappe d passe largement la largeur de la placette Cependant le niveau pi zom trique simul en Y 160 cm est inf rieur d environ 50 cm au niveau mesur La vitesse de transfert des flux verticaux et ou horizontaux est donc sous estim e 2 3 2 3 Bilan sur la contribution des flux transversaux l infiltration Les flux se produisant dans le plan transversal lors de l v nement artificiel sont significatifs notamment du fait de la remont e de la zone satur e Ils expliquent donc en partie que le mod le 2D longitudinal sous estime le flux infiltr Cependant ils n expliquent pas enti rement le biais constat dans la simulation longitudinale Ils n expliquent pas non plus l amplitude de la remont e de nappe observ e dans les pi zom tres Des hypoth ses suppl mentaires restent n cessaire pour rendre compte de la vitesse de propagation verticale et horizontale des flux infiltr s 2 3 3 Etude de la contribution de la macroporosit l infiltration On utilise une valeur de perm abilit de Darcy sup rieure dans le but de rendre compte de la contribution d une macroporosit fortement conductrice l infiltration On suppose donc implicitement que cette macroporosit reste descriptible par l quation de Richards donc que les coulements
435. sal l 1 ol 0 8 poi S i o a 2 0 6 l x 0 O 044 X 200cm Il X 400cm 0 2 ee X 600cm 0 l l T T T 0 50 100 150 Temps min Figure IV 45 Condition de charge type impos e en surface En surface tant donn la charge impos e dans le mod le longitudinal cf Figure IV 28 on fait hypoth se que le ruissellement peut tre repr sent par une valeur unique H 1 cm constante partir du moment o le ruissellement s est propag jusqu l abscisse consid r e On se base pour cela sur le temps d arriv e de l eau l exutoire simul par le mod le longitudinal et sur l hypoth se d une vitesse de propagation constante Les conditions de charge impos es sur les limites lat rales repr sentent les diff rents niveaux de nappe consid r s d amont en aval Ceux ci sont situ s entre 250 cm et 175 cm sous la surface du sol ces deux valeurs correspondant respectivement aux plans X 0 et X 630 cm 196 2 3 2 2 Simulation des flux se produisant dans le plan transversal lors de l v nement artificiel a Flux d eau simul s L estimation du flux transversal global a l chelle de la placette est illustr e dans la Figure IV 46 Cette estimation correspond la moyenne des flux transversaux calcul s dans chacun des quatre plans transversaux mod lis s 60 E T oO T x ir Phase 1 Phase 2 0 T_T os ae
436. sar Kwsat X 0 5 Kwsar X 2 engendre une gamme d erreur sur le flux mesur de 45 60 pour l Ida silt loam et 38 44 pour le Rehovot sand L erreur probable engendr e par une mauvaise d termination de la section de m che 1 1 mm est moins forte tout en restant significative 28 29 pour l Ida silt loam et 16 17 pour le Rehovot sand Ces r sultats montrent pour les sols test s et dans les conditions de pluies simul es que ces param tres sont sensibles et doivent de ce fait tre d termin s avec le plus de pr cision possible avant de dimensionner les lysim tres m che On pense d abord aux propri t s 283 hydrauliques du sol mais il appara t aussi hasardeux d utiliser les valeurs de conductivit et de diam tre d termin es sur des m ches fabriqu es il y a 10 ans Knutson and Selker 1994 car les caract ristiques de ces produits manufactur s ont pu voluer depuis Partant du fait que les erreurs test es sont des valeurs probables issues de l exp rience ces r sultats montrent in fine que l incertitude associ e aux flux d eau mesur s par ces lysim tres m che n est pas n gligeable L utilisation des donn es fournies par ces syst mes des fins de quantification doit donc tre faite avec prudence Ces r sultats montrent galement qu un mauvais ajustement du mod le hydrodynamique peut avoir un impact fort sur la mesure La souplesse du mod le hydrodynam
437. se en compte Au total on suppose que la courbe obtenue pour l horizon 0 5 cm n est pas repr sentative L cart entre les cin tiques d termin es sur les horizon 5 20 cm et 20 50 cm est lui coh rent avec les teneurs en mati res organiques l adsorption est plus lente sur l horizon 20 50 cm comportant moins de mati res organiques La cin tique n est pas instantan e mais relativement rapide pour des temps de contacts infra horaires repr sentatifs des temps de s jour des pesticides dans une zone tampon 2134 l chelle d un v nement ruisselant l avancement de la r action est inf rieur 80 Cet avancement est compris entre 30 et 70 suivant l horizon consid r pour un temps de contact de 5 min repr sentatif du temps de s jour du ruissellement la surface d une bande enherb e d une dizaine de m tres La cin tique d termin e pour le Diuron est coh rente avec les valeurs de la litt rature Gaillardon 1995 montre sur un sol argilo limoneux que l avancement exprim de la m me fa on que dans la Figure IIL 15 est compris entre 60 et 80 t 2 min et voisin de 90 au bout de 30 min pour des humidit s initiales de 30 et 60 La cin tique d termin e par Margoum 2003 sur des s diments du bassin de Roujan montre un avancement de 51 en 10 minutes et 77 en 1 heure pour un substrat sec et un avancement de 68 en 10 minutes et 84 en une heure pour un substrat humide
438. second membre et le fait que les valeurs des vecteurs Q et D utilis es sont celles du pas de temps pr c dent donnant son caract re semi implicite au sch ma num rique Cette expression repr sente la forme alg brique finale r solue par le mod le pour obtenir le potentiel de pression ou la teneur en eau tout instant et sur chaque n ud du domaine 102 2 3 3 Conditions initiales et conditions aux limites 2 3 3 1 En surface La condition initiale suppose une surface s che sur l int gralit du domaine 11 38 h x t 0 a t 0 VYx Les conditions imposables aux limites sont une condition de charge impos e sur le n ud le plus amont correspondant un hydrogramme issu d un versant amont non repr sent et une condition de flux variable impos e l ensemble de la surface ruisselante 11 39 AG D a A 11 40 q x I Yxer 2 3 3 2 En subsurface La r solution de l quation diff rentielle de Richards et de l quation de convection dispersion n cessite la connaissance des conditions initiales sur l ensemble du domaine et des conditions aux limites du domaine Conditions initiales La condition initiale prend pour l quation de Richards la forme d une distribution de teneur en eau ou de pression h et pour l quation de convection dispersion la forme d une distribution de concentration dans les diff rentes phases 11 41 h x z 0 h x z C x 2 0 c x Z 11 42 s x z 0
439. sellement de surface N anmoins leur quantification demeure probl matique et la pr diction de l efficacit d une bande enherb e donn e reste inenvisageable en l tat actuel des connaissances Ceci s explique par deux raisons principales e La premi re est li e la multiplicit des processus en interaction et des facteurs les contr lant Celle ci est telle que le fonctionnement purateur global d un syst me tampon n est pas pr dictible par un mod le simple bas sur quelques variables caract ristiques seulement telles que la longueur enherb e ou le Koc de la mol cule La d monstration de cette complexit a t faite travers la mise en vidence d une part de la grande variabilit des mesures r alis es sur le potentiel purateur des bandes enherb es et d autre part de la difficult qu il y a expliquer ces variations l aide de quelques propri t s caract ristiques seulement En outre nous avons mis en vidence le fait que dans la majorit des publications des valeurs quantitatives d abattement des flux sont donn es sans aucune description des caract ristiques intrins ques du milieu ou des conditions initiales et aux limites du syst me pour resituer les r sultats obtenus Ainsi malgr un grand nombre de travaux exp rimentaux les donn es utilisables pour quantifier les facteurs affectant le potentiel purateur d une bande enherb e sont en nombre relativement limit e La de
440. sent e sur l axe des ordonn es invers es correspond au flux total instantan re u par la placette Il n y a quasiment pas de d phasage entre les variations d humidit enregistr es aux diff rentes profondeurs instrument es Ceci confirme la propagation verticale rapide des flux dans la zone racinaire d j observ e l chelle locale cf chapitre HI Cela est par ailleurs coh rent avec l hypoth se formul e partir de la variation de stock observ e d une percolation intervenant la base de la zone racinaire peu de temps apr s le d but de l v nement 1 1 2 L v nement artificiel L v nement artificiel a t r alis en mars 2005 par pompage dans la rivi re toute proche et injection en amont du dispositif exp rimental pour mimer un ruissellement naturel issu de la parcelle de vigne Il comprend une p riode de dopage pendant laquelle l eau inject e est dop e en herbicide et en traceur et une p riode d lution l eau claire 1 1 2 1 Etat hydrique initial du syst me En plus des donn es disponibles pour l v nement naturel on dispose pour l v nement artificiel de donn es pi zom triques et tensiom triques Les relev s pi zom triques faits avant l v nement sont illustr s par la Figure IV 8 153 100 Pi zom tre m Pi zom trie mesur e Placette Pi zom trie estim e ae 5 400 Lysim tre N 2 Surface du sol S 2800 D 50
441. senter une capacit d infiltration limit e Lorsque l infiltration n est pas limitante des transferts indirects des produits infiltr s dans la zone tampon peuvent se produire vers la rivi re adjacente via des coulements subsurfaciques Rapport final du programme Pesticides du MEDD 2004 La demande op rationnelle est donc forte pour am liorer la capacit pr dire l efficacit d une zone tampon enherb e dans une situation donn e et ainsi fonder l am nagement des zones tampons enherb es sur des bases techniques et scientifiques solides 18 Probl matique g n rale de la th se L tude du potentiel purateur des zones tampons enherb es vis vis des pesticides transport s par ruissellement de surface repr sente un enjeu scientifique important dans la mesure o on constate comme le fait appara tre l tude bibliographique un manque de connaissances concernant les processus responsables du potentiel purateur des zones tampons enherb es et l absence d outil de mod lisation int grant ces processus susceptible de r pondre aux attentes op rationnelles nonc es pr c demment La th se s inscrit dans la continuit des travaux ant rieurs r alis s par l quipe Pollutions Diffuses du Cemagref de Lyon sur la r tention des pesticides dans les bandes enherb es Assier 2001 Dages 2002 Gril 2002 Gril et al 1996 Michalak 2000 Patty 1997 Souiller et al 2002 Ceux ci se sont pri
442. servation videntes Mais il est particuli rement p nalisant dans le cas des bandes enherb es ceci pour deux raisons Premi rement ce type de milieu pr sente en g n ral une macroporosit importante sup rieure aux sols cultiv s du fait de l action structurante de la macrofaune et du couvert v g tal Ceci implique que la probabilit de flux pr f rentiels est probablement plus importante dans ce type de milieu qu ailleurs Or ce type de flux repr sente un potentiel de contamination significatif du fait de densit s de flux lev es de temps de s jour courts et de surfaces de contact r duites qui limitent s rieusement le processus d adsorption Deuxi mement la grande majorit des zones tampons est implant e en bas de pente et a proximit du cours d eau a prot ger ce qui correspond souvent a des milieux humides o la probabilit d coulements de subsurface significatifs est forte de m me que la probabilit de voir la capacit d infiltration du syst me tampon r duite Z ro Des outils m canistes int grant les processus physiques de ruissellement de surface d infiltration et de transport solide ont t d velopp s et valid s pour repr senter le fonctionnement de syst mes tampons Ils doivent toutefois tre compl t s et perfectionn s pour repr senter la dissipation et le devenir des produits phytosanitaires Ceci passe notamment par l int gration des processus de transport d adsor
443. sim tres m che et les flux collect s par les lysimetres atmosph riques ces derniers collectant un volume total presque dix fois sup rieur Ceci confirme l art fact de mesure li aux lysim tres m che On note en outre que le flux recueilli dans les lysimetres atmosph riques est du m me ordre voire sup rieur au flux entr dans le syst me cf Tableau IV 6 Ceci traduit aussi un disfonctionnement de ces syst mes car une partie significative du flux entrant sort en r alit par ruissellement cf r sultats ult rieurs Les collecteurs atmosph riques surestiment donc le flux percol Le terme de percolation consid r dans le bilan est donc comme pour l v nement naturel estim par d faut Le bilan correspondant est illustr par le Tableau IV 10 157 Tableau IV 10 Bilan des sorties du syst me par p riode exprim es en valeur absolue mm et relativement au volume total entr Ve Entr e Sorties Ruissellement Ruiss Stock Percolation mm 943 6 410 4 10 28 523 29 Ve 100 43 1 1 0 1 55 6 Ce bilan confirme le constat d j fait lors de l v nement naturel d une faible capacit de stockage de la zone racinaire Les arguments sont identiques un tat hydrique initial proche de la saturation et un ressuyage rapide Le terme de ruissellement est en revanche nettement plus important que pour l v nement naturel Une partie non n gligeable du flux entr ressort sous forme de
444. simul s obtenus avec l hypoth se 1 correspondant un tat initial sec en haut et avec l hypoth se 2 correspondant un tat initial interm diaire en bas En surface la propagation simul e est nettement plus rapide que la propagation apparente mesur e sur le cot droit de la placette Notamment le mod le simule une mise saturation rapide de la surface des profils X 215 cm et X 405 cm qui n a pas t observ e De plus l amplitude de la variation d humidit simul e sur la totalit de l v nement est nettement sup rieure la variation mesur e except pour le premier profil X 35 cm Ceci tend confirmer l hypoth se issue de l analyse exp rimentale sugg rant une propagation h t rog ne du ruissellement dans le syst me r el pour expliquer le fait que ces profils n aient t que partiellement satur s Ceci permet d infirmer l hypoth se alternative supposant qu une vitesse de propagation verticale limit e est l origine de la saturation partielle de la couche 0 15 cm A la profondeur 40 cm la dynamique de saturation simul e est en retard sur la dynamique observ e Ceci montre que le mod le param tr avec les perm abilit s moyennes sous estime la vitesse de transfert dans le sol ce qui a d j t constat l chelle locale 184 Les deux hypoth ses d tat initial et d paisseur du mat racinaire conduisent des dynamiques de propa
445. small plots during unsteady rain numerical results versus observed values Journal of Hydrology 228 3 4 265 282 EURACHEM CITAC Quantifier l incertitude dans les mesures analytiques 121 pp Flanagan D C Foster G R Neibling W H and Burt J P 1989 Simplified equations for filter strip design Transactions of the ASAE 32 6 2001 2007 Flanagan D C Neibling W H Foster G R and Burt J P 1985 Applicability of CREAMS in filter strip design National Soil Erosion Research Laboratory USDA ARS 22 pp Gaillardon P 1996 Influence of soil moisture on long term soprtion of Diuron and Isoproturon by soil Pesticide Science 47 347 354 Gaillardon P and Dur J C 1995 Influence of soil moisture on short term adsorption of Diuron and Isoproturon by soil Pesticide Science 45 297 303 Gardner W R 1958 Some steady state solutions of the unsaturated moisture flow equation with application to evaporation from a water table Soil Science 85 228 232 Ghadiri H Rose C W and Hogarth W L 2001 The influence of grass and porous barrier strips on runoff hydrology and sediment transport Transactions of the ASAE 44 2 259 268 Gouy V 1993 Contribution de la mod lisation la simulation du transfert des produits phytosanitaires de la parcelle agricole vers les eaux superficielles PhD Thesis Universit Louis Pasteur Strasbourg 234 Gril J J 1986 L rosion hydrique dans les sols de vigne Etude compar
446. sous la placette Les dimensions r alis es ont t impos es par les outils utilis s Le plafond des galeries a t nivel de fa on tre aussi plan et horizontal que possible Les collecteurs ont t positionn s de fa on tre a l aplomb de la placette enherb e Ils ont t ins r s dans le plafond sur 1 cm au moyen d un cric hydraulique puis maintenus par des madriers en bois La galerie de mise en place et la tranch e ont t rebouch es et le remblai compact pour limiter les effets de double porosit c Potentiom trie Le premier syst me tensiom trique install en 2004 tait compos de capteurs de pression automatiques SDEC SKT850 C2 mont s sur des cannes SDEC capteur d port associant des portions de tuyau rigide et souple L int r t de ce syst me original est outre son caract re automatique qui permettait de suivre des v nement naturels de ne pas perturber la surface de la placette enherb e et d viter des art facts de mesures li s des coulements pr f rentiels le long de la canne tensiom trique En effet ce type d art fact est un probl me r current des tensiom tres install s verticalement notamment lorsque la surface du sol est submerg e L int r t des cannes capteur d port est qu elles autorisent une installation en biais comme sch matis dans la Figure 11 26 78 Capteur de pression l _ _ _ Tuyau rigide Canne Tuya
447. ssellement de surface exprim s en valeur absolue mg et relativement la masse totale entr e Me pendant l int gralit du dopage 0 40 et la p riode o un coulement est observ l exutoire 30 40 eee eececeeeeeeeeeeeeseeeeeseneeeesenaeees 212 Tableau V 9 Concentrations moyennes par profil calcul es sur 24 heures 214 Tableau V 10 Masses de Diuron et de Bromure estim es percol es 50 cm pendant l v nement et les 24 heures SUIVANTES sacs tse ar e E EE E E E E E te ee ann aed ee oe ni nee ir ri re a ei ee 214 Tableau V 11 Bilan 24h des flux de Diuron et de Bromure entr s sortis et retenus par d faut dans le syst me exprim s en valeur absolue mg ou g et relativement la masse totale entr e Me 214 Tableau V 12 Quantit s de mati re adsorb es par horizon exprim es en valeur absolue mg et relativement la masse totale adsorb e entre 0 et 90 cm M tot ss 216 Tableau V 13 Concentration en solution ug L calcul e par application de la loi d adsorption instantan e aux donn es exp rimentales Les concentrations mesur es sont indiqu es pour comparaison 220 Tableau V 14 Concentrations en solution ug L calcul es par application de la loi de dilution V 3 et de la loi d quilibre instantan V 6 aux concentrations mesur es en surface 2 eeeeeeeeeeeeeeeeeteeeeeeenseeeeeeaeees 222 Tableau VI 1 Ecart type de mesur
448. st es rendent bien compte des flux observ s en r gime satur Ils confirment qu un jeu de perm abilit unique ne permet pas de rendre compte de fa on exhaustive des flux observ s sur diff rents profils et que les hypoth ses haute et basse ajust es encadrent de fa on satisfaisante la gamme des flux observ s Les r sultats montrent aussi que le mod le ne rend pas compte de la rapidit de propagation des flux probablement li e des structures macroporales non repr sent es par l quation de Richards On note cependant que le retard dans la propagation simul e est faible de l ordre de quelques minutes On consid re donc que le mod le Hydrus 2D reste apte rendre compte des flux dans le sol tudi Les propri t s hydrodynamiques mises en vidence dans le sol d tude am nent la question du transport des pesticides En effet le potentiel de r tention de la zone racinaire est il suffisant pour induire une r tention efficace malgr une perm abilit lev e dans toute la zone racinaire des vitesses d coulement elles aussi lev es et l existence probable de voies d coulement pr f rentiel 3 Description du processus d adsorption du Diuron Le processus d adsorption du Diuron a t caract ris exp rimentalement dans le cas particulier du sol du site exp rimental travers la d termination de l isotherme et de la cin tique d adsorption Des coefficients de partage peuvent tre trou
449. sur la placette pendant le m me intervalle de temps est de 8 mm La concentration calcul e par l quation V 3 pour de telles valeurs est de 11 4 ug L Application de la loi de m lange discr tis e L coulement enregistr l exutoire de la placette a un volume de 3 mm soit un volume infiltr de 32 mm au cours du pic contributif La valeur de la concentration calcul e en sortie de placette par l quation V 4 pour de tels param tres est de 9 9 ug L Logiquement cette valeur est inf rieure a la valeur calcul e pr c demment suivant l hypoth se d un m lange id al Elle n est toutefois pas tr s diff rente montrant ainsi que l hypoth se d un m lange id al est en r alit acceptable l chelle de la placette exp rimentale Les valeurs calcul es sont relativement proches de la valeur mesur e 8 ug L notamment au regard de l incertitude associ e cette derni re On en d duit ce stade que la dilution par la pluie semble suffire expliquer l abattement de la concentration en Diuron constat entre l entr e et la sortie de la placette lors de l v nement du 12 ao t 2004 sans tenir compte du processus d adsorption 2 3 2 Confrontation aux coefficients de partage d termin s en laboratoire L objectif est de savoir si l abattement de concentration observ lors de l v nement artificiel et l apparente absence d adsorption lors de l v nement naturel sugg r
450. sur ses caract ristiques hydrauliques au droit du site exp rimental La seule information dont on dispose est la profondeur des carotages r alis s lors de l installation des pi zom tres Ils nous permettent de supposer que le substratum est une profondeur sup rieure 3 9 m en amont de la placette une profondeur de 2 6 m au milieu de la placette et une profondeur de 1 2 m en aval Toutefois ces valeurs doivent tre consid r es avec prudence car les carotages n ont pas t r p t s et ils ont t r alis s la tari re main Il est donc possible que ces valeurs soient le fait de cailloux un peu cons quents et qu elles ne refl tent pas la position r elle du substratum plus profond 1 1 2 3 Nature du sol a Description morphologique du profil L observation visuelle du profil de sol permet de distinguer certains horizons repr sent s dans la Figure 11 6 Cependant on attire l attention sur le fait que mis part le mat racinaire qui se distingue nettement du reste du profil par sa structure et un changement de couleur vers 90 130 cm le profil est relativement homog ne Les diff rences entre les autres horizons d crits ci dessous sont donc prendre avec pr caution dans la mesure o elles sont essentiellement li es la densit du chevelu racinaire qui diminue assez progressivement avec la profondeur Des photographies suppl mentaires du profil de sol figurent dans l annexe 1 57
451. t Or si la courbe O h peut tre 119 contrainte par le param tre de teneur en eau r siduelle l quation K h ne contient pas de param tre quivalent La seule fa on de conserver une courbe K h coh rente avec les perm abilit s d termin es par la m thode Wind est alors de la contraindre garder une valeur proche de Ka au voisinage de la saturation comme illustr dans la Figure II 7 2 Etude et mod lisation des flux d eau l chelle locale du profil L objectif est de conforter par des mesures de flux les hypoth ses faites sur les propri t s hydrodynamiques du profil de sol Pour cela on se place dans une situation simple il n y a pas de ruissellement de surface et la condition la surface du sol est bien ma tris e 2 1 Etude exp rimentale des flux l chelle du profil Des exp riences d infiltration ont t r alis es in situ dans la placette exp rimentale sur les profils quip s de lysim tre Une charge constante est appliqu e en surface jusqu tablissement d un r gime d coulement permanent 50 cm de profondeur le d tail du protocole figure dans le chapitre II 2 1 1 Donn es obtenues avec les lysim tres atmosph riques On dispose de donn es de flux instantan infiltr en surface et de flux quasi instantan cumuls par pas de 5 min en moyenne r colt 50 cm de profondeur sur les quatre profils E F G et H situ s d amont en aval le long de
452. t 0 10 cm 10 20 cm 20 30 cm et sur deux r p titions en ce qui concerne le lot 30 40 cm 50 60 cm 70 80 cm Tableau II 1 Teneur en eau saturation et porosit totale de diff rents horizons d un sol enherb Horizon 0 10cm 10 20cm 20 30cm 30 40cm 50 60cm 70 80cm Humidit vol Moyenne 0 52 0 38 0 40 a saturation Ecart type 0 09 0 04 0 02 Porosite totale Moyenne 0 55 0 41 0 42 0 44 0 43 0 39 d 2 65 Ecart type 0 05 0 02 0 01 0 02 0 02 109 Ces mesures sugg rent l existence dans le profil de trois niveaux de r tention hydrique saturation correspondant aux horizons 0 10 cm 10 60 cm et 70 80 cm Les carts constat s l int rieur de l horizon 10 60 cm sont jug s non significatifs On note en outre que la diff rence faite entre les horizons 10 60 cm et 70 80 cm est discutable car faible et s appuyant sur une valeur unique Nous la consid rons cependant significative car en accord avec l observation visuelle du profil cf chapitre II et photos de l annexe 1 Les valeurs de porosit totale sont sup rieures aux valeurs de teneur en eau de 2 3 Ces carts sont imputables au protocole de mise saturation et ou de dessication des chantillons ou encore la valeur de densit des particules solides d 2 65 utilis e dans le calcul de la porosit totale Ils illustrent l incertitude associ e la d termination exp rimentale de la capacit de r tention saturation 1
453. t s par des batteries 12 V de capacit 6Ah La charge de ces batteries est maintenue par l alimentation stabilis e sans quoi leur faible autonomie n cessite des renouvellements fr quents 5 2 Branchement des capteurs L ensemble des branchements l automate CR10X et les deux multiplexeurs relais sont prot g s dans un coffret ENC tanche Les transmetteurs Alph e sont galement prot g s ans un coffret Les capteurs sont connect s l automate selon le sch ma de branchement suivant e Thermistances 107 mesures unipolaires individuelles sur SE3 SE4 SES SE6 excitation commune sur E1 masse analogique et blindage communs sur G 293 Pluviom tre branch entre C8 fil blanc et 5V fil noir blindage fil jaune sur G Sondes CS616 voies Odd du multiplexeur 1 fil vert sur Odd H mesure unipolaire fil orange sur Odd L activation alimentation commune fil rouge sur la borne 12V du CR10X Watermark voies Even du multiplexeur 1 r sistance kOhm entre SE2 et E2 Tensiom tres SKT850C2 4 20mA 2fils voies Odd du multiplexeur 2 fil blanc sur Odd H fil bleu sur Odd L r sistance 100 Ohms entre SE7 et SE8 pont entre SE8 et une masse G Debitmetre Alph e 4 20mA 4fils voies Even du multiplexeur 2 en parall le une r sistance 350 Ohms alimentation 12V s par e sur alimentation stabilis e commut e par C7 via deux relais PSW12 branch s comme suit borne
454. t ainsi des r sultats obtenus sur d autres sols enherb s et sur des colonnes de laboratoire Landry 2004 Pot et al 2003 Raturi et al 2003 De plus on peut supposer qu avec la valeur de dispersivit identique la longueur de l coulement on compense d j artificiellement ce qui est en r alit un non quilibre physique Pot et al 2005 4 2 2 Hypoth se d un transport h t rog ne Le concept d eau mobile eau immobile suppose qu une fraction de la porosit ne contribue pas au transport des solut s L quation de convection dispersion n est alors r solue que dans la fraction mobile On souhaite valuer si cette hypoth se ainsi que celle d un transfert diffusif entre les fractions mobile et immobile permet de repr senter la forme des courbes de perc e obtenues exp rimentalement Etant donn le risque de compensation d j voqu entre le param tre de dispersivit et les param tres de non quilibre physique ce travail d optimisation est r alis partir des deux valeurs de dispersivit D 50 cm et D 5 cm 4 2 2 1 Utilisation du concept d eau mobile immobile Dans un premier temps on teste diff rentes valeurs de fractionnement de la porosit Fmob avec une constante de transfert nulle traduisant l absence totale d change entre l eau mobile et l eau immobile Les r sultats obtenus sont repr sent s dans la Figure III 18
455. t d une hypoth se de chenalisation Cependant si on attribue la valeur de perm abilit minimale mesur e aux zones dites faiblement perm ables on constate que la proportion de surface faiblement perm able est trop petite pour expliquer la valeur absolue du flux ruissel constat au cours des deux v nements En conclusion il semble qu un ruissellement hortonien se produisant la surface du mat racinaire est localement possible et peut contribuer notamment si l coulement est chenalis l coulement l exutoire Cependant cette hypoth se ne semble pas pouvoir expliquer la valeur absolue des flux mesur s l exutoire de la placette b Hypoth se d un contr le par un horizon sous jacent du mat Cette hypoth se est possible du fait de l existence de ruptures de perm abilit entre les horizons 0 10 cm et 10 30 cm d une part entre les horizons 10 30 cm et gt 30 cm d autre part cf chapitre IT La rupture entre les horizons 0 10 cm et 10 30 cm est susceptible d induire un refus d infiltration produisant une mise en charge de l horizon 0 10 cm et un refus quivalent au niveau de la surface du mat Cette hypoth se est de plus coh rente avec les flux observ s l exutoire En effet dans le cas de l v nement artificiel la perm abilit de l horizon 10 30 cm 140 mm h correspond tr s exactement au flux d infiltration stabilis mesur Dans le 168 cas de
456. t de partage tr s lev si on se base sur la tr s forte valeur d termin e sur la partie a rienne du couvert v g tal Le potentiel de r tention dans le mat racinaire est donc probablement sous estim par nos mesures La cin tique de r action d termin e montre que 30 70 de l adsorption observable 24 heures est atteint en moins de 2 minutes et que 70 80 est atteint en 1 heure Les coefficients de partage associ s sont compris entre 0 6 L kg et 2 6 L kg 2 minutes entre 2 2 L kg et 5 2 L kg au bout d une heure pour une valeur l quilibre comprise entre 6 et 18 L kg La cin tique est significativement plus rapide dans l horizon 0 20 cm que dans l horizon 20 50 cm ce qui peut tre reli au taux de mati re organique donc au nombre de sites d adsorption Un exercice de mod lisation a t men sur la base de mesures de concentrations r alis es dans les lysim tres au cours d exp rience d infiltration sous charge constante avec tra age conservatif Les donn es montrent des courbes de perc e non standard traduisant clairement un transport pr f rentiel Ceci est confirm par mod lisation l quation de convection dispersion ne permet pas si on suppose un transport homog ne de reproduire la propagation des solut s dans la zone racinaire On surestime le d lai d apparition des flux dans les lysim tres et la dynamique d arriv e des solut s sauf supposer une dispersivit
457. t et qu il n y a pas de ruissellement La sauvegarde des mesures d humidit et de potentiel matriciel se fait en routine au pas bi horaire pour suivre les ph nom nes lents tels que l vaporation ou la r humectation suivant une pluie Elle passe un pas de 1 minute lorsqu un coulement est d tect en entr e du dispositif pour caract riser la vitesse de propagation des flux en surface et subsurface qui sont des ph nom nes tr s rapides Le pas redevient bi horaire une heure apr s la fin de l v nement La sauvegrarde des mesures Watermark se fait au pas 24 heures en routine et au pas 1 min pendant la pluie tant que le capteur le plus en aval reste sec Pilotage des chantillonneurs Les chantillonneurs sont asservis la mesure de d bit de sorte chantillonner selon un pas de volume fixe et garantir ainsi une certaine repr sentativit par opposition un 82 pilotage par d passement d un d bit seuil et pas de temps fixe En entr e le pas de pr l vement est 180 Litres soit 7 5 mm sur la surface de la placette En sortie le pas de pr l vement est 120 Litres soit 5 mm Pilotage du modem Un modem permet la t l gestion du dispositif via le r seau de t l phonie mobile Ceci donne la possibilit de consulter les donn es sauvegard es et de modifier les param tres du programme ex cut distance sans d placement sur le site Cette t l gestion permet notamment de savoir lorsqu un v n
458. t ntnentenant eh RNA AIN ARR R 40 Figure I 5 Sch mas d am nagement de bandes enherb es types propos s par le C O R P E N 1997 42 Figure I 6 Conceptualisation des coulements de versant selon Lin et al 2002 43 Figure II 1 Photographie du bassin versant de la Morcille Village de St Joseph 54 Figure II 2 Photographie du versant instrument prise depuis une berge de la Morcille cee eeeeeeeeeeeeneees 54 Figure II 3 Comparaison de statistiques de pluie Intensit Dur e Fr quence M t o France avec les v nements enregistr s sur la p riode 2004 2005 55 Figure I 4 Photographie de la placette instrument e 000 0 e ee eeeeeseeeeeeeeeeeeeceneeceaneseeeeeeneeenaressaeeseerersneeeseneees 56 Figure ILS Topographie de la surface de la placette enherb e ee eee eeeeeeneeceseeesneeceeceeesaeeceaeecseessneeeeeatens 57 Figure II 6 Photographie et repr sentation sch matique du profil de sol 58 Figure II 7 Position du sol de la parcelle enherb e dans le triangle de texture utilis par le GEPPA Groupe d Etude des Probl mes de P dologie Appliqu e Baize 1988 60 Figure II 8 Profils compar s de teneur en mati re organique gauche et carbone organique droite dans la vigne et dans la parcelle enherb e Comparaison avec des donn es de la litt rature Benoit et al 1999 Ma drisall t al 2007 ieina ener enee E E E tes rene den n es deu EVEEN ESEE EE dede ner de Dada
459. t une incertitude sup rieure la valeur de 1 5 TVE donn e pour l incertitude sol sol La valeur d incertitude sol sol pose galement question cette incertitude que l on comprend comme l incertitude sur l quation de calibration d pend directement du fait qu on ait r alis une calibration ou non du capteur sur le sol tudi et si c est le cas du protocole de calibration utilis Il semble donc difficile d annoncer une valeur a priori Dans notre cas nous avons r alis un travail de calibration d crit dans l annexe 4 Mais il nous est impossible de quantifier l incertitude associ e ce protocole de calibration particulier 259 Faute de temps nous n avons pas pu identifier et quantifier les diff rentes sources d incertitudes Nous nous baserons donc sur les donn es du constructeur 2 2 4 3 Calcul de l incertitude compos e Etant donn que toutes les sources d incertitude fournies par le constructeur sont quantifi es en terme d impact sur le r sultat final le calcul de l incertitude compos e se simplifie sous la forme additionnelle suivante on utilise la valeur maximale de variabilit correspondant un sol satur U TVE VU var U pr c U r p U res A 15 225 22 or U TVE 1 2 TVE D apr s les donn es constructeur lincertitude compos e absolue 68 est de 1 2 TVE la valeur correspondante un niveau
460. te l infiltration augmente dans une m me mesure Arora et al 1996 Misra et al 1996 Souiller et al 2002 Mais ceci peut tre le fait d une augmentation de la surface d infiltration par submersion de la microtopographie 1 2 2 2 La capacit de s dimentation Plusieurs travaux montrent que la longueur enherb e n est pas un param tre d terminant pour la r tention des MES m me si elle la favorise C A Vaucluse 2000 Dillaha et al 1989 Lim et al 1998 Schmitt et al 1999 Spatz et al 1997 Srivastava et al 1996 Tingle et al 1998 Ceci est coh rent avec les r sultats montrant que la s dimentation se fait essentiellement dans les premiers d cim tres de la bande Tingle et al 1998 ou en amont de celle ci Dabney et al 1995 Ghadiri et al 2001 Meyer et al 1995 Les exp riences sur maquettes indiquent que les param tres ayant une influence effective sur la r tention des particules solides en amont d une bande enherb e sont les caract ristiques granulom triques des particules en suspension la vitesse de l coulement entrant dans la bande et la hauteur d eau accumul e contre le bord amont de la bande par effet de barrage Dabney et al 1995 Les propri t s m caniques du couvert et notamment sa densit et sa r sistance la flexion li e au diam tre des tiges sont ainsi d terminantes Jin et al 2000 Meyer et al 1995 Ces r sultats tablis sur substrat artificiel sont confi
461. ten 1980 la plage h 0 hs tant d crite par une quation lin aire O h 4 On note cependant que le mod le de Vogel and Cislerova 1988 reste identique au mod le de van Genuchten 1980 sur la gamme 6 qui repr sente la quasi totalit de la courbe Il reste donc assujetti aux m mes contraintes notamment celle d utiliser un unique jeu de param tres pour d crire les deux courbes K h et Oh Ceci repr sente une limite s rieuse son utilisation 2 1 2 Repr sentation des flux d eau dans le sol Le syst me d quations r solu dans le mod le Hydrus2D s appuie de fa on classique sur la combinaison d une relation de continuit quation de conservation de la masse et 96 d une relation dynamique de processus loi de Darcy 1856 g n ralis e formant l quation de diffusivit de Richards 1931 Ce syst me d quations est pr sent ci dessous En supposant l eau incompressible et la matrice solide ind formable l quation de conservation de la masse s crit de la fa on suivante 00 IL 14 V g S 11 14 7 q ou S est un terme puits source extraction racinaire par exemple 8 L L la teneur en eau volumique q L T le vecteur flux et T le temps La loi de Darcy g n ralis e aux milieux non satur s peut s crire sous une forme dite en pression ou en teneur en eau suivant que la conductivit est exprim e en fonction de la succion A L ou de l
462. teur le signal en sortie du capteur est en fait un signal p riodique g n r par un circuit r sonnant dont la p riode est corr l e l humidit volumique La mesure est donc mi chemin entre le principe de la TDR Time Domain 79 Reflectometry et la mesure capacitive dont elle se rapproche du fait de la faible fr quence utilis e 70 MHZ contre 600 1000 MHZ pour la TDR La mesure est lectrique ce qui signifie sans inertie la diff rence d une bougie de tensiom tre et faisable toute l ann e la sonde r siste au gel et il n y a pas de probl me de d crochage en t comme les tensiom tres Enfin elle est int grative et repr sentative d un volume significatif 30 cm de long sur 10 cm de diam tre Quinones and Ruelle 2001 ce qui est important dans un milieu structur comme le sont les horizons superficiels d un sol enherb Figure I1 27 Dessin d une sonde Campbell CS616 Campbell Scientific 2002 La permittivit d pend principalement de la teneur en eau mais peut aussi tre influenc e par d autres l ments polarisables constitutifs du sol tels que l argile et la mati re organique la porosit intervient galement Aussi le constructeur donne une quation de calibration p riode d oscillation teneur en eau d termin e sur un sol standard mais cette quation doit tre recalcul e pour le sol tudi si l on souhaite avoir une bonne pr cision en valeur absolue sur l
463. titude d un param tre est directement exprim e par son effet sur le r sultat final le coefficient de sensibilit est gal 1 De m me dans certains cas les expressions de combinaison des incertitudes se r duisent des formes plus simples Pour les mod les impliquant uniquement une somme ou une diff rence de grandeur par exemple y p q r P incertitude type compos e u y est donn e par V1 2 u y p q Vulp tug 246 gt Pour les mod les impliquant uniquement un produit ou un quotient par exemple y pxqxrx l incertitude type compos e u y est donn e par VL3 U Y Dsdo _ ej 2 a y 2 Il est en g n ral possible de d composer le mod le math matique originel en expressions comprenant uniquement les op rations ci dessus 2 2 Estimation des incertitudes associ es aux diff rents syst mes de mesure utilis s 2 2 1 D bitm trie en canal jaugeur 2 2 1 1 Identification des mesurandes et des sources d incertitude Les mesurandes associ s la mesure de d bit sont le d bit instantan et le volume cumul Le d bit instantan est calcul partir d une hauteur d eau mesur e l aide d une relation de tarage du type O axH Venturi amont 0 5 9 L s Venturi aval 0 2 3L s Q L s 0 002929xH mm Q L s 0 001945xH 8 mm Les sources d incertitude sont e la relation de tarage e Vhorizontalit du canal jaugeur e la mesure
464. tons que ce dernier Seuls quelques aspects importants sp cifiques aux solut s sont pr sent s 2 3 1 Discr tisation de l espace De par sa forme fortement non lin aire l quation de Richards ne peut tre r solue analytiquement que pour des conditions initiales et aux limites simplifi es Hydrus utilise la m thode des l ments finis de Galerkin base de fonctions lin aires pour r soudre num riquement cette quation dans une large gamme de conditions initiales et aux limites Le domaine mod lis est d coup en triangles appel s l ments dont les sommets constituent les n uds du maillage La m thode aux l ments finis consiste remplacer dans le domaine spatial les variables mod lis es et notamment la charge h x z t par une fonction approch e h x z t La fonction approch e est exprim e dans une base de fonctions connues en l occurrence les fonctions de Galerkin Qn N 11 33 h x z t x z h n 1 Les fonctions pn sont lin aires sur chaque l ment et v rifient la propri t 11 34 P x 2 0 m m nm 101 m tant le symbole de Kronecker N le nombre total de n uds du domaine h la solution d pendant du temps de l quation de Richards au n ud n La m thode de Galerkin postule que l op rateur diff rentiel traduisant l quation de Richards est orthogonal chacune des N fonctions de base aux N n uds du domaine ce qui donne en consid rant l i
465. tosanitaires CEMAGREF lyon 99 pp Baize D 1988 Guide des analyses courantes en p dologie INRA Paris 172 pp BAMO Mesures Preleveur AQUA10 Manuel d utilisation 17 pp Benoit P Barriuso E Vidon P and R al B 1999 Isoproturon sorption and degradation in a soil from grassed buffer strip Journal of Environmental Quality 28 1 9 Benoit P Barriuso E Vidon P and R al B 2000 Isoproturon movement and dissipation in undisturbed soil cores from a grassed buffer strip Agronomie 20 297 307 Beven K and Germann P 1982 Macropores and water flow in soils Water resources research 18 5 1311 1325 Boll J Selker J S Nijssen B M Steenhuis T S Van Winckle J and Jolles E 1991 Water quality sampling under preferential flow conditions In R G Allen Editor Lysimeters for evapotranspiration and environmental measurements Proc ASCE Int Symp Lysimetry Honolulu Hawai 23 25 July 1991 Am Soc Civ Eng New York pp 290 298 Bosch D D Hubbard R K West L T and Lowrance R R 1994 Subsurface flow patterns in a riparian buffer system Transactions of the ASAE 37 6 1783 1790 Bosch D D Sheridan J M and Lowrance R 1996 Hydraulic gradients and flow rates of a shallow coastal plain aquifer in a forested riparian buffer Transactions of the ASAE 39 3 865 871 Bouy J M Dimitriu A Moreau S and Plumecocq M 2000 M trologie du d versoir triangulaire 1 talonnage
466. trant dans le sol lors de cet v nement et que le ruissellement collect l exutoire est la somme d un coulement se produisant la surface du mat racinaire et d un coulement se produisant dans celui ci Le mod le ne reproduit pas les variations d humidit observ es sur trois des quatres profils instrument s sugg rant ainsi que l coulement de surface dans le syst me r el est h t rog ne Le mod le reproduit tr s bien la cin tique de ressuyage de la zone racinaire validant ainsi les bilans tablis 24 heures Il montre en outre que le flux infiltr induit un flux de percolation d s le d but de l v nement Ce terme de percolation devient le terme 187 pr pond rant dans le bilan peu de temps apr s la fin de l v nement Les flux lat raux se produisant dans la zone racinaire sont faibles Les r sultats sugg rent l existence d une macroporosit induisant des vitesses de transfert lev es mais vraisemblablement peu significative en terme de flux 2 3 Simulation de l v nement artificiel L v nement artificiel est simul avec le mod le et les param tres utilis s pour simuler l v nement naturel Conform ment aux acquis de cette premi re simulation on suppose un mat racinaire de 5 cm d paisseur et fortement anisotrope 2 3 1 Utilisation des param tres hydrodynamiques valid s sur l v nement naturel 2 3 1 1 Ruissellement de surface Le ruissellement
467. tre 0 5 cm de fa on maximiser l uniformit de l apport Le nombre la section et la position des orifices ont t calcul s de sorte provoquer une surverse pour des d bits sup rieurs 1 L s Le fonctionnement par mise en charge d orifices permet de garantir l uniformit pour les petits d bits malgr une goutti re non id alement horizontale et de minimiser le volume mort situ l aval du canal jaugeur Le fonctionnement par surverse fait que l apport n est pas limit par la g om trie des orifices lors des forts d bits la diff rence d une conduite d irrigation par exemple Le temps de transit de l eau entre le canal jaugeur et la d verse est suppos n gligeable La placette est limit e lat ralement par des plaques m talliques enfonc es 15 cm de profondeur et d passant de 5 cm de la surface du sol A l aval de la placette instrument e le ruissellement de surface est collect au moyen d une goutti re en acier galvanis coud e ins r e de 5 cm dans le mat racinaire une profondeur variant entre 2 et 8 cm selon la microtopographie locale Cette goutti re canalise le ruissellement sortant de la placette vers un canal jaugeur Celui ci d verse en direction de la rivi re distante d une dizaine de m tre 65 Figure II 14 Photographie du syst me d amen e et de la d verse en fonctionnement gauche et du syst me de r cup ration l aval droite NB
468. tre 160 mm Deux regards en b ton situ s en amont de la canalisation en PVC jouent le r le de pi ges ruissellement cf Figure II 13 En cr ant une surverse de 15 cm de hauteur donc un volume mort de 25 Litres chacun ces regards install s en s rie et munis de grilles de maille 1 mm dans leur section d versante permettent de pi ger les particules solides les plus grossi res et d viter leur transport vers la placette dont elles pourraient gravement modifier la morphologie de surface et perturber le fonctionnement de l instrumentation Un regard en PVC faisant le joint entre la section circulaire de la canalisation d amen e et la section rectangulaire du premier canal jaugeur cr e une troisi me zone d eau morte de 10 Litres 64 Figure 11 13 Photographie de la rigole sortant de la vigne et des deux regards faisant office de pi ge particules en amont de la canalisation en PVC Le canal jaugeur d verse dans un bac m tallique en acier zingu de 100 cm de cot jouant le r le de coude 90 et de brise vague cf Figure IL 14 Ce bac d verse son tour dans une goutti re en acier galvanis r partissant le flux uniform ment sur les 4 m de largeur de la placette instrument e cf Figure IL 14 Un deuxi me brise vague assure le ralentissement de l coulement et sa r partition dans la goutti re Celle ci a t install e de fa on rigoureusement horizontale et perfor e r guli rement de trous de diam
469. u ils ne sont pas repr sent s par le mod le 2D longitudinal ainsi param tr 2 3 1 2 Propagation des flux en subsurface La propagation des flux en subsurface est tudi e travers la variable potentiel matriciel simul e au niveau des n uds repr sentant les tensiometres Dans la mesure o on dispose de donn es exp rimentales on pr f re la variable potentiel la variable humidit de dynamique identique et renseignant sur le processus de mise en charge La Figure IV 37 pr sente les potentiels simul s par le mod le longitudinal dans la placette en X 240 cm aux trois profondeurs instrument es Les potentiels simul s en X 430 cm sont comparables ceux simul s en X 240 cm 80 w E 5 40 a Mesure 15cm Simu 15cm 60 F Mesure 40cm Simu 40cm b0 Mesure 80cm Simu 80cm 0 50 100 150 Temps min Figure IV 37 Comparaison des potentiels simul et mesur sous la placette en X 240 cm L volution du potentiel simul 40 cm et 80 cm de profondeur sous la placette montre deux phases La premi re phase est vraisemblablement associ e la propagation du bulbe d infiltration Les interfaces situ es 10 cm et 30 cm sont mises en charge La deuxi me phase correspond la remont e de la nappe Le niveau de charge simul 80 cm dans la deuxi me phase est proche bien que sup rieur de la va
470. u flexible tensiom trique avec capteur d port Solem Tuyau rigide avec bougie en c ramique Tranch e de mise en place sol destructur Sol de la placette enherb e non destructur Figure II 26 Sch ma d implantation des cannes tensiom triques capteur d port Ce syst me a t compl t en 2005 par un syst me mercure du fait d un mauvais fonctionnement d j mentionn et explicit dans la partie 1 1 4 Le syst me mercure utilise des cannes int gralement rigides et verticales et le principe du manom tre mercure Ce type de tensiom tre est robuste mais il ne peut tre automatis le potentiel est lu visuellement sur une r glette gradu e L incertitude globale associ e la mesure par tensiom trie mercure a t calcul e par les formules de composition des incertitudes du guide ISO 1993 cf annexe 2 Les incertitudes absolues largies sur la mesure du potentiel matriciel au niveau de la bougie et de la charge hydraulique exprim es dans le r f rentiel d altitude local sont respectivement de 4 8 cm et 3 8 cm pour un niveau de confiance de 95 d Humidim trie On utilise des sondes Campbell CS616 Campbell Scientific 2002 permettant une mesure indirecte de l humidit du sol via la permittivit di lectrique cf Figure II 27 Cette permittivit est obtenue travers la mesure d un temps de parcours d une onde lectromagn tique le long des tiges du cap
471. u milieu et qu il peut tre correctement d crit partir du seul param tre Koc de la mol cule Les r sultats sugg rent que l utilisation de valeurs de la litt rature peut conduire une l g re sous estimation du coefficient de partage pour des sols rest s en herbe de nombreuses ann es et fournissent des valeurs de r f rence pour la mol cule de Diuron pour ce type de milieu Les cin tiques d adsorption d termin es pour le Diuron sur le sol du site exp rimental sont conformes aux valeurs de la litt rature Elles montrent que l adsorption est significativement plus rapide dans l horizon 0 20 cm que dans l horizon 20 50 cm en lien avec la teneur en mati re organique Connaissance des processus d coulements et de transport se produisant dans la placette lors d un v nement ruisselant Concernant les processus d coulement r sultats exp rimentaux et mod lisation ont permis de mettre en vidence les points suivants e Le ruissellement de surface est vraisemblablement chenalis et h t rog ne en lien avec une microtopographie significative un couvert non homog ne et une perm abilit de surface non homog ne Cette h t rog n it est de surcro t probablement sup rieure dans la majorit des zones tampons enherb es dans la mesure o la zone instrument e a justement t choisie pour l apparente uniformit de sa topographie et de son couvert v g tal e Il existe des flux lat rau
472. u trois dimensions L int r t d une repr sentation 2D des flux se produisant dans une bande enherb e a t mis en vidence dans l tude bibliographique En effet plusieurs r sultats sugg rent que des coulements horizontaux significatifs se produisent dans le sens de la pente L int r t d une repr sentation 3D est plus discutable Premi rement l quation d onde cin matique n est pas en mesure de repr senter une condition de surface h t rog ne transversalement donc la repr sentation de l axe transversal dans le sol appara t superflue Deuxi mement on envisage un dispositif exp rimental suffisamment grand pour pouvoir supposer que les effets de bordure sont faibles Troisi mement la repr sentation d un versant r el ruisselant sur une bande enherb e de dimensions largement sup rieures celles du dispositif exp rimental est en g n ral r alis e en deux dimensions soit parce que l hypoth se d uniformit est justifi e cette chelle soit parce que la connaissance du milieu est insuffisante pour une repr sentation explicitement 3D Ce choix nous permet en outre d utiliser le mod le Hydrus 2D Simunek et al 1999 dont la robustesse et la fiabilit ont t prouv es N cessit d une repr sentation couplant surface et subsurface La r solution de l quation de Richards est assez sensible au type de condition que l on impose en surface Schmid 1989 condition de flux typiq
473. ue 4 6mm en dessous l extr mit inf rieure de la sonde de l extr mit inf rieure de la sonde 250 Prise de pression gt Extr mit en sifflet Figure VI 8 Sch ma illustrant l offset des capteurs de pression et la forme des prises de pression utilis es En ce qui concerne le calcul du volume cumul on estime que l incertitude associ e la mesure de l intervalle de temps entre deux mesures de d bit instantan est n gligeable En effet chaque mesure de d bit est horodat e au centi me de seconde pr s 2 2 1 3 Calcul de l incertitude compos e et de l incertitude largie sur le d bit instantan a Calcul de l incertitude compos e sur la mesure de hauteur d eau Les diff rentes variables intervenant dans la mesure de la hauteur d eau au droit de la section jaug e du canal venturi horizontalit du canal position de la prise de pression dans le canal hauteur d eau mesur e sont ind pendantes et reli es par un mod le additionnel On utilise la valeur de pr cision du capteur donn e par le constructeur et non celle mesur e exp rimentalement et on n glige l incertitude li e l automate CR10X L incertitude compos e s crit donc U Ai JU horizontalit U position U mesure iy 42 gt van E 2 2 U H 1 46 mm L incertitude sur la mesure de hauteur d eau par les bulles bulles largie 95 de confiance est de 2 9 mm
474. uement utilis e pour repr senter la pluie ou condition de charge typiquement utilis e pour repr senter une lame d eau Or la situation de fonctionnement typique d un syst me tampon correspond une lame d eau submergeant un sol dont la capacit d infiltration n est pas d pass e par la pluie incidente c est dire qui ne ruissellerait pas s il tait juste soumis la pluie Le changement du type de condition limite de surface doit donc tre impos par un mod le de routage de type onde cin matique et non pas seulement d termin par le flux de pluie tel qu impl ment dans le mod le Hydrus 2D Simunek et al 1999 par exemple Un couplage de l quation de Richards avec l quation d onde cin matique a donc t envisag dans le mod le Hydrus 2D en collaboration avec l auteur du mod le Jirka Simunek Simunek 2002 Utilisation de l quation de convection dispersion La repr sentation du transport de solut est envisag e classiquement l aide de l quation de convection dispersion et d une isotherme d adsorption ajust e sur les r sultats exp rimentaux obtenus en laboratoire 51 On envisage en outre d utiliser le concept des non quilibres chimiques ou physiques reposant respectivement sur une cin tique limitante de la r action d adsorption et sur un fractionnement de la porosit en une partie mobile et une partie immobile pour repr senter un transport non homog
475. ug L 20 ug L et 5 ug L Les cristallisoirs sont recouverts d une bo te de P tri afin d viter toute vaporation L ensemble est mis sous agitation douce 50 r volutions min pendant 24 heures temp rature ambiante Agitateur orbital STR Stuart Scientific 7 1 3 Extraction liquide liquide Isothermes 100 mL de surnageant sont pr lev s filtr s sur laine de verre et extraits dans une ampoule d canter en verre de 500 mL Prise d essai 400 mL d eau du robinet 100 mL de surnageant pr lev 5 de NaCl soit 25g Dopage de linuron 0 5 mL de la solution de dopage en linuron 10 mg L pour v rifier les rendements d extraction Extraction 3 50 mL de dichlorom thane Agitation 15 minutes D cantation 45 minutes R cup ration de la phase organique et s chage sur NazSO anhydre 299 Les 3 extraits sont combin s dans un ballon col rod de 250 mL Le dichlorom thane est vapor l vaporateur rotatif 40 C juste sec Le r sidu sec est repris dans 2mL d un m lange eau ac tonitrile 80 20 filtr 0 22 um puis inject en HPLC Cin tiques Les diff rents chantillons sont extraits sur phase solide cartouche SPE Oasis HLB Waters l aide de l automate Rapid Trace Zymarck avec deux m thodes diff rentes suivant le temps de contact Pour les temps de contact de 2 15 min et les t moins Conditionnement 3mL ACN 3mL MeOH 3mL H20 MilliQ Percolat
476. uls r alis s ici sont tr s sch matiques et qu ils n excluent pas totalement la possibilit de tels coulements pr f rentiels Ils montrent cependant qu ils ne sont pas majoritaires en terme de flux Les concentrations mesur es dans les lysimetres lors de v nement naturel sont plus proches des concentrations calcul es dans l hypoth se haute supposant un temps de s jour total de 1h15 min dans la zone racinaire Les concentrations mesur es lors de l v nement artificiel sont pour trois des quatre profils incluant le profil amont plus proches des concentrations calcul es avec l hypoth se basse supposant un temps de s jour total de 7 min Cette diff rence entre les deux v nements tudi s est coh rente avec l hypoth se formul e dans le chapitre IV supposant la contribution d une macroporosit caract ris e par des vitesses de transfert lev es lors de l v nement artificiel n intervenant pas lors de l v nement naturel 3 Conclusions La capacit de r tention du Diuron dans la placette enherb e exp rimentale est tr s importante Cette capacit est principalement li e au processus d infiltration Une r tention par adsorption a bien lieu en surface mais celle ci est limit e du fait du faible temps de s jour des flux dans le syst me quelques minutes Elle n est notamment pas sup rieure l abattement de concentration induit du fait de la dilution du ruissellement par la plui
477. ume 12 ao t 17 ao t 18 ao t 16 avril 3 mai 04 04 04 05 05 E NY 80 x 60 2 40 20 o D D Pt Qi M LD OR O ON M LD NR O ANM RER EN EN NE Figure VI 22 Infiltration relative dans la placette calcul e comme le ratio du volume mesur l exutoire sur le volume mesur en entr e de la placette 306 Seuls les v nements du 17 ao t 2004 du 18 ao t 2004 du 16 avril 2005 et du 3 mai 2005 ont engendr un coulement l exutoire de la placette en plus de l v nement du 12 ao t analys dans le rapport L v nement du 16 avril 2005 est consid r comme exceptionnel l v nement a engendr une saturation totale du versant y compris cot de la placette exp rimentale induisant une infiltration nulle dans la placette 307 R sum La contamination des milieux aquatiques par les pesticides est un probl me pr occupant tant sur le plan cologique que pour la production d eau potable L am nagement de zones tampons enherb es repr sente une solution pour limiter le transport par ruissellement des pesticides appliqu s sur les parcelles cultiv es vers les eaux de surface Les objectifs de ce travail sont une meilleure connaissance des processus de dissipation de
478. une bande enherb e en situation d interception d un ruissellement de surface contamin la fois en surface et dans le sol incluant les propri t s caract ristiques du milieu les conditions aux limites et les conditions initiales du syst me Comme un tel jeu de donn es n est pas disponible dans la litt rature et qu il n existe pas de dispositif exp rimental susceptible de le produire un dispositif a t con u et r alis dans le cadre de la th se pour r pondre ces attentes Choix de la localisation du site exp rimental Le site exp rimental a t choisi dans le but de suivre des v nements naturels et d autoriser aussi des simulations d v nements artificiels contr l s Il se trouve ainsi a l aval JAF d une parcelle de vigne trait e chimiquement et proximit d une rivi re permettant d alimenter artificiellement le dispositif en eau Le site a t implant dans le d partement du Rh ne pour permettre un suivi r ellement continu tout au long de l ann e Il a t implant dans un bassin versant faisant l objet de travaux scientifiques sur les transferts de pesticides depuis de nombreuses ann es Gouy 1993 Munoz 1992 Choix de l instrumentation Le site a t instrument dans le but de faire un bilan complet des flux d eau et de pesticides dans une bande enherb e l chelle d un v nement Les instruments doivent nous renseigner sur la propagation des flux
479. ur de 800 cm La dur e correspondante d pend de la nature du sol une dizaine de jours dans le cas du sol tudi Au total on dispose d un nuage de points h assez cons quent sur lequel est ajust le mod le de van Genuchten 1980 d crivant la courbe h pr sent dans la partie IIL 2 1 On note que les param tres de teneur en eau saturation ou de teneur en eau r siduelle ne sont pas mesur s directement mais bien ajust s math matiquement pour reproduire la forme d ensemble de la courbe h 6 1 3 1 3 Mesure de la perm abilit saturation in situ Des mesures d infiltration sous charge de type M ntz ont t r alis es in situ en surface et 3 profondeurs diff rentes 15 cm 25 cm 40 cm durant le mois de janvier 2005 Elles nous ont permis d estimer des valeurs de conductivit hydraulique saturation Le double anneau utilis cf Figure II 31 a un anneau interne de diam tre 20 cm et un anneau externe de diam tre 40 cm Les exp riences sont r alis es avec une charge constante de 3 cm sauf les mesures de surface pour lesquelles la charge n est pas homog ne sur toute la surface du double anneau du fait de la pente du terrain de 0 10 cm d une extr mit l autre du diam tre externe et de 2 6 cm dans l anneau interne comme illustr sur la Figure 11 29 La mesure se fait dans l anneau interne l anneau externe ayant pour seul but de limiter les effets de bord La charge est
480. ur l eau et dans la nouvelle politique agricole commune lt 17 La directive cadre sur l eau fait de la protection de l environnement son objectif principal en ce qu il permet de r pondre aux autres objectifs que sont l approvisionnement en eau potable des populations et la satisfaction d autres usages marchands Les objectifs fix s l horizon 2015 sont quantitatifs et qualitatifs Ils correspondent pour les masses d eau de surface l atteinte d un bon tat cologique et chimique Dans le district Rh ne M diterran e Corse treize points susceptibles d emp cher l atteinte de ces objectifs l ch ance 2015 ont t identifi s Parmi ces probl mes la question phytosanitaire tient une place importante dire d expert la pr sence de pesticide repr sente le facteur le plus contributif au risque de non atteinte du bon tat dans 35 des masses d eau de surface a risque et 70 des masses d eaux souterraines risque Agence de l eau RMC 2004 La politique agricole commune a introduit parmi ses objectifs celui de contribuer la protection de l environnement Pour cela un nouveau syst me de soutien financier aux agriculteurs a t instaur qui conditionne l octroi de l aide publique au respect de Bonnes Conditions Agricoles et Environnementales dont le non respect entra nera une r duction des aides directes re ues Parmi ces co conditions figure le maintien d une sur
481. urface flux de subsurface Dopage Elution Total Dopage __ Elution Total Mesure 1741 392 3 410 4 Simu Hyp Cm 81 610 691 15 107 122 Simu Hyp Ch 11 508 519 36 385 421 Le bilan confirme que le r alisme du ruissellement simul par le mod le 2D longitudinal est am lior gr ce l hypoth se de perm abilit haute notamment pendant la phase de dopage Cependant le ruissellement simul reste sup rieur ce qui a t observ pendant la phase d lution L infiltration demeure donc sous estim e Le bilan montre aussi que les flux simul s dans le plan transversal d passent l cart entre le ruissellement simul dans le plan longitudinal et le ruissellement observ Ceux ci sont donc probablement surestim s par le mod le 2D 201 2 3 3 2 Propagation des flux en subsurface a Potentiels simul s dans le plan longitudinal Les potentiels simul s dans la placette en X 240 cm sont repr sent s dans la Figure IV 51 Les potentiels simul s en X 430 cm sont similaires ceux simul s en X 240 cm 80 2 2 w 2 2 F 40 M Mesure 15cm Simu 15cm 60 Mesure 40cm Simu 40cm Mesure 80cm Simu 80cm 80 T T F F T T P F T T T T T T T 0 50 150 Temps tn Figure IV 51 Potentiel matriciel simul dans le plan longitudinal en X 240 Les valeurs de perm abilit hautes permettent un gain de r alisme dans le sens o le retard
482. urs moyennes mesur es ont t tablies sur une surface importante un disque de 20 cm de diam tre et sous une charge de 3 cm En effet les valeurs d termin es par un tel protocole sont repr sentatives d un fonctionnement macroscopique mais pas des chemins de l eau de dimensions centim triques I est donc possible que ces valeurs soient sup rieures la perm abilit locale des chemins de l eau donc que la contribution du ruissellement se produisant la surface du mat ait t sous estim e Cette remarque renforce l id e que le ruissellement mesur l exutoire est probablement un m lange d un ruissellement se propageant la surface du mat et d un ruissellement se propageant dans le mat On note enfin que la r tention des pesticides que l on peut attendre en surface est bien sup rieure si coulement se produit dans le mat que s il se produit sur le mat En effet la rugosit sup rieure induit probablement un meilleur contact avec le substrat 1 2 2 Ecoulements de subsurface Les r sultats acquis au cours des deux v nements tudi s montrent la pr sence d coulements verticaux tr s rapides dans l horizon 0 50 cm la saturation se propage quasi instantan ment entre 0 et 40 cm de profondeur d apr s les donn es humidim triques mais aussi entre 15 cm et 80 cm d apr s les donn es tensiom triques Ces r sultats confirment ceux du chapitre III acquis l chelle local
483. usceptible d intercepter les flux de polluants transport s par ruissellement de surface hors des parcelles cultiv es Rappel de la d marche Du fait des enjeux associ s la contamination des eaux de surface par les produits phytosanitaires de nombreux travaux ont t r alis s dans la derni re d cennie sur le potentiel de r tention des produits phytosanitaires dans les bandes enherb es Toutefois la synth se de ces travaux restait faire et a constitu le premier objectif de ce travail de th se Notre tude bibliographique a permis de faire ressortir les points suivants e La grande perm abilit de ces milieux qui est l origine de leur capacit intercepter un coulement de surface pose la question du devenir dans le sol des pesticides infiltr s Sont ils r ellement fix s dans les premiers d cimetres de sol La structuration de ces milieux n engendre t elle pas un risque d entrainement rapide et en profondeur incompatible avec les processus d adsorption et de d gradation e Malgr la multiplicit des travaux r alis s la pr diction de l efficacit d une bande enherb e donn e reste inenvisageable Parall lement l incertitude associ e aux recommandations techniques existantes pour le positionnement et le dimensionnement de tels am nagements est importante Un outil num rique de pr diction int grant les diff rents processus purateurs d une bande enherb e est d velopper P
484. ut moyenne en sortie de placette M L Ces quations donnent la loi de m lange suivante Q V 3 C Q P La concentration C ainsi calcul e repr sente une surestimation de la concentration que l on peut attendre en sortie de placette Bilan discr tis L objectif de cette m thode est de tenir compte du fait qu infiltration et dilution interviennent simultan ment et que seule la fraction non infiltr e du ruissellement se m lange effectivement avec la pluie incidente On fait donc le m me type de bilan que ci dessus mais P chelle d une maille l mentaire de longueur dx et en tenant compte d un terme de perte par infiltration Les flux sont suppos s homog nes sur toute la largeur de la placette La pluie et l infiltration sont suppos s homog nes galement sur la longueur de la placette On se place toujours en r gime permanent c est dire qu on consid re des flux moyens sur l ensemble de l v nement Le d tail des calculs figure dans l annexe 8 On obtient l quation de m lange suivante P _n V 4 C C i e n e On applique successivement les deux lois de m lange tablies ci dessus aux donn es de P v nement naturel 218 Application de la loi de m lange supposant un r servoir unique Le pic ayant g n r un coulement l exutoire de la placette a une concentration moyenne de 14 ug L cf Figure V 1 un volume de 35 mm et la pluie tomb e
485. uxi me raison est li e une insuffisance de donn es exp rimentales quantitatives concernant certains processus la chenalisation de l coulement de surface l int rieur de la bande enherb e la contribution des coulements pr f rentiels l infiltration le transport s dimentation et infiltration des particules solides fines fortement charg es en pesticides le processus d adsorption des produits sur le sol et les plantes en rapport la cin tique des processus et la caract risation de la mati re organique et enfin l volution temporelle des caract ristiques des bandes enherb es en rapport avec l activit biologique bioturbation enrichissement en mati res organiques et le processus de s dimentation Des travaux compl mentaires doivent tre men s sur ces diff rents aspects de pr f rence en conditions naturelles plut t que sur maquette de laboratoire de fa on maximiser la repr sentativit des r sultats mais avant tout sur des syst mes pour lesquels les conditions aux limites les conditions initiales et les param tres intrins ques du milieu param tres hydrodynamiques et physico chimiques sont mesur s Sur le court terme comme sur le long terme la question du devenir des produits intercept s par une bande enherb e reste enti re Un certain nombre de r sultats montrent que cet aspect doit tre pris en compte dans l valuation de l efficacit d une bande enherb e diminuer l
486. v nements nous avons montr au chapitre IV que l coulement tait probablement plus h t rog ne lors de l v nement naturel que lors de l coulement artificiel ce qui est coh rent avec un contact moindre avec le substrat donc une adsorption inf rieure Ces chiffres montrent si besoin est que le coefficient de partage d termin en laboratoire pour un temps de contact de 24 heures ne saurait tre utilis pour estimer la r tention que l on peut attendre la surface d une bande enherb e en situation d interception d un coulement En effet cette valeur obtenue l quilibre conduit surestimer nettement l abattement de concentration attendu de la bande enherb e que l on consid re le substrat v g tal ou le substrat solide Ceci s explique par un temps de contact dans le syst me r el nettement inf rieur 24 heures 220 2 3 3 Conclusion Il existe bien un processus d adsorption des produits transport s par ruissellement la surface de la bande enherb e Celui ci est relativement limit du fait du temps de s jour tr s court dans le syst me Il peut aussi tre limit si le ruissellement de surface est chenalis L adsorption n est pas le seul processus d abattement de la concentration la dilution par la pluie tombant sur la zone tampon enherb e peut contribuer tout autant que l adsorption la r duction de concentration du flux polluant L abattement de con
487. v s dans la litt rature mais incertitude li e l extrapolation de ces valeurs au sol tudi est grande car les facteurs de variation potentiels sont nombreux pH humidit initiale de l adsorbant Margoum 2003 niveau de concentration d s lors que l isotherme n est pas lin aire ratio sol eau Gaillardon and Dur 1995 mode d agitation Margoum 2003 teneur en carbone organique de l adsorbant Stoeckel et al 1997 nature de la mati re organique Benoit et al 1999 teneur en argile Staddon et al 2001 ou pr sence d l ment complexant comme le cuivre Dakhel 2001 De plus en ce qui concerne le Diuron il n existe apparemment pas de consensus sur la forme de l isotherme concave n gt 1 d apr s Louchart 2005 lin aire d apr s Margoum 2003 Il n existe par ailleurs que peu de donn es concernant la cin tique d adsorption du Diuron pour des temps de contacts faibles de l ordre de la dizaine de minute except s ceux de Margoum 2003 et Gaillardon 1995 Mais Margoum 2003 montre que la cin tique de r action varie avec la nature du substrat et son premier point est t 10 minutes Les r sultats de Gaillardon 1995 semblent difficilement transposables du fait de concentrations de dopage tr s fortes sup rieures 1 mg L peu repr sentatives d un ruissellement de surface 3 1 Isothermes d adsorption Les horizons caract ris s sont les suivants 0 5 cm 5 20 cm
488. v s dans la zone racinaire Le couplage Richards 2D onde cin matique s av re n cessaire pour reproduire le partage infiltration ruissellement observ Mots cl s zone tampon bande enherb e pesticide diuron mod lisation Hydrus 2D Title Dissipation processes of pesticides in grassed buffer zones a field and modelling study Abstract The contamination of surface waters by pesticides has become problematic for aquatic ecosystems but also for fresh water production Grassed buffer zones can reduce pesticides transport by surface run off from cultivated plots to streams The aims of this work are a better knowledge of various processes governing pesticides dissipation in grassed strips to asses the efficiency of such management practices including the fate of infiltrated pesticides and to validate a predicting tool useful for future technical guidelines Following a state of the art concerning potential dissipation processes a long term field experimentation has been initiated in the Beaujolais area France The experimental device is used to characterize the coupled propagation of water and herbicide fluxes diuron at the soil surface and in the vadoze zone of a grassed strip Natural and artificial run off events were recorded at the outlet of a chemically treated vineyard Both hydrodynamic and adsorption properties of the soil profile were determined Results show a structural porosity associated with the vegetal cover in
489. vage sp cifique ces mol cules 1 3 2 Le risque de percolation profonde La question de l entra nement des produits en profondeur est associ e l existence de voies de transfert rapide de type macroporal Ces structures qui peuvent expliquer l infiltrabilit lev e des sols enherb s constituent des court circuits hydrauliques potentiels vis vis des capacit s de r tention de la matrice poreuse dont on conna t par ailleurs les bonnes aptitudes Plusieurs observations sugg rent l existence de ces structures i des mesures de concentration in situ faites l aide de bougies poreuses install es 60 cm sous une bande enherb e qui montrent une contamination de la solution du sol en atrazine et en deethylatrazine dans un d lai incompatible avec des transferts matriciels Delphin and Chapot 2001 ii des courbes d lution de bromure et d isoproturon sur colonne non remani e particuli rement rapides Benoit et al 2000 iii des mesures in situ sous une bande enherb e ayant re u un ruissellement contamin montrant des concentrations r siduelles sur la matrice poreuse trop faibles pour tre expliqu es par un mod le de transport matriciel de type darcien Souiller et al 2002 Ceci dit la contribution des macropores ne doit pas tre surestim e Tous les macropores pr sents dans le sol ne sont pas forc ment actifs seuls ceux connect s hydrauliquement a la surface contribuent aux transferts les autre
490. vail On peut aussi caler le mod le Hydrus et l utiliser pour simuler en continu le fonctionnement du lysimetre et comparer flux simul s et flux mesur s On conseille plut t cette derni re fa on de faire m me si elle est plus co teuse en temps En effet les r sultats ont montr qu une interpr tation dynamique des volumes pr lev s reste n cessaire m me apr s un dimensionnement pr cis si la dur e de cumul des flux est de l ordre de 24 heures ou moins A cette chelle de temps il se peut que les volumes recueillis correspondent une phase de r humectation ou de dess chement et qu il faille appliquer une correction sp cifique pour en d duire la lame drainante vraie 3 4 2 Evaluation de l incertitude d origine exp rimentale Le tableau IV pr sente les r sultats obtenus concernant la propagation des erreurs associ es aux param tres exp rimentaux intervenant dans les quations de dimensionnement Ces r sultats traduisent l erreur induite sur le flux total simul en sortie de m che pour toute la p riode consid r e 342 heures L erreur est exprim e comme un cart relatif En effet les simulations sont r alis es partir des deux sc narios de r f rence test s pr c demment cf Table II par modification pas pas des diff rents param tres test s Le r sultat est obtenu par diff rence entre le cumul simul par le mod le modifi et le cumul simul par le mod le de r f rence
491. vant l incertitude li e la variabilit spatiale des mesures dans une m me couche 2 3 6 Incertitude sur les flux lat raux de subsurface Les flux lat raux sont estim s indirectement en faisant l hypoth se de la conservation de la masse l chelle du syst me F lat raux Ruis entr Ruis sorti Percolation Stock 265 L incertitude associ e cette estimation s crit donc U Flat JU Ruis entr U Ruis sorti U Perco U Stock 2 3 7 Incertitude sur les quantit s de mati re sorties du syst me par ruissellement de surface L incertitude compos e sur la masse totale se calcule comme pour le flux entrant U M U C xV U2 V xC Le volume l mentaire associ chaque mesure de concentration est d fini par la moiti de l intervalle s parant la mesure consid r e de la mesure pr c dente et par la moiti de l intervalle s parant la mesure consid r e de la mesure suivante L incertitude analytique sur la concentration est suppos e gale 5 L incertitude sur le volume l mentaire associ chaque valeur de concentration est calcul e selon la formule d j pr sent e d incertitude sur le volume cumul quantifi par les d bitm tres L application num rique de la relation ci dessus est illustr e par la Figure VI 16 4 Bromure g A 2 3d Diuron mg E 3 O oO 8 2 Q oO D me 17 T o O
492. vement dans les zones satur e et non satur e Pour la premi re it ration de chaque pas de temps la valeur pr c dente utilis e est d duite des solutions des deux pas de temps pr c dents 2 3 4 2 La gestion du pas de temps Trois pas de discr tisation du temps de simulation sont saisis 1 le pas de temps de r solution num rique 2 le pas ventuellement li aux conditions aux limites variables et 3 le pas choisi pour l impression des sorties La discr tisation 1 d bute avec un pas pr d termin par l utilisateur Atini Ensuite celle ci est ajust e automatiquement selon les r gles ci dessous la discr tisation 1 doit tre compatible avec les pas 2 et 3 ainsi les pas 2 et 3 imposent des points de passage obligatoires au calcul en court circuitant les r gles d optimisation suivantes L incr mentation doit rester dans une plage de valeurs pr d termin es par l utilisateur 11 50 At lt At lt At min max Si lors d un pas de temps de calcul 44 le nombre d it rations n cessaires pour converger est inf rieur une valeur seuil minimale fix e par d faut 3 le pas 4f suivant est allong par multiplication par un facteur pr d termin par l utilisateur sup rieur 1 fix par d faut 1 3 Inversement si le nombre d it rations est sup rieur un seuil maximal fix par d faut 7 pour At le pas suivant t est obtenu par multiplication par un facteur inf
493. versal 194 Figure IV 43 Discr tisation du domaine plan transversal utilis e pour quantifier les flux transversaux de SUDSUEPA CE 52 sos dedans s sudioe seen dre E he me let on genes let ethnie n es 195 Figure IV 44 Conditions aux limites utilis es dans le mod le plan transversal essceecceeeseeseneeteneeeeeees 196 Figure IV 45 Condition de charge type impos e en surface 200 eeeeeececeeeeteeeeeeeeeeeeeeaeeeceeeeeeeeeaeeeeseteeesenaes 196 Figure IV 46 Flux horizontaux moyens simul s dans le plan transversal sur les limites de la placette 197 Figure IV 47 Comparaison des niveaux pi zom triques mesur s et simul s 1 6 m de la placette avec le mOodelesplan transversal enpinite en onea EEA EREE RAEE E E E E AE E iS 198 Figure IV 48 Courbes isopotentielles simul es dans le plan transversal l instant t 180 min 198 Figure IV 49 Flux ruissel en surface simul en sortie de la placette enherb e avec les perm abilit s de l hypoth se haute Le ruissellement simul avec les perm abilit s moyennes est indiqu titre de comparaison Le flux lat ral simul dans le mat racinaire n est pas repr sent 200 Figure IV 50 Flux de subsurface simul s aux limites de la placette dans le plan transversal Le flux quivalent simul avec les perm abilit s moyennes est indiqu titre de comparaison ccceeeeseeeeeeeteeeeeeeeees 201 Figure IV 51 Potentiel matriciel s
494. vit hydraulique ou de la r tention hydrique proximit de la saturation sans perturber le reste de la courbe 93 2 1 1 1 Propri t s de r tention hydrique Le mod le utilis permet d utiliser les mod les de Brooks and Corey 1964 de van Genuchten 1980 et de Vogel and Cislerova 1988 C est ce dernier qui a t utilis Dans la mesure o il repose sur les quations de van Genuchten sur une grande plage de potentiel nous pr sentons successivement ces deux mod les Le mod le de van Genuchten 1980 Il est d crit par l quation 11 6 et illustr par la Figure 11 33 jg wr h lt h O h Jara II 6 0 h gt h 1 avec m l et n gt l n o 6 L L est la teneur en eau saturation 6 L L la teneur en eau r siduelle a L et n deux coefficients empiriques repr sentant respectivement l inverse d une pression d entr e d air et un indice de la distribution des tailles porales As L la valeur d entr e d air ou hauteur d ascension capillaire Le mod le de Vogel and Cislerova 1988 Il est d crit par l quation II 7 et illustr par la Figure IL 34 0 0 n V 0 11 7 O h l ah 0 h2h Ss Ss h lt h 1 Ss o 6 L L est un param tre d ajustement analogue et L L un param tre d ajustement analogue 6 les autres param tres tant identiques ceux de van Genuchten 2 1 1 2 Propri t
495. volution temporelle des concentrations export es hors des parcelles au cours de l ann e Lowrance et al 1997 Rankins et al 2001 ces r sultats seraient transposables l chelle de l v nement A l chelle de l ann e de telles variations dans l efficacit d un syst me tampon peuvent tre d terminantes dans la mesure o la majorit des exportations de produit hors des parcelles agricoles se fait au cours de quelques v nements durant une courte p riode suivant de pr s l application des produits Arora et al 1996 Lowrance et al 1997 Rankins et al 2001 Tingle et al 1998 Les volutions possibles long terme concernent la perm abilit et la capacit d adsorption La perm abilit est susceptible d augmenter progressivement en liaison avec le d veloppement racinaire les apports de mati re organique et la macrofaune Benoit et al 1999 Benoit et al 2000 Reungsang et al 2001 La capacit d adsorption galement li e la teneur en mati re organique peut tre multipli e par trois en cinq ans Benoit et al 1999 Les effets n gatifs du d p t de s diments rappel s pr c demment colmatage de la porosit r duction de l effet dispersif du couvert peuvent toutefois contrebalancer les effets positifs pr c dents sur la perm abilit et n cessiter ainsi une intervention nivellement remont e de terre renouvellement du semis 40 Le Tableau I 3 propose en synth
496. x de la litt rature Benoit et al 1999 Madrigal et al 2002 Diff rents horizons ont t distingu s dans le profil de sol afin d tudier la corr lation entre la densit du chevelu racinaire qui induit une quantit de mati res organiques diminuant avec la profondeur et la capacit d adsorption 0 5 cm 5 20 cm 20 50 cm et 50 100 cm Ces horizons ont t d finis apr s observation du profil Par comparaison avec des travaux analogues Benoit et al 1999 Madrigal et al 2002 l chantillonnage r alis propose de fa on originale de caract riser l horizon 50 100 cm sous jacent de la zone racinaire Ce choix s explique par la volont de pr voir la propagation en profondeur des pesticides partir des concentrations en solution mesur es 50 cm Un compartiment 90 v g tal correspondant aux v g taux pr sents la surface de la bande enherb e a galement t caract ris Les concentrations de dopage utilis es sont repr sentatives de niveaux de concentration classiquement mesur s dans le ruissellement issu de parcelles cultiv es et trait es chimiquement 5 ug L 20 pg L 100 ug L et 500 ug L Elles sont en outre coh rentes avec les travaux analogues de la litt rature Benoit et al 1999 Madrigal et al 2002 Margoum 2003 Les cin tiques sont d termin es 20 ug L par coh rence avec les travaux de Margoum 2003b Les temps de contact choisis dans l tude cin
497. x se produisant dans le plan transversal du fait d une remont e de la nappe induisant des gradients lat raux tr s forts et en partie d la contribution d une macroporosit caract ris e par des vitesses de transfert lev es e Le mod le reproduit bien le fait que la percolation d bute la base de la zone racinaire peu de temps apr s le d but de l v nement Il reproduit galement bien l emmagasinement dans la zone racinaire et le ressuyage rapide ce cette zone apr s la fin de l v nement Le bilan des flux emmagasin s et percol s au cours du temps montre ainsi que les flux lat raux se produisant dans la zone racinaire sont faibles y compris pendant l v nement lorsque le bulbe d infiltration n atteint pas la zone satur e Les coulements lat raux deviennent significatifs d s que le profil de sol est mis en charge par la nappe Ceci pose la question du transport des pesticides en solution dans l eau infiltr e 203 e Dans le cas de l v nement naturel l cart entre le bilan simul et le bilan mesur confirme l hypoth se d j formul e partir des donn es exp rimentales d une propagation h t rog ne du ruissellement dans le syst me r el Cette hypoth se n a cependant pas t test e explicitement et le r alisme des flux simul s avec un mod le homog ne sugg re qu elle n a pas d impact majeur en terme de flux infiltr 2204 Chapitre V Etude des flux
498. x significatifs l int rieur du mat racinaire Ces flux sont vraisemblablement li s au ruissellement de surface de sorte qu il y a m lange entre ces deux types d coulements Il ne semble pas y avoir de flux lat raux significatifs dans le reste du profil sauf en situation de mise en charge du profil par remont e de la nappe situation pour laquelle la percolation verticale dans le profil est limit e e La capacit d infiltration macroscopique de la placette est variable suivant l intensit du flux de ruissellement re u par la bande Elle augmente lorsque le ruissellement augmente en lien probable avec l augmentation de la surface d infiltration induite par la submersion d une fraction sup rieure de la microtopographie mais surtout du fait de la pr sence d une macroporosit dont la mise en charge d pend de la hauteur d eau pr sente la surface de la placette e La percolation se produisant la base de la zone racinaire repr sente un flux important De plus la propagation des flux dans la zone racinaire est rapide en lien avec la macroporosit Ceci traduit un potentiel lev d entrainement des solut s au dela de la zone racinaire Concernant les processus de transport des pesticides en solution les r sultats obtenus montrent les point suivants e L abattement de la concentration en Diuron dans le ruissellement de surface transitant dans la placette enherb e exp rimentale r sulte d une diluti
499. ydraulique tabli pour le m me v nement cf chapitre IV notamment du point de vue du flux percol 50 cm Ce contraste sugg re deux hypoth ses e Il existe un processus d adsorption tr s efficace dans la zone racinaire e La percolation correspond de l eau ancienne pr sente dans le profil avant l v nement et chass e par effet piston 2 2 Flux observes lors de l v nement artificiel Masses de Diuron et de Bromure ruissel es l exutoire Les mesures de concentrations r alis es dans le ruissellement de surface sortant de la placette sont illustr es par la Figure V 3 210 eal E Br entr mg L I Diuron entr ug L L IA Br sorti mg L lt Diuron sorti ug L A f Concentrations M L3 O oO 20 4 0 20 40 60 80 100 120 Temps minute Figure V 3 Concentrations de Bromure et de Diuron mesur es dans le ruissellement de surface sortant de la placette On constate que la courbe de concentration en Bromure est sup rieure a la courbe de concentration en Diuron aux unit s pr s Ceci sugg re un processus d adsorption du Diuron a la surface de la placette m me si c est discutable du fait que les concentrations inject es en entr e varient diff remment pour le Diuron et le Bromure Notre commentaire se limite pour cela la p riode d injection comprise entre les instants t 33 minutes et t 41 minutes pendant
500. yenne haute Cm et Ch Les r sultats sont illustr s par le Tableau III 11 Tableau III 11 Comparaison des temps caract ristiques du r gime transitoire mesur s et simul s avec l hypoth se d tat initial humide Le temps de stabilisation correspond au temps n cessaire pour atteindre 80 du flux asymptotique E F G H X 35 cm _ X 210 cm X 385 cm X 560 cm Temps Apparition min 8 5 3 16 16 11 mesur s _ Stabilisation min 29 9 5 43 49 20 Temps Hypoth se Cm Ch Cm Ch ailes Apparition min 15 6 19 7 Stabilisation min 38 8 46 10 Le fait de simuler un tat initial plus proche de la saturation permet effectivement de r duire le temps d arriv e simul le gain est de 1 min dans l hypoth se Ch et de 5 min dans l hypoth se Cm Cependant m me si les carts sont faibles quelques minutes seulement entre les temps mesur s et les temps simul s cette hypoth se ne suffit pas expliquer compl tement la rapidit de propagation observ e On en d duit qu il existe des voies d coulements non homog nes de type macroporal non repr sent s par l quation de Richards Le faible cart permet n anmoins de supposer que l impact de ces coulements en terme de flux restera mod r l chelle d un v nement naturel dont la dur e est g n ralement de plusieurs dizaines de minutes 2 3 Conclusion concernant l hydrodynamique Les propri t s hydrodynamiques du sol ont t d

Processus de dissipation des produits

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