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Modélisation des migrations de phosphore sur un bassin versant et

1. La pr cision des donn es climatiques peut tre am lior e En effet il serait int ressant d obtenir les donn es climatiques de la station de Sciez situ e seulement quelques kilom tres du bassin La pluviom trie sur le bassin pourrait ainsi tre pr cis e afin d viter entre autres les effets d orages d t locaux En effet nous nous sommes aper us que la cons quence sur les d bits de certains v nements pluvieux localis s apparaissait sur les donn es simul es alors que les mesures observ es sur l hydrogramme ne pr sentent aucun pic de crue Les donn es de Sciez seraient plus en ad quation avec les v nements du bassin Le bassin versant du Mercube est une zone relativement plate La cr ation du mod le num rique est donc entach e d incertitudes dans ces zones Afin d am liorer la pr cision du mod le num rique il pourrait tre interessant de mettre en place une campagne GPS On pourrait imaginer un syst me avec un GPS diff rentiel quip sur un VTT qui pourrait parcourir le bassin en effectuant des transects afin d obtenir un maillage plus serr de points d altitude L extraction du r seau hydrographique serait de ce fait am lior e L extraction d un r seau partir d un MNT est un vaste sujet de recherche qui donn lieu diff rentes techniques car bien souvent l extraction est partiellement fauss e La proc dure mise en place tant automatis e l extractio
2. a E ERE R et aeter 25 G n ralistes t ede eere ebd ie eg 25 B en e e REO is 26 PARTIE 30 PARAMETRAGE DES DONNEES D ENTREE ET MISE EN UVRE DU MODELE 30 1 LES DONNEES NECESSAIRES AU FONCTIONNEMENT DE SWAT 31 d WTOpograplil 5 ERR es 31 b Hydrographie 32 c ceti e o arae eee erede i DE OP GIG D 32 d Occupation du sol et pratiques agricoles ss 32 g Donn es climatiques ie ri e ent Ret Fere Eee Ee ER he 33 2 LES DIFFERENTES ETAPES DE LA MISE EN UVRE DE sse 34 a Discr tisation spatiale sine 34 b Int gration des donn es sol et occupation du sol 38 Distribution des HRU iii aiite ettet ramener 42 d Int gration des donn es climatiques ss 43 Int gration des pratiques agricoles ss 45 SIMUEATION Aside tette tere eC a tae tende ie to bes 46 a Options de simulations sise 46 b Fichiers ie 46 PARTIE E E 49 CALIBRATION PRELIMINAIRE DU MODELE sense 49 1 METHODOLOGIE eee e tere re ER ER e P EN RO CR DRE E ERR 50 2 AJUSTEMENT DU BILAN HYDRIQUE eeeeeeeeee enne eterne enitn tentent inneren iners 51 3 RESULTATS Te REG nee EO III Ee eu ERE ER ter Yl ds 52 PARTIR 6 Herc 56 DISCUSSION ET CONCL
3. 12 Figure 3 Localisation du bassin versant du Mercube 15 Figure 4 Vue 3D du bassin versant du Mercube r alisation RENAUD 2004 16 Figure 5 Fonctionnement p dog n tique du bassin versant du Mercube r alisation Renaud 18 Figure 6 Etapes conditionnant la distribution et la p dog n se des sols r alisation Renaud MILI s 19 Figure 7 Carte des sols du bassin versant du Mercube r alisation Renaud 2004 20 Figure 8 R seau hydrographique du bassin versant du Mercube Renaud 2004 21 Figure 9 Occupation des sols du bassin versant du Mercube pour l ann e 2000 source B enet SADA O R EEEE 22 Figure 10 Fonctionnement sch matique de SWAT d apr s DUROS 2001 26 Figure 11 structure hydrologique de SWAT source Eckard et Arnold 2000 27 Figure 12 Processus de transfert de phosphore dans le sol mod lis s par SWAT 28 Figure 13 Principe de d limitation des HRU Renaud 2004 d apr s Duros 2002 29 Figure 14 localisation de la station m t o fournissant les donn es au mod le SWAT 33 Figure 15 Fen tre de d limitation du bassin versant et du r seau hydrographique
4. par la taille du bassin alors que ceux bas s sur des mod les empiriques issus d exp riences faites dans des conditions bien pr cises pourraient tre mal mod lis s sur des bassins de petite taille Par ailleurs certains param tres comme par exemple les types de connexions entre la parcelle et le r seau hydrographique qui ont une importance capitale sur les processus hydrologiques et sur le comportement g n ral du bassin du Mercube peuvent tre mal pris en compte En effet sur des bassins de plus grande taille de tels ph nom nes ne sont pas essentiels et sont donc noy s par d autres ph nom nes de plus grande ampleur C est l h t rog n it du bassin versant du Mercube qui peut expliquer les sp cificit s de son fonctionnement alors qu un mod le comme SWAT aurait plus tendance lisser ces petites particularit s Cependant m me si SWAT n apparait pas enti rement adapt au bassin versant du Mercube les r sultats fournis par le mod le ne sont pas compl tement d connect s de la r alit et l on peut donc r fl chir aux am liorations que l on peut apporter 58 Vers une am lioration de la pr cision du mod le La qualit de la simulation avec un tel mod le est intimement li e la pr cision et la fiabilit des donn es qui vont y tre int gr es Les diff rentes mesures conduisant une am lioration de la qualit de ces donn es apporteraient une meilleure fid lit aux simulations
5. tre test es afin d approcher au plus pr s les comportements observ s Les estimations de d bit et de ruissellement apparaissent tout de m me r alistes et ces premiers r sultats sont encourageants Ils montrent que bien que SWAT ne soit pas totalement fait pour un bassin versant comme le Mercube le mod le prend bien en compte les principaux facteurs d terminant les risques de transfert du phosphore et les simulations apparaissent r alistes Ceci t moigne de la potentialit du mod le pr dire le comportement du bassin d bit l exutoire charge de s diments et transferts de phosphore en fonctions des conditions agro climatiques fournies Une fois les tapes de calibration et de validation termin es des sc narios d interventions agro environnementales pourront tre mis en place et la fonction d outil de gestion du mod le SWAT apparaitra comme compl te L un d entre eux en particulier compl terait un ensemble de recherches men es par plusieurs chercheurs de l INRA concernant les bandes herbeuses Le premier sc nario mettre en uvre consisterait installer une bande de 20 m tres de chaque cot de l ensemble du r seau hydrographique Les simulations permettraient de bien saisir les effets des bandes herbeuses sur les quantit s de phosphore retrouv es dans la rivi re D autres sc narios pourraient tre mis en uvre avec les acteurs et partenaires locaux partir de politiques locales afin de connaitre les impacts
6. C RAINHHMKC 731 C US database G Simion ail UT a 2380 0 PCPMM E C Be 7780 1840 C PCPSTD DEWPT Jun 3250 Dec 1310 table sSecabe ores i C PEPSKW oem ox Des Help Ent Figure 26 Interface d int gration des donn es climatiques et table SWAT des stations m t o Les donn es journali res doivent tre structur es au pr alable avant d tre int gr es dans le mod le Chaque type de param tres a sa structure propre afin que le tout soit compatible avec le mod le Un remodelage des donn es fournies par la station m t o a donc t n cessaire Cette transformation s est effectu e avec le logiciel Excel La table des pr cipitations localisant un ou plusieurs pluviom tres pcpfork dbf doit tre structur de la fa on indiqu e sur la figure ci dessous puis un fichier contenant les valeurs journali res doit tre cr e et doit porter le nom inscrit dans le champ NAME de la table de localisation du pluviom tre afin que celui ci soit reconnu et associ au pluviom tre correspondant Cette derni re table n apparait jamais et il ny donc pas besoin d indiquer sa direction le mod le va automatiquement chercher les donn es dans le fichier du projet o on aura pris soin de placer la table Ces deux tables peuvent tre cr ees en format dbf ou en format texte d limit ASCIT Le principe est id
7. induits par ces politiques Le mod le pourrait donc alors servir comme support pour l valuation d actions potentiellement applicables au territoire Des pr cautions seraient pourtant prendre dans l hypoth se qu un tel mod le devienne une r f rence pour imposer un ensemble de normes applicables un espace plus grand que celui du bassin En effet soulignons encore le fait qu il existe une manne assez cons quente de mod les hydrologiques et que ceux ci sont adapt s des types de bassin versant Il pourrait donc tre risqu de ne se baser que sur un type de mod le pour mettre en ceuvre des actions une chelle plus grande 61 Bibliographie ACTA association de coordination technique agricole 1998 Index phytosanitaire AMONETT C 2002 Watershed modelling using Soil and Water Assessment Tool SWAT USDA NRCS 30 pp BARROIN G 1991 La pollution par les phosphates ADEMART n LS B N 2 909256 12 X 15 BIOTEAU T et al 2003 Evaluation des risques de pollution diffuse par l azote d origine agricole l chelle de bassins versants int r ts d une approche par mod lisation avec SWAT Document 10 BUGNET G 2000 Cartographie et r partition de l occupation du sol dans le bassin versant du Mercube en 2000 Rapport INRA 28 pp CAM C 1977 Etudes p dologiques des formations quaternaires de la baie de Sciez rive L manique Chablais C
8. pas la nature du terrain mais des modifications anthropiques b Hydrographie Etudi depuis plus d une dizaine d ann e le bassin versant a fait l objet d une tude hydrologique men e par le bureau Hydr tudes qui s est charg de relever et de cartographier l emplacement et la topographie du cours d eau naturel La partie de r seau anthropis r seau de foss a t rep r e au fil du temps par les techniciens de l INRA et report e sur la carte IGN au 1 25 000 Certaines modifications relatives la d limitation du bassin versant ont t apport es par des techniciens afin de d terminer les nouvelles directions des coulements dans certaines zones o de nouveaux foss s avaient r cemment t creus s Ces cartes ont t scann es r f renc es puis digitalis es en vue de leur int gration dans le mod le c P dologie L obtention de la carte des sols du bassin versant a fait l objet d une tude sp cifique tant donn le manque d information ce sujet J ai donc men une campagne de terrain visant cartographier les sols de la zone d tude Repr sentant une partie importante de mon travail le d tail de la mission et les r sultats ont t inscrits dans le rapport dans la pr sentation du bassin versant voir II G ologie et p dologie Mes minutes de terrain r alis es apr s sondages la tari re et description des profils de r f rence ont t scann es et g or f renc es puis digita
9. repr sentation num rique en format raster d une surface g ographique avec des coordonn es x y z Mod le repr sentation simplifi e d un syst me ou chaque processus est repr sent par une relation math matique Oligotrophe se dit d un lac pauvre en l ments nutritif caract ris par des eaux limpides un bon quilibre entre les v g taux les animaux et les micro organismes responsables de la d composition des d chets organiques Raster format d image num rique Shp fichier de formes vectoriel caract ristiques des produits de la gamme ESRI SIG Syst me d Information G ographique STEP station d puration SWAT Soil and Water Assessment Tool USLE Universal Soil Loss Equation Equation calculant les pertes en sols 68 Annexes 69 Profils de r f rence BV du Mercube Nom MER 20 Localisation N46 21 34 5 E006 19 47 3 taillis peupl de ch nes bouleaux charme ronces noisetier saule pr sence d un humus de type mull de mani re localis e liti re discontinue de 0 4 cm d paisseur turricules de vers 15 Description ler horizon 0 20 cm 2 me horizon 20 50 cm 3 me horizon 50 90 et couleur 2 5 Y 5 4 structure poly drique subanguleuse moyenne sous structure grumeleuse peu nette texture Limono argileuse remarques racines moyennes abondantes horizontalisation vers 20 cm Frais plastique non collant porosit interagr gats quelqu
10. source Payraudeau 2002 57 65 Graphiques et tableaux Tableau 1 code rotation des types de cultures du Mercube 40 Tableau 2 structuration de la table de localisation des pluviom tre source Di Luzio et al Tableau 4 Estimation Baseflow des contribution au d bit par les coulements de surfaces et ML teste 51 Tableau 5 coefficients de corr lation de la simulation au pas temps mensuel des ann es zoe eere re fn re tn d E 53 Tableau 6 coefficient de corr lation des d bits au pas de temps hebdomadaire 54 graphique 1 comparaison entre les d bits simul s et observ au pas de temps mensuel 53 graphique 2 comparaison entre les d bits simul s et observ s au pas de temps mensuel r gression lin aire isa ee Ge eere de 53 graphique 3 comparaison entre d bits simul s et observ s au pas de temps hebdomadaires 54 graphique 4 comparaison entre d bits observ s et simul s au pas de temps hebdomadaire r gression lin dire redet ete e eie ene Ae 54 66 Glossaire ASCII format texte standardis Aquif re nappe phr atique et sa roche r servoir Bassin versant surface drain e par un cours d eau en amont d un point d finissant son exutoire CARRTEL Centre Alpin de Recherche sur les R seaux Trophiques et les Ecosyst mes Limniques CIPEL Commission Interna
11. 34 Figure 16 Comblement des puits du MNT 35 Figure 17 M thode d extraction du r seau hydrographique par l algorithme D8 35 Figure 18 Repr sentation en perspective du MNT avant et apr s l op ration de grattage 36 Figure 19 M thode d extraction des limites du bassin versant source Payraudeau 2002 36 Figure 20 Comparaison entre le r seau hydrographique digitalis a et le r seau extrait du MNT b Renaud 2004 erento e er to te PC Fete eo Pen 37 Figure 21 Fen tre permettant l int gration des donn es d occupation et sols 38 Figure 22 Table SWAT concernant les sols 39 Figure 23 Table SWAT concernant les types de cultures 41 Figure 24 Interface permettant de d terminer la distribution des 42 Figure 25 Vue SWAT cr e apr s distribution des HRU 43 Figure 26 Interface d int gration des donn es climatiques et table SWAT des stations m t o E M 44 Figure 27 Interface permettant la modification des tables 45 Figure 28 Interface permettant le d coupage des ann es culturales par les diff rentes pratiques gricoles se te qm ette tee nine nte ese 46 Figure 29 Boite de dialogue pour le lancement de la simulation 48 Figure 30 Aper u des diff rents mod les hydrologiques
12. Eaux du L man les pouvoirs publiques ont maintenant bien pris conscience des probl matiques d eutrophisation de l eau du lac d exc s de phosphore et de pollution diffuse par cet l ment Dans un souci de minimiser ces apports et les transferts depuis la parcelle agricole jusqu au r seau hydrographique de nouvelles politiques agricoles et de nouvelles actions d am nagement doivent tre engag es Dans cette optique la mod lisation hydrologique et la simulation des transferts de phosphore appara t comme essentielle pour bien comprendre les m canismes de transfert du phosphore et ainsi d terminer les zones et les p riodes de l ann e pr sentant des risques Fort de ces simulations il est ensuite possible de voir les effets des diff rents sc narios agri environnementaux propos s par les diff rentes politiques agricoles locales Ce rapport pr sente donc la mise en place du mod le hydrologique SWAT Soil and Water Assessment Tool sur un petit bassin versant agricole de la r gion de Thonon en Haute Savoie Les donn es utilis es par le mod le Mod le Num rique de Terrain sol donn es climatologiques seront rentr es sur un Syst me d Informations G ographiques SIG et plus pr cis ment sur les produits de la gamme ESRI Arcview 3 2 afin de faciliter leur int gration et leur param trage Des essais de simulations seront ensuite pratiqu s afin de corr ler le mieux possible les variables simul es avec les va
13. M MER39 Pt Pt 5 C B M Pt MER4O Pt S B M Pt MM MERA1 B C M Pt Pt 5 MER42 C M Pt Pt 5 MER43 M Pt Pt 5 B C M Pt2 O S MER44 Pt Pt 5 MER45 Pt 5 M Pt MER46 O 5 MER47 IS C M Pt Pt MER48 M Pt M Pt M Pt M Tableau 1 code rotation des types de cultures du Mercube Renaud 2004 Pt prairie temporaire C colza M ma s B bl O orge s soja 40 Le conseiller agricole m ayant fourni les types de rotations de chaque agriculteur et la localisation de chacune de leur parcelle pr sente sur le bassin et en se basant sur l occupation du sol de 2000 de Bugnet il a t possible de mettre en place ce code Chaque code prenait les param tres de la rotation de t te et gardait un identifiant propre Ainsi deux parcelles de ma s 2000 n voluant pas de la m me mani re allaient pouvoir tre distingu es pour ult rieurement pr ciser les pratiques culturales mises en place Les tables de cultures de SWAT land cover plant growth poss dent en tout trente deux param tres exprimant le comportement de la plante et ses caract ristiques physiologiques au cours de l ann e culturale taux de couverture hauteur profondeur des racines rendement escompt Tous ces param tres entrent en compte dans les diff rents calculs effectu s par le mod le ruissellement vapotranspiration Dans ce cas
14. d origine agricole Rapport pour le groupe phosphore du CORPEN 60pp DUGUET MICHAUD AR DESLANDES J RIVEST et LAUZIER R 2002 Gestion du ruissellement et de l rosion pour limiter les pertes en phosphore en bassin versant agricole AGROSOL 9pp DUPONT S 1994 Typologie et cartographie des sols du Bas Chablais en vue de l laboration d une chelle de risque de ruissellement des terres agricoles M moire de stage INRA GIS Alpes du Nord 31pp DUROS V 2001 Adaptation d un mod le agri environnemental au contexte de deux bassins versants Bretons M moire de DESS Universit Jean Monnet de St Etienne Cemagref Rennes 57 pp BOUCHARDY J Y 1992 M thodologie pour la spatialisation des zones sensibles la pollution diffuse agricole par le phosphore l aide de la t l d tection et des syst mes d informations g ographiques SIG Th se Universit Grenoble 1 275 pp CHARLEUX DEMARGNE J 2001 qualit des Mod les num riques de terrain pour l hydrologie application la caract risation du r gime des crues des bassins versants Universit de Marne la vall e 275 pp FITZHUGH T W MACKAY D S 2000 Impacts of input parameter spatial aggregation on an agricultural nonpoint source pollution model Journal of hydrology 236 35 53 JOLIVEAU T 2004 Syst mes d information G ographiques des concepts aux applications Support de cours Universit Jean Monnet de St Etienne JORDAN ME
15. de recherche ne sont plus celles d accroissement de rendement et d am lioration des esp ces Une place de plus en plus importante est faite aux probl matiques de d gradation des sols ou de pollution des ressources en eaux C est ainsi que dans le contexte l manique des acteurs comme l INRA Institut National de Recherche Agronomique ou la CIPEL Commission Internationale de Protection des Eaux du L man tentent de lutter contre les ph nom nes de d gradation de l eau du lac En effet depuis les ann es 1950 le lac L man souffre d eutrophisation caus par des apports excessifs en phosphore Ces apports de phosphore ont deux origines La premi re provient des missions ponctuelles issues des gouts et de l utilisation de phosphates dans les lessives rejet es dans le milieu naturel des rejets domestiques en g n ral La seconde provient des missions diffuses issues du ruissellement et de l rosion des parcelles agricoles en cultures vers le r seau hydrographique se jetant dans le lac La premi re origine est en passe d tre maitris e notamment par l interdiction des lessives phosphat es et le raccordement presque complet des habitations des r seaux d assainissement de plus en plus efficaces C est donc sur cette deuxi me origine que porte ce travail Agir sur les sources de pollution diffuses implique une bonne connaissance des risques de transfert et des modes de transport du phosphore dans le r seau hydrog
16. dizaine d ann es Leurs tudes les ont conduits appr hender ce bassin comme un ensemble de stocks de compos s contaminants ou non r partis dans un territoire et susceptibles d interf rer plus ou moins avec les divers types d coulements d eau Les conditions qui d terminent ces interactions stocks coulements constituent l tat du bassin Elles d pendent d une triple dynamique celle qui pr side l laboration de ces stocks la surface des sols en relation avec les pratiques agricoles et des r gulations biog ochimiques ou biologiques celle du fonctionnement hydrique des sols qui conditionne l poque les lieux zones actives et les modalit s ruissellement du transfert initial stocks du sols eaux ou mission celle du transport vers et dans le r seau hydrographique qui s accompagne localement de r tentions dans des zones tampons voire de transformations de la charge polluante ces deux ph nom nes constituant une att nuation de la charge transf r e alors que d autres ph nom nes rajoutent des sources de contaminants s diments rosion des berges et de possibilit s d interaction C est ce mod le conceptuel que nous nous proposons de transformer en mod le fonctionnel tester sur le bassin versant du Mercube L objectif au terme du projet est de pouvoir rep rer les zones du bassin versant et p riodes critiques pour tablir les responsabilit s relatives les potentiels de stock
17. le fait qu une parcelle de mais de 10 ha peut tre divis e l ann e d apr s en 5 ha de mais et 5 ha de prairie les parcelles sont obligatoirement tenues d voluer du tout au tout 39 propri tair rotations ann e 1 ann e 2 ann e3 ann e 4 ann e 5 ann e6 ann e 7 e MER1 Pt Pt Pt B B MER2 Pt Pt B B MER3 Pt B B MER4 B B M Pt Pt Pt MER5 B B MER6 M Pt Pt Pt B B MER7 M Pt Pt Pt B B MERS M M B B B MER9 M B B B M MER10 B B M M MER11 B B M M B MER12 O M M B B MESE CD MER13 C B M M B B MER14 B M M B B MER15 M M B B B MER16 M B B B M LG 17 S M 5 MER18 B M M 5 MER19 B M 5 S B B O M M MER20 O M M S B B MER21 M M 5 M MER22 M S B B M M RM MER23 5 C B 5 C B MER24 C B 5 C B S C B O MER25 5 5 MER26 O S B S MER27 Pt Pt B B MER28 Pt Pt B B MER29 Pt B B MER30 B B MER31 B Pt Pt Pt B MER32 O Pt Pt Pt B B MER33 C Pt Pt Pt B B GC MER34 5 C B M Pt Pt Pt MER35 C B M Pt Pt Pt 5 MER36 B M Pt Pt Pt 5 MER37 M Pt Pt Pt S B SAMIR MER38 Pt Pt Pt 5
18. les valeurs de capacit en eau des sols La diminution de ce param tre entraine logiquement une augmentation du ruissellement de surface Les valeurs r elles de capacit en eau proviennent d analyses r alis es par Jordan Meille en 1998 Une valeur minimale et maximale est donn e chaque type de sol l ajustement a donc consist faire varier les valeurs entre les valeurs extr mes Un autre facteur peut galement tre modifi il s agit d un coefficient de compensation ESCO qui modifie la quantit d eau qui peut tre vapotranspir e 51 Lorsque le ruissellement est acceptable la contribution de l coulement souterrain doit alors tre ajust e La table gw contient tous les param tres concernant la circulation de l eau dans l aquif re Afin d obtenir une bonne corr lation entre les d bits la plupart des param tres doivent tre retouch s Le param tre GWQMN seuil de profondeur d eau requis pour recharger la nappe d clenche la recharge effective de la nappe lorsque ce seuil d eau est accumul dans l aquif re Le coefficient de recharge de la nappe GW revap joue galement un r le important il d termine la qualit de l eau se d placer vers l aquif re ou rester dans la zone racinaire et tre disponible pour la plante Ainsi plus le coefficient sera fort plus l eau pourra se d placer de l aquif re peu profond vers une zone plus superficielle ou elle sera utilisable par la plante Ces
19. mettre en place se pr sente ainsi 2 Watershed Delineation x DEM Set Up EA c mercube donn es arcviewmnt idus Properties Focusing watershed_area option Bum in option c mercubeNdonn es arcviewrivieres riviere Digitized streams Preprocessing of the Dem to remove sinks Apply Stream definition Threshold rea 2 ha Number of cells 185 Min 0 35584 Suggested around 7 11693 Apply how Mer 142339 Reservoirs Current number of outlets subbasins 1 Help Minimize Exit Remove Figure 15 Fen tre de d limitation du bassin versant et du r seau hydrographique La premi re chose faire est d indiquer l emplacement du MNT que l on veut utiliser pour la d limitation L extraction des limites est alors automatique et utilise une m thode classique mettant en uvre les traitements de l algorithme D8 de Jenson et Domingue 1988 Ce traitement est r alis en cinq tapes d taill es Comblement des points bas et calcul des pentes figure 16 Cette tape est un pr traitement visant effacer l effet de puits d aux imperfections du MNT En effet localement sur la grille du MNT des points bas la valeur d altitude du point est inf rieure tous ses voisins peuvent emp cher l coulement de l eau et fausser le r seau hydrographique Le mod le proc de la localisation des cellules ayant une valeur plus faible que tous leurs voisins et
20. pr cipite ce niveau sous forme ferrique et se signale par une couleur rouille Dans la partie du profil continuellement en eau le fer reste l tat ferreux et se manifeste par une couleur bleue Lozet Mathieu 1986 P dog n se ensemble des processus qui a pour r sultat la formation des sols partir du mat riau initial et de la pr sence de mati res organiques Lozet Mathieu 1986 17 Fonctionnement p dog n tique du bassin coupe Est Ouest d pots morainiques d pots fluvio glaciaires d p ts glacio lacustres Figure 5 Fonctionnement p dog n tique du bassin versant du Mercube r alisation Renaud 2004 Le retrait glaciaire laisse derri re lui un mat riel morainique la topographie in gale Dans les vallums form s des d p ts fluvio glaciaires se sont install s Localement sur ces d p ts fluvio glaciaires du mat riel t moignant de la pr sence d un ancien lac est pr sent Ces trois types de mat riaux donnent par leur alt ration trois types de sols Des sols peu profonds superficiels sur la cr te morainique La faible profondeur s explique par le fait que la moraine en constante rosion n a pas le temps de s alt rer Dans les sites plus prot g s des ph nom nes rosifs en for t par exemple la moraine peut s alt rer et donner naissance des sols plus profonds Des sols bruns se mettent en place sur les d p ts fluvio glaciaires Le degr d hydromorphi
21. subanguleuse movenne nette texture Limono sableuse l ments grossiers plus abondants 20 remarques Frais humide peu plastique non collant Porosit grossi re interagr gats pr sence de petites racines tr s fines transition diffuse Pas de r ponse pour la matrice les l ments grossiers r agissent couleur 10 YR 5 3 structure poly drique subanguleuse moyenne nette texture Limono sableuse l ments grossiers plus abondants 60 blocs anguleux polyg niques remarques certains l ments grossiers r agissent 71 Profils de r f rence BV du Mercube Nom MER 40 Localisation N46 21 39 5 E006 18 53 Prairie artificielle micro topographie marqu e 10 20 cm Description ler horizon 0 20 cm 2 me horizon 20 65 cm 3 me horizon 65 100 cm MER 40 couleur 7 5YR 3 2 structure grumeleuse fine sous structure poly drique subangulaire texture Limono argileuse remarques racines fines abondantes Frais non plastique non collant porosit interagr gats transition visible Pas de r ponse couleur 0 4 5 structure poly drique subanguleuse moyenne texture Limono sableuse l ments grossiers remarques Frais peu plastique non collant Porosit grossi re interagr gats pr sence de petites racines tr s fines transition graduelle vers un horizone plus sableux R ponse couleur 10 YR 4 5 structure particul
22. sur le bassin On distingue ainsi sur les rides morainiques des sols calcaires peu profonds rarement plus de 50 cm tr s caillouteux Des sols plus profonds se d veloppent plus en aval sur les placages fluvio glaciaires leur texture est plus argileuse que les pr c dents Les sols sains ne pr sentant pas ou peu de taches d hydromorphie sont g n ralement utilis s par les exploitants En for t et proximit du cours d eau se forment des sols galement profonds nettement plus argileux que les autres et montrant de nombreuses t ches d hydromorphie Ces sols fortement gleyifi s t moignent d un exc s d eau La carte des sols a fait l objet d une campagne de terrain int gr e mon stage Celle ci constituant une partie importante de mon travail est pr sent e ci dessous Cette campagne s est effectu e dans les premi res semaines de stage pour disposer rapidement des informations n cessaires au travail Elle d taille le fonctionnement p dog n tique du bassin puis les tapes conditionnant la distribution des sols ainsi que leur p dog n se Apr s un travail de maillage et d chantillonnage la tari re sur toute la superficie du bassin les grands profils types ont t d finis puis d crits afin de r aliser la minute de terrain et digitaliser la carte sur SIG Gley horizon form au niveau des fluctuations de la nappe aquif re Ces fluctuations cr ent dans le sol des conditions a robies et ana robies Le fer
23. versants lin aires de pente constantes des versants concaves situ s le long et en aval des vallums des zones plates La figure ci dessous montre une vue 3D r alis e avec l extension 3D Analyst lorsque nous poss dions celle ci titre d chantillon lors de l achat de la licence On peut voir sur cette vue les trois faci s g omorphologiques d crits plus haut On reconna t la ride morainique gauche a une zone plate au centre b puis un versant lin aire pr sentant une pente relativement constante Le facteur d exag ration des altitudes de la vue est de 5 iride morainique zone plate e tiwersant lin aire pente constante Figure 4 Vue 3D du bassin versant du Mercube r alisation RENAUD 2004 16 b G ologie et p dologie Trois formations g ologiques quaternaires principales d pos es lors de retraits glaciaires composent le bassin Le Bassin repose sur un socle morainique Ce d p t morainique g n ralement argileux affleure au niveau des cr tes sud et est du bassin Des d p ts glacio lacustres ont combl les fonds de vallons Les d p ts fluvio glaciaires sableux graveleux l origine de sols filtrants peu sensibles au ruissellement Peu importants sur le bassin on en trouve vers l Est o leur exploitation a cess dans les ann es 80 L alt ration de ces diff rents mat riaux est l origine des diff rents types de sols pr sents
24. volumes ne se retrouveront donc pas l exutoire Le dernier param tre de grande importance est le Baseflow alpha factor Cet indice correspond un facteur de rapidit de recharge du cours d eau par l aquif re profond il permet d ajuster les temps de r ponses du bassin de limiter les d calages temporels et contr ler les r cessions pendant les d crues 3 R sultats Plusieurs simulations ont t r alis es et plusieurs essais de calibration ont t effectu s Cette proc dure est un travail de longue haleine et demande beaucoup de patience Beaucoup de param tres seuils d lais contr lent l coulement de l eau et plusieurs combinaisons de facteurs doivent tre essay es La premi re simulation a t effectu e au pas de temps mensuel afin de simuler les grandes tendances saisonni res des processus en jeu Ensuite une tentative de calibration au pas de temps hebdomadaire a t mise en place Les graphiques ci apr s pr sentent les premiers r sultats obtenus 52 ann e 98 ann e 99 ann e 2000 ann e 2001 ann e 2002 coefficient de corr lation ann e 97 total diff rence des moyennes 0 013681806 diff rence des carts types 0 002086273 Tableau 5 Coefficients de corr lation de la simulation au pas temps mensuel des ann es mod lis es 0 78 0 75 0 90 0 95 0 98 Comparaison entre les d bits mensuels simul s et observ s m3 s sur le bassin versant du Me
25. 0 86 diff rence des cart types 0 00827519 diff rence des d bits moyens 0 006348785 Tableau 6 Coefficient de corr lation des d bits au pas de temps hebdomadaire d bits hebdomadaires du Mercube m3 s d bits observ s d bits simul s d bit m3 s 11 11 1996 26 03 1998 08 08 1999 20 12 2000 04 05 2002 16 09 2003 date Graphique 3 Comparaison entre d bits simul s et observ s au pas de temps hebdomadaires comparaison entre les d bits observ s et les d bit simul s 0 3 0 25 0 2 0 15 0 1 0 05 y 0 8798x 0 0093 d bits simul s m3 s 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 d bits observ s m3 s Graphique 4 Comparaison entre d bits observ s et simul s au pas de temps hebdomadaire r gression lin aire 54 Le coefficient de corr lation et l indice de Nash mesurent les relations existantes entre les deux s ries de donn es Apr s l ajustement des param tres du mod le la simulation donne un coefficient de corr lation sur les quatre ann es mod lis es de 0 80 le maximum tant de 1 l ann e la mieux simul e tant 2001 0 86 La diff rence des carts types pr sente une valeur de 0 007 et la diff rence des moyennes affiche 0 005 m3 s le coefficient de la droite de r gression correspond l indice de Nash Au del de 0 60 on consid re que le mod le reproduit correctement les d bits sur le
26. 25 Vue SWAT cr e apr s distribution des HRU d Int gration des donn es climatiques Les donn es climatiques qui seront utilis es pour la simulation sur le bassin sont import es une fois que les HRU ont t distribu es Une fen tre sp ciale permet l int gration de l ensemble des donn es climatiques Cette interface permet l utilisateur de charger la localisation des stations m t o les plus proches et les plus significatives pour l tude du bassin Dans un second temps les donn es journali res des diff rents param tres climatiques pourront tre indiqu s Dans le cas ou certains param tres viendraient faire d faut SWAT effectue une simulation de ceux ci partir des donn es mensuelles de r f rences de la station Les deux figures ci apr s pr sentent l interface permettant d int grer les donn es et la table des stations m t o 43 Rainial daa Solar Fsdation dala User Delned Weather Ska C Sondan Simdalien CCE TT C Des RAIN YRS 8300 Mesas WELEV 179 80 m Locations table eTmercube dann es chano F WLATITUDE 3365 Degees SPR 00 Temperalure dala Wird Speed dala Ez WL NGITUDE Degee C G G C mw We C PRW fe 39 AT Wesha smdshon dala Husidiy dolo THPSTDMX CORO Mw 185 3140
27. D 21 30 soil weight ROCK 5 00 total weight SOL ALB 010 fraction USLEK 025 0013tnf h m3 t em SOL EC 000 dS m pel MEI Layer Delete Load Sol Add New Modify Add New Help Exit Figure 22 Table SWAT concernant les sols du sol De la m me mani re que pour les sols la couche shp d occupation du sol doit tre indiqu e l interface ainsi que le champ de la table attributaire que l on souhaite voir s afficher puis le logiciel se charge du d coupage de la couche La correspondance doit tre tablie nouveau avec une table des cultures de SWAT A partir de l une m thode un peu particuli re a t mise en place L occupation des sols n tant pas un tat fig du parcellaire les diff rents types d volution des parcelles rotations propres chaque exploitant vont avoir une incidence sur le comportement hydrologique de la parcelle En effet prenons l exemple d une parcelle de mais Celle ci n aura pas le m me comportement hydrologique au cours du temps si elle est suivie l ann e d apr s par une ann e de jach re ou par une autre ann e de mais Afin de prendre en compte et de spatialiser l volution de chaque parcelle selon le type de rotations effectu es par les exploitants j ai mis en place un syst me de code pour chaque parcelle Le tableau ci dessous pr sente les diff rents codes mis en place Il est cependant regrettable que l on ne puisse pas exprimer
28. ILLE L 1994 Etudes sur les origines et les transferts de nutriments dans un bassin versant rural du bassin l manique Cas particulier du phosphore Travail de dipl me EPFL INRA Thonon 74 pp JORDAN MEILLE L 1998 Modes de transfert du phosphore d origine diffuse dans un petit bassin versant rural l manique Th se n 1775 Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne 320pp KASTIRAN INDARTO 2002 D coupages spatiaux et cons quences sur le bilan hydrologique Application au bassin de l Orb travers une d marche de mod lisation hydrologique distribu e Th se ENGREF Montpellier 203pp LE CLERC S 2004 revisiter la notion de sc narios hydrologiques de r f rence pour la caract risation des inondations Th se de doctorat Universit Joseph Fourier Grenoble 373 pp 63 LEMONDS P et MCCRAY J E 2003 Modeling Phosphorus Transport in the BlueRiver Watershed Summit County Colorado First interagency conference on research on the watershed 10 pp LEVESQUE G 2003 mise en uvre du mod le SWAT sur le bassin versant de la rivi re aux Brochets M moire de DESS Universit Jean Monnet de St Etienne 61pp LOZET J et MATHIEU C 1986 dictionnaire de science du sol Lavoisier TEC et DOC 383 pp NEITSCH S L ARNOLD J G KINIRY JR WILLIAMS JR KING K W 2002 Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation Version 2000 Grassland Soil and Water Research Laboratory Agricultural Research S
29. R m FRGMAX m WAVP rc ra BIDEHI N kg seed RSDCO_FL kg P kg seed 25 40x 2007 650000 3809 0757 CN OVN ka ha ka ha m s kPa fraction rate ratio fraction Delete Add New Modify Add New Help Exit Figure 23 Table SWAT concernant les types de cultures 41 c Distribution des HRU Une fois que les couches de sol et d occupation des sols ont t import es la distribution des sur le bassin doit tre d termin La commande de distribution des figure 20 de SWAT permet l utilisateur de sp cifier certains crit res pour la distribution Une ou plusieurs combinaisons sol culture peuvent tre cr e sur le bassin L utilisateur peut assigner une seule HRU chaque sous bassin selon la classe de sol et de culture dominante ou assigner plusieurs HRU C est cette m thode qui a t choisie elle s op re en deux tapes Il s agit d abord de d terminer un seuil critique correspondant au pourcentage de superficie sur le bassin au dessous duquel les types de cultures ne seront plus pris en compte Ainsi une parcelle de soja occupant moins de 2 de la superficie du bassin sera limin e si l on place le seuil sur 2 L tape est r p ter une seconde fois pour la couche de sol avec le m me syst me de seuil SWAT Model Definition of the LandUse Soil distribution C Dominant Land Use and Soil La
30. T a G n ralit s D velopp par Jeff Arnold pour l USDA Agriculture research service en 1999 SWAT Soil and Water Assessment Tool est un mod le conceptuel physique semi empirique distribu permettant de manipuler et d analyser de nombreuses donn es hydrologiques et agronomiques La version 99 2 du mod le reste coupl e pour l instant avec la version Arcview 3 2 anglophone affubl e de l extension Spatial Analyst 1 1 bien que des efforts de d veloppement tentent de l adapter la plate forme Arcgis Il a t con u pour de grands bassins versants allant de quelques centaines de km2 plusieurs milliers de km2 Il est largement utilis aux Etats Unis et dans certains pays europ ens SWAT a t valid sur de nombreux bassins dans le monde c est le cas par exemple dans l Indiana o il a t utilis avec succ s pour mod liser les d placements de pesticides dans un bassin de 250 km2 En Europe il est actuellement utilis en Allemagne sur le bassin de Dietzh le ou encore en France par le CEMAGREF qui valuent gr ce au mod le les risques de pollution diffuse par l azote d origine agricole dans deux bassins versants des pays de la Loire Le couplage avec le SIG permet de g rer des donn es de type raster vecteur et alphanum riques Il facilite et automatise la pr paration des donn es d entr es il rend plus convivial la phase d int gration de manipulation et le param trage des donn es li es la s
31. UETS E ie INA CARRTEL L Centre Alpin de Reche 01 Notons de l Mise en place du mod le agri environnemental SWAT sur le bassin versant du Mercube Haute Savoie Vers une mod lisation des transferts de phosphore RENAUD Julien Mars Septembre 2004 Ma tre de stage POULENARD J r me A MASTER SIG 2 n M Ecole Nationale d ing nieurs de Saint Etienne gt SAINT ETIENNE Remerciements Apr s une ann e pass e entre Hano et St Etienne loin des montagnes et de l Universit de Savoie ce stage peut tre consid r comme un retour aux sources Le principal responsable de ce retour dans les couloirs du CISM est mon ma tre de stage J r me POULENARD qui je souhaite exprimer toute ma gratitude et ma sympathie pour m avoir permis d int grer l UMR et pour avoir sacrifi une bonne partie de son budget pour m quiper d un mat riel correct Les conversations professionnelles tenues avec lui n ont fait que m clairer pour avancer dans mon travail et les discussions extra professionnelles d enrichir ma culture personnelle Je renonce cependant J r me crire cette partie de remerciements la mani re de P rec sans le moindre e Mes plus vifs remerciements prennent la route de Thonon pour taper la porte de l INRA et du bureau de Jean Marcel Dorioz Bien des doutes ont t lev s gr ce lui de nombreuses zones d ombres cla
32. USION sssesnenennnnenneneneneeeneneneenenentes 56 BIBLIOGRAPHIE enero ti oae Fee eee antea eva edu viera tpa ete ter ne lo pb eee Y 62 GLOSSAIRE 67 XU 69 Introduction Des ph nom nes comme l explosion d mographique et le d veloppement industriel des soixante derni res ann es ont engendr s une profonde mutation de l agriculture et des paysages agricoles L augmentation de la population et de ses besoins ainsi que la baisse du nombre d agriculteurs ont contraint les exploitants intensifier leurs productions pour continuer assurer leurs revenus Cette intensification se traduit par une augmentation des apports en nutriments pour am liorer les rendements une disparition des zones naturelles pour remplacer les parcelles agricoles d vor es par la pression fonci re et les ph nom nes de rurbanisation L intensification de l agriculture et la disparition des zones naturelles d cuplent les ph nom nes de lessivage et d rosion des sols qui associ s l augmentation des apports en fertilisants provoquent des pertes de nutriments vers le r seau hydrographique Ces ph nom nes se r percutent sur notre environnement et sont responsables de probl mes pr occupants de d gradation de la qualit des eaux Depuis les ann es 1980 et leur cort ge de catastrophes cologiques une prise de conscience des enjeux environnementaux a merg Les probl matiques des organismes
33. age ou de diss mination Dans ce cadre et en pr alable la mod lisation la constitution d un Syst me d Informations G ographiques pr sentant les donn es spatialis es classiques plan lithologique p dologique mode d occupation des sols r seaux hydrographiques coupl un Mod le Num rique de Terrain s av re indispensable Dans un deuxi me temps en utilisant le mod le hydrologique SWAT Soil and Water Assesment Tool des essais de mod lisation des transferts de P seront r alis s sur la base d unit hydrologique d finie par le SIG 13 Partie 2 Le bassin versant I Le choix de la zone d tude La mise en place de SWAT a t r alis e sur le bassin versant du Mercube en Haute Savoie en rive gauche du L man Ce site a t choisi pour la mise en place de SWAT car il s agit d un bassin versant exp rimental observ par l INRA depuis 1992 De nombreuses donn es hydrologiques et hydrochimiques sont disponibles et permettront donc les comparaisons entre simulations et observations De plus l assainissement sur le bassin est quasi total et d apr s le bureau Hydr tudes 1999 l inventaire des rejets montre que la pollution ponctuelle est n gligeable L essentiel de la pollution est donc d ordre diffuse agricole Ce bassin a de plus subi ces 20 derni res ann es de profondes modifications qui ont entra n des variations du r gime hydrologique du ruisseau En effet le drainage des terrains agricoles l in
34. aire texture sablo limoneuse abondance d l ments grossiers remarques non plastique peu collant forte r ponse HCI 72 Profils de r f rence BV du Mercube Nom MER 50 Localisation N46 21 49 6 E006 19 09 5 profil effectu dans un taillis proche de la rivi re pr sence de v g tation hygrophiles Carex Humus de type m ll pr sent de mani re localis e Description ler horizon 0 20 cm 2 me horizon 20 35 cm 3 me horizon 35 100 4 me horizon 100 140 couleur 7 5 YR 3 3 structure grumeleuse fine texture Limoneuse remarques racines moyennes abondantes horizontalisation vers 20 Sec frais non plastique non collant porosit interagr gats quelques pores tubulaires quelques taches de mati re organique transition nette pas de r ponse couleur 7 5 YR 4 4 structure poly drique subanguleuse peu nette texture Argilo limono sableuse remarques pr sence de t ches rouille bord diffus 15 de couleur IOYR 8 5 pr sence de gleys gris Pr sence de racines fines porosit tubulaire et interagr gats fine transition graduelle s organisant autour des digitations R ponse couleur 4 5BG et d p ts rouge tres de taille plus importante structure Poly drique grossi re peu affirm e sous structure poly drique nette texture argileuse pr sence d l ments de petite taille r pondant remarques eau libre 55
35. ait qu il n est difficile et dans certains cas impossible de travailler au niveau de la HRU en ce qui concerne la mise en graphique des ph nom nes hydrologiques l chelle de la HRU est tr s restreinte En effet pour 44 HRU ce qui au vu des autres projets SWAT et sur une p riode de temps de 5 ans le mod le sort un total 80 000 valeurs environ Or Excel qui est le logiciel le plus commun pour traiter ce genre de tache n admet que 65 000 valeurs et il est donc impossible de repr senter graphiquement les diff rents ph nom nes Quant la visualisation cartographique celle ci n est pas pr vue par le logiciel Une m thode consisterait effectuer manuellement des intersections entre couches de sol et d occupation afin d obtenir les HRU puis d affecter des champs communs entre les tables de donn es et les couches intersect es La derni re tape consisterait effectuer des jointures entre les tables de sorties de SWAT et les couches intersect es sur la base du champ commun Cependant notons que la couche des HRU obtenue par intersection et la v ritable distribution des HRU dans le mod le ne sont pas coh rentes puisque par l intersection toutes les HRU sont repr sent es alors que le mod le a proc d des agr gations et a supprim les HRU dont la surface n atteignait pas un certain pourcentage du bassin Les visualisation par exemple du ruissellement au niveau des HRU que l on pourrait effectuer ne seraient donc pas repr se
36. alors l utilisateur Le choix concernant ces options se fait par le biais de la boite de dialogue ci apr s La premi re chose d finir est la p riode de temps sur laquelle la simulation va tre effectu e L INRA dispose de mesures de d bit du cours d eau et d analyses chimiques depuis 1997 La p riode de simulation sera donc de 1997 2003 Nous lancerons cependant la simulation partir de 1991 date partir de laquelle nous avons des donn es m t o afin que le mod le soit bien en place pour d marrer 1997 46 La deuxi me section concerne la m thode de calcul des pr cipitations et du ruissellement Les m thodes choisies d pendent du type de donn es disponibles La troisi me section prend en charge la cr ation de donn es de pr cipitations Etant donn que nous disposons d j de cette information cette option ne nous est pas utile La section suivante propose l utilisateur diff rentes quations permettant de calculer l vapotranspiration Ces quations sont plus ou moins compliqu es et ne demandent pas le m me nombre de donn es Apr s essai des trois m thodes nous avons choisi la m thode de Priestley Taylor nous disposions des donn es n cessaires pour la calculer et c est elle qui pr senta les meilleurs r sultats De la m me mani re deux m thodes sont disponibles pour calculer le cheminement de l eau Ces deux m thodes sont plus ou moins adapt es au contexte local et ce n est qu ap
37. aract re limitant dans les milieux lentiques Les valeurs usuelles du rapport N P dans les milieux aquatiques montrent ainsi que parmi ces deux l ments c est g n ralement le phosphore qui est limitant Il est donc g n ralement la cible privil gi e des programmes de restauration Barroin 1991 b L origine du phosphore La pollution des eaux r sulte d une multitude de rejets dans le r seau hydrographique Le premier type de rejets les plus importants atteignent les cours d eau au rythme des activit s humaines Ils sont dits ponctuels L exemple type est celui d un tuyau d gout se d versant dans le r seau hydrographique La source est g n ralement localisable et doit faire l objet d assainissement Oligotrophe Pauvre en l ments nutritifs caract ris par des eaux limpides un bon quilibre entre les v g taux les animaux et les micro organismes responsables de la d composition des d chets organiques Eutrophe Lac caract ris par un d s quilibre croissant entre les processus de synth se de la mati re organique stimul par l apport important de fertilisants et les processus de d composition de cette mati re Les autres rejets sont appel s diffus Ils s effectuent pendant les p riodes pluvieuses le plus souvent par ruissellement sur les terrains agricoles ou les terrains urbanis s imperm ables Il est souvent difficile d en d terminer leur origine g ographique et il peuvent tre trait s qu
38. ario Save Scenario Crop Curently Growing BIO MIN 000 2 400 Curve 100 BIOMIX 0 20 USLE Schedule by Date C Schedule bv Heat Units Year peration Crop Month Day Plant begin growing seasor ctober 1 Add Year Tillage operation December 1 Uses ves Fertilizer application March 1 Harvest and kill operation July 25 _Add Operation Plant begin growing seasor October 1 Delete Operation Tillage operation December 1 Edit Operation Help Cancel OK Figure 28 Interface permettant le d coupage des ann es culturales les diff rentes pratiques agricoles Comme pour les autres proc dures d int gration de donn es sol il est possible pour les pratiques agricoles d importer directement des tables que l on aura pris soin de structurer comme l indique le manuel d utilisation Cependant notre bassin tant de petite taille et tant donn le nombre relativement restreint de parcelles et de HRU il est plus rapide d int grer les donn es directement dans les tables pr tablies et ne pas s embarrasser avec de nombreux formulaires Access Cependant pour les bassins de plus grande taille les m thodes d importation de formulaires structur s pr sentent de nombreux avantages 3 Simulation a Options de simulations L essentiel des donn es est maintenant int gr au mod le et celui ci est donc pr t pour la simulation Plusieurs options s offrent
39. artographie Evolution Hydrodynamique M moire de DEA Universit Paris VII ORSTOM 20 pp CHARLEUX DEMARGNE J 2001 Qualit des Mod les Num riques de Terrain pour l hydrologie Application la caract risation du r gime de crue des bassins versants Th se ENSG Universit de Marne la Vall e Pp 10 77 CROS X 1994 Influence du d veloppement des activit s humaines sur les risques de transfert de pollution phosphat e diffuse au lac L man Etude sur 20 communes du Genevois Haut savoyard M moire de DESS Universit de Poitiers 30pp De MOOY J 1998 Contribution d un Syst me d informations G ographiques l analyse des risques de polluants dans un bassin versant L manique Rapport de stage Universit Agronomique de Wageningen Pays Bas INRA Thonon 40pp DI LUZIO M SRINIVASAN R ARNOLD J G NEITSCH S L 2002 Arcview Interface For SWAT 2000 User s Guide Grassland Soil and Water Research Laboratory Agricultural Research Service 351pp DORIOZ J M et al 2004 Effets de la gestion de bassins versants sur les transferts particulaires et dissous et la qualit biologique des eaux de surface en zone d levage Action structurante INRA CEMAGREF Acquae 62 Supprim Mis en forme Anglais Royaume Uni Mis en forme Anglais Royaume Uni DORIOZ J M et VANSTEELANT 2002 Les dispositifs enherb s outils de gestion de la pollution diffuse phosphor e
40. aux du sol qui augmentent les risques de ruissellement s ils sont mal appropri s semelle de labour par exemple Les risques de transferts sont eux souvent li s aux apports de fertilisants qui mal g r s au cours de l ann e peuvent entrainer de fortes concentration la surface du sol engendrant un risque de transfert lev en cas de fortes pr cipitations 2 Le contexte l manique a Evolution des taux de phosphore dans le L man La croissance d mographique responsable de l augmentation des rejets domestiques l urbanisation ainsi que l intensification de l agriculture sur le bassin versant du L man ont provoqu une augmentation des taux de phosphore dans les eaux du lac engendrant de nombreux probl mes environnementaux d utilisation de l eau baisse de la diversit biologique d veloppement des algues vertes nuisances pour les activit s aquatiques Alert s par ces probl mes la Suisse et la France mettent en place d s 1960 la CIPEL Commission Internationale de Protection des Eaux de L man dont le r le est d initier un programme de sauvegarde du lac et de suivre son tat La mise en place de la d phosphatation dans les stations d puration STEP dans les ann es 1970 semble peu peu am liorer le 11 ph nom ne En 1986 les premi res actions de la CIPEL dirig es vers la pollution d origine domestique entra nent l interdiction des lessives phosphat es et engendrent une am lioration du taux de phosp
41. ay possible the variables simulated with the variables observed Key words eutrophication phosphorus diffuse pollution hydrological model GIS RESUME 3 INTRODUCTION nn 6 8 LA PROBLEMATIQUE DU PHOSPHORE DANS LA ZONE DU LEMAN eee 8 1 EUTROPHISATION ET PHOSPHORE nennen nne A retten 9 a Le ph nom ne d eutrophisation eese ss 9 b l origine du phosphore ss 9 c La pollution diffuse d origine agricole ss 11 2 LE CONTEXTE LEMANIQUE eee nt ddr ala A dns 11 a Evolution des taux de phosphore dans le L man ss 11 b M thodes de lutte et int r t de la mod lisation ss 12 Objectifs dustage s Ae UE 13 a Vu a opp 14 LE BASSIN VERSANT ete etes vua ere rS ea deu xk nee sensation tente ent 14 1 LE CHOIX DE LA ZONE D ETUDE nennen inet nennen 15 2 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DU BASSIN seen 15 Topographie 16 b G ologie et p dologie ss 17 c HydrgOgraphie isses b RR eder is 21 0 3Oceupationm di sol TAE REB RUN PAM 22 PARTIE S 23 LE MODELE SWAT torn 23 1 GENERALITES SUR LES MODELES eee 24 a s e tene de e E e eed dA 24 b Diff rents types de mod les hydrologiques sss 24 2 DESCRIPTION e ERR
42. bassin On voit que cet indice atteint 0 62 gage de la qualit de la corr lation des d bits simul s Pourtant malgr cette apparente bonne corr lation le fichier de sortie faisant part de l importance des diff rents processus au niveau annuel sur le bassin montre une contribution trop forte des coulements souterrains au d triment du ruissellement de surface la proportion des coulements souterrains s l ve 90 alors que le programme Baseflow les estime 77 Ceci peut avoir pour cons quence de biaiser la simulation des transports de s diments et des transferts de phosphore ceux ci tant g n ralement li l rosion et au ruissellement Il est donc n cessaire de continuer les efforts de calibration et tester d autres combinaisons de facteurs Voir tableau 7 Il appara t judicieux d orienter les recherches vers l ajustement des curve number coefficient de ruissellement qui n cessitent certainement une augmentation afin de ramener le ruissellement un niveau convenable et dans une proportion en accord avec les estimations du programme baseflow Une fois que les valeurs de ruissellement seront acceptables il faudra de nouveau tester diff rentes combinaisons des param tres de la nappe Il est possible d am liorer galement le comportement du bassin pendant les p riodes hivernales pour tenter de prendre en compte les effets de fonte de neige et les retards induits sur l hydrogramme Ce n est qu parti
43. ce de DUROS Les techniques d interpolation fond es sur des m thodes g ostatistiques sont appel es krigeage La g ostatistique a comme objectif d tudier les propri t s statistiques des variables distribu es dans l espace les techniques g ostatistiques permettent de mesurer la corr lation entre des donn es li es l espace et donc pr dire des valeurs de points non renseign es Joliveau 2003 M thode d interpolation par pond ration par la distance inverse Cette m thode permet d estimer la valeur d un point non renseign sous la forme de la somme des valeurs de ses voisins corrig e par l inverse de la distance ses voisins Ces m thodes sont des interpolateurs exacts en ce sens o les valeurs des points chantillonn s sont pr serv es Joliveau 2003 31 La technique d interpolation retenue au final a t celle de la pond ration par la distance inverse Cette technique permet d estimer la valeur d un point inconnu en fonction de la distance qui le s pare d autres points connus La valeur du point estim subira d autant plus l influence des points connus qu ils seront spatialement proches La valeur de la corr lation entre les deux r seaux apr s la cr ation de la zone tampon a atteint 65 contre 61 pour les techniques par krigeage Cette valeur peut apparaitre assez faible ceci est d au fait que les variations topographiques sont peu marqu es et que bon nombre d coulements sont d s non
44. ces contributions respectives sur le bassin un petit programme a t mis en place Arnold et al 1999 I s agit du programme baseflow Il faut pour cela cr er deux fichiers pr sentant la pluviom trie journali re et les d bits l exutoire puis le programme estime la contribution des coulements souterrains et de surfaces Pour le bassin versant du Mercube Baseflow value 77 la contribution des coulements souterrains On obtient le tableau ci dessous D bit l exutoire Ecoulement de surface Ecoulement souterrain 1 0 23 0 77 Tableau 4 Estimation Baseflow des contribution au d bit par les coulements de surfaces et souterrains Une fois les contributions respectives estim es la calibration se d roule en deux tapes La premi re tape consiste ajuster le ruissellement de surface jusqu ce qu il soit en ad quation avec la valeur estim e par le programme Baseflow Cet ajustement se joue au niveau de trois param tres Le premier et le plus important est le curve number CN2 dans la table mgt des pratiques agricoles Ce param tre typiquement am ricain et qui n a pas d quivalence dans le contexte frangais correspond un coefficient de ruissellement attribu chaque type d utilisation du sol en fonction du groupe hydrologique du sol L g rement trop lev les curve number de chaque types de cultures ont du tre abaiss s Il est galement possible de jouer sur
45. chera pr senter la probl matique du phosphore dans le contexte l manique et faire un rappel bibliographique g n ral sur le phosphore et ses modes de transferts La seconde partie pr sentera les caract ristiques physiques du bassin versant tudi Une troisi me partie introduira le lecteur aux mod les hydrologiques et plus sp cialement SWAT Pr sent e la mani re d un didactiel la quatri me partie montrera les diff rentes tapes Jalonnant la mise en place de SWAT param trages et int gration des donn es Une cinqui me partie pr sentera les r sultats obtenus et entamera une discussion sur les int r ts et les limites de la mod lisation hydrologique dans le cadre d une tude sur les transferts de polluants dans un petit bassin versant Elle ouvrira ensuite sur les perspectives les progr s faire et les m thodes mettre en place pour am liorer les r sultats fournis par le mod le Partie 1 La probl matique du phosphore dans la zone du L man 1 Eutrophisation et phosphore a Le ph nom ne d eutrophisation Le probl me des lacs est leur capacit accumuler les polluants La relative immobilit de leurs eaux permet la pollution de s installer sans s vacuer Roch 1992 Parmi ces polluants le phosphore P est responsable du ph nom ne d eutrophisation caus par un apport excessif de ce dernier CIPEL 1998 Le phosphore rejet en milieu lacustre est consomm sous la forme soluble pa
46. cm diminution de l abondance des l ments grossiers avec la profondeur couleur bleue structure Poly drique grossiere peu affirm e sous structure poly drique nette texture argileuse 4594 remarques disparition des t ches rouge 73 PROFIL MER 20 PROFIL MER 30 PROFIL MER 40 PROFIL MER 50 74 L quipement du bassin l exutoire A gauche le limnigraphe 2003 A droite le limnigraphe et le seuil jaugeur en 2004 apr s les v nements destructeurs de l hiver 2003 75
47. d les vont permettre la mise en place de sc narios qui serviront d aide la d cision pour les acteurs concern s par des projets d am nagements du territoire ou de mise en place de pratiques agro environnementales A l chelle du bassin versant les hydrologues ont souvent recours la simulation des d bits par le biais de ces mod les b Diff rents types de mod les hydrologiques Le mod le hydrologique d un bassin versant repr sente de mani re simplifi e le cycle de l eau sur ce bassin afin d expliquer la r ponse du bassin aux conditions climatiques et physiques auxquelles il est soumis relation pluie d bit Plusieurs types de mod les peuvent d crire ces processus hydrologiques ceux ci ont t class s par Clarke 1973 et repris par Le Cler en 2004 Ils distinguent Les mod les conceptuels base physique mod le dans lequel le fonctionnement du bassin est pr sent par une analogie un concept L analogie la plus souvent utilis e pour repr senter le fonctionnement des sols et des nappes est celle du r servoir dont le d bit de vidange d pend du taux de remplissage Ce sont des mod les qui se basent sur des processus physiques connus L ensemble du fonctionnement est un compromis entre une repr sentation physique pr cise de certains ph nom nes et une repr sentation plus empirique pour d autres Il existe entre les grandeurs mesurables dans la r alit et celles mesurables sur le mod le des rapports de simili
48. e est fonction de la granulom trie de la pr sence potentielle d une nappe mais aussi de la topographie du substratum h rit e des pisodes glaciaires Enfin dans le mat riel fin glacio lacustre se sont form s des sols profonds tr s argileux fortement hydromorphes pr sentant d abondantes traces d hydromorphie gleys de couleur bleu taches rouilles 18 Etapes conditionnant la distribution des sols et leur p dog n se D Le retrait du glacier rhodanien entraine l rosion de la moraine qui forme alors des creux vallums et des bosses cr tes Q Localement au niveau des vallums des lacs se forment Ils sont peu peu combl s par du mat riel tr s fins de type argiles Les cr tes morainiques s alt rent et des sols bruns prennent naissance Le lac est maintenant compl tement combl s un ruisseau s est install A chaque crue du mat riel alluvial est d pos et remobilis Les trois mat riaux morainiques lacustres et alluviaux sont donc l origine de trois types de sols diff rents les sols les plus proches de la rivi re fortement hydromorphes pr sentent des l ments grossiers alluviaux avant d atteindre les argiles lacustres En s loignant du ruisseau on ne retrouve plus ces l ments grossiers mais l on tombe directement sur un mat riel tr s argileux Plus loin encore des sols bruns d velopp s sur la moraine apparaissent Figure 6 Etapes conditionnant la distribution e
49. e par un changement de la gestion du territoire Ces deux types d entr e dans le r seau hydrographique n ont pas non plus les m mes proportions en terme de quantit L INRA de Thonon dispose de mesures effectu es pendant trois ann es sur 4 bassins versants Les tudes pr sent es dans un rapport de la CIPEL ont montr que les sources ponctuelles sont dominantes 80 dont 10 20 peuvent tre attribu s l agriculture les sources diffuses repr sentent 20 des rejets et sont principalement agricoles REJETS DOMESTIQUES INDUSTRIELS APPORTS DIFFUS Agricoles els Pluie Non Figure 1 origine des de phosphore source CIPEL 2002 Cependant les valeurs indiqu es par la figure 2 doivent tre prises avec pr caution En effet avec les progr s faits en assainissement la part de pollution imput e aux foyers diffus ne va cesser d augmenter En d finitive l agriculture fournit un tiers du phosphore total La fraction ponctuelle doit faire l objet d op rations de mises aux normes des b timents agricoles mais la fraction diffuse doit galement tre prise en compte Cela suppose des connaissances approfondies sur les m canismes et les risques de transfert du phosphore 10 c La pollution diffuse d origine agricole Les pollutions diffuses repr sentent la somme des pertes des sols d une r gion donn e en fertilisants pertes collect es par le r seau hydrogra
50. enregistr es les valeurs des param tres utilis s par le mod le nombre d horizons profondeur capacit en eau granulom trie Des tables par d faut sont d j pr sentes dans SWAT et concernent des types de sols am ricains il a donc t n cessaire au pr alable de remplir ces tables et affecter les valeurs donn es par nos analyses aux diff rents param tres Notons qu il est possible d importer des tables r alis es hors du contexte SWAT selon une structure que le mod le est capable de supporter Cette m thode est avantageuse 38 lorsqu il y a un grand nombre de sols sur le bassin Une saisie par le biais d un formulaire peut donc faire gagner un temps pr cieux Dans notre cas en pr sence de seulement cinq types de sols sur notre bassin il est plus rapide de remplir directement les tables SWAT pr tablies De plus SWAT s est av r tr s sensible aux tables dbf import es de l ext rieur et il tait souvent plus prudent de les r aliser partir des tables d j pr sentes La table des sols user soils se pr sente ainsi By Soil By Layer SNAM MER20 SOLZ 20000 mm MER30 NLAYERS 3 11010 SOLBD 130 g cm3 E A B CorD soLAwC 050 mm mm SOLZMX 2500 SOL_K 640 00 ANION 0010 fraction SOLCEN 175 soil weight 0 000 CLAY 2020 soil weight TEXTURE SILT 5850 amp vs weigh SAN
51. entique pour les autres param tres temp rature vitesse du vent ensoleillement seule la structure des tables diff re l g rement Field format integer Gage identification number not used by interface NAME Corresponding table name string floating point X coordinate in the defined projection Y coordinate in the defined projection ELEVATION Elevation of rain gage m Tableau 2 Structuration de la table de localisation des pluviom tre source Di Luzio et al 2002 Field format DATE date mmdd Day of precipitation floating point f5 1 Amount of precipitation mm Tableau 3 Structure de la table des pr cipitations source Di Luzio et al 2002 44 e Int gration des pratiques agricoles Une fois les donn es climatiques rentr es le mod le va proc der la construction des diff rentes tables contenant les informations n cessaires la cr ation des donn es d entr e par d faut utilis es par SWAT dont celle des pratiques agricoles En cas de modification de la distribution des HRU la commande d laboration des tables doit nouveau tre lanc e Parmi les tables cr es lors de cette op ration la table mgt concernant les pratiques agricoles va pouvoir tre modifi e et les informations obtenues aupr s du conseiller agricole vont pouvoir tre int gr es L interface permettant d acc der aux diff rentes tables et de les modifier se pr sente ainsi Edit Subbasin Inputs Select S
52. er les diff rents comportements des processus SWAT va spatialiser les types de r ponses c est dire que le mod le va calculer la valeur quantitative des diff rents processus sur chaque unit spatiale L unit de base du calcul est la Hydrological Response Unit Cette discr tisation spatiale en sous unit s correspond la combinaison d un sous bassin versant unique dans le cadre de notre projet d un type de sol et d un type d occupation dont les param tres vont influer sur les phases du bilan hydrique ruissellement infiltration vapotranspiration Une HRU aura donc un comportement hydrologique propre et homog ne Les diff rents flux eaux s diments phosphore sont donc calcul s sur la base de cette unit puis somm s pour fournir une valeur globale l exutoire du bassin Notons qu il n y a pas de moyen de visualiser les HRU dans cette version de SWAT Cette tape passe par l utilisation de l assistant de g o traitement qui permet d effectuer les intersections n cessaires entre les couches de sols et d occupation du sol 28 occupation du sol Unit de R ponse Hydrologique Figure 13 Principe de d limitation des HRU Renaud 2004 d apr s Duros 2002 Calibration et validation du mod le La phase finale de mod lisation consiste ensuite calibrer le mod le c est dire modifier certains param tres pour obtenir dans un premier temps la meilleure corr lation possib
53. ervice 506 pp NEITSCH S L ARNOLD J G KINIRY J R SRINIVASAN R WILLIAMS J R 2002 Soil and Water Assessment User s Manual Version 2000 Grassland Soil and Water Research Laboratory Agricultural Research Service 472 pp PARMELAND E 1995 Zones tampon et pollution diffuse dans le bassin versant du L man M moire de DEA Universit Joseph Fourier Grenoble 57pp PAYRAUDEAU S 2002 Mod lisation distribu e des flux d azote sur des petits bassins versants m diterran ens Th se ENGREF 277 pp PETRESCU MAFTEI C 2002 ETUDES CONCERNANT LES ECOULEMENTS SUPERFICIELS Mod lisation spatialis e de l coulement sur le bassin versant de Voinesti Roumanie Th se Universit de Montpellier PILLEBOUE 1987 Origines bilans et m canismes de transfert de Pet d un BV vers un lac Th se Universit Paris 6 69 pp PRIEUR DREVON D 2002 D un site pilote une d marche globale sur le Bas Chablais mise en place d une m thode de lutte contre la pollution diffuse du phosphore d origine agricole M moire de DESS Universit de Savoie 56pp ZHOU Y et FULCHER C 1999 watershed management tool using SWAT and ARCINFO 12 pp 64 Mis en forme Anglais Royaume Uni Table des figures Figure 1 origine des flux de phosphore source CIPEL 2002 10 Figure 2 Evolution du taux de phosphore dans le lac L man source
54. es pores tubulaires quelques taches de mati re organique transition diffuse pas de r ponse couleur 2 5 Y 5 4 structure poly drique subanguleuse moyenne sous structure grumeleuse peu nette texture Limono argileuse remarques Frais plastique coh rent un peu plus collant pr sence de t ches rouille bord diffus 15 de couleur 10 8 5 pr sence de t ches noires 10 2 1 Suintement au moment de la description porosit tubulaire grossi re abondante transition diffuse Pas de r ponse HCl couleur 7 0B matrice verd tre 60 et d p ts rouge tres structure Poly drique grossi re peu affirm e sous structure poly drique nette texture Limono argileuse pr sence d l ments grossiers polyg niques remarques Humide collant porosit fissurale interagr gats peu de racines eau libre 70 Profils de r f rence BV du Mercube Nom MER 30 MER 30 Localisation N46 21 23 3 E006 20 38 8 Zone de prairie anciennement cultiv e il reste encore quelques billons HIT Description ler horizon 0 15 cm 2 me horizon 15 35 cm 3 me horizon 35 50 cm couleur IOYR 4 3 ax a structure grumeleuse fine nette grumeleuse peu nette texture Limono sableuse mais pr sence de quelques l ments grossiers remarques racines fines abondantes Frais non plastique non collant porosit interagr gats transition visible couleur 10YR 4 3 structure poly drique
55. g method Channel dimensions Stream Water Lake Water Quality Processes Quality Processes Notactive Variable Storage Not clive C NotActive C NotAclive C Active C Muskingum C Active uc Pent Printout frequency Routing Pesticide Watershed parameters Dai Basin Input File Bsn General Water Quality Input File Wwq Chek Input Ranges Run SWAT C Monthly C Yearly Figure 29 Boite de dialogue pour le lancement de la simulation b Fichiers de sortie Des fichiers de sorties sont g n r s chaque nouvelle simulation de SWAT Le fichier r sumant les processus sur le bassin output std permet de voir chaque pas de temps les valeurs du ruissellement de l infiltration de l vapotranspiration des pertes de s diments etc Le fichier sbs pr sente les m mes param tres que pr c demment mais en les d taillant au niveau des HRU Le fichier bsb d taille les valeurs des processus l chelle du sous bassin versant Enfin le fichier rch montre les valeurs des param tres concernant l eau dans le cours d eau d bit l exutoire mati res en suspension phosphore total Ces fichiers sortent sous la forme de fichiers texte d limit s A certains niveaux et pour certains param tres il est possible de les repr senter sous forme graphique en important le fichier sous Excel et en d limitant correctement les colonnes souhait es Il est ainsi possible de profi
56. hore dans le lac significative mais non satisfaisante puisque l objectif est de ramener le taux au taux initial de 1960 Interdiction des phosphates D marrage de la mise en place de 8 000 la d phosphatation dans les STEP dans les lessives en Suisse et baise des teneurs en France 6 000 5 H 5 4 000 5 n 2 000 Objectif atteindre pour pouvoir limiter la croissance des algues dare la couche superficielle 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Figure 2 Evolution du taux de phosphore dans le lac L man source CIPEL b M thodes de lutte et int r t de la mod lisation Tout le phosphore perdu au niveau des parcelles agricoles n arrive pas forc ment au r seau hydrographique En effet les prairies situ es entre la parcelle et le r seau peuvent retenir le phosphore et les s diments en provoquant le ralentissement du ruissellement favorisant ainsi l infiltration dans les sols D autres l ments du paysage comme les lisi res de for ts les marais ou les haies peuvent jouer ce r le tampon Ces zones tampons sont tributaires des conditions conomiques et de l am nagement du paysage Plusieurs types d actions peuvent donc tre envisag es Des op rations de sensibilisation aux exploitants les incitant adopter des pratiques agricoles plus cl mentes envers les transferts de pollution am lioration du travail du sol fertilisation adapt e mises aux normes des b timents Des actions peu
57. imulation Le param trage des donn es num riques par l utilisateur et la visualisation des r sultats s effectuent par le biais des formats Dbase Cependant les fichiers de sorties sont convertis par SWAT en format ASCII poss dant leurs propres structures Plus d une centaine de fichiers sont requis pour le bon fonctionnement du mod le mod le num rique de terrain p dologie r seau hydrographique donn es climatiques de temp ratures et pr cipitations occupation du sol pratiques agricoles etc De nombreuses valeurs sont 25 d finies par d faut pour des conditions am ricaines mais un grand nombre d entre elles devront tre adapt es au contexte fran ais et local La partie param trage du bassin versant est assez longue au vu du nombre cons quent de donn es d entr es n cessaires Les traitements d crits comme assez longs 2 heures par les ouvrages mettant en uvre le mod le se sont r duits quelques minutes dans le cas du bassin versant du Mercube tant donn e sa faible taille pr s de 10 fois inf rieure aux bassin versants les plus petits rencontr s et du fait qu il n y ait pas eu de sous bassins versants cr es La visualisation des r sultats se fait essentiellement sous forme graphique partir de bases de donn es mais aussi sous forme cartographique l chelle du sous bassin versant b Principes L hydrologie Comme tout mod le hydrologique SWAT reproduit le cycle de l eau sur le bassi
58. ircies Je lui suis galement tr s reconnaissant pour les pr cieux conseils prodigu s pour les concours de l INRA et esp re un jour pouvoir travailler avec lui au sein de la m me famille De chaleureux remerciements s envolent vers Qu bec r chauffer Julie Deslandes l IRDA Son cyber soutien a t capital pour l utilisation du mod le Bien des bogues et impr cisions ont t r solus gr ce elle Sa patience m a t d un grand secours merci donc Julie et que la force SWAT avec toi Je souhaite galement remercier monsieur Phillippe Qu tin et monsieur Moille l INRA Thonon pour m avoir fourni l ensemble des donn es m t o et pour m avoir accompag r sur le terrain Une pens e particuli re est adress e Frangois Cena conseiller agricole la chambre d agriculture de la Haute Savoie qui m a guider dans les choix faire concernant les variables agronomiques And last but not least un grand merci l ensemble des gens errants dans les couloirs du CISM Je pense notamment Jean Yves pour ses conseils avis s en hydrog ologie Caz pour tout un nombre de d tails techniques Tonio pour les doux massages d oreilles grands coup de guitares satur es Flop pour sa bonne humeur Fabien et ceux que j oublie la convivialit et l amiti glan e aupr s d eux aura t essentielle pour le bon d roulement de ce stage R sum Alert s par la CIPEL commission Internationale de Protection des
59. isateur treshold area c MNT directions d coulement surface drain e r seau hydrographique Figure 17 M thode d extraction du r seau hydrographique par l algorithme D8 Source Charleux Demargne 2001 35 Cette m thode appara t satisfaisante pour l extraction du r seau naturel Malheureusement le MNT ne peut pas d terminer o se situe le r seau anthropique et ne peut donc pas pr voir l coulement dans les foss s Pour pallier cela SWAT poss de une option nomm e burning option Elle permet l utilisateur de superposer sur le MNT un r seau hydrographique pr alablement digitalis dans notre cas celui relev par les techniciens de l INRA prenant en compte l essentiel des foss s du bassin Une fois superpos au MNT SWAT va gratter les cellules d altitude o une partie du r seau hydrographique est pr sent L altitude devenant moindre l coulement va tre forc lors de l extraction du r seau et appara tre en meilleure ad quation avec la r alit du terrain Figure 18 Repr sentation en perspective du MNT avant et apr s l op ration de grattage D termination des limites du bassin versant L utilisateur doit d abord choisir un pixel exutoire outlet A partir de ce pixel et de la matrice de direction des coulements le SIG va d terminer quels sont les pixels situ s en amont de l exutoire qui vont se diriger vers le pixel de sortie Les bassins obtenus correspondent a
60. l encore il est possible d importer des tables pr alablement structur es dans le cas par exemple o les tables d un type de culture ne figureraient pas dans les tables pr sentes par d faut lors de l installation du mod le Dans notre cas toutes les cultures du bassin taient d j int gr es dans SWAT exception faite du colza Les param tres agronomiques de ce dernier ont t discut s avec le conseiller agricole et remplis directement dans SWAT La correspondance effectuer pour les autres cultures a t rapide puisque les tables existaient d j Land Cover Plant Growth database Crop Name Crop is Fertilized 012 4 character BN1 0 0663 ka N kg biomass Cold season annual _ BN2 0 0255 N kg biomass 4500 0 0148 ko N kg biomass 070 ikg hal kg hal 0 0053 kg Pkg biomass 900 BP2 00020 kgP kg biomass Upland Cotton harv picker FRGRW1 080 fraction BP3 0 0012 kg P kg biomass Sweetpotato CPNM Tall Fescue IDC Timothy BIO E Tobacco HVSTI Tomato Upland Cotton harv stripper Water watermelon Westem Wheatgrass Wetlands Forested Wetlands Mixed Wetlands Non Forested Winter Pasture Winter Wheat LAIMAT 0 05 FRGRW2 1 00 LAIMX2 0 85 pA 050 CHTMX 0 80 RDMX 1 30 1800 T BASE 0 00 CNYLD 00250 cPYLD 0 0022 fraction Ww SYF fraction USLE C fraction 651 heat units heat units VPDF
61. le entre les d bits simul s et les d bits observ s dans le cas d un mod le hydrologique puis selon la probl matique tenter de faire concorder les valeurs d rosion ou dans le cas du projet les valeurs de phosphore au niveau de l exutoire du bassin La d termination des param tres du mod le s effectue par it ration t tonnement par essais et erreurs bien que les diff rentes r ponses donn es par le mod le donnent toujours une id e des param tres sur lesquels il faut influer 29 Partie 4 Param trage des donn es d entr e et mise en uvre du mod le 30 1 Les donn es n cessaires au fonctionnement de SWAT a Topographie La pr cision et la validit des Mod les Num riques de Terrain MNT d pendent du mode d acquisition de l information de la variabilit locale de l altitude et des m thodes d interpolation utilis es pour g n rer le MNT L valuation de la qualit du MNT est d licate car elle suppose une r f rence qui permettrait une comparaison Or souvent la r f rence est un autre MNT lui m me perturb Le MNT est obtenu par le biais de la BD alti de l IGN pour le d partement de la Haute Savoie La pr cision en z de ce produit se situe entre 1 et 3 m selon ses concepteurs Le MNT pr sente une r solution de 50 m Ceci implique donc que chaque maille de 50 m tres de c t est caract ris e par une altitude moyenne Son syst me de projection g ographique est le Lambert II Chaque poin
62. les sols moins favorables sont laiss s aux prairies et aux for ts 600 m L gende parcellaire occupation m coz for t ma s oce prairie permanente En prairie temporaire EB o urbain Figure 9 Occupation des sols du bassin versant du Mercube pour l ann e 2000 source Bugnet 2000 22 Partie 3 Le mod le SWAT 1 G n ralit s sur les mod les a D finitions Un mod le est une repr sentation simplifi e relativement abstraite d un processus ou d un syst me en vue de le d crire de l expliquer ou de le pr voir dictionnaire de l environnement Les domaines d applications de ces mod les sont nombreux et vari s et peuvent servir autant en conomie qu en hydrologie Ces mod les ont pour but de faciliter la compr hension de ph nom nes souvent complexes et au final pr voir et proposer des mesures pour pallier les effets non souhait s induits par ces derniers En hydrologie la mod lisation peut avoir une fonction de recherche o une fois calibr le mod le permet d tablir des sc narios qui pourront tre confront s aux mesures Il est galement fr quent d utiliser la mod lisation des fins de pr visions ou encore pour reconstituer des s ries de d bits possibles dans le cadre de dimensionnement d ouvrages d versoir de s curit de barrages mais aussi pour la d limitation de zones inondables PPRI Au final ces mo
63. leurs applique la valeur minimale des voisins Le calcul des pentes est obtenu en estimant la variation d altitude entre les cellules voisines 34 PUITS COMBLEMENT Figure 16 Comblement des puits du MNT D termination des directions d coulement figure 17 a Le calcul des pentes permet ensuite de calculer la direction des coulements selon la direction de la plus forte pente d termin e L algorithme D8 consid re les directions d coulement suivant un flux unidirectionnel en huit connexit s en prenant en compte les huit cellules voisines du point consid r Charleux Demargne 2001 Ensuite il lui affecte un code selon la position relative de la cellule ayant l altitude la plus faible Une matrice de direction d coulement est ainsi obtenue Calcul des surfaces drain es figure 17 b A partir de la matrice des coulements un calcul des surfaces drain es va tre effectu Chaque pixel du MNT se voit affubl du nombre de pixel situ en amont selon les directions d coulement Ainsi pour un pixel donn la valeur des pixels situ s en amont va d terminer l importance de la zone drain e Extraction automatique du r seau hydrographique figure 17 c Pour d terminer enfin o va s couler le r seau hydrographique la m thode pr sent e utilise un seuil d apparition de l eau ou surface drain e critique Un pixel du MNT est consid r comme une rivi re s il d passe un certain seuil fix par l util
64. limites du bassin versant extraites SWAT nous propose ensuite d int grer les donn es sols et les donn es d occupation du sol La fen tre permettant l int gration des donn es se pr sente ainsi Definition of LandUse and Soil Themes Land Use data layer Soil data layer Landuse Grid Soils Grid c avs2000 newl watershed grids LusGr2 c avs2000 newlwatershed grids S olGr1 Lookup Table Grid Values gt Land cover classes Lookup Table Grid Values gt Soils attributes Grid Field Grid Field Value 2 Joining Attributes Value gt Joining Attributes Value LandUseSwat Value Area 8 22 MER30 40 91 MER20 Options C Stmuid C Sbid C Name C Seqn C Stmuid Name Reclassify Overlay Figure 21 Fen tre permettant l int gration des donn es d occupation et sols g p g p Les sols L interface pr sent e ci dessus permet une acquisition des donn es sols ais e L utilisateur indique l emplacement de la couche de sol au format shape qu il a pr alablement digitalis e en prenant soin de toujours la pr senter dans le m me syst me de coordonn es L utilisateur pr cise le champ de la table attributaire qu il veut voir exprim dans notre cas le type de sol puis le logiciel se charge de d couper la couche de sol par les limites du bassin pr c demment tablies Clipping Il faut ensuite tablir la correspondance entre les types de sols et la table sol de SWAT o sont
65. lis es et renseign es dans le SIG Les chantillons de sols ont t envoy s au laboratoire d analyse INRA d Arras o des donn es de granulom trie de carbone organique du sol et de pH ont t demand es afin de remplir en temps voulu les tables utilis es par SWAT pour le calcul des quations figurant les diff rents processus hydrologiques transports de s diments Les r sultats des analyses et les descriptions des profils de r f rence sont disponibles en annexes d Occupation du sol et pratiques agricoles La carte d occupation des sols a t extraite d un rapport r alis par Bugnet pr sentant la cartographie et l occupation du sol dans le bassin pour l ann e 2000 Les cartes disponibles sur support papier ont t scann es puis g or f renc es pour tre ensuite num ris es et renseign es par le biais du SIG Les donn es concernant les pratiques agricoles ont t obtenues par deux biais Les types de rotations affect es aux parcelles les types et doses de fertilisants appliqu s ont t extraits d enqu tes men es par Prieur Drevon en 2002 et consign es dans un rapport de la chambre d agriculture de Haute Savoie Les param tres physiques de certaines cultures taux de couverture au sol rendement qui ne figuraient pas dans les tables par d faut de SWAT ont t renseign s apr s des discussions avec le conseiller 32 agricole de la chambre d agriculture lequel nous a galement renseign sur le
66. lle minimale des sous bassins La moindre division de mon bassin aurait donc entra n la faillite de la simulation L extraction du r seau hydrographique est d une importance capitale pour le bon d roulement de la simulation aussi il est tr s important de prendre des pr cautions et d tre attentif lors de cette tape La qualit du MNT est capitale pour la qualit de l extraction La comparaison entre le bassin issu du MNT et celui dont les limites ont t report es sur la carte qui ne sont pas toujours fiables 100 et qui voluent sans cesse peuvent donner une id e de la qualit de l extraction La diff rence entre leurs superficies montre une diff rence de 6 ha soit un peu moins de 2 de la superficie Cette diff rence est certainement due au fait que l interpolation de la grille de points de la BD alti n est pas compl tement efficace et qu elle est un peu biais e par le fait que les pentes du bassin soient tr s faibles Une am lioration de la r solution du MNT et l tablissement d une m thode plus efficace que la burning option permettrait coup s r une extraction plus fine du r seau et par cons quent une meilleure simulation des d bits l exutoire a b Figure 20 Comparaison entre le r seau hydrographique digitalis a et le r seau extrait du MNT b Renaud 2004 37 b Int gration des donn es sol et occupation du sol Une fois le r seau hydrographique d termin et les
67. mettent d appr cier la corr lation entre le variables simul es et les variables observ es s agit dans un premier temps du coefficient de corr lation Cet outil d analyse permet de mesurer la relation existant entre deux s ries de donn es Le second pr sent par les autres ouvrages comme le plus significatif est le coefficient de Nash Cet indice offre une valuation plus pr cise de l efficacit quant au respect des volumes coul s et des cart absolus Bioteau et al 2002 Celui ci est d fini par la formule N gt y iobs Nash 1 gt E d 1 Avec Yiobs valeur moyenne de la variable observ e Vobs valeur de la variable observ e sim valeur de la variable simul e Le crit re de Nash varie de pour un ajustement tr s mauvais 1 Une valeur proche de 1 traduit une forte liaison entre les observations et les simulations En l absence de biais entre les observations et les simulations la valeur est gale celle du coefficient de d termination de la r gression Petrescu Maftei 2002 50 2 Ajustement du bilan hydrique Deux crit res sont pris en compte pour calibrer les flux d eau On consid re d abord le niveau de corr lation entre les d bits mesur s et les d bits observ s l exutoire puis on estime la concordance concernant la r partition des volumes d eaux coul s entre coulement de surface et coulement souterrain Pour estimer
68. n versant de mani re simplifi e On peut sch matiser le fonctionnement du mod le par trois gros modules principaux qui communiquent entre eux par la circulation d eau Figure 10 Fonctionnement sch matique de SWAT d apr s DUROS 2001 Le bilan hydrique contr le les diff rents processus hydrologiques se d roulant sur le bassin t SW SW X Ri Qi Eti Pi Qri 1 26 SW contenu final en eau du sol mm Pi percolation mm SW eau disponible pour les plantes mm Qri d bit d tiage mm Ri pr cipitation mm Eti vapotranspiration mm Qi ruissellement de surface mm Pr cipitation m Irrigation Pluie Neige lt Couverture neigeuse 2 Infiltration Ruissellement de surface _ k Ule Pertes par transmission 34 jies dum ockage p D bit dans dans le sol TESTER gt c r seau 4 Transfert dans le sol CETE Pertes par transmission Trajet jusqu au prochain bief Besoin des plantes et vaporation mb Transpiration Flux lat ral Nappe de surface 224 3h erum Irrigation Revap D bit d tiage f D r EE _ Profonde gt migation com Percolation Figure 11 structure hydrologique de SWAT source Eckard et Arnold 2000 La figure 10 q
69. n est utilis e malgr ses limites Les m thodes consistant modifier le MNT sont l pour am liorer cette extraction C est le cas dans SWAT avec le burning Mes recherches bibliographiques se sont orient es vers d autres m thodes de modification du MNT qui pourraient s av rer plus efficaces Une technique pr sent e par Payraudeau en 2002 montre de meilleurs r sultats que la technique du burning En effet au lieu de br ler les cellules occup es par le r seau cette technique propose d augmenter la valeur d altitude des cellules qui n y appartiennent pas pourrai galement tre int ressant de se procurer des images satellites du bassin versant afin de pouvoir effectuer des proc dures de classification dirig e par t l d tection pour obtenir une occupation du sol plus pr cise notamment en ce qui concerne la localisation des routes chemins et zones urbaines De plus les types de cultures tant assez peu vari sur le bassin une campagne de t l detection pourrait ais ment aboutir des r sultats satisfaisants La mise en place d un suivi hydrog ologique l aide de pi zom tres permettrai de connaitre un peu mieux le fonctionnement des nappes sur le bassin afin d estimer la contribution r elle des coulements souterrains L ajustement des param tres de la nappe serait alors plus efficace et moins intuitif 59 Int r t et limites du mod le SWAT Les premiers r sultats obtenus laissent p
70. nd Use 4 over Subbasin Area Multiple Hydrologic Response Units Soil Class over Land Use Area 0 100 ESSEN Figure 24 Interface permettant de d terminer la distribution des HRU La distribution des HRU a abouti la cr ation de 44 unit s combinant sol et cultures Des seuils faibles en comparaison de ce qui est pr conis dans le manuel d utilisation ont t donn s pour permettre au maximum de types de rotation d tre exprim sur le bassin Comme on peut le voir sur la figure le seuil tabli pour la superficie minimale sur le bassin est de 1 et la classe de sol sur le type de culture est de 3 La cr ation de ces unit s entraine la cr ation d une vue nomm e SWAT View derni re interface avant le lancement du mod le C est partir de cette vue que vont tre rentr es les derni res donn es n cessaires donn es climatiques et pratiques agricoles 42 File Edit View Theme Simulation Reports Window Help 908 356 93 Scale 1 215810207 2 SWAT View i Tempgages Weagages Raingages SwatLandUseClass 7 L ES 11 m9 m20 EHI 22 24 25 26 C 29 EM 2 E EHE vos EN e L m37 Eu ES ma Eg 5 zr was Mas zr ws M6 uRML SoilClass IU 20 MER30 DM MER40 MER50 X Figure
71. ntatives ni conformes ce que montre le mod le On peut enfin r fl chir sur la pertinence et la fiabilit des donn es int gr es au mod les Ces donn es tr s nombreuses poss dent toutes une marge d erreur La combinaison de ces param tres par le mod le peut aboutir une accumulation de petites erreurs Le mod le pourrait ainsi apparaitre comme une repr sentation simplifi e mais fid le de la r alit alors que les param tres des variables pourraient apparaitre pour certains irr els ou surr alistes 60 Conclusion Les premi res tapes du projet qui consistaient mettre en place les premi res couches de donn es n cessaires au fonctionnement de SWAT ont t r alis es avec succ s La campagne de sol a permis le renseignement des donn es p dologiques Les autres donn es recueillies aupr s des diff rents intervenants ont t int gr es au mod le permettant ainsi son bon fonctionnement Le bassin versant a ainsi t d coup en plus de 40 HRU chacune poss dant une combinaison sol occupation propre Chacune d entre elles poss de galement un sc nario de pratiques agricoles sp cifiques Une calibration et un ajustement pr liminaire du bilan hydrique ont t r alis s celui ci loin d tre parfait va demander quelques efforts suppl mentaires de calibration et un temps de travail plus cons quent De nombreuses combinaisons de valeurs des variables de sol et d coulements souterrains doivent encore
72. phique superficiel et au niveau d ventuels aquif res d finition de la CIPEL Plus simplement elles sont li es aux pr cipitations ayant pour cons quence l rosion et le lessivage des sols Pilleboue 1987 Les pertes en phosphore hors d une parcelle sous forme dissoute et particulaire entra nent une pollution diffuse La plus grande partie du phosphore est entra n e par rosion Jordan Meille 1994 La pollution diffuse r sulte donc du ruissellement de l eau sur les sols et de leur rosion lors d v nements pluvieux Les pertes sont entrain es vers le r seau hydrographique o le phosphore li aux s diments sera transf r vers l exutoire au fil des crues Jordan Meille 1994 Ces pertes varient selon le mode d occupation du sol et de mani re globale on peut consid rer que les pertes sur des surfaces naturelles ou sur des prairies permanentes peuvent tre faibles voire n gligeables En revanche elles sont quasi syst matiques sur des sols dont les conditions favorisent le ruissellement pentes fortes couvert v g tal faible ou inexistant Sur les cultures annuelles le ruissellement varie selon deux param tres La situation de la parcelle En effet les risques de transfert sont plus lev s si la parcelle est connect e au r seau hydrographique par le biais d un foss ou lorsque celle ci re oit les eaux ruissell es de surfaces urbaines imperm abilis es situ es en amont Les diff rents trav
73. pr s mes recherches bibliographiques SWAT n avait jamais t utilis sur un bassin versant aussi petit que le bassin versant du Mercube la taille totale de mon bassin correspond la taille du plus petit sous bassin mod lis dans les projets que j ai pu lire La figure ci dessous pr sente un aper u des diff rents mod les hydrologiques existants En abscisse la surface des bassins et en ordonn e les pas de temps disponibles sont indiqu s L ellipse rouge symbolise la place du bassin versant du Mercube Pas des variables d entr e ann e Mod les additifs Lo rm swm jour EPIC TNT STICS WATERWARE GIBSI Bassin Versant BASINS A EM CE in NELUP NIT 4 minute Surface li lom 100 lkm 19 km 100 1000 km des bassins Figure 30 Aper u des diff rents mod les hydrologiques source Payraudeau 2002 On remarque qu au niveau des pas de temps les solutions propos es par SWAT sont conformes aux attentes du projet du Mercube Les fr quences journali res et mensuelles sont celles d sir es Par contre on voit qu au niveau de la superficie des bassins le Mercube se situe largement en dessous des surfaces couvertes par le mod le En effet notre bassin occupe 3 km2 alors que SWAT a t con u pour des bassins allant de la dizaine de km2 plusieurs milliers de km2 Les processus bas s sur des quations d terministes risquent d tre peu influenc
74. r s avoir test les deux que nous avons d cider de choisir la premi re variable storage qui calcule la diff rence entre les flux entrant dans le bassin et les flux sortant en fonction du temps coul Le dernier choix important laiss l utilisateur est le pas de temps de sortie Trois pas de temps sont disponibles annuel mensuel et journalier Dans le cadre de notre projet et afin de saisir les variations saisonni res de d bit et de flux de phosphore nous nous sommes attach s dans un premier temps au pas mensuel Puis consid rant que les diff rentes mesures d bit chimie sur le bassin taient hebdomadaires nous avons galement sorti des simulations au pas de temps journalier que nous avons ensuite convertis en mesures hebdomadaires afin de pouvoir comparer de mani re correcte simulations et observations Cette conversion a t effectu e l aide du logiciel Excel une macro a t r alis e afin de r p ter plus rapidement l op ration apr s chaque nouvelle simulation 47 2 Set Up and Run SWAT model simulation Period of simulation x Starting date Ending date January z 1881 December gt 31 2003 Month Day Year Month Day Year Rainfall Runoff Routing Rainfall distribution Potential ET method Priestley T aylor method Daily rain CN Daily v Skewed normal C Penman Monteith method Mixed exponential C Hargreaves method C Readin Crack flow Channel water routin
75. r sager de la bonne efficacit du mod le SWAT pour simuler les ph nom nes hydriques et les processus de transferts de polluant Bien que l int gration des donn es soit assez longue l interface d velopp est assez convivial et avec une bonne utilisation du manuel la prise en main est assez ais e L utilisation conjointe du mod le avec le SIG permet de prendre en compte la variabilit spatiale au sein de la mod lisation Cela permet galement de renseigner facilement les caract ristiques des variables Quelques critiques peuvent cependant tre apport es La premi re provient de la susceptibilit du mod le en effet m me si certains bogues sont dus des erreurs de manipulation de nombreux autres restent inexpliqu s et provoquent la perte des donn es enregistr es et parfois du projet complet Apr s plusieurs jours d int gration il est tr s aga ant de devoir recommencer les proc dures du d but A l origine d velopp pour des grand syst mes culturaux am ricains SWAT semble tout de m me pouvoir s adapter aux conditions fran aises Il est pourtant parfois difficile de s y retrouver parmi la masse de param tres d autant plus quand ceux ci sont typiquement am ricains et ne correspondent aucun de nos param tres fran ais l ajustement de ces dits param tres est donc pratiqu par une m thode fastidieuse et peu orthodoxe qui est la dichotomie ou plus vulgairement le t tonnement On regrettera le f
76. r de l que nous pourrons entamer une calibration des s diments et des transports de phosphore Cependant les premiers r sultats obtenus restent encourageant et laissent pr sager de bons r sultats dans les mois qui viennent SWAT apparait donc comme un outil int ressant pour mod liser les m canismes et les processus mis en oeuvre sur un bassin versant et ainsi proposer des sc narios environnementaux afin de r duire les flux de phosphore qui atteindront le lac L man 55 Partie 6 Discussion et conclusion 56 Une grande diversit de mod le Les mod les hydrologiques sont tr s nombreux et leurs domaines d applications aussi Lors d un projet de mise en place d un mod le il est essentiel de bien r fl chir aux enjeux et aux objectifs du projet Le choix doit tre orient en fonction de plusieurs crit res Quels processus doivent tre simul s Quelle quantit et quels types de donn es sont n cessaires au fonctionnement du mod le Vais je pouvoir disposer de ces donn es rapidement et sans d penser trop d argent Il est important de se renseigner au pr alable sur les caract ristiques et les r sultats fournis par les diff rents mod les Il peut tre int ressant de regarder sur quels types de bassin ils ont d j t utilis s et quelles qualit s de r sultats 115 ont donn On peut ensuite comparer les caract ristiques de ces bassins avec celui o l on souhaite effectuer les simulations D a
77. r les algues favorisant ainsi leur d veloppement Les lacs et les r servoirs peuvent tre classiquement class s en 2 cat gories oligotrophes ou eutrophes selon leur concentration en P Le terme m sotrophe d crit l tat de transition entre les deux tats pr c dents Aux diff rentes valeurs de concentration en P correspondent des seuils affectant les param tres descriptifs de l eau concentration en chlorophylle profondeur de la transparence au disque de Secchi L eutrophisation d un r servoir est caract ris e par une surpopulation d algues vertes une diminution de l oxyg ne dissous dans l eau une baisse de la diversit floristique et faunistique et une coloration verte de l eau affectant les activit s de loisirs li es aux lacs baignade navigation En ce qui concerne la pr paration d eau potable l eutrophisation est la cause de l obstruction de filtres de pompage d eau potable de la diminution des performances de traitement des eaux filtration floculation Une faune parasite peut d s lors s installer dans les r seaux Le d veloppement d un go t et d une couleur rendent l eau impropre la consommation enfin certaines algues s cr tent des toxines dangereuses pour tous les tres vivants tant pour le plancton que pour les organismes sup rieurs Bien que de nombreux facteurs contribuent l eutrophisation des lacs et des plans d eau une attention plus particuli re est port e au phosphore du fait du c
78. raphique La mod lisation apparait comme outil permettant de r pondre plusieurs objectifs Coupl e un Syst me d Information G ographiques SIG elle permet de spatialiser et de quantifier les processus aboutissant aux transferts de polluants Dans un second temps elle permet de proposer diff rents sc narios agro environnementaux occupation du sol travail du sol urbanisation et d en mesurer les effets sur les quantit s de polluants qui atteindront le r seau hydrographique puis le lac Dans cette optique de mod lisation des ph nom nes conduisants aux pertes de phosphore mon travail t de mettre en place au sein de l UMR INRA CARRTEL Centre Alpin de Recherche sur les R seaux Trophiques et Ecosyst mes Limniques le mod le hydrologique SWAT Soil and Water Assessment Tool sur un petit bassin versant du L man situ pr s de Thonon dans le Bas Chablais Haute Savoie Les objectifs consistent dans un premier temps mettre en place le MNT et les premi res couches de donn es SIG n cessaires au fonctionnement des mod les de transfert nature et mode d occupation des sols r seaux hydrographiques Cette phase est pour partie effectu e partir de documents d j existants et pour une autre partie partir de travaux de terrain sols v g tation Le mod le SWAT doit ensuite tre adapt aux bassins versants tudi s puis calibr s Ce m moire se divise donc en plusieurs parties la premi re s atta
79. rcube 2 50E 01 2 00E 01 1 50E 01 1 00E 01 5 00E 02 4 0 00E 00 d cembre 96 awil 98 septembre janvier 01 juin 02 octobre 03 99 d bits observ s d bits simul s d bit m3 s Date Graphique 1 Comparaison entre les d bits simul s et observ au pas de temps mensuel Comparaison entre les d bits observ et les d bits simul s courbe de r gression 2 00 01 0 9403 0 0153 EE 1 50E 01 1 00E 01 5 00E 02 0 00E 00 0 00E 2 00 4 00E 6 00 8 00E 1 00E 1 20 1 40E 1 60E 1 80E 2 00E 00 02 02 02 02 01 01 01 01 01 01 d bits observ s m3 s d bits simul s m3 s Graphique 2 Comparaison entre les d bits simul s et observ s au pas de temps mensuel r gression lin aire Les r sultats au pas de temps mensuels apparaissent satisfaisants la simulation des d bits est fid le la r alit Les coefficients permettant de juger de la qualit de la corr lation sont bons le coefficient de corr lation sur l ensemble des ann es mod lis es s l ve 0 88 et le coefficient de Nash 0 77 Cependant un pas de temps plus pr cis est n cessaire 53 Les graphiques suivants pr sentent les r sultats de la simulation des d bits obtenus apr s simulation et calibration au pas de temps hebdomadaire coefficient de corr lation ann e 1998 ann e 1999 ann e 2000 2001 0 71 0 68 0 74
80. riables observ es Mots cl s eutrophisation phosphore pollution diffuse mod le hydrologique SIG Alerted by the CIPEL International Commission of Protection of Water of L man the authorities became now well aware of the problems of eutrophication of the water of the lake of excess of phosphorus and diffuse pollution by this element In a concern of minimizing these contributions and the transfers from the agricultural piece to the hydrographic network new agricultural policies and new actions of installations must be committed Accordingly hydrological modeling and the simulation of the transfers of phosphorus appear essential for including understanding the mechanisms of transfer of phosphorus and thus determining the zones and the periods of the year presenting high risks Extremely of these simulations it is then possible to see the effects of the various agri environmental scenarios suggested by the various local agricultural policies This report thus presents the installation of the hydrological model SWAT Soil and Water Assessment Tool on a small agricultural area catchment area of Thonon in Haute Savoie The data used by the model Digital Elevation Model soil climatological data will have to be integrated on GIS and more precisely on the products of the ESRI range Arcview 3 2 in order to facilitate their integration and their parameter setting Tests of simulations will be then practised in order to correlate the best w
81. s calendriers agricoles de chaque culture e Donn es climatiques L ex cution de SWAT demande diverses donn es climatiques concernant la zone d tude cinq types de param tres sont prises en compte par le mod le pr cipitations journali res sur la dur e de la simulation clairement solaire vitesse du vent humidit relative Les trois premi res donn es sont fournies par la station m t o de la station biologique se trouvant Thonon coordonn es Lambert tendu 916 651 53 260 309 83 Les valeurs d humidit relatives sont simul es par le mod le Cette station se trouve un peu plus d une vingtaine de kilom tres vol d oiseau du bassin versant et l on peut regretter le fait de ne pas avoir eu acc s des donn es provenant d une station m t o plus proche H las les tarifs prohibitifs des donn es nous ont contraints nous contenter de celles d j en notre possession Figure 14 localisation de la station m t o fournissant les donn es au mod le SWAT 33 2 Les diff rentes tapes de la mise en uvre de SWAT a Discr tisation spatiale La discr tisation spatiale est la premi re tape effectuer pour faire tourner le mod le Elle consiste extraire partir du MNT les limites du bassin versant du Mercube ainsi que son r seau hydrographique Dans SWAT la proc dure de d limitation est automatis e la fen tre guidant les op rations successives
82. t de la maille poss de trois informations X Y et Z Ouvert au format Access une requ te permet de d limiter la zone souhait e en imposant par une requ te les latitudes et longitudes minimales et maximales de la zone Une fois cibl s les points de la zone doivent tre interpol s afin que chaque pixel de la zone d tude soit renseign d une valeur d altitude La m thode d interpolation a t choisie selon l exp rience mise en uvre par DUROS en 2002 Celle ci consiste essayer plusieurs m thodes d interpolation et d terminer laquelle est la plus efficace dans le contexte local Pour cela le r seau hydrographique de la zone est digitalis partir de la carte au 1 25 000 de l IGN On extrait ensuite un r seau partir du MNT et l on compare la corr lation entre le r seau digitalis et le r seau extrait du MNT La comparaison est r alis e en cr ant une zone tampon de 20 m tres autour du r seau hydrographique digitalis puis en intersectant cette zone tampon avec le r seau extrait du MNT On peut alors estimer la corr lation en regardant les valeurs du lin aire du r seau r el avec le lin aire du r seau extrait Deux techniques d interpolation ont t test es La technique du Krigeage bas e sur des m thodes de g ostatistiques et la m thode IDW Inverse Distance Weight Les autres techniques n ont pas t retenues pour le test car elles n avaient pas pr sent d assez bons r sultats lors de l exp rien
83. t la p dog n se des sols r alisation Renaud 2004 19 Carte des sols du bassin versant du Mercube au 1 5000 0 162 325 650 975 Le NE L gende types de sols sois superficiels sur moraines BR sois bruns sains sols profonds moyennement hydromorphes HE sols profonds tr s hydromorphes Figure 7 Carte des sols du bassin versant du Mercube r alisation Renaud 2004 20 c Hydrographie Le r seau hydrographique a fortement volu ces derni res ann es Entre 1995 et 2000 le r seau de foss s s est fortement d velopp modifiant sensiblement les limites du bassin versant Nous verrons ult rieurement que ceci a pos quelques probl mes lors de la mod lisation et de l extraction du r seau Le r seau naturel comporte deux parties distinctes une partie p renne l autre temporaire la pente dans la partie p renne provoque le surcreusement du cours d eau dans les formations argileuses fluvio glaciaires et glacio lacustre L rosion des berges att nue au fil des crues les plus importantes le caract re encaiss du cours d eau JORDAN MEILLE 1998 A l exutoire le bassin est quip afin de recueillir des enregistrements concernant le d bit et la chimie des eaux Les mesures de d bit sont effectu es par un limnigraphe flotteur adjacent une section en double v jaug e Ce type de section permet l enregistrement des d bits les plus faibles 0 025 1 au
84. tensification de la production et l urbanisation ont pour cons quences l augmentation des d bits en p riode de crue le raccourcissement des temps de transfert des eaux et la d stabilisation du cours d eau Il est ainsi apparu primordial de contr ler le r gime du cours d eau et de lutter contre les transferts de phosphore qui ont t favoris s par les cons quences des am nagements raccourcissement des temps de transferts favorisant le transport du phosphore vers le r seau hydrographique 2 Caract ristiques physiques du bassin Le Bassin versant du Mercube drain par le ruisseau du m me nom se situe entre les communes de Nernier Yvoire et Messery communes du bas Chablais proche de Thonon les Bains en Haute Savoie Sa taille est de 302 hectares Malgr sa petite taille il peut tre qualifi de complexe au vu des param tres physiques qui le d terminent topographie p dologie hydrographie etc Figure 3 Localisation du bassin versant du Mercube en bleu droite le ruisseau du Mercube 0 0 500 1000 2000 500 mies D km 15 a Topographie Le bassin versant pr sente un allongement maximal de 2 7 Km d Est en Ouest Son altitude varie entre 372 altitude du lac L man et 451 m tres d altitude La pente moyenne est de 4 et n exc de jamais les 8 Les profils en long r alis s dan les premiers temps o le bassin t quip 1998 montrent les unit s suivantes JORDAN MEILLE 1998 des
85. ter des capacit s d analyses statistiques du logiciel bien que pour certains pas de temps le nombre d enregistrements affichables est insuffisant Les repr sentations cartographiques sont assez limit es puisqu il n a pas t pr vu de repr senter les diff rents ph nom nes l chelle de la HRU alors que pour notre projet cette chelle serait la plus int ressante 48 Partie 5 Calibration pr liminaire du mod le 1 M thodologie Les simulations hydrologiques peuvent d sormais tre r alis es Pourtant pour permettre une meilleure concordance entre les variables simul es et observ es il est n cessaire d adapter certains param tres du mod le Cette phase s appelle la calibration Elle consiste dans un premier temps ajuster le bilan hydrique qui contr le l ensemble des processus hydrologiques sur le bassin Cet ajustement ne peut se faire sans une modification des param tres de sol et d occupation qui ont une incidence essentielle sur le bilan hydrique La premi re variable corr ler concerne les d bits l exutoire du cours d eau au pas de temps mensuel puis hebdomadaire Puis dans un second temps les flux de s diments et les flux de phosphore devront tre calibr s Les mesures de d bit observ es qui seront utilis es pour la calibration proviennent des mesures effectu es par le limnigraphe dont est quip l exutoire du bassin versant voir 3 hydrographie Deux indices per
86. tionale pour la Protection des Eaux du L man Coefficient de corr lation outil d analyse mesurant les relations entre deux s ries de donn es Coefficient de Nash outils statistiques permettant de mesurer la concordance entre deux s ries de donn es Curve Number m thode du Soil Conservation Service qui associe un num ro de courbe repr sentant un potentiel de ruissellement chaque cat gorie du sol Dbf ou Dbase data base file format de fichier acc s binaire Disque de Secchi disque que l on enfonce dans l eau d un lac pour en mesurer la transparence Eutrophisation ph nom ne correspondant un enrichissement des lacs en l ments nutritifs phosphore et azote d au rejets engendr s par les activit s anthropique Exutoire point partir duquel on d finit un bassin versant amont et par o s coule l eau intercept e par le bassin versant HRU Hydrologic Response Unit entit spatiale utilis e dans SWAT issue du croisement de la carte des sols et de la carte d occupation des sols IDW Inverse Distance Weight m thode d interpolation par pond ration de la distance inverse IGN Institut G ographique National Krigeage m thode d interpolation bas e sur des th ories g ostatistiques 67 Supprim Supprim Supprim M sotrophe Etat de transition entre les tats oligotrophes et eutrophes MNT Mod le Num rique de Terrain
87. tude qui peuvent tre calcul s a priori et qui assurent la transposabilit en vraie grandeur des r sultats obtenus sur le mod le La justification du mod le repose en d finitive sur le fait que les m mes quations r gissent les ph nom nes en vraie grandeur et en modele r duit 24 Les mod les empiriques sont d velopp s partir d exp riences en laboratoire ou sur le terrain C est le cas par exemple du mod le d rosion USLE Universal Soil Loss Equation Nous verrons d ailleurs ult rieurement que cette USLE intervient dans SWAT Ces deux types de mod les peuvent ensuite tre globaux c est dire qu ils appr hendent le bassin versant comme une seule et unique entit et tente de reproduire son comportement g n ral Malheureusement le mod le global ne tient pas compte de la variabilit spatiale des param tres r gissant les ph nom nes comme le ruissellement ou l rosion et ils ne peuvent donc pas valuer les effets qu auront des modifications de l usage des sols ou de l utilisation du territoire en g n ral C est pourquoi des mod les dits distribu s ont t mis en place permettant l aide de formules math matiques plus complexes de repr senter la variabilit spatiale des ph nom nes agissant sur le bassin Ce dernier est ainsi d coup en unit s afin de prendre en compte l h t rog n it des caract ristiques influen ant la r ponse hydrologique du bassin 2 Description de SWA
88. ubbasin Select LandUse Select Soil a Figure 27 Interface permettant la modification des tables d entr e Cette fen tre se d compose en quatre colonnes Elles permettent de s lectionner la table que l on veut modifier colonne de droite et ensuite de choisir sur quelle portion de l espace cette modification doit tre appliqu e num ro du sous bassin type d occupation et type de sol Les donn es concernant les pratiques agricoles doivent donc tre int gr es La table mgt g re les informations relatives ces pratiques par du d coupage cultural des diff rentes ann es mod liser C est dire que l on peut d tailler l avancement des cultures d terminer quelle date sont sem es les graines quelles dates les fertilisants sont appliqu s en quelle quantit quels sont les travaux du sol effectu s quand se d roule la r colte et quand commence la semence de la nouvelle culture pour l ann e n 1 Ce fichier fonctionne donc en relation avec trois autres fichiers int gr s dans les bases de donn es SWAT une table concernant les cultures dont il a t question dans la partie int gration des donn es concernant l occupation du sol et son quivalent pour les donn es concernant les travaux du sol Till dbf et les types de fertilisants fert dbf dont certains ont du tre ajout s aux fertilisants am ricains pr int gr s dans SWAT 45 2 Met 1_M11_MER40 Management Data Load Scen
89. ui pr sente la structure hydrologique de SWAT montre les diff rents processus intrins que du bilan hydrique Ainsi on peut voir que l hydrologie est mod lis e en deux phases Une premi re phase terrestre qui simule le ruissellement l infiltration l vapotranspiration plusieurs algorithmes au choix selon les donn es disponibles l exportation et le transport de s diments et d l ments nutritifs vers le r seau hydrographique La seconde phase est une phase de transport en rivi re qui caract rise le d placement de ces l ments depuis leur entr e dans le r seau jusqu l exutoire du bassin Certains processus d crits dans la figure 11 sont donc mod lis s sur des bases d terministes ils ob issent des quations physiques en revanche d autres sont caract ris s par des relations empiriques ou des fonctions de transfert 27 Le phosphore En ce qui concerne le phosphore les processus de transfert sont d crits dans la figure ci dessous Le phosphore min ral est d compos en trois compartiments le phosphore min ral du sol en solution le phosphore changeable et le phosphore min ral de r serve P Organique R sidus Fertilisants P R sidus organique des cultures Figure 12 Processus de transfert de phosphore dans le sol mod lis s par SWAT source Neitsch et al 2002 Spatialisation des processus Afin de prendre en compte les h t rog n it s du milieu et mieux mod lis
90. ux bassins versants topographiques puisque seule l information altitude est utilis e Notre zone d tude n tant pas karstique ce type de d limitation apparait suffisant Limite du Exutoire 1 Ex toire2 Limite du bassin versant 2 TU E bassin versant correspondant correspondant Figure 19 M thode d extraction des limites du bassin versant source Payraudeau 2002 36 Le traitement du MNT par l algorithme 08 a abouti en premier lieu la cr ation de plus de 50 sous bassins Ce grand nombre de sous bassin est d au fait de la petite taille de bassin versant qui a demand de positionner un seuil de drainage tr s faible pour obtenir un chevelu en ad quation avec la r alit Ce seuil faible engendr la cr ation de nombreux biefs chaque intersection de portion de cours d eau le mod le plac un exutoire potentiel outlet et par cons quent cr un sous bassin La quasi totalit de ces sous bassins tant d une tr s petite taille leur surface tait insuffisante pour mettre en uvre la spatialisation des donn es sols et occupation Ceci avait pour cons quence de faire crasher le mod le et je me suis donc r solu ne garder qu un exutoire correspondant l exutoire principal pr sent sur le terrain Ainsi mon bassin n a pas t d coup D ailleurs au fil de mes lecture bibliographiques je me suis aper u que la taille de mon bassin correspondait environ la tai
91. vent galement tre engag es pour favoriser le maintien et l installation de bandes herbeuses r le tampon et favoriser la restauration de zones naturelles existantes marais Des actions peuvent tre men es afin de limiter les perturbations de l hydrologie locale et c est l organisation globale du paysage qu il faut s appliquer mieux g rer 12 C est sur cet aspect qu intervient la mod lisation En effet cet outil outre ses capacit s calculer et repr senter les processus impliqu s dans les ph nom nes de pertes et transfert de phosphore permet galement de simuler des sc narios agro environnementaux faisant ainsi varier les conditions du milieu occupation du sol modification du r seau hydrographique Il est alors possible de voir l volution des ph nom nes en fonction des am nagements mis en place et proposer par la suite des op rations mettre en uvre pour pallier aux probl mes mis en exergue par le modele Une gestion du bassin versant par les SIG et la mod lisation aboutit une gestion du paysage permettant un ralentissement des circulations et une diminution de la concentration des sources mettrices de phosphore Cet outil apparait donc comme un moyen de lutte efficace contre les probl mes de pollution diffuse c Objectifs du stage C est sur cet aspect mod lisation qu il m a t demand de travailler L UMR INRA CARRTEL surveille en effet un petit sous bassin versant du L man depuis une
92. x d bits les plus forts bien qu en 2002 une crue exceptionnelle ait emport toute l installation Le pr l vement automatique des eaux est assur par une pompe immerg e Voir annexes tagande NR Limites du bassin 0 80160 320 480 tres EON R seau hydrographique Type r seau anthropis foss s r seau naturel Figure 8 R seau hydrographique du bassin versant du Mercube Renaud 2004 21 d Occupation du sol L agriculture occupe une place importante dans le bassin versant la figure ci dessous montre l occupation du sol pour l ann e 2000 On y voit la dominance des cultures c r ali res La surface agricole utile couvre environ 155 ha soit plus de la moiti de la superficie du bassin pour un nombre total de 11 exploitants La zone urbaine repr sente 22 ha l habitat y est en g n ral concentr sauf en bordure du lac o celui ci est plus diffus Une partie de 9 Ha est compl tement imperm abilis e par les zones urbaines Le reste du bassin 123 Ha est occup par la for t compos e de feuillus et de r sineux celle ci est propice la formation de sols lourds favorables l hydromorphie Ces sols sont donc g n ralement satur s d eau en hiver D une mani re g n rale la r partition des sols d termine le mode d occupation de l espace Jordan Meille 1998 les sols les moins hydromorphes sont g n ralement utilis s pour la culture c r ali re

Modélisation des migrations de phosphore sur un bassin versant et

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