Approches de modélisation prenant en compte les spécificités du milieu cultivé

1.4.3.1 A l’échelle de la parcelle

A l’échelle locale ou de la parcelle agricole, la plupart des modèles sont globaux et basés sur les lois d’infiltration qui séparent la pluie en ruissellement et infiltration (Green et Ampt, 1911; Richards, 1931; Horton, 1933; Philip, 1957; SCS, 1972; Morel-Seytoux, 1978). Dans ce contexte, l’approche de modélisation a pour objectif de caractériser le rôle des pratiques agricoles (occupation du sol et états de surface) sur le ruissellement, comme l’effet du labour (Yu et al., 2000; Takken et al., 2001b; Chahinian et al., 2006a), des croûtes de battance (Chahinian et al., 2006b), du mulch (Findeling et al., 2003; Ruy et al., 2006) ou le changement d’occupation du sol (Fontes et al., 2004). Pour modéliser le ruissellement sous l’influence d’un couvert végétal en parcelles agricoles, d’autres auteurs (Van Dijk et Bruijnzeel, 2001; Ajayi et al., in press.) ont couplé le modèle de Gash et al. (1995) avec une fonction de production, montrant le rôle important de l’interception dans la dynamique de ruissellement. Néanmoins, à notre connaissance, peu d’approches de modélisation font le lien entre les flux redistribués par la plante et la genèse du ruissellement.

1.4.3.2 Prise en compte des hétérogénéités du milieu cultivé à l’échelle du bassin versant

A l’échelle du bassin versant, on peut définir trois types de stratégie de modélisation spécifiquement adaptés aux hétérogénéités spatiales du contexte cultivé :

(i) les modèles hydrologiques « généralistes » avec indicateur caractérisant les propriétés liées à l’hétérogénéité du milieu. Ziegler et al. (2007) utilisent le modèle KINEROS2 sur deux bassins au nord Vietnam et appliquent un indicateur de HOF qui détermine la hauteur de ruissellement transité d’une unité à une autre selon l’occupation du sol. Aussi, le modèle ne simule pas la genèse du ruissellement, mais la propagation de ruissellement attribuée sur la base de cet indicateur. Les résultats de modélisation ont donc un poids relatif quant à l’influence de l’occupation du sol sur le ruissellement et ne permettent en aucun cas d’améliorer la compréhension des processus liée aux hétérogénéités du milieu.

(ii) les modèles hydrologiques « généralistes » modifiés sur le code source ou par ajout d’un module spécifique pour le besoin de nouveaux concepts de modélisation. Ainsi, Dunn et Mackay (1996) ont créé une drained version (sic) en surimposant au modèle SHETRAN des réseaux de fossés comme éléments du réseau hydrographique. Les simulations sur le sous-bassin de South Tyne montrent une modification des flux de subsurface par interaction avec le réseau de fossés et une amélioration des performances du modèle. Souchère et al. (1998) utilisent le module TOPO de TOPMODEL qui détermine les surfaces contributives au ruissellement d’après le profil de pente. Ils comparent sur 23 petits bassins la surface contributive calculée avec le modèle TOPO et celle calculée avec le modèle TILLAGE qui force le modèle numérique de terrain selon les directions des sillons. Les résultats montrent que les sens d’écoulements imposés par les orientations des labours modifient significativement les surfaces contributives au ruissellement. Un autre modèle développé à partir de TOPMODEL est le modèle spatialisé TNT (Beaujouan et al., 2001) distribué sur une grille carrée régulière. Couplé avec un modèle de culture, il permet de simuler le bilan d’azote en tenant compte des processus hydrologiques et des pratiques culturales. Carluer et Marsily (2004) ont modifié le modèle TOPOG (Vertessy et al., 1993) en incluant les réseaux linéaires représentés par les fossés, les routes et les haies. Les résultats de modélisation sur le bassin de Kervidy en Bretagne montrent la sensibilité du réseau anthropique aux écoulements mais des difficultés liées à la paramétrisation et à la calibration n’ont donné que des résultats mitigés.

(iii) les modèles hydrologiques de contexte, construits avec un objectif de conceptualisation des hétérogénéités du milieu et de l’organisation du paysage cultivé. Le modèle distribué MHYDAS (Moussa et al., 2002) est structuré autour d’une segmentation de l’espace qui inclut les fossés comme éléments linéaires du réseau hydrographique et les parcelles comme unités hydrologiques. Ce modèle de crue a été conçu pour le contexte méditerranéen où le ruissellement hortonien prédomine, et a été paramétré avec des résultats satisfaisants sur le bassin de Roujan dans l’Hérault (Le Forner, 2001; Chahinian, 2004). Les spécificités du milieu sur le bassin de Roujan sont la sensibilité aux états de

surface en parcelle, une forte intéraction nappe-fossé, et des écoulements de surface accélérés par le réseau de fossés. Une version MHYDAS-DRAIN incluant les écoulements rapides dans les drains a été validée sur le petit bassin versant de Dummerstorf au nord-est de l’Allemagne (Tiemeyer et al., 2007).

1.4.4 En résumé

Une grande diversité de modèles hydrologiques a été conçue et appliquée aux différentes échelles de la parcelle et du bassin versant. En climat tropical humide, l’essentiel des approches de modélisation concerne l’application de TOPMODEL sur des sites forestiers où prédominent le ruissellement sur surface saturée et les écoulements de subsurface. Les hypothèses de base de ce modèle semblent moins adaptées au contexte cultivé où la mise en culture induit une modification importante de ces processus avec l’apparition d’une plus forte composante rapide de ruissellement hortonien. Cependant, à notre connaissance, peu d’approches de modélisation existent en milieu cultivé tropical humide, pour guider notre choix de modélisation. Concernant alors les agrosystèmes tropicaux, se pose la question du choix du modèle à deux niveaux : au niveau des hypothèses de fonctionnement (quels processus simuler ?), et au niveau de la structure du modèle (comment prendre en compte les spécificités du milieu cultivé ?).

Certains modèles sont modifiés et adaptés pour répondre aux objectifs de simulation en contexte cultivé, mais peu de modèles permettent de prendre en compte l’organisation du paysage à l’échelle du bassin versant (parcellaire, réseau de fossés, routes, etc…) et à notre connaissance, peu de modèles de ruissellement incluent les processus locaux de redistribution de la pluie par le couvert. Aussi, une approche originale de simulation de la redistribution de la pluie par la végétation, en plus d’une approche prenant en compte l’hétérogénéité du paysage cultivé, permettrait de modéliser les processus prédominants en bananeraie.