DE L’EVAPOTRANSPIRATION Introduction
3.1.1. Concepts et Notions de base 1. La télédétection optique,
La télédétection désigne la discipline scientifique qui regroupe l’ensemble des connaissances et des techniques utilisées pour l’observation, l’analyse, l’interprétation, et la gestion de l’environnement à partir de mesures et d’images obtenues à l’aide de plateformes spatiales, terrestres ou maritimes. Cette discipline a été conçue pour déterminer des caractéristiques physiques et biologiques d’objets par des mesures effectuées à distance (Berg., 1986 ; Bonn F. et al., 1992, Caloz R., 1996 ; Er-raki S., 2007 ). Par son caractère répétitif, synoptique et diversifié du point de vue des thématiques, la télédétection est une source d’information indispensable dans le suivi de certains paramètres environnementaux, et ce, à travers l’enregistrement de l’énergie d’un rayonnement électromagnétique émis ou réfléchie (Foin., 1987 ; Dubreuil V. et al., 2002 ; Souidi, al., 2010). En climatologie, elle permet d’étudier les éléments du climat en temps quasi-réel. À la différence des enregistrements réalisés par les stations climatiques, les Images obtenues par télédétection ne nécessitent donc pas d’interpolation. Dans cette perspective, la télédétection est sollicitée en tant qu’outil méthodologique devant contribuer à la mise en œuvre et à déterminer l’évapotranspiration suivant deux principes :
-
Le principe semi-empirique, à l’aide de la température de surface de la végétation (Seguinet al., 1982 ; EL Garouni., 1995). Dans la plupart des cas, l’évapotranspiration est calculée
comme « résidus » du bilan d’énergie (chaleur latente). En effet, lorsqu’une surface est sujette à l'évaporation, elle perd de l'énergie et se refroidit. C'est ce refroidissement qui peut être observé depuis l'espace. Les satellites peuvent cartographier la chaleur infrarouge émise par la terre, nous permettant ainsi de distinguer les surfaces froides des surfaces chaudes. Les surfaces sèches apparaissent très nettement lorsqu’elles deviennent plus chaudes que les surfaces alentour ;
-
Le principe déterministe, fait appel au modèle de transfert sol-plante-atmosphère. Dans ce cas, la production de biomasse correspond à la quantité de matière sèche élaborée par l'assimilation nette (différence entre photosynthèse et respiration) à l'échelle de temps. Ce principe met en évidence la relation entre la valeur moyenne de l’indice de la végétation au cours de la saison de végétation et la production de biomasse correspondante. De plus, Il fait intervenir des calculs de surface de végétation, à l’aide d’indices de végétation basés sur l’écart de signal des canaux rouge et proche infra-rouge des images satellite (Vidal A., 1993 ; Qiaozhen, al., 2009 ; Amri., 2013).À partir de ces deux principes, on peut évaluer d'évapotranspiration pour un point donné, l’exécution se fait par des algorithmes sur ordinateur. Ainsi, les informations satellite fournissent des indices qui viennent compléter les renseignements mesurés au sol par le réseau météorologiques. Enfin, cette synergie résulte en une augmentation de la valeur des données réseau et satellite.
70 3.1.1.2. …..et le Système d’Information Géographique
Thériault (1992) définit le système d'information géographique (SIG) comme « un ensemble de principes, de méthodes, d’instruments et de données à référence spatiale, utilisé pour saisir, conserver, transformer, analyser, modéliser, simuler et cartographier les
phénomènes et les processus distribués dans l’espace géographique ».Plus précisément
Tveiton (2007) définit l’utilisation des Systèmes d’Information Géographiques (SIG) en climatologie et en météorologie comme étant «Ensemble de méthodes décrivant l’interdépendance de données voisines dans un jeu de données, dans un système de
coordonnées typiquement cartésien ». La spatialisation du climat consiste le plus souvent à
estimer en tout point de l’espace un phénomène climatique, à partir de mesures ponctuelles (interpolation) ou exhaustives (télédétection) ou encore en modélisant l’occurrence de ce phénomène (modèles de prédictions météorologiques). La définition du terme « spatialisation » est proche du terme « cartographie ». En réalité, le terme « spatialisation » ne se limite pas à désigner le processus d’établissement d’une carte. Il indique également le post-traitement qui peut en être fait via notamment l’utilisation de SIG. La spatialisation des variables climatiques peut être réalisée en utilisant différentes sources de données (Bois B., 2007).Les SIG dans leur fonction stockage et d’intégration de données s’appuient bien souvent sur la télédétection, la plus grande source actuelle de sources de données spatiales.
Dans ce travail, nous avons élaboré une base de données sous un Système d’Information Géographique (SIG) qui met en relation les trois composantes du modèle adapté dans cette étude, sol-plante-atmosphère, suivant les taches suivantes :
-
le sol : c’est la détermination du stock d’eau dans le sol, via la carte de la réserve utile, ou bien l’estimation de l’humidité du sol par imagerie satellite pour élaborer une cartographie de l’ETR ;-
plante : c’est la caractérisation de la végétation, par le biais des profils des NDVI, pour distinguer la typologie de l’occupation du sol et l’évolution du cycle des coefficients culturaux afin d’avoir une spatialisation de l’ETM ;-
l’atmosphère c’est-à-dire interpoler les paramètres climatiques conditionnels de l’ETP. La carte sera transformée sous format matriciel pour s’adapter aux produits des séries temporelles des NDVI.Nous présentons dans ce qui suit la démarche adoptée pour déterminer l’évapotranspiration sous ses différentes formes et le déficit d’évaporation.
En somme, Le couplage de la télédétection spatiale et le S.I.G permet la paramétrisation de l’évapotranspiration sous ses trois composantes (ETP, ETM et ETR) dans le B.V de la Mejerda sur des surfaces hétérogènes et de combler les lacunes des données météorologiques mesurées au sol.
3.2. Présentation des méthodes d’estimation de l’Évapotranspiration 3.2.1. Description du modèle FAO-56
Le modèle utilisé est le modèle FAO-56 (Allen et al., 1998), est aujourd’hui communément reconnu comme un standard pour déterminer l’évapotranspiration. Dans cette étude, nous avons met le l’accent sur ce modèle qui constitue le niveau le plus simple de description des échanges sol‐plante‐atmosphère, utilisé de façon opérationnelle par la plupart
71 des gestionnaires des bilans de l’eau en climatologie, agronomie et hydrologie. Il pondère une évapotranspiration potentielle (celle d’un gazon ras bien irrigué soumis aux conditions climatiques actuelles) par des coefficients culturaux qui synthétisent la différence de fonctionnement bioclimatique entre le gazon et la culture en question, mais aussi les différents stress environnementaux (Amri R., 2013). Dans ce modèle, on distingue trois types d’évapotranspiration selon le type de la culture et les conditions climatiques comme l’indique la figure 30 :
-
l’évapotranspiration de référence ET0 (ETP) qui est définie comme l’ensemble des pertes d’eau par évaporation et par transpiration d’une surface étendue de gazon bien alimentée en eau, ayant une hauteur uniforme de 8 à 15 cm, en pleine période de croissance, couvrant complètement le sol(Allen et al., 1998) ;-
l’évapotranspiration sous des conditions standards ETc appelée aussi évapotranspiration maximale (ETM). Elle est définie à différents stades de développement d’une culture donnée sous des conditions agronomiques optimales ; c’est à dire sans maladie et sans stress ni hydrique ni nutritionnel. ETc est reliée à ET0 par l’intermédiaire d’un coefficient Kc appelé coefficient cultural qui tient compte de la différence physique et physiologique entre la surface de référence et la culture donnée (Allen et al., 1998) ;-
l’évapotranspiration sous des conditions non standards ETcadj appelée aussi évapotranspiration réelle (ETR) qui est définie comme la somme des quantités de vapeur d’eau évaporée par le sol et la végétation à un stade de développement physiologique donné et un état sanitaire réel (présence des maladies et des insectes, stress hydrique…). ETR est reliée aussi à ETc par un coefficient K s appelé coefficient de stress hydrique (Allen et al., 1998). Afin de déterminer l’évapotranspiration maximale et l’évapotranspiration réelle, il est nécessaire de déterminer trois paramètres : l’évapotranspiration de référence ET0, le coefficient cultural KC et le coefficient de stress hydrique KS. Ceci est réalisé en suivant l’organigramme de la figure 31. Enfin, il est à remarquer que nous avons opté pour l’approche 1 en raison de son exécution simple dont elle n’intègre pas les évènements des pluies et d’irrigation (Er-raki S., 2007).Figure 29: Trois types d’évapotranspiration estimés par le modèle FAO-56 : Évapotranspiration de référence (ETo ou ETP), évapotranspiration sous la condition standard (ETc ou ETM) et sous les
72
Figure 30: Organigramme de calcul d’évapotranspirations maximale (ETM) et réelle (ETR) par les deux approches du modèle FAO-56 (Allen et al., 1998)23.
23 Légende
- Kc, coefficient cultural
- Kcb, coefficient cultural de base - Ke, coefficient d’évaporation du sol - Ks, coefficient de stress
- Kcini, coefficient cultural de la phase initiale - Kcmid, de la mi-saison
- Kcend, de la récolte
Approche1 Approche 2
73 3.2.2. Estimation de l’évapotranspiration potentielle (ETP) : l’équation de FAO
Penman-Monteith et procédure de calcul
Le concept de l’évapotranspiration potentielle (ETP) a été introduit pour étudier la demande évaporatoire de l’atmosphère indépendamment du type du couvert végétal et des pratiques de gestion. Face à la difficulté à respecter les conditions standards pour le calcul de l’ETP, des méthodes empiriques ou semi-empiriques ont été développées pour estimer ETPà partir de différentes paramètres climatiques. Ces formules empiriques peuvent être classées en trois groupes : les méthodes de température (Blaney and Criddle, 1950 ; Hargreaves and Samani, 1985), les méthodes de radiation (Makkink, 1957 ; Turc, 1961; Priestly and Taylor, 1972 ; El Garouni., 1995) et les méthodes combinées (Penman, 1948; Riou., 1980 ; Allen et
al., 1998).Dans cette étude, nous avons appliqué la méthode de FAO développée par Allen et
al en 1998 pour l'estimation de l’ETP. Ceci nous est apparu nécessaire d'y avoir recours afin d'estimer la valeur plafond que pourrait prendre l'évapotranspiration sur le BV de la Mejerda. 3.2.2.1. Équation de Penman-Menteith
En Climatologie, comme dans beaucoup d’autres domaines, l’ETP de Penman est une référence. Elle est censée donner l’estimation la plus proche de la mesure lysimétrique de l’ETP. Cette équation a été formulée de façon à inclure tous les paramètres qui gouvernent l’échange d’énergie d’une végétation étendue et uniforme. La plupart de ces paramètres sont mesurés ou peuvent être rapidement calculés à partir de données météorologiques. Cette équation peut être utilisée pour un calcul direct de l’évapotranspiration une fois que les résistances aérodynamiques de surface sont spécifiées. La combinaison des équations d’énergie et de transfert de masse a permis de trouver une équation qui s’appelle l’équation de Penman-Monteith. Cette équation s’exprime comme suit (Allen et al, 1998) :
λET : flux de chaleur latente (w/m2),.24
Rn : rayonnement net à la surface de la culture il est donné par la formule suivante (Allen et
al., 1998) :
RS : rayonnement solaire direct et diffus atteignant le sol [Wm-2], RA : rayonnement atmosphérique dirigé vers le sol [Wm-2], RT : rayonnement terrestre [Wm-2],
α: albédo de la surface.
G : flux conductif, il est calculé en utilisant la formule suivante (Allen et al, 1998) :
24ET0 évapotranspiration de référence [mm/jour] ; Rn rayonnement net de surface [MJ/m²/jour] ; G flux de chaleur du sol [MJ/m²/jour] ; T température de l’air moyenne à 2m [°C] ; u2 vitesse du vent à 2m [m/s] ; es pression de vapeur à saturation [kPa] ; ea pression de vapeur actuelle [kPa] ; Δ variation de la courbe de pression de vapeur [kPa/°C] ; γ constante psychométrique [kPa/°C]
74 cs : Capacité calorifique du sol [MJ/m3°C],
Ti : Température de l’air au temps i[°C], Ti−1 : Température de l’air au temps i-1[°C], Δt : période de mesure [jour],
ΔZ : profondeur effective du sol [m],
Δ : pente de la courbe de la pression de vapeur saturante à la température de l’air. Elle est calculée en utilisant la formule suivante (Tetens, 1930; Murray, 1967) :
γ : constante psychrométrique. Elle est calculée en utilisant la formule suivante :
P : pression atmosphérique donnée par Burman et al. (1987) :
λ: Chaleur latente de vaporisation=2.45 [MJ/kg] (Harrison, 1963) cp : Chaleur spécifique = 1.013.10-3[MJ/kg. °C]
kPa= 0.622 : rapport moléculaire de la vapeur d’eau et de l’air sec. z : hauteur a partir du niveau de la mer [m].
ra
: résistance aérodynamique. Elle est calculée en utilisant la formule suivante (Thom et al.,1975) :
Z m : hauteur à laquelle est mesurée la vitesse du vent [m], Zh : hauteur à laquelle est mesurée l’humidité de l’air [m], d : hauteur de déplacement du plan de référence [m],
Z0m : Longueur de la rugosité de la quantité de mouvement [m],
Z0h : Longueur de la rugosité du transfert de chaleur et de vapeur [m], k : constante de Von Karman=0.4,
uz : Vitesse du vent à la hauteur z [ms]. Elle est liée à la vitesse du vent à la hauteur 2m par la relation suivante (Allen et al, 1998) :
75
rs
: résistance de surface (s/m),es ea
: déficit de pression de vapeur d’air, ρa : densité moyenne de l’air,cp : capacité calorifique de l’air [MJm3°C].
3.2.2.2. L’équation de FAO -Penman-Monteith25
En mai 1990, une consultation d’experts et de chercheurs a été organisée par l’organisation mondiale de l’agriculture et de l’alimentation (FAO) en collaboration avec l’organisation mondiale de la météorologie et avec la commission internationale pour l’irrigation et le drainage, pour déterminer les différentes méthodes de calcul de l’évapotranspiration de référence ET0. L’ensemble des experts a recommandé l’adoption de l’équation de Penman-Monteith comme une méthode universelle de calcul de l’évapotranspiration de référence. À partir de l’équation originale de Penman-Monteith, les équations de la résistance aérodynamique et de résistance de surface pour une surface de référence, l’équation utilisée pour le calcul de l’évapotranspiration de référence ET0 s’écrit comme suit (Allen et al, 1998)
Avec : ET0, évapotranspiration de référence ; T : température moyenne journalière à la hauteur 2m [C]. Elle est calculée en utilisant la formule suivante (Allen et al, FAO, 1998) :
Tmax : température journalière maximale (°C), Tmin : température journalière minimale (°C), u2 : vitesse du vent à 2m de hauteur [ms], es : pression de vapeur saturante de l’air [kPa], ea : pression de vapeur réelle [kPa],
25 Légende :
Δ : Pente de la courbe de pression de vapeur saturante en fonction de la température à la température Ta. s’écrit en kPa.°C-1 : 24098(237.3)aaeTΔ=+
Rg : Rayonnement global (MJ m-2 jour-1) : Rg = Re.(0.18 + 0.52D/DL)
Rn : Rayonnement net (MJ m-2 jour-1) : 4(1)(0.560.0992)(0.10.9) nga de DTeDασ=−+ RR où α est l’albédo et σ est la constante de Stefan-Boltzmann (924.90310MJmj ×1 ).
γ : Constante psychrométrique, soit : γ = 0.066 kPa.°C-1
76 Le calcul de l’ETP, a été réalisé par le logiciel ET0 calculateur de la FAO26. À cet effet, on a utilisé les coefficients de calibration (a et b) pour estimer le rayonnement solaire (proposé par Mjejra M., 2005)27.
En définitive, la formule de Penman-Monteith peut être considérée comme la première tentative de schématisation des transferts sol-végétation-atmosphère et elle reste le modèle de la FAO le plus simple à mettre en œuvre. Pour la Tunisie, Hbaieb et Masmoudi en 2003 ont indiqué que la formule PM donne une estimation précise de l’ETP car elle « tient compte également des caractéristiques éco-physiologiques de la plante, en l’occurrence de la
résistance stomatique ». À son tour Nasr Z. en 2002 a trouvé sur une période de 10 ans
(1980-1990) une corrélation significative de 0,81 entre ETP mesurée et ETP calculée (Figure 32). De plus, Jabloun (2008) confirme que la méthode de la FAO-56 Penman-Monteith est la plus
« adéquat pour calculer ETP moyenne quotidienne avec une l'erreur quadratique moyenne
(RMSE) de 0,4 et 0,2 mm par jour ».
Figure 31 : (a) Valeurs décadaires de ETo mesurée par lysimètre à drainage dans la station de Mornag-Tunisie, entre 1980 et 1990 ; (b) corrélation entre les valeurs mesurées (ETo Lys) et valeurs calculées (ETo /FAO-PM) à la station de Mornag-Tunisie entre 1980 et 1990 (Source :
Nasr Z. 2002)
26ET0 calculateur version 3.2 ce logiciel calcul ET0 partir de données météorologiques au moyen de l’équation de Penman-Monteith FAO. Cette méthode a été choisie par la FAO comme référence car il est très proche de l'herbe ETO au lieu évalué, est basé physiquement, et intègre explicitement les paramètres physiologiques et aérodynamique.
Le programme peut gérer des données climatiques journalières, décadaires et mensuels. Les données peuvent être donnés dans une grande variété d'unités et de données spécifiés dans les paramètres climatiques couramment utilisés peuvent être traitées. Lorsque les données sont manquantes pour certaines variables météorologiques, les procédures sont utilisées pour estimer les données climatiques manquantes à partir des données de température ou de conditions climatiques spécifiques selon des méthodologies décrites dans l’irrigation et de drainage No 56:. "évapotranspiration" . Même lorsque l'ensemble de données ne contient que la température de l'air maximal et minimal, il est encore possible d'obtenir des estimations raisonnables pour ETo dix jours ou tous les mois.
En sélectionnant limites inférieures et supérieures appropriées pour les données météorologiques, le programme applique un contrôle de qualité lors de la spécification ou l'importation de données. Spécifiée et dérivé des données climatiques, y compris ETO peuvent être exportés dans des fichiers texte compatibles avec AquaCrop ou tracées de diverses manières spécifiées par l'utilisateur. ETo calculateur est conçu comme un outil pratique pour aider les agro-météorologues, des agronomes et des ingénieurs d'irrigation d'effectuer des calculs standard pour ETO pour être ensuite utilisées dans les études de consommation d'eau des cultures.
27Mjejra M., 2005 : Estimation du rayonnement solaire en Tunisie par télédétection et méthodes statistiques, mémoire de master 139p.
a b
77 3.2.3. Estimation de l’évapotranspiration maximale (ETM)
On désigne par l’évapotranspiration maximale, la demande climatique maximale en eau d’une culture sans facteur limitant comme le facteur hydrique, le facteur parasitaire etc... Elle est définie à différents stades de développement d’une culture donnée sous des conditions agronomiques optimales (Allen, al., 1998). C’est-à-dire sans maladie et sans stress ni hydrique ni nutritionnel. Le principe de la méthode FAO-56 pour estimer de l’ETM se fonde sur la multiplication d’un coefficient propre à chaque culture (Kc) l’évapotranspiration potentielle où sont inclus les effets des différentes conditions météorologiques. En effet, ETM est reliée à ETP par l’intermédiaire d’un coefficient cultural qui tient compte de la différence physique et physiologique entre la surface de référence et la culture donnée (Er-raki., 2007). La formule de calcul de l’ETM est la suivante :
Le calcul de l’évapotranspiration maximale passe par quatre étapes (Dorian H., 2003):
1- identifier les stades de croissance de la culture, déterminer leurs durées et sélectionner les Kc correspondant ;
2- ajuster les Kc sélectionnés selon la fréquence des évènements pluvieux ou autres conditions climatiques pour chaque stade ;
3- construire la courbe des coefficients culturaux (permettant de déterminer les valeurs de Kc pour chaque stade de croissance) ;
4- calculer ETM à partir de l’équation précédente
3.2.3. 1. L’élément conditionnel de l’ETM : le coefficient cultural a. Concept du coefficient cultural
Le coefficient cultural (Kc)28est le rapport entre l’évapotranspiration maximale et l’évapotranspiration potentielle. Sa valeur est largement affectée par la nature de la culture, sa hauteur, la durée de son cycle, et son taux de croissance. La fréquence des pluies ou de l’irrigation au début du cycle de la culture affecte également le Kc. Il est donc toujours établi expérimentalement au début, pour une région et une culture donnée, puis ensuite confiné dans des tables pour une utilisation ultérieure dans la même région ou dans une région similaire. Selon la méthode utilisée pour le calcul de l’ETM ou selon l’amplitude des différences entre la culture et celle de référence, le Kc obtenu expérimentalement peut légèrement dépasse la valeur de 1 (Dorian H., 2003 ; Simonneaux, al., 2007) :
Les valeurs de Kc publiées par la FAO-56 sont souvent données par culture, tout en tenant compte des diverses phases de croissance. Dans ce cadre, nous présentons des exemples de valeurs de coefficients culturaux inspirés des travaux réalisés pour des régions de
28L’Algorithme de calcul de Kc à partir des images satellites MODIS est détaillé dans les annexes