Dans cette section, nous allons décrire le modèle T N T ainsi que le bassin versant modélisé à l’aide de ce modèle. Un bassin versant représente le territoire drainé par une rivière en amont d’un point nommé "Exutoire" (Figure.3.1). Ensuite, nous présentons le protocole de simulation ainsi que les entrées/sorties de ce modèle.
3.2.1 Le modèle TNT
Le modèle agro-hydrologique TNT (Topography-based Nitrogen Transfer and trans- formations) [BDR01, BDR 02] a été développé pour étudier les flux d’azote (N) et de
nitrates (N-NO3) dans des bassins versants de petite taille (10-50 km2). Ce modèle est
orienté processus et est spatialement distribué afin d’inclure des interactions spatiales [BDR 02]. Il est basé sur le couplage (i) du modèle ST ICS [BMR 98] qui simule la croissance des plantes ainsi que les bilan d’eau et d’azote (N) dans le sol ; (ii) d’un modèle hydrologique spatialement distribué adapté aux aquifères superficiels [BDR01] et (iii) un modèle pour simuler la dénitrification hétérotrophe dans les sols [HG00]. Par conséquent, T N T est conçu pour simuler le cycle de l’azote de la parcelle au bassin versant et pour analyser les impacts des pratiques agricoles et de l’occupation des sols sur les flux et le stockage d’azote à différentes échelles spatio-temporelles. Ces dyna-
miques sont généralement simulées par T N T sur une grille de 25 25 m (le pas de 25 m
correspond à la taille de la maille traitée par T N T ) au pas de temps journalier. T N T a été développé autant pour des finalités de recherche (processus de dénitrification, effet
Les données 59
de la structure de paysages,...) que pour permettre d’évaluer des mesures d’atténuation environnementales dans un contexte d’aide à la décision [MRM 12].
Éxutoire du bassin versant
Figure 3.1 – Le bassin versant du Yar
3.2.2 Site d’étude
Le modèle T N T a été appliqué sur le bassin versant du Yar (voir Figure.3.1), qui débouche dans la baie Lannion, à l’ouest des Côtes d’Armor. Le Yar draine une surface
de 61, 5 km2, dont 8% de surfaces urbaines, 28% de forêts et 64% de surfaces agricoles.
Il est constitué de 4620 parcelles agricoles. En 2007, 194 fermes avaient tout ou partie de leur surface agricole sur le bassin versant. Malgré des concentrations modérées de l’ordre
de 6.8 mg N -N O3 l1 (i.e. beaucoup plus faible que 11.3 mg N-NO3 l1qui constitue le
seuil à ne pas dépasser pour l’eau potable), la baie de Lannion est affectée par des marées vertes chaque été depuis 40 ans. Une meilleure compréhension du fonctionnement du bassin versant nécessite une analyse détaillée de l’impact des systèmes de culture sur les émissions d’azote à différents échelles spatio-temporelles.
3.2.3 Protocole de simulation
La période de simulation couvre 12 années, du 1 septembre 1996 au 31 août 2008. Des données météorologiques journalières (pluie, ETP, température de l’air minimum et maximum, rayonnement global) ont été acquises auprès de Météo France. Durant cette période, le modèle est calibré à l’aide de données de débits et de concentrations en nitrates ainsi que de nombreuses données sur l’agriculture et le milieu (pratiques agricoles reconstituées, géologie,...) (Figure.3.2). Des scénarios d’évolution des pratiques agricoles sont traduits en données d’entrée, lesquelles sont implémentées dans T N T .
Figure 3.2 – Variables d’entrées et de sorties du modèle TNT
Quatre scénarios ont été élaborés pour être testés sur le bassin versant du Yar pour la période 2009-2020 :
– le scénario "pratiques actuelles extrapolées", appelé scénario PAE ;
– le scénario d’application de la Mesure Agro-Environnementale SFEI (Système Fourrager Econome en Intrants, appelé scénario SFEI) ;
– le scénario SFEI auquel on ajoute la mise en prairie permanente des parcelles en zone hydromorphe, appelé scénario SFEI+PP-ZH ;
– le scénario avec la totalité de la SAU implantée en prairie permanente, appelé scénario AA (Arrêt de l’Agriculture) et dont le but est d’évaluer la réactivité du bassin versant.
Les données manipulées ici sont issues de la simulation réalisée sur le scénario PAE. Ce scénario consiste à utiliser les pratiques agricoles définies pour la dernière période de calibrage et à les poursuivre jusqu’en 2020. Les successions culturales, les pressions azotées et l’assolement restent les mêmes.
Les résultats de cette simulation sur 22 ans sont stockés dans deux fichiers distincts (ceci est valable pour tout scénario simulé avec T N T ) : (i) le premier représente les rotations des cultures et les opérations correspondantes (semis, fertilisation, récolte) pour chaque parcelle pendant toute la période de simulation, et (ii) le second décrit les teneurs en eau et en azote et les débits à un pas de temps journalier pour chaque parcelle sur l’ensemble de la simulation. Ce dernier fichier peut contenir jusqu’à 44 variables. Sur ces 44 variables, 16 ont été sélectionnées parce qu’elles sont nécessaires au calcul du bilan des émissions d’azote du sol vers la nappe et vers l’air. Ces 16 variables représentent les émissions d’azote vers l’air et la nappe, la dénitrification, la
Les données 61
minéralisation, la profondeur de la nappe, le stock d’azote dans la nappe et le sol, ...etc. (voir liste des variables dans la table 3.1). Ces variables vont nous permettre d’évaluer l’impact des pratiques agricoles sur les principales composantes du cycle de l’azote. Le cycle de l’azote (voir Figure. 3.3) constitue l’ensemble des transformations subies par l’azote (N) dans la biosphère. La plupart sont d’origine microbienne et leur importance est considérable dans la mesure où elles régissent le bilan de l’azote dans le sol, la nappe et l’air et conditionnent la mise à la disposition des formes minérales pour les plantes.
Figure 3.3 – Cycle de l’azote
Dans la section suivante, nous allons décrire le pré-traitement de ces données afin de les stocker dans un format multidimensionnel et hiérarchique. Une fois stockées ces données pourront être analysées par les outils OLAP.
Variable Description
ET R évaporation-transpiration réelle (mm)
N appe hauteur d’eau de la nappe (hauteur depuis l’horizon imper-
méable) (m)
RU réserve utile en eau d’un sol (quantité d’eau que le sol peut
stocker et restituer à la plante, réserve facilement accessible par la plante sur l’ensemble du profil de sol) (mm)
N RU quantité d’azote stockée dans la réserve utile du sol (g/m2)
N -micro-alterite quantité d’azote stockée dans la microporosité de l’altérite
(g/m2)
N nappe quantité d’azote dans la nappe (g/m2)
ON f ix quantité d’azote atmosphérique fixée par la plante (g/m2)
N mine quantité d’azote minéral résultant de la minéralisation (g/m2)
N denit quantité d’azote minéral perdue par dénitrification (g/m2)
Chum quantité de Carbone dans l’humus actif (g/m2)
N -sequestre quantité d’azote stockée par une matière organique (l’azote
mis dans un humus non facilement minéralisant : il ne sera
minéralisé que si il y a retournement de prairie) (g/m2)
ON plante quantité d’azote exportée et fixée par la plante (g/m2)
N Hum quantité d’azote dans l’humus actif (g/m2)
N Ruissel quantité d’azote sortant par ruissellement (g/m2)
N Exf iltra quantité d’azote exfiltrée (g/m2)
N Ecoulp flux d’azote qui part en profondeur (g/m2)
Table 3.1 – Description des variables de sorties T N T sélectionnées