1- Couplage avec l’hydrologie – Géométrie du modèle
Dans la première version de WITCH, toute l’hydrologie (contenus d’eau dans les réservoirs, flux d’eau entre les réservoirs) a été estimée par le modèle ASPECTS (RASSE et al., 2001), développé sur des forêts tempérées (en Belgique). D’une part, l’application du modèle ASPECTS en milieu tropical aurait nécessité un travail très important d’adaptation à
de nouveaux types d’arbres et une recalibration. Ce n’était pas l’objectif de cette thèse. D’autre part, la présence de deux types de sols sur le bassin versant de Mule Hole avec deux comportements hydrologiques bien distincts contraint à tenir compte de ces deux unités dans la modélisation du bassin versant.
Le choix fut pris de coupler à WITCH un modèle hydrologique qui a été développé par J.-C. Maréchal spécifiquement pour cette étude. La description de ce modèle hydrologique est faite dans le chapitre suivant. Les sorties du modèle hydrologique servent de fonctions de forçage à WITCH.
WITCH et le modèle hydrologique sont des modèles en réservoirs. Pour réaliser le couplage, il est nécessaire que la géométrie des réservoirs dans les deux modèles soit superposable. Le bassin versant a donc été découpé de façon identique dans les deux cas, la présence de sols rouge et noir sur le bassin de Mule Hole formant la base du découpage. En effet, les deux sols présentent des minéralogies différentes (kaolinite dominante dans les sols rouges, et smectites dominantes dans les sols noirs), ce qui justifie une séparation des sols du point de vue de la modélisation géochimique. De plus, les propriétés de retrait-gonflement des smectites imperméabilisent le milieu lorsqu’il est humide. Les sols rouges en revanche restent drainants. Leurs comportements hydrologiques nécessitent donc une modélisation distincte.
Pour chaque modèle, un réservoir représente une unité supposée homogène pour laquelle des données minéralogiques et hydrologiques sont disponibles. Le modèle hydrologique se compose de 5 réservoirs. Il distingue les sols des saprolites, sur les deux profils (rouge et noir), le tout reposant sur un réservoir représentant l’aquifère. Le modèle géochimique est constitué de neuf réservoirs. On retrouve ceux de l’aquifère et des deux saprolites. Les sols sont cependant divisés en trois réservoirs chacun afin de prendre en compte les particularités minéralogiques des différents horizons des sols observées sur le terrain. Des horizons A, Bt (sol rouge)/Bv (sol noir) et BC vont être pris en compte pour les deux profils (figure II1.3). Tout au long de cette partie, les différents réservoirs géochimiques vont être identifiés de la même façon, comme présentée dans la figure II1.3. Les trois horizons du sol rouge seront nommés de la surface vers la profondeur : R1, R2 et R3, et de même pour les trois horizons du sol noir : B1, B2 et B3. Les saprolites rouge et noir seront respectivement RSAP et BSAP. La zone fracturée de la roche, l’aquifère, baignée par la nappe sera FZ.
Dans la première version publiée de WITCH (Godderis et al., 2006), deux simulations étaient réalisées séparément, chacune représentant un versant du bassin du Strengbach (Vosges, France). La composition chimique du ruisseau en sortie du bassin versant était
calculée en différé par le mélange des solutions modélisées pour les deux versants (« post- processing » des sorties du modèle). Dans la version adaptée, le couplage avec le modèle hydrologique permet de simuler en une seule exécution (une simulation) l’altération parallèlement sur deux profils de sol type, ainsi que de réaliser le mélange des diverses solutions qui composent le ruisseau (atmosphère, écoulements de surface, solution de sol).
Figure II1.3 : Découpage du bassin versant en neuf réservoirs pour la modélisation géochimique de façon superposable au découpage du bassin pour la modélisation hydrologique (un seul réservoir par type de sol). Les flèches correspondent à des flux donnés par le modèle hydrologique.
Overland-Flow : ruissellement ; Inter-flow : écoulement hypodermique.
2- Composition de la pluie et des dépôts atmosphériques humides
La composition des solutions atmosphériques qui entrent dans le bassin versant est un forçage important du modèle. On considère ici que les solutions atmosphériques se composent
d’un mélange de dépôts atmosphériques humides sensu stricto (appelés ‘pluies’ par abus de langage) et de pluviolessivats. La démarche utilisée pour faire une estimation de leur composition est résumée ici.
(i) Sur le bassin versant de Mule Hole, le suivi de la composition chimique des dépôts atmosphériques humides sensu stricto dans le cadre de l’ORE-BVET offre une base de données suffisante pour tenir compte de ces variations au cours de la durée de la simulation. Dans la version adaptée pour ce travail, la composition de la pluie est donc variable et forcée par les données de terrain.
(ii) Quelques données ponctuelles existent pour les pluviolessivats sous trois espèces d’arbres. Une composition moyenne fixe est estimée à partir des proportions relatives des espèces d’arbres dans un bassin versant proche de Mule Hole (SUKUMAR et al., 2005).
(iii) Pour finir, un mélange entre la pluie et les pluviolessivats est réalisé. Les proportions de ce mélange sont fixées annuellement. Pour cela, on s’intéresse à la concentration moyenne en K+ des premières crues de l’année. En effet, elles sont très largement composées de ruissellement de surface (à plus de 90% d’après le modèle hydrologique, chapitre suivant II- 2). Ce ruissellement de surface est supposé avoir la composition chimique des solutions atmosphériques. Le K+ est fortement influencé par la biosphère et est recrêté par les végétaux (CHAUDHURI et al., 2007; LIKENS et al., 1994) et enrichissent les pluviolessivats. Les dépôts atmosphériques humides en revanche en contiennent faiblement. Les proportions de dépôts atmosphériques humides et de pluviolessivats sont calculées de façon à modéliser la concentration mesurée au ruisseau.