IRRIGATION ET DRAINAGE [ShOFM K70] - APPlICATIoN à lA GeSTIoN DeS eAuX

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4.4 IRRIGATION ET DRAINAGE [ShOFM K70]

4.4.1 Irrigation

En agriculture vivrière, la pratique de l’irrigation existe depuis plus de 5 000 ans (Framji, 1987).

Durant la seconde moitié du XX^e siècle, la superficie totale irriguée dans le monde est passée d’environ 115 millions d’hectares à plus de 270 millions d’hectares. Ainsi, la production mondiale totale de grains alimentaires (céréales, oléagineux et légumi-neuses) a plus que doublé, passant de 1 763 millions de tonnes à 3 891 millions de tonnes. Les terres irriguées représentent 20 % de la superficie totale cultivée dans le monde et assurent plus de 40 % de la production alimentaire totale. De fait, l’irriga-tion, associée à l’utilisation de variétés à haut rendement qui ne peuvent être produites sans irrigation, a été un élément crucial dans le combat mené par de nombreux pays pour atteindre et main- tenir l’autosuffisance en matière de production de grains alimentaires.

L’irrigation est l’activité qui consomme la plus grande quantité d’eau, puisqu’elle absorbe plus de 70 % de la production mondiale d’eau douce. Bien que ce ne soit pas une pratique nouvelle, la plupart des systèmes d’irrigation ne sont pas exploités de manière efficace, leur taux d’efficacité dépassant rarement 40 %. L’histoire abonde en exemples de civilisations qui doivent leur succès à des systèmes d’irrigation bien planifiés et bien gérés et d’autres qui doivent leur déclin à une gestion médiocre et inefficace de ces systèmes. Une gestion efficace des systèmes d’irrigation est centrée sur le maintien d’un régime approprié d’humidité du sol dans la zone racinaire pour assurer une bonne croissance des plantes. Pour ce faire, il faut fournir, en temps voulu, de l’eau en quantités suffisantes et d’éliminer l’excès d’eau de la zone racinaire. La bonne gestion de l’eau en agriculture exige donc à la fois la maîtrise de l’irrigation et celle du drainage.

4.4.1.1 Pourquoi les plantes ont-elles besoin d’irrigation?

L’eau est indispensable aux plantes à bien des égards:

a) Une plante est composée d’eau à près de 70 %;

b) L’eau est d’abord nécessaire pour assouplir la graine et son enveloppe et faciliter ainsi l’appa-rition de la racine, puis la levée de la plantule au-dessus du sol;

c) L’eau agit comme solvant et dissout et transmet à travers les racines des plantes des éléments nutritifs tels que l’azote, le phosphate et le potas-sium, indispensables à une bonne croissance;

d) L’eau agit comme solvant dans les réactions biochimiques qui se produisent dans les plantes, notamment la fixation du carbone et la photosynthèse;

e) Le carbone, l’azote, l’hydrogène et l’oxygène nécessaires à la croissance des plantes provien-nent de l’eau et de l’air atmosphérique et cons- tituent la majeure partie du corps de la plante;

f) Environ 95 % de l’eau absorbée par les plantes est transpirée par les feuilles et les tiges, un processus qui contribue également à refroidir les plantes par temps chaud;

g) Sans eau, les plantes flétrissent et finissent par mourir.

Les forces d’adsorption et de tension superficielle retiennent l’humidité du sol. Au-delà de la capacité de rétention de ces deux forces, tout apport supplé-mentaire d’eau s’infiltre à travers les pores du sol sous l’influence de la force gravitationnelle. Ce processus est connu sous le nom de percolation.

Une mesure de la force avec laquelle l’eau est retenue dans le sol (qui est aussi la force nécessaire

pour extraire l’eau du sol) est appelée tension de l’eau du sol. La quantité d’humidité présente dans le sol est dénommée teneur en eau du sol. La teneur en eau du sol pour laquelle les plantes ne peuvent plus extraire d’eau du sol pour répondre à leurs besoins d’évapotranspiration est appelée point de flétrissement. Lorsque l’humidité du sol atteint ce niveau, les plantes flétrissent et meurent, à moins d’un apport d’eau dans la zone racinaire. La quan-tité d’eau disponible dans le sol entre la teneur en eau à la capacité au champ et le point de flétrisse-ment est appelée capacité de rétention utile du sol.

Le but de l’irrigation des cultures est de garantir, en tout temps, un approvisionnement suffisant en eau dans la zone racinaire, dans l’intervalle compris entre la capacité au champ et le point de flétrisse-ment. L’humidité du sol varie en fonction des pluies, de l’irrigation, de l’évapotranspiration, du ruissellement, de l’infiltration et de la percolation profonde. Lorsque tous les interstices du sol sont complètement remplis d’eau, on dit que le sol a atteint sa capacité de saturation. Dans cet état, l’eau sera évacuée de la zone racinaire du sol sous l’in-fluence de la gravité jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint. Le sol est alors à la capacité au champ. Cette étape est généralement atteinte entre un à trois jours après l’irrigation ou la pluie. Une irrigation efficace ramène la zone racinaire à la capacité au champ. L’eau appliquée au-delà de ce niveau est considérée comme un gaspillage, à moins que cela ne soit fait délibérément dans un objectif de lessivage.

4.4.1.2 Besoins en eau des cultures

Le besoin en eau des cultures est défini comme la hauteur d’eau nécessaire pour compenser la perte d’eau par évapotranspiration pour une plante saine poussant dans de grands champs sans aucune restriction liée au sol, à la teneur en eau du sol ou à la fertilité du sol, de sorte qu’elle puisse atteindre son plein potentiel de production dans les condi-tions données de croissance (Doorenboes et Pruit, 1977).

Ce besoin en eau varie selon les cultures et l’em-placement; il dépend des espèces cultivées, du climat local et du sol. Il est estimé pour une période de temps déterminée, par exemple une semaine, un mois ou une période de végétation.

La demande correspondant à l’évapotranspiration comprend l’évaporation de la surface du sol adja-cent, l’évaporation de l’eau interceptée et la transpi-ration par les stomates de l’épiderme à la surface de la plante (écorce et feuilles). En outre, l’eau est

également nécessaire pour les activités métabo-liques associées à la croissance des plantes. L’eau totale nécessaire à une bonne croissance des cultures est appelée consommation totale. Cependant, la quantité d’eau nécessaire à l’activité métabolique est très faible (< 1 %) par rapport à la demande pour l’évapotranspiration, de sorte que les expressions de consommation totale et d’évapotranspiration des cultures sont utilisées indifféremment.

Les besoins en eau d’une culture sont souvent en partie satisfaits par les précipitations locales et l’hu-midité du sol ainsi que par la remontée capillaire des eaux souterraines là où la nappe phréatique est proche de la zone racinaire. Seule une fraction des pluies locales, appelée pluie efficace, est utilisée par la culture pour sa croissance. Il faut faire attention à l’utilisation de l’expression «pluie efficace», dont le sens varie suivant le domaine abordé. Pour un ingé-nieur spécialiste des ressources en eau, la pluie effi-cace est la pluie qui atteint le réservoir de stockage sous forme de ruissellement, tandis que pour les hydrogéologues, c’est la partie de la pluie qui contribue à la recharge des eaux souterraines. Pour un agronome ou un agriculteur, cependant, c’est la fraction de la pluie qui contribue à répondre au besoin d’évapotranspiration de la culture. En matière de besoins en eau des cultures, la pluie effi-cace est définie comme la partie de la pluie qui contribue directement ou indirectement à la production végétale à l’endroit où elle tombe, mais sans utilisation de moyens mécaniques. La pluie restante s’évapore dans l’atmosphère, ruisselle à la surface du sol ou est absorbée par le sol ou s’infiltre à travers la zone racinaire. La quantité de pluie effi-cace dépend de divers facteurs comme les espèces végétales, les conditions d’humidité du sol dans la zone racinaire, le climat et la répartition temporelle des pluies. Le Bulletin 25 d’irrigation et de drainage de l’Organisation des Nations Unies pour l’alimen-tation et l’agriculture (FAO) (Dastane, 1972) apporte davantage de détails concernant l’estimation de la pluie efficace pour des conditions de culture, de sol et de climat particulières.

4.4.1.3 Détermination des besoins en eau des cultures

Depuis de nombreuses années, la FAO publie des directives pour l’estimation des besoins en eau des cultures. Le Bulletin 56 FAO d’irrigation et de drai-nage (Allen et al., 1998) contient, en particulier, un calcul détaillé des besoins en eau des cultures.

En 1990, un groupe d’experts a recommandé à la FAO l’adoption de la méthode de combinaison de Penman-Monteith comme nouvelle norme pour

l’estimation de l’évapotranspiration de référence.

Cette méthode utilise des données climatolo-giques standard facilement mesurées ou dérivées d’autres données habituellement mesurées et est réputée fournir des valeurs cohérentes pour les calculs des besoins en eau des cultures à travers le monde. Les définitions et concepts fondamentaux intervenant dans la détermination des besoins en eau des cultures sont donnés brièvement ci-dessous.

4.4.1.3.1 Évaporation et transpiration

L’évaporation correspond au processus de transfor-mation de l’eau liquide en vapeur d’eau et de son évacuation de la surface d’évaporation.

L’évaporation se produit à partir des lacs, des cours d’eau, des surfaces humides, des sols et de la végéta-tion. La transpiration est le processus de vaporisa-tion de l’eau liquide contenue dans les tissus végétaux et de sa volatilisation dans l’atmosphère.

Les cultures transpirent principalement à travers leurs stomates. Pratiquement, toute l’eau absorbée par les plantes est rejetée par transpiration, et seule une infime partie est utilisée pour leur croissance métabolique.

4.4.1.3.2 Évapotranspiration

L’évaporation et la transpiration se produisent simul-tanément à partir d’une superficie cultivée, et il est très difficile de faire la part de chacune d’elles. Ainsi, les deux sont représentées ensemble par le terme évapotranspiration (ET). En règle générale, l’évapo-transpiration est exprimée en millimètres (mm) par jour. L’évaporation à partir d’un sol cultivé dépend principalement de la quantité de rayonnement solaire atteignant la surface du sol et varie selon le stade de développement des cultures. Au stade du semis, près de 100 % de l’évapotranspiration corres-pond à la seule évaporation, tandis qu’avec une culture couvrant totalement le sol, plus de 90 % de l’évapotranspiration provient de la transpiration. Le type de culture, la variété et le stade de développe-ment doivent être pris en compte dans l’évaluation de l’évapotranspiration des cultures. Les variations de la hauteur et de la rugosité de la culture, les carac-téristiques d’enracinement, l’albédo, la résistance à la transpiration et la couverture du sol conduisent à des valeurs différentes de l’évapotranspiration pour des cultures soumises aux mêmes conditions environnementales.

Trois termes sont utilisés pour exprimer l’évapo-transpiration: l’évapotranspiration de référence (ET₀), l’évapotranspiration des cultures dans des conditions standard (ET_c) et l’évapotranspiration

des cultures dans des conditions non standard (ET_c). Pour obtenir davantage d’informations sur l’évaporation et l’évapotranspiration, on se reportera au chapitre 4 du volume I du présent guide.

4.4.1.3.3 Évapotranspiration de référence

L’évapotranspiration d’une surface de référence qui n’est pas limitée en eau est appelée évapotrans-piration de référence, ET₀. Le concept d’évapo-transpiration de référence facilite l’étude de la demande évaporatoire de l’atmosphère, indépen-damment des facteurs pédologiques, du type et du stade de développement de la culture et des pratiques de gestion. Ainsi, les paramètres clima-tiques sont les seuls facteurs ayant une incidence sur l’évapotranspiration de référence, qui peut donc être calculée à partir de données météorolo-giques observées ou estimées. La méthode Penman-Monteith de la FAO est recommandée comme la seule méthode à employer pour la détermination de l’évapotranspiration de référence. Cette méthode a été choisie parce qu’elle fournit une valeur approximative très proche de l’évapotrans-piration de référence de l’herbe à l’endroit étudié, qu’elle se base sur des principes physiques et qu’elle prend explicitement en compte des para-mètres physiologiques et aérodynamiques. Elle nécessite des données sur le rayonnement, la température de l’air, l’humidité de l’air et la vitesse du vent. Les calculs permettant d’obtenir une valeur estimative des paramètres climatiques à partir des données météorologiques sont indiqués.

On y décrit également les calculs des variables météorologiques manquantes nécessaires au calcul de l’évapotranspiration de référence. Il est ainsi possible d’établir une estimation de l’évapotrans-piration de référence en toutes circonstances, même en l’absence de données climatologiques.

Relier l’évapotranspiration à un type de surface en particulier fournit une référence à laquelle l’évapo-transpiration à partir d’autres surfaces peut être reliée. Il n’est ainsi plus nécessaire de définir une évapotranspiration distincte pour chaque culture et chaque stade de développement. Une telle valeur de référence facilite également la compa-raison des valeurs de l’évapotranspiration de réfé-rence relevées à différents endroits ou à différentes saisons. La surface de référence correspond à une culture de référence hypothétique ayant des carac-téristiques bien précises. La culture de référence est définie comme:

[...] une culture hypothétique d’une hauteur de 0,12 m, présentant une résistance de surface de 70 s m^–1 et un albédo de 0,23. Cela correspond à un gazon homogène en phase active de croissance,

bien alimenté en eau et couvrant totalement le sol [...] (Allen et al., 1998).

Les calculs détaillés de l’évapotranspiration de réfé-rence d’une culture sont donnés dans le chapitre 4, partie A du Bulletin FAO 56 d’irrigation et de drainage (Allen et al., 1998). L’utilisation d’autres dénominations comme évapotranspiration poten-tielle (ETP) n’est pas recommandée, à cause de certaines ambiguïtés associées à ces termes.

4.4.1.3.4 Évapotranspiration des cultures dans des conditions standard

Il s’agit de la demande d’évaporation de plantes cultivées dans des champs de grande superficie correctement irrigués, bénéficiant de conditions de gestion et d’environnement optimales et offrant un rendement maximal dans les conditions climatiques existantes (Allen et al., 1998).

4.4.1.3.5 Évapotranspiration des cultures dans des conditions non standard

Dans la réalité, l’évapotranspiration des cultures varie en fonction de différents facteurs, notam-ment: la salinité des sols, la présence de niveaux concrétionnés dans le sous-sol, une faible fertilité du sol accompagnée d’une mise en valeur médiocre des terres, l’insuffisance des mesures de protection des végétaux, la couverture du sol, la densité des plantes et la teneur en eau du sol. C’est pourquoi dans de telles conditions particulières, l’évapotrans-piration des cultures dans des conditions standard nécessite généralement un ajustement. Il est possible de prévoir la réduction de l’évapotranspira-tion due à la salinité de l’eau du sol en combinant les équations rendement-salinité présentées dans le Bulletin FAO 29 d’irrigation et de drainage (Ayres et Westcot, 1985) avec les équations rendement-évapotranspiration du Bulletin FAO 33 d’irrigation et de drainage (Doorenboes et Kassam, 1979). Les détails sont donnés dans le Bulletin FAO 56 d’irriga-tion et de drainage (Allen et al., 1998).

L’évapotranspiration, ET_c, d’une culture donnée est déterminée en multipliant l’évapotranspiration de référence, ET₀, par le coefficient K_c, appelé coeffi-cient de culture (ET_c/ET₀). Le coefficient de culture, spécifique de la culture étudiée, varie en fonction du stade de développement et des conditions météorologiques. Il tient compte aussi des diffé-rences dans le couvert végétal et de la résistance aérodynamique par rapport à la culture de réfé-rence. En tant que tel, le coefficient sert à synthé-tiser les différences physiques et physiologiques entre les cultures.

4.4.1.4 Besoins en eau d’irrigation

L’irrigation est définie comme la quantité d’eau qu’il est nécessaire d’apporter artificiellement aux plantes pour garantir le bon développement d’une culture. Elle diffère de l’approvisionnement naturel en eau par la pluie, l’humidité du sol ou la contribu-tion capillaire de l’eau souterraine, entre autres. Le besoin net en eau d’irrigation correspond à la quan-tité d’eau à fournir à la zone racinaire des plantes en plus de la contribution des précipitations, de l’hu-midité du sol et de l’alimentation capillaire par la nappe phréatique. Il doit inclure certains besoins particuliers tels que ceux nécessaires pour le lessi-vage des sels de la zone racinaire et, dans le cas des rizières et de la culture du jute, l’eau nécessaire à la préparation du terrain, au maintien du niveau statique de l’eau, à la percolation et au drainage périodique.

En conséquence, le besoin net en eau d’irrigation d’une culture est égal à la demande d’évapotranspi-ration, ETc, dans la zone racinaire (le besoin en eau de la culture), plus les besoins spéciaux des cultures tels que l’eau nécessaire au lessivage et à la prépara-tion du terrain moins la pluie efficace, plus la contribution de l’humidité du sol et l’alimentation capillaire à partir de la nappe phréatique.

L’irrigation d’une culture provoque inévitablement une certaine perte d’eau entre la source d’approvi-sionnement et la zone racinaire du fait du trans-port, de la distribution et de l’apport d’eau.

L’efficacité de l’irrigation est fonction de l’efficacité du système de transport, du système de distribu-tion et de la méthode d’irrigadistribu-tion employée et de sa programmation dans le temps. En conséquence, le volume total d’eau d’irrigation nécessaire, ou besoin brut en eau d’irrigation, est évalué comme suit:

Besoin brut en

= besoin net en eau d’irrigation eau d’irrigation efficacité de l’irrigation

où l’efficacité de l’irrigation est égale à l’efficacité de l’apport multipliée par l’efficacité de la distribution multipliée par l’efficacité du transport.

Les besoins net et brut en eau d’irrigation peuvent être évalués pour une parcelle ou une exploitation agricole donnée de même qu’à l’échelle d’un péri-mètre irrigué desservi par un exutoire ou un canal primaire, secondaire ou tertiaire mineur ou majeur ou encore un projet d’irrigation, en utilisant la valeur correspondante de l’efficacité. Le besoin brut en eau d’irrigation est exprimé en volume d’eau par hectare de superficie cultivée sur une période de

temps donnée (une semaine, un mois ou la période de végétation de la culture).

4.4.1.5 Systèmes d’irrigation

Les eaux d’irrigation peuvent provenir de réservoirs de stockage artificiels ou de lacs, d’eaux souterraines captées localement par des puits ouverts ou des puits tubés ou de la dérivation de chenaux naturels.

Dans le cas des réservoirs de stockage formés par les retenues de barrages et de déversoirs de dérivation, les zones irriguées peuvent se trouver loin de la source, l’eau devant alors être acheminée par un grand réseau composé de canaux de distribution principaux et secondaires jusqu’aux champs des agriculteurs (figure II.4.11). Le réseau de distribu-tion est généralement minimal pour l’eau prove-nant, par ordre décroissant, de dérivations de cours d’eau, de lacs et de puits d’eau souterraine. Le trans-port de l’eau de la source aux exutoires qui la déverse dans les champs entraîne des pertes par infiltration considérables. D’autres pertes sont également associées à la distribution de l’eau dans les champs eux-mêmes, au niveau des conduites et des rigoles. Il est donc important que l’efficacité de l’irrigation utilisée pour évaluer le besoin brut en eau d’irrigation tienne compte des pertes associées au transport et à la distribution.

L’irrigation est appliquée aux cultures par diffé-rentes méthodes, qui peuvent être classées en méthodes de surface et méthodes souterraines. Elles peuvent aussi être classées en méthodes d’irrigation fondées sur l’écoulement par gravité ou sur la mise sous pression de l’eau (figure II.4.12). Les manuels d’irrigation fournissent des descriptions détaillées des différentes techniques d’irrigation et de leur mise en application.

4.4.1.6 humidité du sol

Les différentes techniques d’arrosage par irrigation donnent lieu à différents régimes d’humidité du sol dans la zone racinaire (figure II.4.13). La méthode d’irrigation qui assure, dans la zone racinaire, une teneur en eau uniforme égale à la capacité au champ ou s’en approchant pendant toute la campagne

Dans le document www.wmo.int Guide des pratiques hydrologiques (Page 89-103)