SWAT a été conçu et validé sur différents types de milieux et de systèmes agricoles. Les bassins sur lesquels nous l’utilisons ont en commun une géologie de socle altéré, un climat océanique et une dominante d’élevage.
Figure 65 : Schéma méthodologique de la mise en œuvre du modèle SWAT
Données
Les interfaces SIG développées autour du modèle SWAT ont été conçues aussi bien pour gérer les données spatiales que pour automatiser et faciliter la préparation des jeux de données d’entrée. Ces interfaces permettent donc de manipuler, d’extraire et de convertir les informations spatiales dans un format compatible avec le modèle. Elles facilitent les paramétrages liés aux simulations.
La première phase consiste à générer les HRU (Hydrological Response Units) en combinant trois couches cartographiques au sein du SIG ArcView® :
− Le découpage en sous bassins a été réalisé à partir de données topographiques issues de Modèles Numériques de Terrain de l’IGN (BD Alti®, résolution de 50 mètres). C'est la résolution du MNT qui fixe la résolution des autres thèmes géographiques. Aussi, il peut être judicieux d'interpoler cette grille d'altitude à une résolution plus fine si on veut conserver plus d'informations sur l'occupation du sol.
− La couche cartographique d’occupation du sol résulte :
o Sur la Moine, les successions culturales sur deux années et les praries temporaires et permanentes issues d’un traitement de 6 scènes SPOT de 1999 et 2000 complétées par un scène SPOT de 1997 (résolution de 20 m).
o Sur le Rochereau, lors de nos premiers travaux effectués avec le Cemagref l'occupation du sol était déduite d’un travail de photo-interprétation à partir d’orthophotoplans (résolution de 2,5 m) (Berthelot, 2002), nous venons de réaliser une cartographie des successions sur 4 ans à partir d’images LANDSAT de 2006 à 2009 (avec François Messner, technicien à ESO Le Mans).
o Sur l’Oudon, l’occupation du sol résulte d’un traitement de neuf images Landsat 7 successives sur trois années (2001-2003) avec extraction des successions culturales sur trois années et une image sur une année plus ancienne (1997) pour distinguer les prairies permanentes des prairies temporaires.
A notre connaissance, l’intégration de successions culturales a rarement été réalisée pour modéliser les flux de pollution à l’échelle d’un bassin versant alors que les successions culturales jouent un rôle encore plus déterminant que la culture elle-même (Leteinturier et al., 2007), comme nous le verrons par la suite pour les résultats de cette modélisation. La sensibilité du modèle à cette entrée est développée plus bas avec une analyse sur le bassin de la Moine.
− La couche cartographique des sols : sur les trois bassins, la carte des sols a été réalisée dans le cadre d’un partenariat avec l’Institut National d’Horticulture (Agrocampus Ouest), elle a été le cadre de la réalisation d’un mémoire de master que nous avons co-encadré (Mouclier, 2005). La sensibilité du modèle à cette entrée est également développée plus bas avec une analyse sur le bassin de la Moine.
Les couches cartographiques des sols et des usages du sol renvoient à des bases de données contenant des paramètres descriptifs que l’utilisateur peut adapter. Ainsi, la base de données sur les cultures permet de renseigner des paramètres agronomiques tels que les températures de base à la croissance, les degrés jours (Heat Units) nécessaires pour atteindre la maturité de chaque culture, la profondeur d’enracinement, le taux de matière sèche, la part récoltée, etc. Ces valeurs doivent être adaptées aux conditions locales. La base de données des sols contient des éléments mesurés comme la granulométrie ou la profondeur et des propriétés hydriques (perméabilité, porosité efficace, réserve utile, densité volumique, etc.) que nous avons renseignées à partir de fonctions de pédotransfert appliquées aux classes de texture (Rawls et al., 1982). Cependant, la perméabilité du premier horizon de sol est sous-estimée par ces fonctions qui ne prennent pas en compte la macroporosité et le foisonnement généré par les organismes et par le travail du sol. Afin de corriger cela, nous avons doublé la valeur de perméabilité du premier horizon.
Figure 66 : Constitution des HRU par croisement cartographique sur le bassin de l’Oudon
Les données météorologiques journalières (précipitations, températures minimales et maximales) ont été acquises pour la période 1990-2002 dans la base de données Climathèque de MétéoFrance et font référence aux stations circonscrites dans chacun des bassins. Enfin, les données de vitesse du vent, de température au point de rosée et de radiations solaires moyennes mensuelles sont issues des stations départementales (seules renseignées sur ces paramètres par MétéoFrance). L’évapotranspiration potentielle, à la résolution temporelle considérée, est générée par SWAT pour chaque simulation selon la méthode de Hargreaves (Hargreaves, Samani, 1985) à partir de ces données climatiques.
Les mesures de débits journaliers utilisées pour le calage du modèle proviennent des stations de mesure de la DREAL :
• Les points de mesure sont au nombre de trois sur la Moine (Cholet, Roussay et Saint-Crespin). La station de mesure utilisée ici est située en aval du bassin à proximité de sa confluence avec la Sèvre Nantaise et draine une surface de 363 km² (le bassin mesure 385 km² à sa confluence).
• Pour le Rochereau, la station utilisée est située sur le Grand Lay et draine les 2/3 de la surface totale du bassin versant (129,9 km² sur un total de 206 km²).
• Sur l’Oudon, la station de mesure des débits est située à Segré, à l’aval d’un bassin de 1 310 km² (à la confluence avec la Mayenne, l’Oudon présente un bassin de 1 480 km²).
Les concentrations mesurées de polluants (nitrates et phosphates) sont issues :
• Sur la Moine : du RNDE (Réseau National de Données sur l’Eau, géré par la DREAL
et l’Agence de l’Eau) et concernent 2 stations (Cholet, Clisson) avec 6 à 8 prélèvements par an.
• Sur le Rochereau, nous avons utilisé les mesures réalisées par le Syndicat d’alimentation en eau à une fréquence d’un prélèvement tous les 15 jours au point de mesure des débits de la DREAL.
• Sur l’Oudon, les mesures de nitrates sont quotidiennes à la station de Segré, suivie par la DREAL.
Les pratiques agricoles intégrées dans SWAT sont associées aux cultures et aux prairies (Tableau 5). Elles prennent en compte les dates de semis, de récolte, les apports en nutriments sous différentes formes, le travail du sol, le maintien de résidus et les successions. Les successions ont un rôle déterminant dans les processus de pollution (Leteinturier et al., 2007), elles ont été identifiées sur une durée de deux années sur la Moine et de trois années sur l’Oudon et le Rochereau. Les pratiques peuvent être différenciées pour chaque HRU afin d’introduire, s’il y a lieu, une variabilité spatiale. Ceci n’a pas été réalisé car cela alourdit considérablement le paramétrage ainsi que les temps de calcul. Le paramétrage est fondé sur des valeurs moyennes issues d’enquêtes auprès d’un échantillon de 70 agriculteurs sur la Moine (Béziers La Fosse et al., 2001; Charpentier et al., 2001), de 18 agriculteurs sur l’Oudon (Guénolé, 2006). Lors de la première phase de travaux avec le Cemagref, il a été réalisé à « dires d’expert » sur le Rochereau (le conseiller agricole de la Chambre d'Agriculture de la Vendée) ; nous venons d’affiner et de mettre à jour les pratiques au moyen d’une enquête réalisée en 2011 auprès de quatre agriculteurs sur ce bassin.
Un drainage est introduit dans les cultures annuelles et les prairies temporaires. Les drains fonctionnent lorsque le teneur en eau de l’horizon où il se situe (à 80 cm dans SWAT sur l’Oudon) dépasse la capacité au champ.
Blé Maïs Prairies temporaires Prairies permanentes Date de semis Octobre Début mai Septembre -
Date de récolte Mi-juillet Mi-septembre Fauche en juin et en septembre
Pâturées d’avril à octobre
Quantité et date des fertilisations En 3 fois : Février – Mars – Avril Engrais minéral 150 kgN.ha-1 Avril Fumier 210 kgN.ha-1 Engrais minéral 18 kgN.ha-1 En 3 fois : Mars – Avril – Juin Engrais minéral 100 kgN.ha-1 En 2 fois : Mars – Avril Engrais minéral 66 kgN.ha-1 Déjections animales au champ - - - 16 kgN.ha-1