Modélisation de l'irrigation

L'irrigation est une action anthropique qui consiste à prélever de l'eau dans les rivières ou les sous-sols et à l'ajouter aux sols. L'objectif est de tenter de satisfaire la demande en eau des cultures quand l'apport des pluies est insusant. Dans le modèle, on estime une demande en irrigation par le couvert an de calculer la quantité d'eau à prélever pour irriguer. Une première paramétrisation de l'irrigation fut introduite dans SECHIBA par De Rosnay et al. (2003). L'irrigation est calculée en fonction de la demande climatique et du couvert. C'est ce que l'on appelle la demande en irrigation, la quantité d'eau que l'on devrait potentiellement apportée aux plantes pour satisfaire totalement leurs besoins hydriques. Cette demande sera plus ou moins satisfaite selon l'état du stock d'eau dans les réservoirs de prélèvement. L'eau prélevée est apportée aux couverts : c'est l'irrigation nette.

La demande en irrigation, Irpot (équations 2.26 et 2.27)

Cette demande en eau par les plantes est essentiellement fonction de l'évaporation po-tentielle du couvert, Epot. Dans le but de prendre en compte les résistances liées au frein à l'évaporation par le couvert, on doit pondérer Epot par un terme de somme de résistances semblables à celle décrite dans la section 2.4.1. Initialement dans le modèle, le paramètre de pondération était un coecient cultural (Kcrop= 0, 7), constant spatio-temporellement an de représenter une résistance moyenne de la végétation sur le globe. Nulle diérenciation de type de couvert végétal est représentée à travers ce coecient. Ainsi, on obtient une évapotrans-piration maximale ET M d'un couvert végétal moyen (ET M = Kcrop.E_pot). Pour calculer la demande réelle en eau des plantes, on soustrait à ET M la quantité d'eau totale nette reçue par la colonne de sol, c'est à dire la diérence en précipitations et écoulement total. Enn, on estime la demande en irrigation uniquement sur le fraction irriguée du pixel, firr= ^Spixir

Spix . La surface des pixels irrigués, Spixir, est donnée par la carte de Doll and Siebert (2002); Siebert et al. (2005).

Cette représentation de la demande en eau (équation 2.26) a deux inconvénients majeurs :  la demande en irrigation est fonction d'un couvert moyen sans diérencier le type de PFT à irriguer. Or, d'une culture à une autre, la demande en eau pour la production de la culture peut changer considérablement. Par exemple, il faut environ 1000 litres d'eau pour produire 1 kg de céréales de type C3 (comme le blé) mais seulement 700 litres pour 1 kg de céréales type C4 (comme le maïs) (Zimmer and Renault, 2003). Même si le degré de précision de SECHIBA ne permet pas de diérencier une culture d'une autre, la diérenciation des demandes en eau entre les PFTs C3 et C4 existant dans notre modèle pourrait être possible.

 l'absence de prise en compte de la croissance foliaire de la plante. De ce fait, on irrigue les cultures toute l'année, quelque soit le stade foliaire de la plante. Ceci n'est peut-être

2.4. LE BILAN HYDRIQUE DE SURFACE

pas gênant dans les régions comme l'Inde où l'on irrigue toute l'année en faisant deux à trois cultures par an. En revanche, le fait d'irriguer toute l'année dans les régions tempérées comme le bassin du Mississippi pose problème. En eet, dans ces régions, les cultures sont absentes en hiver du fait des conditions climatiques inadéquates pour leur croissance. En calculant une demande en eau lors de cette période, on surestimerait donc la demande en eau des plantes sur l'année.

Du fait de ces deux limites, j'ai introduit dans SECHIBA une paramétrisation plus réaliste en remplaçant ET M par une transpiration potentielle Tpot

v (équation 2.28). Elle dière de l'évapo-transpiration maximale proposée dans Guimberteau (2006) pour SECHIBA où la formulation de ETM est dépendante de l'évaporation potentielle corrigée. Ceci n'est pas en adéquation avec la façon dont on calcule les ux d'évaporation dans SECHIBA qui sont tous fonctions de l'évaporation potentielle non corrigée. C'est pourquoi, dans ce travail, j'ai calculé une trans-piration potentielle qui découle directement de la formulation de la transtrans-piration et donc de l'évaporation potentielle non corrigée : le coecient d'aridité, βpot

transpir (équation 2.29), est cal-culé de manière similaire à βtranspir mais la limitation en eau d'après l'état hydrique du sol est enlevée. En eet, la transpiration potentielle est la perte en eau maximale par les plantes sous forme de transpiration mais dans des conditions de disponibilité en eau totale. Par conséquent, on fait dépendre βpot

transpir d'une résistance stomatique qui doit être minimale rmin

stov (équation 2.30) puisque les stomates sont considérées comme pleinement ouvertes sous ces conditions. Cette résistance ne dépend donc plus du rayonnement solaire incident ni du décit hydrique de l'atmosphère an de simuler une ouverture des stomates sans aucune contrainte climatique. De ce fait, Tpot

v et par conséquent Irpot, la demande en irrigation nouvellement calculée, varient à présent en fonction du PFT à irriguer et de l'évolution de son LAI (équation 2.27).

L'irrigation nette, Ir (équation 2.31)

La quantité d'eau en irrigation va dépendre directement de la demande des plantes et lui serait toujours égale si la disponibilité en eau à prélever était innie. Or, an de simuler les limitations en eau dans SECHIBA, on prélève l'eau d'irrigation dans les réservoirs du schéma de routage décrit précédemment. On prélève de la manière suivante : la quantité d'eau, fonction de la demande en irrigation, est prise prioritairement dans le réservoir euve. Si la quantité en eau à prélever est supérieure à celle qui est stockée dans ce réservoir, celui-ci est asséché et la quantité restante à prélever est prise dans le réservoir rapide. Le réservoir lent constitue la dernière source de prélèvement si le stock des deux autres réservoirs n'a pas su à satisfaire la demande en eau. Le cas extrême de sécheresse où le réservoir lent est asséché peut être rencontré et l'irrigation eective sera inférieure à la demande en eau des plantes.

Dans le modèle, la quantité d'eau prélevée est ajoutée prioritairement au réservoir de surface de Choisnel. Si celui-ci n'existe pas, l'eau est alors mise dans la couche profonde. Initialement dans le modèle, seule la végétation est irriguée, quelle qu'elle soit (arbres, steppes, cultures, prairies...). Cependant, il existe un cas particulier : le sol nu est irrigué quand il couvre l'ensemble de la maille à irriguer.

Cette représentation de l'irrigation comporte bien sûr des limites dues à la simplicité de sa modélisation :

 la limite majeure est la non-prise en compte de la réserve utile maximale du sol dans le calcul de la demande en irrigation. Certes la demande en irrigation est seulement calculée quand Usv < 0, 99 mais cette limite semble peu restrictive en hiver où Usv est fort mais généralement inférieur à 0,99. Le fait d'irriguer ramènerait le sol à sa capacité

CHAPITRE 2. LE MODÈLE DE SURFACE SECHIBA au champ de manière quasi systématique.

 la demande en irrigation n'est fonction que de la transpiration potentielle des plantes et néglige totalement la demande en évaporation du sol nu présent sous la végétation.  le fait d'irriguer le sol nu dans le cas particulier décrit ci-dessus s'avère peu réaliste dans

un modèle de surface très global. L'irrigation d'un sol nu peut exister dans la réalité après un passage de semis si de fortes pluies ne sont pas attendues après plusieurs dizaines de jours an d'éviter la fonte de semis par sécheresse. Mais la modélisation d'un tel cas particulier reste idéaliste dans SECHIBA.

 le fait d'irriguer tous les types de couvert végétal en plus des prairies/cultures, comme les arbres par exemple, semble peu réaliste d'autant plus que les arbres fruitiers ne sont pas modélisés dans le modèle. En eet, seuls des groupes très généraux d'arbres à feuillages/aiguilles caduques/persistants sont représentés dans SECHIBA. C'est pour-quoi, dans notre étude, nous limitons l'irrigation seulement aux quatre derniers PFTs (Prairies C3/C4 et Cultures C3/C4).

 certes, la demande dépend du développement foliaire mais celui-ci est prescrit par une carte de LAI lue par le modèle. Par conséquent, la croissance du LAI, naturellement favorisée par l'eau apportée en irrigation, n'est pas prise en compte dans notre modéli-sation. On irriguera par exemple en été, dans les Grandes Plaines arides des États-Unis, des prairies avec un LAI maximal très faible donné par la carte alors qu'il devrait être bien supérieur du fait de l'apport en eau d'irrigation.

 on estime la demande en eau des cultures et le prélèvement de l'eau dans les réservoirs au niveau d'un même pixel. Ainsi les réseaux d'acheminement de l'eau irriguée depuis une région vers une autre ne sont pas pris pas en compte.

2.4. LE BILAN HYDRIQUE DE SURFACE

Irrigation

 Demande en irrigation ou irrigation potentielle (m.s−1) (De Rosnay et al., 2003) IrpotOLD = ^Spixir

S_pix ^{. [Kcrop.Epot− (P − Rtot)]} (2.26)

Spix_ir, surface irriguée du pixel (m2) Spix, surface du pixel (m2)

Kcrop, coecient cultural (égal à 0,7)

 Demande en irrigation ou irrigation potentielle nouvellement introduite (m.s−1) Ir_pot= ^Spixir S_pix ^.Tpot v − (P − R_tot) (2.27) Tpot v , transpiration potentielle (m.s−1) Tpot

v = β^pot_transpir.Epot (2.28) βtranspir^pot , coecient d'aridité de la transpiration potentielle

β^pot_transpir= ^fv Us ._ ¹ 1 + ^rminstov+rs ra  (2.29) rmin

sto_v, résistance stomatique minimale théorique du couvert (s.m−1) r^minsto_v = ^a k0 . ¹ LAIv (2.30)  L'irrigation nette (m.s−1) Ir = min 3 X i=1 V_i, Ir_pot ! (2.31)

CHAPITRE 2. LE MODÈLE DE SURFACE SECHIBA Quelques études sur l'irrigation

Sacks et al. (2008) trouve qu'à travers une simulation couplée CLM3.5 (Community Land Model), l'ajout en eau d'irrigation induit globalement une augmentation en évaporation de 8, 3 mm.an⁻¹et de 4, 4 mm.an−1en précipitations. Cet ajout d'eau d'irrigation augmente aussi globalement le contenu en eau des sols et favorise la capacité du sol à retenir l'eau puisque le stress hydrique des plantes est réduit. Aussi, Milly and Dunne (1994) montre qu'une augmenta-tion de cette capacité a pour eet direct une augmentaaugmenta-tion de 8, 0 mm.an−1 en précipitations. Les conséquences sur les ux de surface peuvent potentiellement aecter l'atmosphère. Boucher et al. (2004) suggère le mécanisme suivant (gure 2.2) : l'augmentation de l'évaporation par ajout d'eau d'irrigation induit une proportion plus grande en vapeur d'eau dans l'atmosphère. Ce gaz à eet de serre réduit le rayonnement solaire vers la surface réchauant l'atmosphère (forçage global moyen augmenté de 0, 03 − 0, 1 W.m−2) mais refroidissant la surface continen-tale. Les valeurs sont souvent très diérentes selon les études. Concernant uniquement celles menées sur tout le globe, Boucher et al. (2004) trouve une diminution importante (jusqu'à 0, 8 K de moins) sur les surfaces irriguées alors que Sacks ne trouve que 0, 06 K de moins. Le changement du prol en vapeur d'eau dans l'atmosphère peut aussi aecter la convection et donc les précipitations. Il s'agira dans mon travail de mener le même type d'estimation de façon globale mais aussi locale par l'intermédiaire des bassin versants où les processus de surface sont intégrés par les débits des rivières. Ceci nous permettra d'évaluer l'impact du prélèvement de l'eau dans les rivières pour irriguer les cultures sur les débits des grands euves. L'eet attendu est une diminution du débits à cause des prélèvements. Toutefois, le ruissellement de surface et le drainage profond, favorisés lors de l'ajout d'eau d'irrigation, peuvent parfois augmenter les débits en hiver de manière non négligeable (Kendy and Bredehoeft, 2006). On étudiera aussi l'impact que peut avoir un ajout d'eau sur l'évapotranspiration des cultures irriguées et l'éventuelle rétroaction sur le retour en précipitations.

Fig. 2.2  Schéma des processus et propriétés atmosphériques potentiellement causées par l'irrigation (Boucher et al., 2004).