Présentation de SWAT

L’outil de modélisation (SWAT) est un modèle hydro-agro-environnemental (Arnold et al., 1998) développé au Texas par le département recherche de l’agriculture des États-Unis (USDA-ARS, Temple, TX, USA) ainsi que par l’université d’agriculture et de mécanique du Texas (Texas A1M, College Station, TX, USA). Le modèle SWAT a été développé afin d’étudier l’impact des pratiques agricoles sur les cours d’eau et les bassins versants. Le modèle agricole basé sur le modèle EPIC (Sharpley and Williams, 1990) a été ensuite couplé à un module hydrologique et simule l’hydrologie et la croissance de la végétation. L’objectif principal de ce modèle est de prédire l’impact de la gestion des sols sur les eaux, les sédiments, et sur les résidus chimiques provenant de l’agriculture tels que les nitrates et les pesticides. Les détails de la création de ce modèle ont été publiés par Arnold et al. (2012). Au fil des années, le modèle s’est développé pour intégrer la majorité des impacts anthropiques notamment avec la possibilité d’intégrer l’effet de barrages hydrauliques ainsi que de rejets urbains. SWAT est un modèle complexe constitué de plusieurs modules reliés entre eux par le cycle hydrologique. On retrouve ainsi dans le modèle l’étude des précipitations, la croissance des plantes, le suivi des polluants et des sédiments, les processus biogéochimiques des sols et du cours d’eau. Ces modules sont construits sur la base d’équations représentant la réalité physique applicable à des échelles temporelles différentes allant de l’annuelle au journalier et même jusqu’à l’infra-journalier. Du point de vue spatial, le modèle SWAT possède deux niveaux de discrétisation : le découpage du bassin versant en sous-bassins et le découpage des sous-bassins en Unité de Réponse Hydrologique (HRU). La découpe

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des sous-bassins se fait à partir du modèle numérique de terrain (MNT) délimitant le réseau hydrographique et définissant un sous-bassin à chaque confluence. Cependant, l’utilisateur a la liberté de rajouter ou de supprimer des exutoires de sous-bassins à sa convenance. Les HRU sont des unités composées d’une combinaison unique d’un intervalle de pente, d’une occupation de sol et d’un type de sol unique au sein d’un sous-bassin. Les HRU sont générées à partir de la superposition des données d’entrée du modèle. À l’image de la méthodologie de définition du sous-bassin, le modélisateur a la liberté de moduler les HRU en fonction de la précision exigée pour les objectifs de son étude. Au niveau de chacune de HRU, le modèle va calculer les équations à base physique des différents modules et va agréger par la suite ses résultats à l’échelle de sous-bassin et du bassin versant afin de faire « circuler l’eau » dans le modèle. Ces HRUs ne sont pas spatialisées au sein du sous-bassin versant, pour cela le modèle est dit semi-distribué et non complètement distribué.

Le code source étant libre d’accès, diverses versions tests ou d’améliorations ont été proposées par différents développeurs du monde entier et la version officielle est améliorée au fur et à mesure par ces travaux de recherche. Arnold and Fohrer (2005) détaillent les versions officielles de SWAT et les améliorations successives pour les versions 2000 et antérieurs, tandis que Neitsch et al. (2002), (2005) et (2011) détaillent respectivement les versions 2000, 2005 et 2009. La théorie de la version 2012 utilisée dans cette thèse n’a à ce jour pas été diffusée. Afin de faciliter la prise en main par l’utilisateur, SWAT a été couplé à des systèmes d’information géographique (SIG) tels que GRASS (Rosenthal et al., 1995), ArcView (Di Luzio et al., 2000), ArcGIS (Olivera et al., 2006) et QGIS (Dile et al., 2016).

Le modèle SWAT a montré une capacité à modéliser les flux d’intérêts dans de multiples bassins versants indépendamment de la taille et des conditions pédoclimatiques et ceci dans le monde entier. Ce modèle est en très grande partie utilisé pour étudier les débits à l’exutoire des bassins versants. Dès la fin des années 90, la modélisation hydrologique de bassins versants allant de 122 à 304 620 km2 _était possible (Arnold et al., 1999). Aujourd’hui, le modèle renvoie une bonne simulation hydrologique pour de très petits cours d’eau (Ferrant et al., 2011), pour de larges bassins versants (Lu et al., 2019) et même pour des projets continentaux intégrant plusieurs bassins versants en simultané (Schuol et al., 2008 ; Abbaspour et al., 2015). La simulation des débits à l’exutoire renvoie en général de très bons résultats ce qui a permis à d’autres études de se focaliser sur diverses parties du cycle hydrologique tel que le ruissellement (Arnold and Allen, 1999 ; Tibebe and Bewket, 2011 ; Luo et al., 2012) ou les écoulements souterrains (Cerro et al., 2014, Meario et al., 2017 ; Sorando et al., 2019). La teneur en eau dans le sol, le suivi des sédiments des composés chimiques et des polluants au sein du bassin versant sont des sujets étudiés à partir de la modélisation SWAT. En effet, le modèle a montré sa capacité à pouvoir simuler les flux à différentes échelles pour les sédiments (Abbaspour et al., 2007 ; Oeurng et al., 2011 ; Wei et al., 2019), les nitrates (Grizzeti et al., 2003 ; Lam et al., 2010 ; Oeurng et al., 2016), les pesticides (Holvoet et al., 2005 ; Boithias et al., 2017), la dénitrification (Sun et al., 2018 ; Fabre, 2019) et le

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carbone organique (Oeurng et al., 2011 ; Sun et al., 2018), mais de nombreuses recherches restent à faire sur ces suivis.

Par ailleurs, une base de données libre d’accès, comptant plus de 3800 publications, recense l’ensemble des travaux utilisant le modèle SWAT et qui sont publiés dans des journaux scientifiques (https://www.card.iastate.edu/swat_articles/). Un des plus gros avantages du modèle SWAT est qu’il est libre d’accès et bien documenté permettant une reproductibilité des travaux plus faciles. En effet cet outil peut modéliser des processus complexes à partir de données simples à recueillir (données météorologiques et cartographies existantes) et en général mis à disposition gratuitement par les agences gouvernementales (Abbaspour et al., 2007). Ce modèle est puissant, car il peut s’appuyer sur des stratégies d’aménagement à grande échelle, effectuer des prédictions sur le long terme, et même étudier le changement climatique. Plusieurs études ont utilisé SWAT dans un contexte de changement global afin d’évaluer les modifications dans le cycle hydrologique (Grusson et al., 2018) et dans le cycle de l’azote (Grizzeti et al., 2015). Les travaux portant sur ces thématiques ont permis de démontrer l’intérêt de l’utilisation de SWAT dans la prédiction des flux d’eau et notamment des périodes de hautes eaux (Meaurio et al., 2018) et dans le déplacement des composés chimiques. Par ailleurs, le projet européen « Climate Hydrochemistry and Economics of Surface-water Systems » ayant pour objectif de prédire les impacts des changements climatiques sur les bassins versants utilise le modèle SWAT.

Par la suite, les principaux modules de SWAT et notamment les processus hydrologiques et le cycle de l’azote seront détaillés car en lien direct avec l’objet de ce travail de doctorat.