1.1
Objectifs
Dans les modèles de transfert d’eau, pesticides, et sédiments à l’échelle du bassin versant, la prise en compte des éléments du paysage, tels que les haies, les bandes enherbées, les fossés, etc... est indispensable, en particulier pour modéliser le devenir des pesticides. En effet, leur transfert est très sensible à la présence de discontinuités, qui peuvent soit les accélérer (c’est le cas des fossés dans certains cas ou des routes) soit les ralentir et les atténuer (cas des haies et des bandes enherbées). Il existe déjà des modèles de devenir des pesticides à l’échelle de la parcelle, à base empirique ou physique, mais lorsque l’on passe à l’échelle du bassin versant, les modèles ne permettent en général pas de représenter l’influence des éléments du paysage. Pourtant, un tel outil est nécessaire pour la mise en place de plans d’action pertinents et notamment l’implantation de zones tampons à l’échelle du bassin versant, pour atténuer les flux de pesticides. Ce besoin a été exprimé par le ministère de l’Agriculture et l’AFB (Agence Française pour la Biodiversité) et c’est dans ce cadre qu’a débuté le projet PESHMELBA (PESticides et Hydrologie : Modélisation à l’EcheLle du BAssin versant).
Son objectif est de développer un modèle distribué de devenir des pesticides qui prend en compte explicitement l’organisation spatiale du paysage. Celui-ci doit permettre, à terme, de tester différents scénarios d’aménagement en intégrant ou en déplaçant des éléments du paysage afin de quantifier l’influence de ces discontinuités et de leur emplacement sur le versant. Même si certaines représentations et processus sont grandement simplifiés dans un premier temps, on s’attachera d’abord à arriver à l’échelle du bassin versant, quitte à regagner en complexité par la suite. Le modèle développé sera appliqué dans un premier temps à 2 "petits" bassins versants aux caractéristiques contrastées et sur lesquels on dispose de données expérimentales (Fontaine du Theil, Ile-et-Vilaine et la Morcille, Rhône).
1.2
Réflexion sur l’outil de modélisation, choix d’Open-
PALM
L’objectif n’est pas de développer de nouveaux modèles pour chaque élément du paysage alors que beaucoup existent déjà et sont largement validés à l’échelle locale. On cherchera plutôt à ré-utiliser des modèles existants lorsque cela est pertinent. De plus,
Figure 1 – Exemple de configuration à l’échelle du bassin versant
dans un souci de simplification, le parti est pris d’adopter des conceptualisations de complexités différentes (du modèle de réservoirs au modèle physique) pour représenter différents processus. Dans cette optique, l’utilisation d’un outil de modélisation à la structure modulaire pour coupler ces différentes représentations à l’échelle du bassin versant semble le choix le plus approprié. Un tel outil permet en effet la représentation du paysage et de ses éléments mais aussi la représentation des processus selon différents degrés de complexité. Cela signifie aussi qu’il doit laisser la possibilité de développer de nouveaux modules ou de modifier les existants. Ceci suppose d’utiliser un code open source et une prise en main raisonnable de l’outil pour des “non-informaticiens“. Plusieurs plateformes de modélisation, sorte de "boîte à outils" pour la modélisation hydrologique et répondant en partie aux critères ci-dessus ont déjà été utilisées dans des travaux précédents. On cite entre autre les travaux de Djabelkhir (2015) et de Branger (2007b) utilisant les plateformes CMF et LIQUID respectivement. Celles-ci ont l’avantage de déjà posséder plusieurs fonctions dédiées à la modélisation hydrologique et de représenter un certain nombre de processus. Cependant, bien que les résultats aient été encourageants d’un point de vue de la démarche adoptée, ces mêmes travaux relatent aussi de difficultés majeures liées à l’utilisation de ces outils. La principale difficulté réside dans le fait que ces plateformes sont la plupart du temps difficiles à prendre en main et que l’ajout de nouveaux modules ne peut pas se faire sans un soutien significatif des développeurs. Il faut donc compter sur la réactivité et la volonté de maintenir les outils de ces derniers ce qui n’est pas toujours évident comme l’ont démontré certains projets précédents.
C’est dans cette optique que nous avons choisi de nous tourner vers le coupleur Open- PALM (Fouilloux and Piacentini, 1999) dont la flexibilité et la facilité de prise en main nous paraissent être des avantages non négligeables. Il s’agit d’un coupleur open-source développé par le CERFACS1 qui se veut être un outil général pour intégrer des compo-
sants complexes de manière flexible et évolutive (Buis et al., 2006). Contrairement à CMF ou LIQUID, il ne s’agit pas d’une plateforme purement hydrologique qui dispose déjà d’un certain nombre de modules prêts à utiliser mais sa facilité de prise en main (notamment grâce à une interface simple d’utilisation, fig. 2) et les nombreuses possibili-
tés en terme de calcul parallèle, interpolation et autres optimisations qu’il propose nous ont poussés à nous tourner vers cet outil. De plus, OpenPALM permet le couplage de plusieurs codes écrits en Fortran, Python, R ou C, offrant ainsi la possibilité d’explorer
CHAPITRE 1. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DU PROJET les forces de chaque langage selon l’objectif à atteindre.
Figure 2 – Interface du coupleur PALM
1.3
Démarche envisagée
Pour arriver à un modèle distribué à l’échelle du bassin versant, la démarche adoptée consiste à modéliser les flux d’eau et de phytosanitaires :
— dans chaque élément du paysage (éventuellement avec des modèles différents) ; — entre ces éléments avec le coupleur OpenPALM.
Un élément du paysage sera représenté dans PALM par une unité qui recevra en entrée des forçages climatiques, ainsi que des flux entrants (ou sortants) provenant d’autres unités en amont (ou en direction d’autres unités en aval) (exemple fig. 3). Ces flux et forçages sont transmis par le coupleur sous la forme de variables ou d’objets PALM. L’interface entre les unités peut se faire soit par une nouvelle unité, soit par une région de code en accord avec des règles de connexion déterminées en fonction des éléments.
Figure 3 – Exemple de couplage entre une parcelle, une bande enherbée et une rivière