Résultats et scores obtenus par les scénarios 2 et 3

Les résultats obtenus dans le cadre du premier scénario ont montré la bonne cohérence du modèle couplé après étalonnage des paramètres sensibles. De ce point de vue, le modèle SiSPAT-RS a montré ses capacités à simuler un cycle végétal complet. Toutefois, ce travail a reposé sur des propriétés du sol déterminées essentiellement par voie expérimentale. Il apparaît désormais intéressant d'investiguer sur les potentialités du modèle dans un contexte plus défavorable quant à la connaissance du sol. Ainsi dans ce nouveau contexte, deux scénarios ont été définis.

Dans le cadre du groupe de travail « Intercomparaison des modèles TSVA », une étude préliminaire a été réalisée dans un cas de modélisation d’un sol homogène (un seul horizon) avec SiSPAT (Olioso et al., 2001 a). Les résultats ont montré que la gestion du stock d'eau dans le sol était délicate par une telle représentation simplifiée du milieu. De manière plus précise, il s'est avéré particulièrement difficile de contrôler simultanément la teneur en eau superficielle et la teneur en eau profonde par la prescription d'une seule conductivité

hydraulique à saturation (Olioso et al., 2001 b). De ce point de vue, il est apparu préférable de considérer une approche multihorizon dans la modélisation du sol, et ceci malgré le fait qu'elle requiert en contrepartie la prescription d'un nombre plus important de paramètres. De fait, trois horizons ont été pris en compte dans la description du sol des scénarios 2 et 3. Ces derniers ont été respectivement définis entre les profondeurs 0-10, 10-30, et 30-200 cm. Cette description apparaît recevable en première approximation dans le cas de sols agricoles (Chanzy, communication personnelle).

6.2.3.1 Ajustement des paramètres

Pour le scénario 2, la spécification des propriétés du sol a été réalisée à partir des données expérimentales des trois premiers horizons acquises sur la parcelle 101 (cf. Tab. 4.5). De manière identique au scénario 1, ces paramètres ont été considérés comme fixes lors de la phase d'étalonnage. Après étalonnage manuel, il a été trouvé que les règles d’étalonnage effectuées au scénario 1 (cf. Tab. 6.2) conduisaient à la simulation la plus performante.

Pour le scénario 3, la spécification des paramètres hydrodynamiques a été déduite des résultats des analyses de sensibilité. Elle a été basée sur une procédure similaire à celle appliquée dans le cadre du scénario 1. Ainsi, les résultats des sensibilité relatives des paramètres hydrodynamiques ont été confrontés et exploitées (Tab. 6.5). Ceci a finalement permis de spécifier une nouvelle valeur à chaque paramètre sensible sur leurs intervalles de variations privilégiés. Les valeurs ajustées de tous les paramètres hydrodynamiques concernés ont été portées dans le tableau (6.6). On constate que la conduite de cette simple technique d'optimisation permet de s'approcher des valeurs expérimentales qui ont été déterminées lors de l’expérience Alpilles-ReSeDA (cf. Tab. 4.5). Les seules exceptions concernent les paramètres de forme nB (légèrement ), et par voie de conséquence les paramètres de forme mB

qui y sont directement reliés. D'un autre côté, les paramètres hydrodynamiques non sensibles ont été ajustés à l’aide de diverses considérations. Par exemple, le paramètre θs,2 a été fixé à la valeur moyenne de θs,1 et θs,3. La porosité et la capacité thermique volumique sèche ont quant à elles été respectivement déterminées à partir des relations (1.28) et (3.22). Les densités volumiques sèches associées à chaque horizon (nécessaires à l’expression des précédents paramètres) ont été spécifiées à des valeurs de 1.25, 1.40 et 1.60 g.cm^-3. Cette hypothèse semble valable en première approximation dans le cas des sols de cultures (Chanzy, communication personnelle). 440-460 505-517 518-530 Nom Critère ^{Gamme de} variation ^Critère Gamme de variation ^Critère Gamme de variation θs,1 Mθ05 MT_bθ05 < 0.47 MT_bθ05/GH < 0.43 θs,3 M < 0.39 h_g,1 θ05 [-1.1 ; -0.4] Mθ05/G > -0.7 MHLEθ05/GT_b > -0.7 h_g,2 M > -2.2 hg,3 M [-4.7 ; -3] MLE T_bθ05 > -3.7 n_B,1 H [2.12 ; 2.135] Mθ05 > 2.14 MT_bθ05 > 2.14 n_B,2 H > 2.125 nB,3 MLETb/H > 2.125

Tab. 6.5 : Confrontation des résultats des analyses de sensibilité en vue de l'ajustement des paramètres hydrodynamiques du modèle

Horizon εεεε θθθθs hg nB mB ηηηη Cd θθθθf

1 0.528 0.42 -0.55 2.14 0.0654 18.24 0.94 10⁶ 0.192 2 0.472 0.40 -1.0 2.13 0.0610 19.34 1.06 10⁶ 0.209 3 0.396 0.38 -3.3 2.13 0.0610 19.34 1.21 10⁶ 0.231

Tab. 6.6 : Spécification des paramètres hydrodynamiques dans le cadre du scénario 3. Les valeurs indiquées en gras sont celles qui ne sont pas issues de l’interprétation des analyses de sensibilité

6.2.3.2 Simulation des variables locales par le scénario 2

Lors du scénario 2, la simulation du contenu en eau du sol a conduit à des statistiques relativement différentes sur plusieurs couches de sol (Tab. 6.7 et Fig. 6.8). En fait, seules les couches superficielles 0-5 et 0-10 cm ne sont pas concernées. Comme l'horizon 1 n'a pas été affecté par les modifications de structure et que les conductivités hydrauliques à saturation étalonnées sont identiques aux deux scénarios, il semble cohérent d'obtenir peu de modifications dans ces couches. Les différences sont alors beaucoup significatives dès la couche 10-20 cm et s'accentuent avec la profondeur jusqu'à la couche 80-120 cm. Elles traduisent systématiquement une augmentation de la teneur en eau dans ces couches (tous les biais ont été augmentés). Ce surplus d'eau est une conséquence directe de l'augmentation de la conductivité hydraulique à saturation dans les couches situées au-delà de 90 cm (le 4^ème horizon ayant été supprimé, Ksat,3 s'applique aussi aux couches au delà de cette profondeur, ce qui correspond à une augmentation d'un facteur 10 par rapport à Ksat,4). Cette hypothèse permet ainsi d'accéder plus librement à de l'eau stockée dans les couches les plus profondes. Ceci se traduit alors par des scores d'une part moins favorables sur les couches 10-20, 20-30 et 30-50 cm, notamment avec des efficiences respectives de 0.91, 0.96 et 0.75, et par des scores d'autre part plus favorables sur les couches 50-80 et 80-120 cm (E = 0.93 et 0.80). Du fait de cette compensation entre les couches, il est alors cohérent d'obtenir des stocks d'eau sur les 140 centimètres très comparables entre les deux scénarios. Dans le même sens, il a aussi été constaté que la teneur en eau au bas de la colonne sol était plus faible pour S2 que pour S1 sous l'action des remontées capillaires plus importantes. Ce dernier point doit être aussi mis en parallèle avec la condition à la limite inférieure d'un flux de masse nul imposé au bas de la colonne sol.

En ce qui concerne les flux de surface et les températures du sol et de brillance, peu de différences notables ont été observées du fait que le jeu de paramètres étalonnés est commun aux deux scénarios.

6.2.3.3 Simulation des variables locales par le scénario 3

La simulation de la teneur en eau du sol indique plusieurs points intéressants (Fig. 6.8). Tout d'abord, malgré un assèchement légèrement trop faible en début de simulation (avant le jour 460), une amélioration est finalement constatée sur le contenu en eau des couches superficielles 0-5 (E = 0.45 ) et 0-10 cm (E = 0.90). Elle s'explique par la plus forte décroissance de l'humidité après les évènements de pluie. L'ajustement des paramètres qui a été réalisé sur le 1^er horizon apparaît alors être relativement performant. Par opposition, cette

tendance s'inverse systématiquement pour les couches du second horizon. Du fait, des sensibilités relatives peu prononcées sur les paramètres hydrodynamiques de cet horizon, la spécification des paramètres a été plus délicate à réaliser. Par exemple, aucune information n'a permis d'ajuster θs,2 et l'intervalle de variation de hg,2 est encore relativement large. En complément, les couches du 3^ème horizon indiquent systématiquement une teneur en eau plus faible que celles obtenues par le scénario 2, ce qui se traduit alors par des efficiences plus faibles. Cette constatation a par ailleurs été observée jusqu'au bas de la colonne de sol. Le jeu de paramètres hydrodynamiques spécifiés favorise ainsi les remontées capillaires, ce qui contribue à la plus forte présence d'eau dans les couches du second horizon et une transpiration plus importante de la végétation. Concernant ce dernier point, les scores sur le flux LE se sont alors dégradés, indiquant un fort biais positif. De fait, les répercussions se sont reportées sur H par une plus forte tendance à la sous-estimation. Les autres variables ne semblent pas avoir été particulièrement affectées puisqu'on retrouve des scores identiques sur les flux radiatifs et de conduction de chaleur dans le sol, ainsi que sur les diverses températures. Scénario 2 Scénario 3 Variable B RMSE E B RMSE E θ0-5 0.026 0.044 0.33 0.021 0.040 0.45 θ0-10 0.011 0.025 0.88 0.010 0.023 0.90 θ10-20 0.009 0.021 0.91 0.015 0.027 0.85 θ20-30 0.002 0.014 0.96 0.007 0.017 0.94 θ30-50 0.025 0.028 0.75 0.016 0.020 0.88 θ50-80 -0.003 0.012 0.93 -0.012 0.019 0.81 θ80-120 -0.016 0.019 0.80 -0.024 0.028 0.57 θ0-140 0.005 0.008 0.97 -0.001 0.008 0.97 Rn -14.9 38.8 0.96 -14.4 38.9 0.96 G 0.6 24.6 0.70 0.8 24.4 0.70 Hfluctuation -18.5 29.4 0.81 -23.6 33.9 0.75 LEfluctuation 9.9 29.8 0.91 16.1 36.2 0.88 HBowen -37.9 67.4 0.65 -42.8 71.1 0.61 LEBowen 21.7 57.1 0.59 28.0 63.0 0.50 T2.5 cm -0.5 2.6 0.81 -0.6 2.6 0.81 T10 cm -0.5 1.5 0.93 -0.7 1.6 0.93 T30 cm -0.6 1.1 0.95 -0.7 1.1 0.95 T50 cm -0.6 0.8 0.96 -0.7 0.9 0.96 Tb 0.6 1.9 0.95 0.6 1.9 0.95

Fig. 6.8 : Simulations du contenu en eau de diverses couches de sol et du stock d'eau total après étalonnage des paramètres sensibles – Scénarios 2(trait continu) et 3 (trait discontinu)