3. Application du modèle de transfert de SACADEAU
3.2 Représentation spatiale du bassin versant de la Fontaine du Theil : obtention de
Cette étape ayant été réalisée à Rennes, la description qui suit sera principalement théorique, mais illustrée avec les résultats obtenus sur la Fontaine du Theil.
Plusieurs étapes furent nécessaires à la construction de l’arbre d’exutoires de parcelles (Figure 19) :
- Réalisation d’un modèle topographique de drainage maillé à partir du MNT
- Représentation du réseau hydrographique et des aménagements anthropiques sous SIG, puis rastérisation des couches
- Modification du modèle de drainage par ces éléments - Génération de l’arbre d’exutoires de parcelles
Il a donc fallu un modèle numérique de terrain et une représentation sous forme de couches SIG du parcellaire, du réseau hydrographique et des aménagements anthropiques que sont les haies/talus, les fossés et les routes. Sur le bassin versant de la Fontaine du Theil, nous disposions d’un MNT au pas de 5m obtenu par le Cemagref de Rennes à partir d’un semis de points irrégulier. Les couches SIG furent quant à elles réalisées par Karine Faidix du Cemagref de Lyon. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
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Figure 19 : Schéma récapitulatif de la construction de l'arbre d'exutoire de parcelle (Doray, 2008)
2.3.1 Modèle de drainage maillé
Un modèle de drainage maillé décrit l’orientation du drainage pour chaque maille (Doray., 2008). Il est construit à partir du MNT, traité par le logiciel MNTSurf dont le principe de fonctionnement est décrit dans Beaujouan et al., 2002. Le modèle de drainage choisi est monodirectionnel, c’est-à-dire que chaque maille draine toute l’eau qu’elle reçoit vers une seule de ses 8 mailles voisines, soit celle qui a l’altitude la plus faible, soit celle dont la pente locale est la plus forte lorsque les altitudes sont égales (Figure 20).
Figure 20 : Modèle de drainage monodirectionnel (l’eau est drainée vers une seule des 8 directions) Le modèle se présente au final sous la forme d’un arbre n-aire, représentant les sens d’écoulement entre les mailles (Figure 21)
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86
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Maille
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90
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Figure 21 : Représentation du modèle de drainage maillée (zone sur une zone de la Fontaine du Theil)
2.3.2 Représentation des données et rastérisation
Les données sur le réseau hydrographique et les aménagements anthropiques sont gérés sous SIG, en format vecteur. Les aménagements pris en compte pour la spatialisation sont le parcellaire, les fossés, les haies/talus et les routes. Le parcellaire est défini par un ensemble de polygones. Les fossés sont définis par des polylignes chacune associée à un point bas simulant l’exutoire du fossé, ce qui force la direction d'écoulement. Seuls les fossés circulants sont représentés. Les haies et les talus sont aussi représentés par un ensemble de polylignes. Le cas des routes est particulier : elles ont été réparties initialement en trois groupes qui sont les routes fossés, les routes murs et les routes neutres selon leur influence sur les directions d'écoulement (Doray, 2008). Sur le site de la Fontaine du Theil, les routes sont du type route-fossé : bien que présentant un profil plat (même altitude que les parcelles adjacentes), les fossés bordant la route sont assez profonds (Figure 22). Le réseau routier a donc été associé aux fossés circulants et au réseau hydrographique.
Figure 22 : Route et fossés sur le bassin versant de la Fontaine du Theil
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Le Tableau 7 récapitule la représentation choisie pour chaque élément et les attributs de chaque couche de données réalisée au Cemagref.
Tableau 7 : Caractéristiques des couches SIG du réseau hydrographique et des aménagements anthropiques
Couche Type de vecteur Attributs
Réseau hydrographique Linéaire
Parcelle Surfacique N° de parcelle culturale, N° de
parcelle cadastrale, occupation du sol
Haies/Talus Linéaire N° de parcelle cadastrale, N° de
haie
Route-fossé Linéaire Numéro de fossés
Fossés Linéaire Numéro de fossés
Point bas Ponctuel Numéro de fossés
Chacune de ces couches a fait l’objet d’un prétraitement. Elles sont représentées sur la carte du bassin versant situé en Annexe 3. La suite des traitements à réaliser, pour un traitement standard, figure dans le mémoire de Thibault Doray (2008) et sont résumés en Annexe 5.
Une fois le prétraitement réalisé, les couches sont rastérisées afin de pouvoir les intégrer dans le modèle topographique de drainage maillé.
Chaque maille du bassin versant est associée à un des types de maille suivants : - maille réseau hydrographique
- maille parcelle
- maille fossé : représentant les fossés circulants et les routes-fossé - maille parcelle avec haies/talus
2.3.3 Modèle de drainage modifié par les structures du paysage
Le nouveau modèle de drainage maillé s’obtient en intégrant au fur et à mesure chaque type de maille, suivant leur ordre de priorité : les mailles réseau hydrographique, puis les mailles fossé, puis les maille parcelle avec haies/talus.
Le MNT est tout d’abord modifié sous contrainte du réseau hydrographique car il existe des différences entre le réseau réel et le réseau issu du MNT. La correction est réalisée suivant une méthode développée sous MNTSurf qui consiste à imposer des altitudes décroissantes de l’amont à l’aval du réseau hydrographique le long des cours d’eau et des fossés. Un nouvel arbre de drainage est ensuite construit en partant de l’exutoire, et en suivant toutes les mailles du réseau hydrographique. Une modification des directions de drainage est effectuée autour du cours d’eau sur une largeur d’une maille, afin de favoriser le drainage vers le réseau hydrographique.
L’intégration des fossés – fossés circulant et routes fossés - connectés au réseau hydrographique est traitée de la même façon que précédemment. Les fossés dont l’exutoire n’est pas connecté au réseau hydrographique sont corrigés sous contrainte, suivant la même méthode que précédemment, en partant de l’exutoire modélisé par le point bas. Enfin, les modifications des directions de drainage dues à la présence des haies/talus sont déterminées suivant une méthode dérivée de Merot et al. (1999). Les haies sont assimilées à des murs isolant l’amont de l’aval de la haie. A l’amont de la haie, le drainage suit la haie, tandis qu’en aval, la direction n’est pas modifiée (Aurousseau et al. 2009). Cette représentation en mur est intermédiaire entre des modes vecteurs et raster. La procédure de génération des murs fut
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mise au point par Tortrat,2005. Tout coté d’une maille parcelle « haie/talus » localisé sur une limite de parcelle est un mur. Cependant des corrections ont du être apportés à la main afin d’obtenir une représentation réaliste. Par exemple, si deux haies sont situées l’une par rapport à l’autre à une distance inférieure à la taille d’un pixel, la procédure automatique sur la couche SIG les représentera par un seul mur. Il faut dans ce cas couper manuellement le mur afin de maintenir l’ouverture observée sur le terrain. La Figure 23 donne un exemple des corrections qu’il a fallu apporter.
Figure 23: Modification manuelle des murs sur la Fontaine du Theil
De même, les sens d’écoulement au niveau des routes et des fossés ont été modifiés à la main afin d’avoir une représentation en accord avec les sens d’écoulement observés sur le terrain.
La Figure 24 montre une partie du modèle de drainage maillé modifié du bassin versant de la Fontaine du Theil. On observe bien que les écoulements en amont des haies sont redirigés et qu’ils n’ont aucun impact sur les écoulements en aval.
Figure 24 : Réseau de drainage modifié sur le bassin versant de la Fontaine du Theil (les flèches indiquent les directions de drainage et les traits verts représentent les haies-talus)
Mur Haie/talus Anomalie de drainage
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2.3.4 L’arbre d’exutoires de parcelles
Cette partie est fortement inspirée de la thèse de FlorentTortrat (2005) et d'Aurousseau
et al., 2009.
L’arbre d’exutoires de parcelles s’obtient par le passage du modèle de drainage maillé à un modèle de drainage basé sur le découpage des parcelles en surfaces contributives. Cette représentation fait intervenir la notion de « maille sortante » et « d’exutoire de parcelle ». Une maille sortante est une maille appartenant à une parcelle mais située en bordure de parcelle et dont la direction de drainage conduit les eaux de ruissellement à l’extérieur de la parcelle. Un exutoire de parcelle est défini comme une maille sortante ou un ensemble de mailles sortantes alimentées par une même surface contributive.
Deux types d’exutoires sont différenciés :
- les exutoires dont les surfaces contributives sont entièrement comprises dans la parcelle où elles se trouvent. Il n’y a aucun apport des parcelles amont,
- les exutoires dont la surface contributive est en partie comprise dans la parcelle et qui est partiellement alimentée par des eaux de ruissellement provenant de l’amont.
Les mailles des surfaces contributives sont elles aussi différenciées selon qu’elles sont alimentées ou non par l’amont. Chaque type de maille est caractérisé par un code de couleurs, décrit dans le Tableau 8. Pour identifier les mailles sur l’ensemble du bassin versant, il faut parcourir plusieurs fois le modèle de drainage maillé :
- une première fois de l’amont vers l’aval pour identifier les exutoires, - une deuxième fois de l’aval vers l’amont pour identifier les autres mailles. Tableau 8 : Typologie des exutoires et des surfaces contributives (source ; Tortrat 2005) Type
d’exutoire
Type de maille Description
Exutoire
Bleu foncé
Maille sortante dont toute l’aire drainée est comprise dans la parcelle où elle se trouve
Non alimenté
par l’amont Non alimentée par
l’amont
Bleu
Maille dont toute l’aire drainée est comprise dans la parcelle où elle se trouve
Exutoire
Vert foncé
Maille sortante dont la surface contributive est en partie alimentée par des eaux de ruissellement venant de parcelles plus en amont
Alimentée par l’amont
Vert
Maille dont la surface contributive est en partie alimentée par des eaux de ruissellement venant de parcelles plus en amont
Alimenté par l’amont
Non alimentée par l’amont
Jaune
Maille alimentant une surface contributive verte mais dont l’aire drainée est comprise dans la parcelle où elle se trouve
Les premières mailles rencontrées de l’aval vers l’amont sont les mailles non alimentées par l’amont ayant comme exutoire une maille (ou plusieurs) bleue foncée, ainsi que les mailles non alimentées par l’amont (en bleue foncée). Puis, ce sont les mailles vertes qui sont identifiées, et ensuite les mailles jaunes (Figure 25.a-d). Enfin les mailles sortantes d’une parcelle donnée rattachées à une surface contributive de même type sont regroupées pour former un exutoire de parcelles. L’ensemble des exutoires est ensuite organisé et rattaché de l’amont vers l’aval (Figure 25.f). Une parcelle peut avoir plusieurs exutoires mais il n’y a qu’un seul exutoire par surface contributive dans une parcelle.
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Les relations entre les parcelles sont représentées sous la forme d’un arbre (Figure 25. g). En associant à chaque exutoire la surface contributive comme attribut, nous obtenons l’arbre d’exutoires de parcelles final.
Figure 25 : Détermination des surfaces contributives : a) à e) quelques étapes de la création des différentes surfaces contributives ; f) agrégation des différentes surfaces contributives en un arbre d’exutoires ; g) schéma de l’arbre d’exutoires ; h) schéma du graphe de parcelles (Tortrat, 2005).
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L’arbre d’exutoires de parcelles obtenu sur le bassin versant de la Fontaine du Theil, ainsi que les surfaces contributives sont présentés en Annexe 7.
Légende
Parcellaire 1999
exutoire non alimenté par l'amont exutoire alimenté par l'amont pixel non alimenté par l'amont pixel alimenté par l'amont Réseau hydrographique
Figure 26 : Pixels exutoires et surfaces contributives à l’exutoire du bassin versant de la Fontaine du Theil Le modèle biophysique de transfert demande un certain nombre de données en entrée. Ces données sont pour la plupart mesurées sur le terrain. La structure des données en entrée est décrite en Annexe 6
2.3.5 Données météorologiques
Les données météorologiques utilisées dans SACADEAU sont les débits journaliers ramenés à la surface (m/j), les précipitations journalières et les précipitations horaires pour chaque année. Les débits sont mesurés par la station située à l’exutoire (cf. Annexe 3). Les précipitations journalières ont été observées sur le bassin versant, enregistrées par le pluviographe (cf Annexe 3). Il a fallu dépouiller les bandes papiers obtenues par le pluviographe pour obtenir les précipitations horaires, qui n’étaient pas à l’origine disponibles dans la base de données.
2.3.6 Données sur les molécules et les produits
Les valeurs de Koc et de DT50 doivent être renseignées pour chaque molécule active
utilisée sur le bassin versant. Les valeurs auraient dû être celles spécifiques au bassin versant
(surtout pour la DT50). Cependant, ces dernières n’ayant pas été évaluées sur les sols de la
Fontaine du Theil, j’ai utilisé les valeurs de Florent Tortrat ainsi que celles indiquées dans la base de données FOOTPRINT (se reporter à l’Annexe 6 pour les valeurs utilisées).
Un fichier « produits » fut également créé pour définir les produits utilisés sur le bassin versant. Il renseigne sur le type de produit, le nombre et le type de molécules le constituant, ainsi que la dose appliquées. Sur le bassin versant de la Fontaine du Theil, j’ai pu assimiler les produits à la substance active le constituant, c’est à dire que l’on suppose que le produit est pur et ne présente pas d’adjuvant (pour plus de détails, se reporter à l’Annexe 6).
2.3.7 Données sur les traitements et les semis
L’ensemble des données rassemblant les itinéraires culturaux est issu de la base de données Arvalis. Les applications effectuées sur le bassin versant sur une année sont retranscrit dans SACADEAU dans un fichier « traitement », où les données sont disponibles pour chaque parcelle traitée (date, molécule active, date d’application). De même, le modèle tenant compte de l’occupation du sol et de l’évolution du couvert végétal, les données sur les
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semis sont regroupées dans un fichier par année. Le fichier donne pour toutes les parcelles du parcellaire, l’occupation du sol, la teneur en matière organique du sol et la date de semis. Le modèle biophysique ne peut prendre en compte qu’une seule date de semis par parcelle et par année. Cependant, certaines parcelles sur le bassin versant présentes deux dates de semis par années en raison des rotations culturales. Il a donc fallu se limiter à une seule date en privilégiant la première date de semis, pour utiliser le modèle sur une culture de printemps. La deuxième date de semis caractérise cependant l’occupation du sol pour l’année suivante.
2.3.8 Faciès du bassin versant de la Fontaine du Theil
Pour appliquer le modèle biophysique de transfert sur le bassin versant de la Fontaine du Theil, il aurait fallu également que j’adapte les classes relatives au changement de faciès (état de surface) en fonction du cumul de pluie (cf 3.2.3ci). Cette modification n’a pas été faite par manque de temps. En effet, il aurait fallu effectuer un relevé d’états de surfaces des sols (Armand, 2009), relevé qui va être effectué début juillet 2010. Cette lacune devra donc être prise en compte lors de l’analyse des résultats de simulations puisque le calcul du ruissellement de surface dépend du type de faciès et de la rugosité observées sur le bassin versant.