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Submitted on 6 Jun 2020
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Développement d’une chaîne d’outils informatique dans le cadre de la maîtrise du ruissellement érosif
Nicolas Piskiewicz
To cite this version:
Nicolas Piskiewicz. Développement d’une chaîne d’outils informatique dans le cadre de la maîtrise du ruissellement érosif. 2008, 65 p. �hal-01198016�
MEMOIRE DE FIN D’ETUDES ESIEA
Développement d’une chaîne d’outils informatique dans le cadre de la maîtrise du ruissellement érosif
Development of a computer chain of tools for the control of erosive runoff
Composition du jury :
Président : Mr Laurent Beaudoin Encadrant : Mr Philippe Martin
Tuteur pédagogique : Mr Sébastien Lenormand
Date de la soutenance : 17/03/2008
Nicolas PISKIEWICZ
Signature de l’encadrant :
Signature du président de jury : Signature du tuteur :
Table des matières
1 Remerciements ... 4
2 Liste des sigles ... 5
3 Résumé ... 6
4 Executive summary ... 7
5 Introduction ... 8
5.1 Présentation de l’INRA ... 8
5.1.1 Une gouvernance renouvelée pour mieux servir les enjeux et sociétaux ... 9
5.1.2 Une réflexion éthique ... 9
5.1.3 L’évaluation scientifique adaptée à un institut de recherches finalisées ... 9
5.2 Etat de l’art ... 10
5.2.1 La genèse du ruissellement dans le contexte des sols limoneux ... 10
5.2.2 Les dégâts engendrés par le ruissellement et l’érosion hydrique ... 12
5.2.3 Le développement durable et la recherche scientifique à l’INRA ... 15
5.3 Présentation du projet Diget-Cob ... 17
5.3.1 Présentation des objectifs ... 17
5.3.2 Organigramme du projet Diget-Cob ... 20
5.3.3 Réseau de relation ... 21
6 Mes contributions ... 22
6.1 Introduction... 22
6.2 Le logiciel TDR (Traitement des Données de Ruissellement du terrain) .. 23
6.2.1 Cadre dans lequel s’inscrit le logiciel ... 23
6.2.2 Logique des essais mis en œuvre... 26
6.2.3 Fiche de suivi des essais ... 27
6.2.4 Travail préparatoire au développement ... 27
6.2.5 Organisation du travail ... 29
6.2.6 Les étapes lors de la création d’un essai ... 30
6.2.7 Choix des options d’analyse et graphiques obtenus ... 32
6.2.8 Démarche utilisée pour la production des Curve Number ... 33
6.2.9 Utilisation finale du logiciel ... 34
6.2.10 Exemple d’utilisation du réseau de mesure : ... 35
6.2.11 Conclusion ... 37
6.3 Le logiciel DIAR ... 38
6.3.1 Introduction ... 38
6.3.2 Cadre dans lequel s’inscrit ce logiciel ... 38
6.3.3 Pourquoi développer un indicateur ? ... 39
6.3.4 Diagnostic ruissellement pour le Pays de Caux : Principes Généraux ... 40
6.3.5 Utilisation des CN dans le calcul du ruissellement ... 41
6.3.6 Développement de DIAR ... 42
6.3.7 Fonctionnalités ajoutées à DIAR ... 48
6.3.8 Utilisation finale du logiciel ... 51
6.3.9 Conclusion ... 51
6.4 Le couplage DIAR-DAISI ... 52
6.4.1 Introduction ... 52
6.4.2 Brève description de DAISI et comparaison avec DIAR ... 52
6.4.3 Les étapes du couplage ... 56
6.4.4 Conclusion ... 57
7 Conclusion générale ... 58
8 Bibliographie ... 59
9 Tables des figures ... 60
10 Annexes ... 61
1 Remerciements
Tout d'abord je tiens à remercier mon encadrant à l’INRA, Philippe Martin. Il a accepté que je rejoigne l'équipe Agiterre, fait partager ses travaux, et transmis une rigueur scientifique. Je le remercie également pour avoir pris le temps de m'aider à relire ce mémoire malgré son emploi du temps surchargé. Je n'oublie pas les autres membres de l'équipe pour leur aide, leurs conseils, et leur bonne humeur tout au long de ces neuf mois.
Par ailleurs, je remercie Sébastien Lenormand pour ses conseils à certaines phases critiques de mon stage, et pour avoir pris le temps de m’aider lors de la rédaction de mon mémoire.
Enfin, plus généralement, je tiens à féliciter tous les professeurs de l’ESIEA. Leur enseignement a été très instructif, et j'ai acquis beaucoup de connaissances qui, me serviront tout au long de ma vie professionnelle. Par la même occasion, je salue bien sûr tous mes camarades de promotion. J'ai été heureux de vivre avec eux cette très bonne expérience.
2 Liste des sigles
AcTerre :« Anticiper et accompagner des évolutions de territoires agricoles sensibles aux coulées boueuses ».
ARAA : Association pour la Relance Agronomique en Alsace.
AREAS: Association Régionale pour l’Etude et l’Amélioration des Sols.
ARPTHN : Association Régionale des producteurs de Pomme de Terre de Haute-Normandie.
DAISI : DAIly farm work Simulator.
DIAR : DIagnostic Agronomique de Ruissellement
Diget-Cob : « Elaboration et mise en œuvre de dispositifs pour la gestion des territoires générant des coulées boueuses ».
EA : Exploitation Agricole.
HTML : HyperText Markup Language.
IFSIC : Institut de Formation Supérieure en Informatique et Communication.
INRA : Institut National de la Recherche Agronomique.
ITB : Institut Technique de la Betterave.
MCD : Modèle Conceptuel de Données.
MIAGE : Institut de Formation Supérieur en Informatique et Communication
SAD : Sciences pour l'Action et le Développement, un département de l’INRA.
SOMEA : Somme Espace Agronomie.
STREAM : Sealing and Transfer by Runoff and Erosion related to Agricultural Management
TDR : Traitement des Données de Ruissellement
UML : Unified Modeling Language.
UMR : Unité Mixte de Recherche.
UR : Unité de Recherche.
XML : Extensible [1] Markup Language.
XSLT : eXtended Stylesheet Language Transformations.
3 Résumé
Le stage de fin d’études ESIEA est un stage de neuf mois, consistant à valider les acquis de l’ensemble du cursus. J’ai fait ce stage à l’INRA, à Paris (75005), de juin 2007 à mars 2008.
J’ai intégré une équipe de recherche nommée Agiterre, dont l’objectif est la réduction de l’aléa Coulée boueuse sur les terres agricoles. Pour ce faire, l’équipe contribue à la production d’outils, de méthodes et de connaissances afin de faire émerger, d’évaluer et d’adopter des innovations techniques.
Le travail que j’ai réalisé se situe à la fin du projet de recherche avec le développement de deux logiciels complémentaires. Le logiciel de simulation DIAR (DIagnostic Agronomique de Ruissellement) utilise des références issues d’expérimentations sur le terrain. Ces références sont elles-mêmes obtenues par l’utilisation de TDR (Traitement des Données de Ruissellement) avec les données brutes issues des expérimentations.
Plusieurs essais sont constitués chaque année afin de mesurer le ruissellement engendré par la pluie sur des parcelles d’essai de 20 m², dont les modalités diffèrent. Les essais ont pour objectif de mieux comprendre, caractériser, et évaluer le phénomène de ruissellement pour certaines conduites.
TDR a été développé afin de formaliser, de valoriser et de traiter les données générées lors des expérimentations. Il a remplacé un ensemble d’outils précédemment utilisés pour traiter les données et visualiser les courbes de ruissellement. TDR génère aussi désormais les références qui alimentent le modèle mathématique du logiciel de simulation. DIAR est utilisé par la Recherche Agronomique, mais également par les chambres d’agriculture et les associations associées au projet. Il est notamment prévu en avril 2008, une journée de formation à l’outil à laquelle je participerai dans le cadre de mon premier CDD. DIAR est employé comme outil de diagnostic afin de conseiller les agriculteurs sur la conduite de leur exploitation agricole et de réduire ainsi à la source le ruissellement à l’origine des coulées boueuses. DIAR peut également être utilisé comme outil d’aide à la décision pour évaluer les effets potentiels de changement dans les pratiques agricoles.
Réaliser l’ensemble des étapes de la programmation des deux logiciels a été particulièrement enrichissant car j’ai ainsi pu rencontrer les acteurs du projet Diget-Cob et m’inscrire dans une équipe. J’ai désormais une vision plus précise du milieu de la recherche et de mes perspectives d’avenir.
4 Executive summary
The training period at the end of the ESIEA course is a nine month period, consisting of validation of acquired knowledge over the whole degree course. I completed this training period at the INRA in Paris.
I joined a research team called ‘Agiterre’. The objective of the group is to reduce random erosion of agricultural ground by landslides. To this end the team helps with the creation of new tools, methods and data in order to emerge, asses and adopts new techniques.
The work on which I concentrated was the finalization of two supplementary programs. The simulation program ’DIAR’ uses references created by ‘TDR’ from practical experiments.
Several tests are carried out each year in order to measure the run off effect of rainwater on adjacent plots having differing characteristics. The objectives of the tests are to acquire a better understanding of the characteristics and evaluate the phenomenon of streaming rainwater.
TDR was developed in order to formalize, develop and process the data generated by these experiments. It replaced a series of tools formerly used for data processing and graphic visualization. TDR now generates the references and supplies the necessary mathematical data for the simulation program. DIAR is used for agronomic research, but also by the chamber of agriculture and the associations taking part in the project. DIAR is used to diagnose and advise farmers on the management of their land and reduce the risk of erosion.
DIAR can also be used to evaluate the potential changes in agricultural practice.
Carrying out the stages of programming for both software has been extremely enriching as I was able to meet the participants of the ‘Diget-Cob’ project and join a team. I have now a precise overview in the domain of research and in my future perspectives.
5 Introduction
5.1 Présentation de l’INRA
Figure 1 : Organigramme de l’Inra provenant du site www.inra.fr
La description qui suit est adaptée du site officiel de l’INRA : http://www.inra.fr.
L’INRA est un institut de recherche publique finalisée qui répond aux attentes de la société. avec 8 576 chercheurs, ingénieurs, techniciens et administratifs, 1 634 doctorants, 14 départements scientifiques, 21 centres régionaux, une importante implication dans la mutualisation du dispositif de recherche avec les autres organismes de recherche et l’enseignement supérieur en France et à l’étranger, une ouverture aux transferts vers le monde socio-économique, ainsi qu’un budget de 678 millions d’euros pour 2006, l’Inra possède un dispositif de recherche unique dans les sciences du vivant.
5.1.1 Une gouvernance renouvelée pour mieux servir les enjeux et sociétaux
En 2004, la gouvernance de l’institut a été renouvelée. Son dispositif de recherche également, avec une réorganisation des départements scientifiques et la création de trois programmes fédérateurs de recherche, ouverts à l’ensemble de la communauté scientifique, dans les domaines de l’environnement, de l’alimentation, de l’agriculture et du développement durable. Les deux derniers programmes sont désormais inscrits dans la programmation de l'Agence nationale de la recherche (ANR) créée en février 2005. Leur gestion et leur animation scientifique a été confiée à l'Inra, avec celle de cinq autres programmes dans le domaine de la génomique végétale, animale et des OGM.
5.1.2 Une réflexion éthique
En tant qu’institut public de recherches finalisées, l’Inra a des responsabilités étendues vis-à-vis de la société. C’est pourquoi l’Inra a éprouvé la nécessité de développer une réflexion éthique sur ses recherches et leurs applications qui s’est traduite par la création en 1999 d’un Comité d’éthique et de précaution (Comepra). Ces questions sont désormais appréhendées le plus en amont possible dans la construction des projets de recherche.
5.1.3 L’évaluation scientifique adaptée à un institut de recherches finalisées
En tant qu’organisme de recherches finalisées, l’Inra situe son action dans des perspectives à la fois socio-économiques et scientifiques. C’est pourquoi l’évaluation de l’action des collectifs et des personnes porte à la fois sur des aspects de pertinence socio- économique et d’excellence scientifique. Ceci implique une approche multicritères des évaluations qui ne se limite pas aux publications scientifiques d’audience internationale. Des évaluations régulières concernent aussi bien les individus que les collectifs : unités de recherche et départements scientifiques.
5.2 Etat de l’art
Les arguments développés la partie qui suit (5.2) sont très directement inspirés de l’article de l’article : Analyse des mécanismes de désagrégation et de mobilisation des particules de terre sous l’action des pluies (Thèse, Univ. D’Orléans, 1989) (Auteur : Le Bissonnais Yves)
5.2.1 La genèse du ruissellement dans le contexte des sols limoneux
Les sols limoneux du nord de l'Europe présentent une très faible stabilité structurale du fait de leur texture et de leur faible teneur en matière organique. Ils sont donc très sensibles à la battance1.
Croûte structurale Croûte sédimentaire (Certains fragments (Lissage de la surface) restent bien distincts)
Phase 0 : Phase 1 : Phase 2 : Etat initial fragmentaire Fermeture de la surface Sédimentation dans les flaques poreux et meuble par effet « Splash » formation de la couche
après un travail du sol de battance
Figure 2 : Les stades de dégradation de la surface du sol sous l'action des pluies (d'après Boiffin, in Auzet, 1987)
Figure 3 : Evolution des états de surfaces d'un sol limoneux : formation d'une croûte de battance Clichés (Le Bissonnais, 2002)
Après un travail du sol, l'état de surface d'une parcelle est fragmentaire. L'infiltrabilité est de l'ordre de 30 à 60 mm/h (Boiffin et al., 1986) ce qui est nettement supérieur aux intensités pluvieuses moyennes en France.
Sous l'action des pluies, les agrégats se désagrègent et de petites particules rejaillissent, colmatant la porosité de surface. Les mécanismes de désagrégation des mottes et
1 Phénomène qui se traduit par un colmatage de la porosité du sol s’oppose à l’infiltration de l’eau, à la circulation de l’air, et favorise l’érosion hydrique (Wikipédia)
agrégats sont la désagrégation mécanique, l'éclatement, la microfissuration et la dispersion physico-chimique (Figure 5) (Le Bissonnais et Le Souder, 1995).
Figure 4 : Mécanismes de la désagrégation des mottes (d'après Le Bissonnais et Le Souder, 1995)
La désagrégation mécanique dépend de l'énergie cinétique de la pluie. La désagrégation par éclatement est liée à la compression de l'air lors de l'entrée d'eau. La microfissuration consiste en une désagrégation modérée produite par un gonflement différentiel. Enfin, la dispersion physico-chimique résulte de la réduction des forces d'attraction entre les particules du sol.
Une croûte structurale se forme par réorganisation, in situ, des fragments et des particules produits par la désagrégation, réduisant la capacité d'infiltration à moins de 6 mm/h (Boiffin et al., 1986).
Lorsque l'intensité des pluies dépasse l'infiltration ainsi réduite, un excès d'eau se manifeste par débordement. Les particules détachées par la pluie sont transportées sélectivement sur de faibles distances. Dans les dépressions, la succession des dépôts entraîne la formation de croûtes sédimentaires. A ce stade, même les faibles intensités pluvieuses dépassent la capacité d'infiltration du sol qui est alors de l'ordre de 1 à 2 mm/h.
Evolution des états de surface
Figure 5 : Evolution des états de surface (Source : Comité de pilotage du projet Diget-Cob le 10/11/05)
5.2.2 Les dégâts engendrés par le ruissellement et l’érosion hydrique
L'érosion hydrique des terres cultivées est susceptible de causer des dommages importants en amont, c'est-à-dire sur les parcelles agricoles mais aussi en aval, hors du territoire agricole.
Les conséquences sur le territoire agricole
Sur le territoire agricole, les dégâts causés par l'érosion hydrique incombent essentiellement aux agriculteurs, puisqu'il s'agit principalement de pertes de culture. Sous l'action du ruissellement, des plants peuvent être arrachés, les jeunes pousses détruites, les semis ensevelis sous la boue.
Les ravines, même en dehors de leur période d'activité, constituent une gêne pour le passage des engins agricoles. Lorsque les ravines sont trop profondes pour être franchies, les agriculteurs doivent travailler leurs parcelles morceau par morceau, ce qui augmente le temps de travail et les coûts de production.
D'autres types de dégâts sont plus insidieux car moins visibles et conduisent à une perte de capital sol. L'importance de l'érosion peut être localement quantifiée en tonnes de sol perdues par hectare et par an. A long terme et à l'échelle de la région agricole, le processus conduit à une perte de terroir très préoccupante.
L'impact de la perte de sol sur la fertilité varie selon la profondeur du sol. Ainsi, sur un sol très épais, l'impact du décapage passera longtemps inaperçu. En effet, tant que l'érosion ne met pas à nu les calcaires situés sous la couche de dépôts limoneux, l'impact agronomique de cette perte de sol est faible. Par contre, un décapage similaire entraîne une perte de fertilité définitive lorsque la vitesse de pédogenèse est très lente, par exemple s'il s'agit d'un sol peu épais sur une roche-mère de calcaire. Souvent, cette érosion insidieuse reste inaperçue et donc peu mobilisatrice en régions de grandes cultures.
L'amincissement du sol conduit à une diminution de sa fertilité d'autant plus marquée que l'érosion est sélective : la terre fine exportée est riche en éléments fertilisants et en matière organique.
Figure 6 : Dégâts sur le territoire agricole. Source (Comité de pilotage du projet Diget-Cob le 10/11/05)
A l’aval : les conséquences pour les installations humaines
Les dégâts à l'aval sont de trois types :
• Les écoulements boueux catastrophiques, qui se concentrent dans les bassins agricoles, dévalent le long du réseau de vallées et de vallons secs et provoquent des dégâts à l'encontre des bâtiments, des ouvrages d'art et des routes.
Les écoulements boueux catastrophiques sont déclenchés par des précipitations exceptionnelles et peuvent entraîner des dégâts matériels importants, indemnisables sous certaines conditions, au titre des catastrophes naturelles. Les "coulées boueuses"
sont différentes des inondations provoquées par la crue d'un cours d'eau lorsqu'il envahit son lit majeur, ou par le débordement d'une nappe phréatique. Les deux phénomènes surviennent toutefois souvent conjointement. Compte tenu de cette définition, l'érosion hydrique des sols cultivés joue un rôle central dans leur déclenchement.
• Dans les paysages de grandes cultures, le ruissellement émis lors des longues périodes de pluies hivernales par les surfaces imperméabilisés par une croûte de battance est acheminé rapidement vers le réseau hydrographique et participe à la formation des crues.
• En dehors des catastrophes naturelles liées à des pluies exceptionnelles, l'érosion chronique provoque aussi des dégâts moins spectaculaires, en particulier sur les routes.
La terre exportée des parcelles par le ruissellement se dépose sur la chaussée et comble les réseaux de collecte des eaux, ce qui nécessite des interventions pour leur remise en état. Les ravines creusées en bordure de voirie provoquent le sapement des chaussées.
Figure 7 : Dégâts suite à une coulée boueuse. Commune de Bloztzheim. (Source : Lemel et Armad, 2003)
A l’échelle régionale : la pollution de l’eau
La perte en sol est un facteur de pollution des eaux superficielles. Les eaux de ruissellement sont chargées en matières en suspension qui sont des vecteurs d'éléments chimiques (fertilisants tels le phosphore, adsorbé sur les particules de terre, produits phytosanitaires, etc.) et augmentent la turbidité des cours d'eau ainsi que leur teneur en éléments eutrophisants (phosphore).
Ces polluants dégradent la qualité des eaux superficielles utilisées pour l'alimentation en eau potable, ce qui peut ensuite se répercuter sur le prix de l'eau, ou entraîner provisoirement l'interruption de la distribution d’eau potable.
Quand les eaux ruisselées peuvent s'infiltrer rapidement par des voies préférentielles (cas des bétoires2 ou dolines3 en milieu karstique4), elles participent directement à la dégradation de la qualité des eaux souterraines.
La dégradation de la qualité des eaux liée à l'entraînement de particules du sol conduit à investir dans des ouvrages de traitement pour maintenir la qualité de l’eau potable, ainsi que dans la création de réseaux d'adduction pour alimenter ces ouvrages, les unités créées devant être de grande taille.
Les fortes turbidités sont aussi à l'origine d'une dégradation de la qualité biologique du milieu aquatique par :
réduction de la pénétration de la lumière dans l'eau et donc diminution de l'activité photosynthétique.
envasement du lit modifiant les équilibres écologiques.
perturbation de la faune piscicole pouvant entraîner des mortalités importantes des poissons autochtones.
apports d'éléments nutritifs pouvant favoriser l'eutrophisation.
apport d'éléments polluants.
La gravité de cette pollution des eaux est due à la fois à son caractère chronique et à des épisodes érosifs exceptionnels induits par des pluies de faible fréquence de retour.
Les dommages engendrés par le ruissellement et l'érosion hydrique des sols cultivés sont de taille. Dans une optique de développement durable, la mise en place de mesures préventives contre l’érosion hydrique devient donc un enjeu important pour la préservation de la ressource et l’accompagnement d’un progrès respectueux de l’environnement. Des outils d’évaluation s’avèrent alors nécessaires pour aider à cette mise en place.
2 Trou en plein champ, dû à l'érosion souterraine, et dans lequel l'eau s'engouffre.
3 Dépression du terrain due à la dissolution de la roche mère.
4 Le karst est un paysage façonné dans des roches solubles carbonatées.
5.2.3 Le développement durable et la recherche scientifique à l’INRA
Adapté du rapport à Madame la Directrice de l’INRA : Le développement durable et la recherche scientifique à l’INRA
Auteurs : Olivier Godard et Bernard Hubert
« Le principal défaut de la plupart des pseudo-définitions du ‘développement’ tient au fait qu’elles sont généralement fondées sur la manière dont une personne (ou un ensemble de personnes) se représente(nt) les conditions idéales de l’existence sociale. (...) si le
‘développement’ n’est qu’un terme commode pour résumer l’ensemble des vertueuses aspirations humaines, on peut conclure immédiatement qu’il n’existe nulle part et qu’il n’existera probablement jamais ! »
Gilbert Rist, Le développement. Histoire d’une croyance occidentale, 1996
« Une politique scientifique cherchant à promouvoir le développement durable ne peut donc se fier à une rhétorique de bonne volonté. Si tout ce qui promet de constituer un facteur de progrès pour l’individu, la collectivité, le travailleur, la qualité de la vie ou la santé peut être relabellisé, redéfini comme s’inscrivant dans la politique du développement durable, le scepticisme auquel il s’agit de résister sera justifié. Ce thème deviendra un fourre-tout rassemblant des recherches qui auraient fort bien pu relever d’un autre programme. Et l’on pourra finir par se demander quelles recherches jugées dignes d’être subventionnées par les pouvoirs publics ne relèveraient pas du développement durable »
Isabelle Stengers, Prendre au sérieux le développement durable ?, 1998
En une vingtaine d’années, la problématique de développement durable s’est imposée tant sur l’agenda politique, qu’économique. Elle est désormais une valeur que les peuples européens et la communauté internationale désirent promouvoir pour organiser leur développement et préserver l’existence d’un monde viable dans sa dimension environnementale. Traités et lois vont dans ce sens et proclament la nature comme un patrimoine commun auquel il faut veiller. Les programmes d’actions se situent à différentes échelles, internationales, communautaire, nationale ou locale.
La problématique de développement durable s’est imposée face aux effets et conséquences du type de mondialisation qui s’est engagé depuis vingt ans. Elle attire l’attention sur les risques que le développement des uns se nourrisse du sous-développement des autres et vise à mieux intégrer les processus économiques, sociaux et écologiques pour satisfaire les besoins des populations, sans nier les différences qui existent d’un pays à l’autre.
La prise de conscience liée à l’émergence de cette problématique s’est réalisée face à des phénomènes de dégradation, de crises et d’évolutions inquiétantes. En parallèle, les progrès économiques et sociaux tant pour la productivité que pour la santé et la qualité de vie sont incontestables. Le souci d’un développement durable est apparu lorsque les perspectives du développement sont devenues plus fragiles et lorsque la perception générale a été que les avancées étaient en retrait sur les besoins.
Après une cinquantaine d’années de transformations économiques, sociales et démographiques dédiées au progrès de la production et de la productivité, l’agriculture française doit désormais se remettre en cause. En effet, elle doit s’adapter notamment à, de nouvelles demandes des consommateurs, l’évolution des règles du commerce international et l’élargissement de l’Union européenne aux pays de l’Est.
L’évolution de l’agriculture depuis 1950 en France a été accompagnée et stimulée par la recherche publique et tout particulièrement celle menée au sein de l’INRA. La notion de développement durable n’est pas apparue d’un coup dans le paysage intellectuel et l’INRA a suivi les réorientations et les nouveaux enjeux qui attendent l’agriculture. La production de connaissances impose à l’établissement de distinguer des thèmes et des questions en dépit de leur enchevêtrement. L’INRA doit proposer des orientations et organiser la recherche afin de mieux répondre aux attentes des pouvoirs publics du point de vue de la contribution de l’agriculture au développement durable du pays. La thématique de Développement Durable doit en particulier venir enrichir les trois priorités de l’institut de recherche (Alimentation, Environnement et Agriculture) en insistant sur leurs interactions.
5.3 Présentation du projet Diget-Cob
5.3.1 Présentation des objectifs
Afin de décrire le plus simplement possible le projet dans lequel je m’inscris et son historique, je vais partir du plus général pour progressivement me rapprocher du sujet de mon stage. Dans un deuxième temps, je reviendrai au niveau du projet global, tel qu’il est actuellement, pour en spécifier les différents intervenants, leurs relations et leurs rôles.
En réponse à l’appel à proposition de recherche du MEDD : « Risque Décision Territoire », la thématique « Elaboration et mise en œuvre de dispositifs pour la gestion des territoires générant des coulées boueuses » a été retenue par un groupe de chercheurs.
Le programme de recherche nommé Diget-Cob porte sur la maîtrise des coulées boueuses dans les zones limoneuses du nord de la France. Il vise à produire des outils à destination des gestionnaires de territoires à dominante agricole. Ces outils se positionnent dans une optique de prévention par réduction de l’aléa coulée boueuse à sa source sur le territoire agricole. Le projet vise une collaboration étroite avec les acteurs de terrain avec lesquels les outils seront finalisés et testés in situ. Ces intervenants du projet sont avant tout des structures ayant statut d’experts. Les outils dont on vise la formalisation et le transfert doivent permettre :
o d’évaluer le risque de ruissellement lié aux pratiques actuelles
o de proposer des solutions techniques à la parcelle et de nouvelles organisations spatiales des systèmes de culture au niveau du bassin versant qui prennent en compte les contraintes agricoles (organisation du travail,…)
o d’évaluer les conséquences économiques liées à l’érosion ainsi que les gains associés aux différentes solutions techniques pour les différents acteurs concernés.
Le programme de recherche comporte trois volets. Je vais uniquement détailler le premier volet dans lequel mon stage s’est inscrit :
Volet 1 (Technique) : Caractérisation du ruissellement érosif et maîtrise agricole de la parcelle au petit bassin versant agricole :
o Mise au point d’indicateurs de risque de ruissellement o Production de données sur le ruissellement à la parcelle o Etablissement d’un guide des bonnes pratiques culturales
o Test in situ d’un outil d’amélioration de l’organisation spatiale des systèmes de culture
Volet 2 (Economique) : Evaluation et maîtrise économique de l’aléa ruissellement érosif de la parcelle au petit bassin versant agricole.
Volet 3 (Sociologique) : Le contexte et les conditions sociales de la maîtrise du ruissellement agricole.
Le projet Diget-Cob, débuté officiellement le 1er Août 2004 et d’une durée initiale de deux ans, a regroupé une trentaine de chercheurs permanents, doctorants, post doctorants, ingénieurs et techniciens issus de huit équipes de recherche et quatre équipes d’agents de développement. Il a été suivi en septembre 2007 sous la forme du projet AcTerre : « Anticiper et accompagner des évolutions de territoires agricoles sensibles aux coulées boueuses ». Le projet AcTerre, propose de réfléchir à la mise en relation des résultats obtenus précédemment et à la formalisation d’outils à destination des gestionnaires de territoires. D’une durée de deux ans, il s’appuie sur une collaboration étroite, initiée lors du projet RDT, avec les acteurs de terrain. Ils devront tester et aider à l’élaboration d’outils de prévention de l’aléa coulée boueuse à sa source sur le territoire agricole. Les questions auxquelles souhaite répondre ce projet regroupant une quinzaine de personnes sont les suivantes :
Volet 1 : Comment risquent d’évoluer les assolements des différents types d’exploitations agricoles des zones d’étude sous l’impact des modifications du contexte agricole, quelles conséquences doit-on en attendre sur l’évolution de l’aléa ruissellement ? Quelles solutions technico-économiques peut-on envisager à l’échelon des différents types d’exploitation pour la réduction de cet aléa ?
Volet 2 : Comment intégrer au niveau d’un petit bassin versant agricole des outils techniques, économiques et sociologiques permettant d’aller vers des solutions concertées, efficaces et durables de limitation de l’aléa ruissellement. Comment intégrer dans ces solutions des stratégies territoriales de filières agricoles ?
Volet 3. Comment évaluer à l’échelon de territoires régionaux l’impact environnemental et économique de différentes mesures de réduction du ruissellement érosif ? Quelles combinaisons de mesures assurer en fonction des hétérogénéités physiques et humaines intra régionales ?
Les décideurs publics (DIREN, agence de l’eau, DDA, conseil régional) sont intégrés au programme par leur participation au comité de pilotage.
Dans le projet Diget-Cob, dont les objectifs agronomiques sont très éloignés de mon travail quotidien, j’étais intégré à l’équipe AgiTerre (Figure 8).
Figure 8 : Positionnement des équipes de recherches de l’unité par rapport à trois axes
Elle contribue à la production d‘outils, de méthodes et de connaissances relatifs à l’émergence ou l’adoption d’innovations techniques visant à satisfaire des objectifs de durabilité, à l’échelle des exploitations agricoles. Les travaux de l’équipe s’articulent autour de deux axes :
A1 « Diversité socio-technique des exploitations et dynamique des territoires agricoles » : à partir de l’analyse des marges de manœuvre des agriculteurs (organisation du travail, modification des assolements ou des systèmes d’alimentation), on identifie des types de fonctionnement d’exploitation permettant de proposer une gamme de changements techniques cohérente avec les dynamiques des territoires.
A2 « Modélisation des activités agricoles (système de culture, aménagements) et des conséquences environnementales » : on développe des modèles biophysiques et de décisions d’acteurs qui sont utilisés pour générer des scénarii d’évolution des activités localisées dans un territoire et évaluées au regard de leurs conséquences environnementales.
C’est dans ce dernier axe que s’inscrit mon stage de fin d’étude avec la réalisation d’un indicateur de ruissellement.
L’équipe Agiterre, à laquelle j’appartiens, est constituée de 6 permanents et de deux temporaires (une personne en thèse et moi). Cette équipe dépend de l’UMR (Unité Mixte de Recherche) SAD APT (Systèmes Agraires et le Développement Activité Produit Territoire), qui elle-même appartient au département SAD (Science pour l’Action et le Développement) de l’INRA.
5.3.2 Organigramme du projet Diget-Cob
Figure 9 : Organigramme du projet DigetCob
Modèle DIARE
Production des données
INRA UMR SAD APT
Chambre d’agriculture De la Seine-Maritime
AREAS
(Association Régionale Pour l’Etude et l’Amélioration des Sols)
Etabli par
Aminé par
Géré par
Chambre d’agriculture
De l’Eure Institut Technique
De la Betterave
Association Régionale Des planteurs de Pomme de Terre
ESITPA de Rouen Université
Louis Pasteur
Coopère avec
Equipes de recherche Financement
Le Conseil Général De Seine-Maritime
L’agence de l’Eau Seine Normandie
Financent
SOMEA Formé par
Syndicats de bassins Versants (Seine maritime)
Animateurs agricoles
Sont regroupés en
Relayé sur le Terrain par
Chargés de mission
(Somme) Collectivités
locales
Recrutent En convention avec
Sont des employés de
Sur le terrain
Conseillent Agriculteurs
Ministère de l’écologie Et du développement
Durable
Mettent en place
A l’origine
Réseau de 40 dispositifs de mesure
Aménagements hydrauliques
Financent Programme RDT
5.3.3 Réseau de relation
Durant les différentes phases de mon stage, j’ai eu l’occasion de travailler avec plusieurs des intervenants du projet Diget-Cob (Figure 10). Ces relations prennent une grande importance lors de l’établissement des besoins préalable au développement d’un logiciel, mais également lors des réunions. Rencontrer ces acteurs du projet m’a aussi permis de comprendre les points de vus et les objectifs de chacun.
Figure 10 : Réseau de relation établi pendant le stage
6 Mes contributions
6.1 Introduction
Au cours de mon stage j’ai réalisé deux logiciels pour l’équipe Agiterre. Afin de situer de la façon la plus compréhensible mes réalisations dans le projet Diget-cob, la structure de mon rapport va suivre les données et leurs modifications successives durant les phases du projet. Cette approche s’explique par la complexité du projet. En effet, il y a un grand nombre d’acteurs et chacun à un rôle, des exigences et des objectifs différents suivant les phases du projet.
L’objectif de l’équipe de recherche dans laquelle je me suis inscrit est l’aide à la prise de décision publique concernant la lutte contre les ruissellements. Afin d’évaluer un phénomène encore méconnu, il faut donc de nombreuses données qui le caractérisent. Pour cela, des essais sont réalisés sur des parcelles avec différentes techniques culturales que l’on souhaite comparer.
La formalisation, la visualisation et le stockage des données issus des expérimentations sur le terrain constituent les aspects essentiels du logiciel TDR que j’ai réalisé durant la seconde partie de mon stage. Ces données, une fois transformées, alimentent le modèle mathématique qui est à la base du logiciel de simulation DIAR. Cet outil dont la précision s’affine au fur et à mesure des expérimentations sur le terrain a pour objectif d’évaluer les conséquences sur le ruissellement d’une modification des paramètres d’une ou plusieurs exploitations agricoles.
Dans un second temps, pour assurer une plus grande cohérence au modèle décrit dans DIAR, il a été couplé au logiciel DAISI (DAIly farm work Simulator) dont l’utilisation permet d’évaluer l’organisation du travail d’un agriculteur. Enfin, il sera couplé à un diagnostic érosion réalisé auprès des agriculteurs par la chambre d’agriculture afin de générer une importante base de données d’exploitations agricoles.
Ces différentes étapes de mon travail sont le reflet des recherches et des avancées d’une équipe de l’INRA et ne peuvent donc pas s’appréhender sans en comprendre les objectifs agronomiques.
6.2
Le logiciel TDR (Traitement des Données de Ruissellement du terrain)6.2.1 Cadre dans lequel s’inscrit le logiciel
Depuis 20 ans la Haute-Normandie connaît un accroissement de la fréquence des inondations boueuses sur son territoire. Les inondations se traduisent par des dégâts chroniques tels que le dépôt de terre sur les routes et l’accroissement de la fréquence des épisodes de turbidité dans les réseaux d’eau potable. On peut aussi avoir des dégâts catastrophiques lors d’événements pluvieux exceptionnels (véhicules et maisons détruites, accidents mortels).
L’aménagement du territoire a permis de limiter les problèmes en mettant en place des bassins de stockage des eaux de ruissellement dans les lieux les plus menacés. Toutefois ces bassins coûtent chers et ne peuvent donc pas être généralisés sur l’ensemble du territoire. Par ailleurs, les bassins mis en place tendent à se combler du fait des sédiments contenus dans les eaux de ruissellement. Tout cela fait que de plus en plus on cherche à traiter le problème à la source en tentant de réduire le ruissellement sur le territoire agricole. Les services de développement agricole ainsi que les collectivités territoriales locales souhaitent aider les agriculteurs à choisir les pratiques culturales les plus adaptées pour réduire le ruissellement. Le problème est que l’effet sur le ruissellement des pratiques culturales actuelles n’est pas bien connu, et qu’il est parfois difficile de proposer des améliorations. C’est pourquoi, avec l’aide de l’INRA, les acteurs locaux ont décidé de mettre en place un réseau permettant de caractériser l’effet des pratiques agricoles sur le ruissellement. Ce réseau s’appuie sur l’utilisation d’un nouvel appareil mis au point pour mesurer le ruissellement in situ.
Le dispositif est basé sur un système à augets basculeurs qui sont connectés à une centrale électronique d’acquisition des données. Les parcelles expérimentales dont le ruissellement est enregistré sont d’une surface fixe et sont précisément délimitées. J’ai également pu constater lors d’une sortie de vérification du matériel qu’une fiche de suivi est complétée à chaque passage sur un site. On note les problèmes divers pouvant survenir ainsi qu’un ensemble de caractéristiques concernant l’état de surface des parcelles. Le réseau de mesure est composé de 47 appareils qui sont utilisés par sept organismes afin de produire des résultats. Les modalités qui sont évaluées lors d’une expérimentation sont discutées préalablement car une fois le dispositif installé, le suivi et la durée nécessaires à l’obtention de données viables impliquent la mise en place d’uniquement deux ou trois sites par an.
Figure 11 : Issus du poster de l’annexe 1 : Mise en place d’un réseau D’acquisition de références sur le ruissellement en Haute-Normandie.
Centrale d’acquisition
Figure 12 : Placettes expérimentales (Source : Ruissellement synthèse 2006)
La réduction du ruissellement en provenance du territoire agricole concerne différents organismes impliqués de près ou de loin dans le conseil auprès des agriculteurs.
On peut distinguer des organisations économiques structurées autour d’une culture donnée. C’est le cas de l’ITB (Institut Technique de la Betterave) ou encore de l’ARPTHN (Association Régionale des producteurs de Pomme de Terre de Haute-Normandie). Ces organisations économiques sont directement financées par les agriculteurs concernés par la betterave ou la pomme de terre. Elles sont au service des agriculteurs et défendent avant tout leurs intérêts. Elles sont représentées sur l’ensemble du territoire régional. Actuellement la pomme de terre et la betterave sont accusées de fortement contribuer au problème érosif. Or il est de plus en plus question d’éco-conditionnalité pour l’attribution des aides aux agriculteurs.
Dans ce contexte, l’ITB et l’ARPTHN doivent faire la preuve qu’il est possible de produire des pommes de terre et des betteraves sans accroître le problème érosif. Ces structures ont donc un besoin pressant de références techniques opposables à des tiers.
Les chambres d’agriculture fonctionnent aussi avec les prélèvements parafiscaux mais aussi à l’aide de financements publics (agence de l’eau, conseil général….). Par ailleurs les chambres sont tenues d’apporter aide et conseil à l’ensemble des agriculteurs de la région (deux chambres départementales, une dans l’Eure et une en Seine-Maritime). Leur champ d’action est donc plus large que celui de l’ITB ou de l’ARPTHN qui se limitaient pour chacun à une seule culture. Les objectifs poursuivis sont aussi différents. Le but premier est de vulgariser les résultats obtenus dans le cadre du projet Diget-Cob auprès des agriculteurs. Les essais mis en place seront donc des essais de démonstration qui cherchent à montrer aux agriculteurs des résultats que les conseillers connaissaient déjà. La recherche de références techniques novatrices est un objectif plus marginal mais néanmoins nécessaire pour nourrir le
référentiel des conseillers qui actuellement ne sont pas toujours en mesure de répondre aux questions des agriculteurs.
Les organismes de recherche sont aussi intéressés par l’acquisition de références. Le but est ici différent des précédents car il s’agit d’objectifs scientifiques de mise au point et de validation de modèles physiques de ruissellement érosion. Dans un souci d’élargir le domaine de validité, les chercheurs souhaitent obtenir des situations culturales diversifiées (cf.
démarche Chambre d’agriculture) mais avec un suivi nécessairement plus rigoureux (cf.
démarche organisations économiques).
Toutes ces structures ont pour point commun de ne disposer que d’une main d’œuvre limitée (1 personne par structure) qui puisse réellement faire de l’acquisition de références.
Par ailleurs au démarrage du travail en 1999 il n’existait pas d’appareil permettant de mesurer le ruissellement de façon automatique et sans grands travaux de terrassement sur des parcelles agricoles.
Le projet s’appuie sur 3 régions avec des statuts différents :
La Haute-Normandie est la région sur laquelle portent l’essentiel des travaux et dont sont originaires tous les membres du comité de pilotage. Cette région se caractérise par une volonté forte des acteurs locaux de lutter efficacement contre le ruissellement érosif (création des syndicats de bassin versants…). Elle est aussi le lieu d’un fort investissement des labos de recherche depuis de nombreuses années.
La Picardie est une région qui présente des caractéristiques de terrain, d’orientation agricole et de systèmes érosifs proches de ceux de la Haute- Normandie. Elle se caractérise par une grande expérience d’animation d’opérations de lutte contre le ruissellement et l’érosion sur de petits bassins versants agricoles sous l’égide de la chambre d’agriculture de la Somme.
L’Alsace est une région qui présente des caractéristiques très différentes des deux précédentes. La plus grande diversité des types de sols permet notamment de cerner le domaine de validité des travaux réalisés dans les deux autres régions.
Figure 13 : Localisation des essais (Source : Ruissellement synthèse 2006)
6.2.2 Logique des essais mis en œuvre
La question du ruissellement érosif se pose en France depuis la fin des années 70, de nombreux résultats ont été obtenus dans la compréhension du phénomène et des mécanismes biochimiques qui le composent.
Le travail a démarré alors que des progrès importants avaient été obtenus dans l’avertissement des crues, la protection des zones vulnérables et la maîtrise de la vulnérabilité.
En revanche, la prévention du ruissellement à la source sur le territoire agricole était un domaine pour lequel on disposait de peu d’outils et méthodes.
Le réseau de mesure du ruissellement a été mis en place dans deux optiques :
1. Pour une culture donnée, tester des techniques dont on espère qu’elles limitent le ruissellement comparativement aux pratiques actuelles des agriculteurs.
2. Pour des cultures différentes, comparer la production de ruissellement générée à un même moment.
L’information issue des essais mis en place dans la première optique, est destinée aux agriculteurs et à leurs conseillers techniques alors que celle issue de la seconde, vise à informer les gestionnaires de bassin versant sur l’évolution des risques de ruissellement associés à une évolution de l’occupation du territoire.
Pour la zone Haute-Normandie/Picardie, les risques de ruissellement portent à la fois sur la période automnale et printanière, alors qu’ils concernent principalement le printemps pour l’Alsace. Les essais portent donc sur toute l’année ou uniquement sur la période printanière suivant la région.
Plusieurs voies de réduction du ruissellement connus des agronomes et des experts ont été testées :
- Lors de l’implantation d’une culture, on peut chercher à générer une surface avec une forte rugosité ou en maintenant des résidus de la culture en surface.
- Lorsque la culture est levée, il est possible de restaurer l’infiltration du sol en fragmentant la surface ou en implantant une culture associée.
- Après la récolte, on peut opter pour l’une des possibilités précédentes ou en implantant un couvert de culture intermédiaire.
Les techniques testées doivent prendre en compte certains caractères agronomiques ou sociaux comme le rendement ou le temps de travail. En effet, l’acceptation sociale d’une technique améliorante d’un point de vu ruissellement est en rapport étroit avec les éventuelles pénalisations financières ou le travail nécessaire à la mise en place de cette technique.
S’écarter des volets économiques (volet 2) et sociaux du projet (volet 3) dans la logique des essais et donc l’établissement des références entrainerait une acquisition de connaissance sans qu’elles puissent être appliquées. Les volets technique, économique et sociaux du projet sont donc en relation étroite et s’alimentent les uns les autres.
6.2.3 Fiche de suivi des essais
Une fiche de suivie a été élaborée dans le cadre du projet afin de faire correspondre aux données informatiques récoltées, une évolution des états du surface des parcelles. Ces informations peuvent ensuite justifier des différences entres les répétions d’une même modalité et prennent donc une grande importance. Les paramètres relevés concernent le faciès et la rugosité du sol, le taux de couverture et la hauteur du couvert.
Figure 14 : Fiche de suivie d’un essai
6.2.4 Travail préparatoire au développement
L’intérêt de développer un logiciel permettant de traiter les données de pluie et de ruissellement issues des centrales d’acquisitions a été ressenti pour plusieurs raisons. D’une part les logiciels précédemment utilisés pour réaliser cette opération ne définissaient pas un format strict pour le stockage. De plus, l’ensemble du traitement était assuré par trois logiciels dont l’utilisation s’avérait longue, complexe, et ne prenait pas en compte certaines singularités. Cette hétérogénéité et la nécessité de formaliser le stockage et l’échange des données entre les acteurs du projet ont été les principaux besoins exprimés lors de l’établissement du cahier des charges de TDR. Par la suite, d’autres exigences sont apparues nécessaires pour faciliter l’utilisation et ajouter certaines sorties au logiciel.
Dans un premier temps il m’a fallu appréhender et comprendre le cadre dans lequel était développé le logiciel, qui en seraient les utilisateurs et quelles devaient être mes lignes directrices dans ce projet. Lors des réunions préparatoires, je me suis rendu compte que l’aspect humain et l’introduction des différents utilisateurs aux cycles de développement prendraient une importance déterminante dans la future utilisation de cet outil. En effet, pour changer les habitudes du traitement des données il fallait que les utilisateurs s’investissent et soient régulièrement sollicités. Nous avons également établi le cahier des charges sans définir les outils à utiliser pour le développement et la forme générale du logiciel.
J’ai proposé une solution composée d’un logiciel en Visual Basic .net assurant le traitement, la mise en forme et la visualisation des données. Un serveur pour le stockage, la centralisation et la disponibilité des données. Un site Internet qui serait l’interface graphique pour le téléchargement des essais, mais aussi un espace d’échange entre les intervenants du projet. Cette proposition, accompagnée d’une ébauche graphique des différentes parties du logiciel et de l’architecture générale des objets métiers, a été accepté et j’ai ensuite commencé la programmation.
Le choix du langage Visual Basic pour la programmation s’explique principalement par les compétences techniques que j’ai acquises durant mon stage technicien et le début de mon stage de fin d’étude lors du développement de DIARE. La cohérence dans le langage utilisé par les différents logiciels du projet et par conséquence la facilité de maintenance a également joué un rôle déterminant dans le choix de ce langage orienté objet.
Figure 15 : Diagramme de classe du logiciel TDR
(Partie technique, uniquement les objets métiers, les objets graphiques ne sont pas visibles)
Afin de définir une architecture qui réponde aux attentes et aux modifications éventuelles du logiciel, j’ai réalisé un diagramme de classe préalablement au développement.
J’ai également pris garde à ne pas reproduire certaines erreurs que j’ai commis dans la conception de l’indicateur de ruissellement DIAR. J’ai notamment adopté une plus grande rigueur dans la structuration du code afin d’être plus compréhensible si un tiers devait reprendre et améliorer TDR.
6.2.5 Organisation du travail
Tout au long de mon travail, j’ai mis en application les acquis de ces cinq années d’études tout en me familiarisant au milieu de la recherche. En effet, le fonctionnement de la recherche et la taille du projet imposent une modification dans les étapes du cycle de développement d’un logiciel. Néanmoins, j’ai adopté les phases initiales du cycle en V :
Analyse des besoins et faisabilité
Spécifications
Conception architecturale
Conception détaillée
Codage
Ensuite, la programmation s’est faite en validant auprès des utilisateurs les versions successives du logiciel. L’implication de l’utilisateur dans le développement s’adapte mieux à un milieu ou les besoins apparaissent et s’affinent avec l’évolution de l’application. Le plus souvent les relations furent informelles et tout en accompagnant quelqu’un dans l’utilisation du logiciel, j’en cherchais les manques et les modifications à apporter. Les liens que j’ai créés par ce biais m’ont également permis de définir, en plus des impératifs précédemment fixés, des besoins propres à certains organismes qui ont fait l’objet de développements spécifiques.
Les réunions successives m’ont aussi obligé à communiquer sur mes avancées, à expliquer mes choix, et à rectifier mes objectifs. Pour cela, je pense que la partie programmation s’est apparentée à un cycle en spirale, bien que les cycles fussent parfois de moins d’une semaine :
Figure 16 : Cycle de développement en spirale
Durant toutes les phases du projet, j’ai joui d’une grande autonomie, tant pour l’organisation de mon travail, que pour le choix des outils de développement. Lorsque je devais éclaircir un point trop complexe pour être discuté par téléphone, j’avais la liberté d’organiser des réunions et de me déplacer sans souci. Cette autonomie a également eu son revers, lorsque n’arrivant à contacter personne je me retrouvais bloqué dans mon travail.
Néanmoins, cela m’a obligé à structurer, prévoir et organiser mon temps. Ainsi, je listais les points à évaluer, ceux à réaliser et ceux à éclaircir pour éviter de me retrouver dans des impasses.
