Mise en place du modèle agro-hydrologique SWAT sur un petit bassin versant agricole : application au bassin du Ruiné (Charente)

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Mise en place du modèle agro-hydrologique SWAT sur

un petit bassin versant agricole : application au bassin

du Ruiné (Charente)

J. Formal

To cite this version:

J. Formal. Mise en place du modèle agro-hydrologique SWAT sur un petit bassin versant agricole : application au bassin du Ruiné (Charente). Sciences de l’environnement. 2014. �hal-02600291�

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ETBX

Mise en place du modèle

SWAT sur un petit bassin

versant agricole

APPLICATION AU BASSIN VERSANT DU RUINE (CHARENTE)

05/09/2014 FORMAL JEROME ENSEGID Pessac Institut national de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture

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Ré sumé - Abstract

Ce mémoire présente un stage de modélisation hydrologique. Le but est de calibrer le modèle agro-hydrologique SWAT (Soil and Water Assessment Tool) sur le petit bassin versant du Ruiné en Charente (France). La calibration consiste à ajuster les différents paramètres du modèle hydrologique afin que la réponse de ce dernier, à savoir ici les débits simulés du cours d’eau, soit la plus juste possible. Une fois le modèle calibré sur une occupation du sol agricole, différents scénarios pourront être ainsi simulés.

Avant d’arriver à l’ultime étape qu’est la calibration, la modélisation du bassin versant doit être effectuée, à savoir le découpage spatial du bassin et la définition des données d’entrées à appliquer au modèle pour qu’il effectue ses calculs. Ce mémoire présente les différentes étapes de mise en œuvre du modèle et de sa calibration.

Le stage fait partie intégrante d’un projet dont le but final est d’évaluer le risque de transfert de pesticides vers les eaux de surface. Le modèle permettra donc d’accéder aux concentrations en pesticides dans le cours d’eau.

This paper presents a hydrological modeling project. The aim is to calibrate the agro-hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool) on the Ruiné watershed, small agricultural area in the Charente region (France). The calibration consists in adjusting the parameters of the hydrological model so that the response of the latter, the simulated discharge of the river, is as fair as possible. Calibrated on a soil occupation, the model could simulate different scenarios.

Before reaching the final stage which is the calibration, a modeling step of the watershed should be performed. The main steps are the spatial segmentation of the basin and the definition of the input data to be applied to the model so that it performs its calculations. This paper presents the different steps of the modeling and the calibration.

This training is a part of a project whose final goal is to assess the risk of transfer of pesticides to surface waters. The model will be used to assess pesticide concentrations in streams.

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Rémérciéménts

Mes premiers remerciements vont à ma tutrice de stage, Odile LECCIA, qui m’a apporté une aide précieuse et de nombreux conseils toujours avisés. Je souhaite lui exprimer toute ma gratitude et ma sympathie pour m’avoir permis d’intégrer le centre IRSTEA de Cestas et pour avoir sacrifié une bonne partie de son temps pour me venir en aide, le tout se faisant toujours dans la bonne humeur.

Je tiens à remercier Alexandre PRYET, professeur à l’ENSEGID et tuteur pédagogique, pour m’avoir suivi tout au long du stage.

De vifs remerciements vont à Françoise VERNIER pour ses conseils avisés tout au long du stage. Je remercie chaleureusement Kévin PETIT, responsable de la géomatique au sein d’IRSTEA, pour son aide précieuse sur les manipulations des SIG. Je tiens également à remercie chaleureusement Léonard SANTOS et Claire RAYMOND, tous deux stagiaires à IRSTEA respectivement en modélisation et en agronomie, pour leurs aides précieuses.

Une pensée particulière est adressée aux stagiaires présents à IRSTEA, Delphine BARBERIS, Yohan DESPERIEZ, Camille FERNANDES, Claire RAYMOND, Karen TINLAND et Mylène VERGNE pour toute leur sympathie et leur bonne humeur.

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Tablé dés matié rés

Introduction ... 7

I. Présentation de l’entreprise d’accueil ... 8

1. IRSTEA dans sa globalité ... 8

2. L’unité au sein du groupement de Bordeaux ... 8

II. Présentation du stage ... 10

1. Objectifs ... 10

1. Object : projet IEPAP ... 11

III. Méthodologie ... 12

1. Bibliographie ... 12

2. Terrain... 12

3. Entraînements et projets tests ... 12

4. Définition et organisation des travaux ... 13

5. Préparation des données ... 13

6. Modélisation ... 13

IV. Description de la zone d’étude : le bassin versant agricole du Ruiné ... 14

1. Choix du bassin versant du Ruiné ... 14

2. Situation géographique et climat ... 14

3. Topographie ... 16

4. Géologie et pédologie ... 17

5. Hydrogéologie et hydrologie ... 19

6. Descriptions des exploitations agricoles ... 20

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V. Modélisation hydrologique : état de l’art ... 22

1. Généralités sur les modèles... 22

1. Définitions ... 22

2. Etapes de la modélisation hydrologique ... 23

3. Calibration ... 23

4. Classification des différents types de modèles ... 24

2. Fonctionnement de SWAT ... 26 1. Choix du modèle ... 26 2. Généralités ... 27 3. Théorie de SWAT ... 28 1. Phase terrestre ... 28 2. Phase de routage ... 31 3. Eaux souterraines ... 32

4. Autres modèles hydrologiques ... 35

1. GR4J ... 35

2. TopModel ... 36

VI. Mise en œuvre du modèle ... 37

1. Délimitation du bassin versant ... 37

1. Présentation ... 37

2. Mode de calcul ... 38

3. Résultat ... 41

2. Découpage des HRU ... 42

1. Définition ... 42 2. Opérations préalables ... 42 3. Découpage ... 45 4. Résultat ... 46 3. Tables d’entrée ... 48 1. Présentation ... 48

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2. Données climatiques ... 49

3. Tables des opérations culturales ... 50

4. Lancement de la simulation ... 51 5. Calibration ... 52 1. Définition ... 52 2. Analyse de sensibilité ... 53 3. Mise en œuvre ... 53 4. Validation... 55 5. Incertitudes... 55 VII. Résultats ... 56 1. Résultats Bruts ... 56

2. Traitement des résultats ... 58

a. Données climatiques Météo-France... 58

b. Données climatiques IRSTEA du Ruiné ... 60

3. Discussion ... 63

Conclusion et perspectives ... 64

Table des illustrations ... 65

Bibliographie ... 66

Table des annexes ... 68

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Introduction

Des phénomènes comme l’explosion démographique et le développement technologique des soixante dernières années ont engendrés une profonde mutation de l’agriculture et des paysages agricoles. L’augmentation de la population et de ses besoins ainsi que la baisse du nombre d’agriculteurs ont contraint les exploitants à intensifier leurs productions pour continuer à assurer leurs revenus. Cette intensification se traduit par une augmentation de l’épandage de produits phytosanitaires pour améliorer les rendements, une disparition des zones naturelles pour remplacer les parcelles agricoles dévorées par la pression foncière et le phénomène de périurbanisation. Tout cela décuple les phénomènes de lessivage et d’érosion des sols, qui provoquent une perte des intrants agricoles vers le réseau hydrographique. Ces phénomènes se répercutent sur notre environnement et sont responsables de la dégradation de la qualité des eaux.

La population ne cesse d’augmenter alors que les surfaces de terres agricoles et les ressources d’eau douce ne sont quant à elles pas extensibles. La réduction de la pression sur notre environnement et sur la qualité des eaux, ressource au combien vitale, est un enjeu majeur pour les prochaines années.

Depuis les années 1980, une prise de conscience des enjeux environnementaux a émergée. Les problématiques des centres de recherches comme IRSTEA ne sont plus celles d’accroissement de rendements mais bien de protection des terres agricoles et des ressources en eau. Le but étant de développer une agriculture durable capable de répondre aux enjeux productifs et environnementaux.

Le présent stage, a pour but de calibrer le modèle agro-hydrologique SWAT sur le petit bassin versant du Ruiné. Celui-ci permettra donc de modéliser les concentrations en pesticides dans le cours d’eau, et ainsi d’évaluer le risque de transfert de ces pesticides vers les eaux de surface. Ce stage fait partie intégrante d’un projet, appelé IEPAP, qui propose de tester un nouvel indicateur agronomique (IFT) en confrontant des résultats obtenus par plusieurs techniques et notamment ceux de la modélisation de ce bassin versant.

Ce mémoire, retraçant les étapes qui ont menées à la modélisation hydrologique du bassin versant, est divisé en plusieurs parties. La première partie présente l’institut d’accueil et la deuxième partie le stage et ses objectifs. La troisième partie reflète la méthodologie mise en place pour réaliser les différents objectifs. La quatrième partie quant à elle présente la zone d’étude à savoir le bassin versant du Ruiné en Charente (France). Dans une quatrième partie sera analysé comment le modèle SWAT est construit. Ensuite

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6 dans les deux dernières parties, la mise en œuvre et les résultats du modèle et de sa calibration seront explicités.

I. Pré séntation dé l’éntréprisé d’accuéil IRSTEA

1. IRSTEA dans sa globalité

L’Institut nationale de Recherche en Sciences et Technologies pour l’Environnement et l’Agriculture (IRSTEA) anciennement appelé CEMAGREF, est un établissement français public de recherche (rattaché aux ministères chargés de la Recherche et de l’Agriculture) dans le domaine de l’eau, de l’environnement et de l’agriculture. Depuis 1971, IRSTEA travaille sur les enjeux majeurs d’une agriculture durable, de l’aménagement des territoires, de la gestion de l’eau et des risques associés et l’étude des écosystèmes. Le groupement de Bordeaux est situé à Cestas (Gironde) représente les régions Aquitaine, Midi-Pyrénées et Poitou-Charentes.

Outre la recherche, IRSTEA diffuse des méthodes de diagnostic et de contrôle, développe des outils et conçoit des technologies innovantes, apporte son expertise aux services publics et aux entreprises. IRSTEA valorise ses résultats auprès de la communauté scientifique, industriels et bureaux d’études en publiant de nombreux articles et en déposant des brevets. L’institut est également très impliqué auprès des universités et écoles.

2. L’unité au sein du groupement de Bordeaux

Le projet de stage est rattaché à l’unité Aménités et Dynamique des Espaces Ruraux (ADBx) ou plus récemment ETBx au sein-même de l’institut. Il s’agit d’une unité pluridisciplinaire travaillant à la fois en agrohydrologie, géographie, économie et sociologie. Cette pluridisciplinarité est nécessaire car la recherche environnementale regroupe un vaste éventail de disciplines et de compétences scientifiques et technologiques.

En réponse aux nouvelles attentes sociales et environnementales, les activités agricoles se doivent, pour asseoir leur développement durable, de maîtriser les enjeux sur la multifonctionnalité des espaces et la préservation des ressources naturelles. Deux objectifs sous-tendent les travaux de recherche :

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7  Produire les éléments permettant d'évaluer, d'une part, l'impact des activités productives et de leur organisation spatiale sur la qualité de l'eau à l'échelle de bassins versants et d'autre part, l'impact des politiques à l'origine des changements de localisation et/ ou de production ;

 Comprendre d'une part, les attentes de la société vis à vis des fonctions non marchandes des espaces agricoles et forestiers, les modalités d'appropriation du paysage comme objet d'intervention publique et d'autre part, estimer la valeur économique de ces fonctions dans une perspective de rétribution.

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8 Ses orientations scientifiques s’inscrivent dans le cadre du thème de recherche « Développement territorial et agriculture multifonctionnelle » entité de programmation et d’évaluation scientifique à IRSTEA. De par les missions et les orientations scientifiques d'IRSTEA, l’unité privilégie les recherches environnementales intégratives centrées sur l’échelle territoriale et en partenariat avec les acteurs du développement.

Les orientations scientifiques de l’unité prennent en considération plusieurs évolutions majeures du contexte socio-économique, à savoir :

Une prégnance des enjeux environnementaux caractérisée par l’émergence de nombreuses controverses environnementales, la légitimation de politiques au nom de l’environnement, un besoin de rendre compte de la performance environnementale, une prise en considération de la multifonctionnalité aussi bien des activités productives primaires (agriculture et sylviculture) que des territoires ruraux, une redéfinition des modalités de l’action publique marquée par le polycentrisme des lieux de décision publique, la diversification des formes d’intervention publique, une interrogation vis-à-vis du rôle de l’État, l’émergence de nouvelles parties prenantes dans la définition, la mise en œuvre et l’évaluation des politiques publiques.

Les activités scientifiques de l’unité de recherche ADBX sont structurées selon 4 axes de recherche :  Construction sociale des enjeux environnementaux,

 Performance environnementale des activités productives,  Analyse des politiques publiques,

 Organisation spatiale et dynamique des territoires.

Une des spécificités de l’unité de recherche est d’associer des sciences humaines et sociales (économie, sociologie, géographie, sciences politiques), des sciences biotechniques (agronomie, foresterie, hydrologie…) et des statistiques.



Un exemple de thème de recherches de l’unité : « Activités agricoles : quels risques pour l’eau ? » (annexe 1).

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II. Pré séntation du stagé

1. Objectifs

Le présent stage, réalisé au sein d’IRSTEA Bordeaux, vise à effectuer la calibration du modèle agro-hydrologique SWAT en application au petit bassin versant du Ruiné (Charente). Le but final du stage est donc de modéliser, grâce à SWAT, le bassin versant pour observer les débits simulés du cours d’eau afin d’en tirer les concentrations en polluants agricoles acheminés à l’exutoire du Ruiné et évaluer le risque de transfert de ces polluants vers les eaux de surface. Le modèle SWAT, qui a déjà fait ses preuves sur des bassins versants de moyennes et grandes tailles, est testé sur un bassin plus petit. L’intérêt de cette étude est donc de travailler à petite échelle avec un fort niveau de précision. Pour arriver à l’objectif final, de nombreuses tâches telles que le traitement de bases de données, des relevés de terrain etc. ont dû être menées à bien.

De plus, cette première expérience dans le métier de l’environnement permet d’approfondir les connaissances apprises à l’ENSEGID, telles que l’hydrologie par exemple, mais également de découvrir le monde de l’entreprise, le travail en équipe et surtout de valider le choix de carrière entrepris. Ce stage permet de découvrir une des nombreuses branches des métiers de l’eau, qui est ici la modélisation hydrologique. A l’heure actuelle, l’outil informatique est de plus en plus utilisé pour prédire de nombreux phénomènes liés de près ou de loin à l’eau. C’est sûrement un des métiers d’avenir. En effet, la modélisation hydrologique a bien d’autres applications, comme la simulation de débits afin de dimensionner des ouvrages de travaux publics par exemple.

Un des objectifs majeurs est de préparer à la vie future d’ingénieur. Il est donc important d’apprendre à gérer et à organiser son temps pour réaliser les différentes tâches et à acquérir une méthode de travail.

Ce stage s’intègre dans le projet IEPAP (Indicateurs Environnementaux Pesticides et Action Publique) qui s’intéresse à la question de l’évaluation du risque de transfert de pesticides vers les eaux de surface. L’avantage de travailler sur ce projet regroupant de nombreuses personnes avec des spécialités différentes est d’apprendre à travailler en équipe, de se plier à certaines contraintes pratiques posées par la pluridisciplinarité et de découvrir d’autres domaines tels que l’agronomie.

L’enjeu global de ce projet est de tester la capacité d’un nouvel indicateur mis au point par l’INRA à rendre compte du risque de transferts de pesticides vers les eaux de surfaces. Il s’agit de l’Indicateur de Fréquence de Traitement (IFT) mais qui intègre une fonction risque de transfert. Il est Appelé IFT Substance Active (SA) potentiel de transfert. Il sera éventuellement proposé au niveau réglementaire dans les prochaines MAET (Mesures Agro-Environnementales Territorialisées) de la PAC (Politique Agricole Commune) de la période 2014-2020 ou dans les plans d’actions, afin de répondre à l’objectif de Grenelle Environnement de réduire de 50% l’usage des produits phytosanitaires d’ici à 2018.

Au plan scientifique, afin de tester au mieux ce nouvel indicateur, le projet IEPAP propose de développer une démarche intégrative de confrontation des résultats, en quatre tâches, entre le risque de transfert de pesticides estimé par le futur indicateur (tâche 1), le risque estimé par un modèle agro-hydrologique (tâche 2), des mesures chimiques (tâche 3) et des impacts estimés par des

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84 descripteurs biologiques (comme les diatomées) (tâche 4). Cette démarche s’appuie sur deux études de cas mobilisant des données d’enquête de pratiques agricoles sur deux bassins versants : celui du Ruiné (Charente) et celui de la Morcille (Beaujolais).

2. Objet : projet IEPAP

Le présent stage s’intègre dans la tâche 2 qui correspond au processus de calibration-validation des deux modèles agro-hydrologiques appliqués aux données du Ruiné. La comparaison des concentrations mesurées à celles des sorties de modèle permet de préciser partiellement la validité des modèles et de mettre en évidence les incertitudes sur les valeurs réelles (espacement et fréquence des mesures, limites de quantification…)

Sur le Ruiné, le modèle retenu est le modèle SWAT (Soil and Water Assessment Tool). Les concentrations de pesticides obtenues avec ce modèle dans les eaux de surface seront confrontées aux valeurs de concentrations en pesticides mesurées aux deux stations hydrométriques d’Irstea (dont une correspond à l’exutoire). Cette étape est indispensable pour confirmer les valeurs de risque estimées par le modèle SWAT comme valeurs de référence du transfert de pesticides dans le cours d’eau. Cette étape sera conduite sur les substances actives de pesticides les plus représentatives du bassin sur la période 1996 à 2008, au pas de temps journalier pour le Ruiné sur une durée de 22 ans.

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III. Mé thodologié

Dans cette partie, les étapes mises en œuvre à la bonne conduite du stage et la méthode globale pour atteindre les objectifs seront énoncées. Un calendrier de tâches à faire au cours du stage a été réalisé et est joint en annexe 2. Le présent rapport a été rédigé parallèlement à chaque étape.

1. Bibliographie

Dans un premier temps, il était nécessaire de procéder à une synthèse bibliographique. En effet, avant de se lancer dans la réalisation des objectifs de stage, il était important de comprendre l’intérêt, la construction et l’enjeu des outils à disposition. Cette synthèse a permis, à travers la lecture de nombreux articles scientifiques, de comprendre la construction théorique des modèles hydrologiques et plus précisément celle du modèle SWAT ainsi que le fonctionnement de son interface ArcSWAT ; avec notamment les données d’entrée nécessaires au modèle. Cette synthèse bibliographique a également permis d’acquérir certaines notions importantes d’agronomie nécessaires au stage. Aussi, les connaissances sur l’entreprise d’accueil et sur le projet dont le stage dépend ont été apprises au travers de la bibliographie réalisée. Enfin, toutes les informations sur le bassin versant étudié et modélisé ont également été récoltées au cours de cette synthèse.

2. Terrain

Trois journées de terrain ont également été réalisées afin d’observer tous les aspects du bassin versant nécessaires à la modélisation. Cette étape s’est révélée très utile au cours de la modélisation. Aussi, durant ces journées de terrain, des enquêtes sur les pratiques agricoles des agriculteurs du Ruiné ont été réalisées. Ces enquêtes ont été réalisées avec une stagiaire en agronomie et elles constituent des données d’entrées (occupation du sol, parcellaire, produits phytosanitaires utilisés, irrigation, itinéraires techniques…) essentielles au modèle agro-hydrologique SWAT. Durant une journée de terrain, des relevés de points GPS ont également été réalisés afin de vérifier le calage de la couche SIG du parcellaire.

3. Entraînements et projets tests

Après avoir étudié le fonctionnement de SWAT et avant de lancer le projet final de modélisation, une phase d’entraînement afin de maîtriser au mieux l’interface ArcSWAT a été réalisée au travers de petits projets « tests ». Cette phase a également permis de mieux comprendre comment le modèle était construit et comment il gère toutes les données d’entrées. Aussi, cela a permis d’éviter le renouvellement de certaines erreurs lors de l’élaboration du projet « final ».

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4. Définition et organisation des travaux

Tout d’abord, en concertation avec Odile Leccia, la responsable de la modélisation sur le projet, a été décidé des données d’entrées à utiliser (météo, parcellaire et occupation du sol...) ainsi que de la discrétisation spatiale du bassin qui sera réalisée (délimitation du bassin versant et des sous-bassins versants, découpage des HRU). Il a également été décidé d’élaborer le calendrier des tâches présent en annexe 2.

Ensuite, une réunion avec tous les autres membres du projet a été réalisée afin de vérifier l’avancement de chaque tâche mais également de statuer « officiellement » sur les données d’entrées du modèle à utiliser ainsi que la discrétisation spatiale à effectuer pour que chacun puisse s’y retrouver. Quelques changements ont été apportés notamment au niveau de la couche de parcellaire à utiliser ainsi que du nombre de sous-bassins à délimiter. Cette étape de mise en place était primordiale pour les étapes futures du projet, notamment au niveau de la confrontation des différents résultats et pour que tout le monde travaille sur la même ligne de conduite.

5. Préparation des données d’entrée

Cette phase consiste à mettre en forme toutes les bases et tables de données au format utilisable par le modèle. Un gros travail de calcul et de mise en forme des données de météorologies a été réalisé. De même, un gros travail de SIG a été réalisé pour mettre en forme la couche d’occupation du sol utilisée pour le projet.

6. Modélisation

Enfin, la dernière étape consiste à la modélisation du bassin versant en elle-même afin d’obtenir les débits simulés aux exutoires ainsi que par la suite, les concentrations en pesticides, pour évaluer le risque de transfert de polluants agricoles vers le cours d’eau. Cette phase comprend donc la modélisation grâce au logiciel ArcSwat et l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus. Vient un processus itératif de calibration/validation du modèle afin d’obtenir les résultats les plus justes possibles.

Pour valider le modèle, les résultats obtenus seront comparés à des valeurs mesurées supposées vraies. Enfin les résultats finaux pourront être interprétés et critiqués afin d’en tirer des perspectives.

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IV. Déscription dé la zoné d’é tudé : lé bassin

vérsant agricolé du Ruiné

1. Choix du bassin versant du Ruiné

Le bassin versant du Ruiné (Charente), qui est présenté ci-après, a été sélectionné pour plusieurs raisons. Tout d’abord, ce bassin est représentatif des pratiques agricoles de la région et du bassin versant de la Charente (Le Ruiné étant un sous-bassin de ce dernier). Ensuite, de nombreuses données sont disponibles car le Ruiné est suivi depuis longtemps par IRSTEA, notamment par des mesures de qualité de l’eau, de débits et de pluviométrie.

Le suivi du bassin

versant du Ruiné et son instrumentalisation datent de 1991 pour les données hydrologiques avec la mise en place de matériel de prélèvement, de mesure du débit du cours d’eau et de la pluviométrie. Cette première étape fut conjointe dès 1991 à la mise en place d’un recensement régulier des pratiques phytosanitaires des exploitants du bassin versant par l’unité ADBx. C’est en 1998, avec le GRAP (GRoupe d’Action contre les Pollutions par les produits phytosanitaires), qu’un programme de suivi agro-environnemental se met en place sur la zone suite aux études menées par le Cemagref (rapport Transpest16, 2006). Dans le cadre du projet IEPAP, des indicateurs phyto-sanitaires ont été mis en place sur ce bassin versant par l’unité ADBx. Ceux-ci seront confrontés aux résultats de qualités de l’eau ainsi qu’au modèle SWAT calibré lors de ce stage (Raymond, 2014).

Aussi, la taille modeste du bassin versant permet une connaissance presque exhaustive de ses caractéristiques et pratiques agricoles. La géologie et la pédologie relativement simple du bassin a également fait l’objet d’une étude complète par le BRGM (Bureau de Recherches Géologiques et Minières).

De plus, dans le cadre d’un programme sur le bassin versant de la Charente (ModChar), englobant donc le Ruiné, un test du modèle SWAT avait déjà été réalisé sur le bassin du Ruiné, ce qui permet donc d’avoir une première expérience (Vernier et al. 2013).

2. Situation géographique et climat

Le bassin versant du Ruiné est situé en Charente (16), entre les villes de Barbezieux et Angoulême. D’une superficie modeste de 5,5 Km² (550Ha), il occupe les communes de Blanzac et Aubeville (Figure 1).

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84 Le ruiné est un petit cours d’eau de 6,5km de long s’écoulant d’Est en Ouest avant de se jeter dans le Né, lui-même affluent de la Charente en aval de la ville de Cognac, à la frontières des départements de la Charente et de la Charente-Maritime. D’une superficie de 550ha, ce bassin possède une SAU (Surface Agricole Utile) de 486Ha. Essentiellement agricole, il regroupe 22 exploitants. La vigne et le maïs représentent 50% de la surface agricole.

Le climat régnant sur le bassin du Ruiné est un climat océanique. La station Météo France la plus proche du site (Salles-De-Barbezieux) fournie les valeurs journalières de précipitation, de température, de vitesse de vent, d’humidité relative, de radiations solaires et d’EvapoTranspiration Potentielle (ETP). Même si les valeurs de la pluviométrie de Salles-De-Barbezieux ne sont pas parfaitement conformes à celles du Ruiné, cette station offre une bonne estimation des paramètres météorologiques. La pluviométrie a été également relevée (de 1992 à 2006) directement sur le bassin versant grâce à une station, de mesure hydrologique présente sur le Ruiné et qui appartenait au Cemagref (maintenant IRSTEA). Cette station a également fournie des mesures de débits.

Rochefort Saintes Cognac Angoulême Civray Boutonne Né Ruiné Seugne Angoulême Bassin versant de la Charente 30 km

Aubeville

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3. Topographie

La plus haute source du ruisseau Ruiné culmine à 145m et l’altitude de l’exutoire est de 51m au confluent avec le Né (à l’est du bassin). Le bassin versant est de forme oblongue (5,5km de long pour une largeur moyenne de 1,25km) et son relief assez marqué. Sa ligne de crête atteint 158m d’altitude à l’amont du bassin et il présente une déclivité moyenne de 1,5% ainsi qu’une certaine dissymétrie des versants (Transpest16, 2006) :

 le versant nord, étroit (moins de 500m), se distingue par un relief accentué, avec une pente pouvant atteindre 12%, du ruisseau à la ligne de crête ;

 le versant sud, plus large (jusqu’à 1km), présente un relief irrégulier, vallonné, lié à la présence de terrasses alluviales (anciens lits du cours d’eau) que le ruisseau a creusé au cours du temps et de petites vallées (talwegs) creusées par les filets d’eau provenant des différentes sources du Ruiné (ligne de base, d’équilibre d’un cours d’eau et érosion). Une coupe transversale de ces vallées fait apparaître des pentes pouvant approcher les 15% dans certains endroits (topographie du bassin visible en figures 5 et 6).

Cette dissymétrie des versants s’expliquerait par une dérive du cours d’eau vers le nord au cours du Quaternaire. Cette dérive au nord est classique puisqu’on la retrouve sur d’autres cours d’eau de la région orientés Est-Ouest (BRGM, 1980).

Les pentes sont des voies de transfert rapide de substances actives vers le cours d’eau. Sur le bassin, le versant nord présente donc un risque plus fort de transfert de pollution vers le Ruiné.

Nous pouvons voir sur la figure suivante les différents talwegs formés par les filets d’eau alimentant le Ruiné. (Peyrey , 2006)

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4. Géologie et pédologie

L’étude géologique et pédologique effectuée sur le bassin versant du Ruiné distingue plusieurs couches géologiques, notamment les calcaires Campaniens 1, 2 et 3 (Crétacé supérieur). Ces couches ont une épaisseur d’environ 120 à 140m. Le Campanien 2 qui couvre environ 290ha dans la zone d’étude prédomine.

La répartition suivante est observée :

 le Campanien 1 affleure dans la partie aval du ruisseau ;

 le Campanien 2 présente une alternance de couches dures et tendres. Les teneurs en argiles varient de 16 à 22% ;

 le Campanien 3 présente une alternance de couches dures et tendres contenant un taux d’argiles dépassant par endroit 50%. Il entoure toute la moitié Est du bassin versant et affleure sur 80ha ;

 les argiles vertes à grises à débris de calcaires silicifiés : leur formation a commencé au début du Tertiaire. Elles forment une couche de quelques mètres d’épaisseur qui affleure à l’Est aux altitudes les plus élevées du bassin versant ;

 Les alluvions et colluvions tapissent le fond des cours d’eau, présents et anciens, sur une surface d’environ 60ha et sont composés de sables limoneux.

Figure 3 : Carte géologique du bassin versant du Ruiné (source : Transpest16, 2006)

Une coupe géologique (figures 5 et 6) réalisée sur le bassin versant permet de mieux visualiser la concordance des différentes couches géologiques. Les calcaires campaniens sont peu perméables mais poreux (15 à 25%) (Peyrey , 2006) et constituent donc des importantes réserves utiles d’eau pour les plantes qui dispensent la plupart des agriculteurs d’irriguer (la roche mère affleurant presque).

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84 La pédologie (figure 6) est fortement conditionnée par la nature de la roche-mère sous-jacente qui reste toujours très proche de la surface : l’épaisseur moyenne du sol est de 20cm sur le haut du bassin, à 50cm dans le lit majeur. La répartition des types de sols observés est la suivante :

 sur le Campanien, le sol est constitué de Terres de Champagne. Ce sont des rendzines de couleur grise à pH assez élevé avec la présence de calcaire actif. Cette formation, très riche en calcaire, se caractérise par une forte capacité d’échange cationique et une bonne réserve utile en eau. Sa texture moyenne est de 38% de sable, 24% de limons et 35% d’argiles. On note une forte présence de graviers ou pierres calcaires. Localement, sur les rares pentes du Campanien 2, le sol est quasiment inexistant.

 Les formations issues du Tertiaire, très riches en argiles, sont appelées Terres de Bois. Ce sont des sols bruns ou podzoliques, riches en rognons siliceux et particulièrement acides. Leur capacité d’échange est faible. En effet, les analyses de sol révèlent des propriétés bien

Figure 5 : Coupe transversale du bassin dans sa partie amont (source : Transpest16, 2006)

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84 distinctes entre les sols du Tertiaire et ceux du Campanien 3. Les Terres de Bois sont essentiellement recouvertes de bois ou de vignes.

 Les formations alluvionnaires sont appelées Terres des Marais. Ce sont des limons sablo-argileux, parfois hydromorphes, qui se distinguent assez mal des autres formations.

Les caractéristiques physico-chimiques sont différentes d’un type de sol à l’autre, ce qui va

contribuer à un transfert des substances actives plus ou moins importantes. Ainsi, les Terres de Champagne sont favorables à l’absorption des substances actives (présence

de colloïdes et de flore microbienne). Par contre, les Terres de Bois présentent plus de risque de transfert vers le Ruiné, car l’argile qui les compose est défavorable à l’absorption des substances actives et leur acidité est nuisible au développement de la flore microbienne qui contribue à la dégradation des substances actives. Les Terres de Marais, limons argilo-sableux et limons sableux sont aussi défavorables au développement de la flore microbienne. A l’inverse, ces conditions permettent la dégradation des substances actives et les teneurs élevées en matière organique favorisent leur absorption sur les colloïdes du sol (Transpest16, 2006).

5. Hydrogéologie et hydrologie

Selon une étude du BRGM (1994), le fonctionnement hydrogéologique du bassin présente un comportement bien différencié d’amont en aval, en relation avec des variations de faciès des formations géologiques (figures 4, 5 et 6). Dans la partie amont, la présence d’une couche imperméable à moins de 6m de profondeur ne permet pas le transfert des eaux infiltrées vers un aquifère profond. Le lit du ruisseau constitue le niveau de base des eaux souterraines. Dans la partie aval, en revanche, la perméabilité du sous-sol permet l’infiltration des eaux en profondeur, le lit du ruisseau ne constituant plus le niveau de base. Ceci est confirmé par l’étude des débits spécifiques, qui montre sur la moitié amont du bassin un débit deux fois supérieur au débit spécifique à l’exutoire.

(22)

84

6. Description des exploitations agricoles

Le bassin versant du Ruiné totalise 480 hectares de terres agricoles. Le nombre d’exploitations agricoles en activité était de 23 en 1997, 19 en 2006 et 22 en 2014. Les terres ont souvent été reprises par les exploitants voisins soit pour l’augmentation de leurs surfaces soit dans un but de regroupement des terres autour du siège de l’exploitation. Les exploitations de polycultures sont situées plutôt dans la partie aval du bassin alors que les exploitations viticoles occupent la partie amont. Le maïs (25% de la SAU) et la vigne (25%) sont les cultures dominantes sur le bassin. Ils devancent le blé et le tournesol. A elles seules, ces quatre cultures représentent environ 90% de la surface agricole utile. L’évolution de 2006 à 2013 montre que le tournesol et la vigne sont en légère progression. Les surfaces en maïs et blé se maintiennent. Le maïs est présent en bas de pente (fort besoin en eau) et le blé sur les crêtes. Le parcellaire est représentée en annexe 4 et répartition des cultures sont dans le tableau 2 (p. 41).

7. Contexte institutionnel : Mesures

Agro-Environnementales

La mise en place d’un suivi agro-environnemental du bassin versant du Ruiné, a débuté en 1998, dans le cadre du GRAP (Groupe Régional d'Actions contre les Pollutions par les produits phytosanitaires). Il a fait suite aux travaux de recherche conduits par le CEMAGREF sur ce même bassin depuis 1991. Après la réalisation du diagnostic de territoire, les diagnostics d’exploitation ont été réalisés afin de mettre en place un plan d’action adapté aux caractéristiques locales du bassin versant. Quatorze exploitations ont été diagnostiquées représentant 75 % de la SAU. Suite aux conclusions des diagnostics et à la parution des textes réglementaires relatifs aux Contrats d’Agriculture Durable (CAD) : la circulaire CAD, parue le 7 novembre 2003 et le contrat-type départemental Charente, validé le 9 décembre 2003, la FREDON (Fédération Régionale de Défense Contre les Organismes Nuisibles) Poitou-Charentes a participé à l’élaboration du contrat-type territorial « qualité de l’eau sur le bassin du Ruiné » en établissant le cahier des charges des actions. Celui-ci a été validé par la CDOA (Commissions Départementales d’Orientation de l’Agriculture) Charente le 10 décembre 2003. Les CAD ont été mis en place pratiquement dans le courant de l’année 2004. La surface totale des parcelles engagées en CAD est de 137 ha dans le bassin soit 28,9 % de la SAU et les parcelles engagées bordent 5,06 km du Ruiné, soit 38,5 % de la longueur du cours d’eau (Peyrey, 2006) (Raymond, 2014).

Ensuite, en 2008, les CAD ont évolués en MAE (Mesures Agro-Environnementales) qui sont destinées à promouvoir des pratiques agricoles innovantes et respectueuses de l’environnement. Les MAE sont mises en œuvre conformément à la réglementation communautaire, dans le cadre de la politique de développement rural européenne. Elles font parties du Programme de Développement Rural Hexagonal (PDRH) qui est le document français qui organise, en métropole (il existe des documents spécifiques pour les DOM et la Corse), le Règlement de Développement Rural européen. Elles ont pour but de compenser les surcoûts et manques à gagner générés par l’introduction sur les exploitations des pratiques plus respectueuses de l’environnement. L’exploitant qui souscrit une mesure agro-environnementale (c’est une démarche volontaire) s’engage ainsi à respecter pendant 5 ans des pratiques agro-environnementales en échange d’une rémunération qui dépend du niveau de

(23)

84 contrainte de ces pratiques. Elles permettent de répondre à quatre grands enjeux environnementaux : (http://www.agriculture.gouv.fr)

 La gestion et la qualité de l’eau, en encourageant par exemple les cultures intermédiaires pièges à nitrate et la protection des captages ;

 La biodiversité animale et végétale, en incitant notamment à la préservation des habitats, des milieux humides et des prairies permanentes ;

 Le paysage, l’entretien d’éléments fixes du paysage comme les bosquets, les arbres isolés et les mares ;

 Le sol, en encourageant la lutte contre l’érosion et en favorisant la couverture des sols en hiver.

Le bassin versant du Ruiné est très bien étudié. C’est donc un site très adapté à la réalisation de projets scientifiques. Trois journées de terrain sur le Ruiné ont été organisées afin d’observer tous les paramètres du bassin énoncés ci-dessus. Au cours de ces journées, une enquête auprès d’un exploitant agricole du bassin a été réalisée afin de connaître ses pratiques agricoles. Ces enquêtes permettent d’analyser les pratiques agricoles et servent de données d’entrées à SWAT. De plus, des relevés GPS ont également été réalisés afin de valider le découpage du parcellaire.

(24)

84

V. Modé lisation hydrologiqué : é tat dé l’art

1. Généralités sur les modèles

1. Définitions

Un modèle est un outil numérique servant à faire la représentation simplifiée d’un processus ou d’un système dont le but est de le décrire, de l’expliquer ou de le prévoir. Les domaines d’applications de ces modèles sont très variés. Ces modèles ont pour but de faciliter la compréhension de phénomènes souvent complexes pour prévoir et proposer des mesures pour pallier aux effets indésirables induits par ces derniers (Renaud, 2004).

En hydrologie, le modèle simule la réponse d’un bassin versant, en termes de débit, à une sollicitation d’entrée que sont les précipitations. Une fois le modèle calibré sur un scénario de référence, la simulation de scénarios d’évolution permet de simuler l’impact de la modification de certaines données sur un objet (ici par exemple, le changement de pratiques agricoles sur les concentrations de pesticides dans le cours d’eau). Il est également fréquent d’utiliser la modélisation afin de prévoir certains phénomènes ou encore pour reconstituer des séries de débits dans le cadre de dimensionnement d’ouvrages (construction de ponts, déversoir de sécurité de barrages…) mais aussi pour délimiter des zones inondables.

Figure 8 : Illustration de la réponse d'un bassin versant à un évènement de pluie

Ces modèles vont permettre la mise en place de scénarios qui serviront d’aide à la décision pour les acteurs concernés par des projets d’aménagements du territoire ou de mise en place de pratiques agro-environnementales. A l’échelle du bassin versant, la modélisation hydrologique consiste à conceptualiser (simplifier) l’hydrosystème, et à simuler les processus associés afin d’obtenir les débits à l’exutoire à partir des précipitations en entrée du modèle.

(25)

84

2. Etapes de modélisation hydrologique

 Tout d’abord, il faut définir la problématique, ce que l’on veut tirer de la modélisation. On définit ainsi différents scénarios suivant ce que l’on veut simuler. Un scénario de référence dit S0 et des scénarios d’évolution avec des données d’entrées différentes (changement de cultures par exemple).

 Ensuite une étape d’observations et de mesures sur le terrain est nécessaire.  Traitement des bases de données pour les adapter au modèle.

 Mise en œuvre du modèle

 Etape de calibration/validation réalisée sur le scénario de référence.

 Pour finir, après la calibration, les différents scénarios d’évolution (correspondant à la modification de certaines conditions) pourront être simulés grâce au modèle.

3. Calibration

La calibration consiste à tester le modèle avec des entrées et des sorties connues afin d’ajuster au mieux les paramètres du modèle. Pour la validation, les résultats du modèle après calibration sont confrontés à des résultats d’observations directes et de mesures (qui correspondent au scénario établi). Si les résultats du modèle ne « collent » pas à la réalité, il faut analyser les paramètres qui répondent mal et les modifier pour obtenir une réponse correcte. Il faut obtenir la meilleure corrélation entre débit simulés et observés. La détermination des paramètres lors de la calibration est une démarche itérative. On parle en général d’un processus couplé de calibration/validation ou de calage (Gnouma, 2006 ) (Abbaspour, 2007).

Ici, la calibration/validation sera réalisée grâce au logiciel SWATCUP et à l’algorithme de calcul SUFI2 qui rassemble les processus de calibration et de validation.

La mise en œuvre et la définition de la calibration sera détaillée ultérieurement, dans la partie VI.

(26)

84 En guise de conclusion sur cette partie, le schéma suivant synthétise le fonctionnement général théorique d’un modèle :

Figure 9 : Schéma du fonctionnement général d'un modèle hydrologique (source : Pryet, 2013)

4. Classifications des différents types de modèles

Un modèle hydrologique permet de transformer des paramètres d’entrée (séries temporelles décrivant le climat à savoir les précipitations, les températures) en une série de débits. Le processus est divisé en deux parties (Gnouma, 2006) :

 Une première partie qui consiste à établir des bilans hydriques à l’échelle du bassin versant. Celui-ci permet de répartir la pluie brute observée en pluie nette (partie des précipitations qui participent au débit de la rivière étudiée par ruissellement), en quantité d’eau évapotranspirée et en quantité d’eau stockée ;

 Une deuxième partie appelée « transfert » ou « routage », qui consiste à répartir dans le temps la quantité d’eau qui participe au débit sur le bassin versant étudié.

Plusieurs types de modèles peuvent décrire ces processus hydrologiques et la relation pluie-débit. Ceux-ci ont été classés par Clarke (1973) et repris par Le Cler en 2004.

Classification selon la représentation du processus :

 Les modèles empiriques sont développés à partir d’expériences en laboratoire ou sur le terrain en utilisant des formules mathématiques simples.

(27)

84  Les modèles conceptuels, où le bassin est représenté par une analogie, un concept, considèrent le bassin versant comme un ensemble de réservoirs inter-connectés (représentant les différents compartiments hydrologiques) dont les niveaux augmentent et diminuent au cours du temps et dont le débit de vidange dépend du taux de remplissage.  Les modèles à base physique représentent les processus en utilisant des lois physiques les

régissant.

Classification selon la représentation de l’espace:

Dans un modèle global (ou « boîte noire) le bassin est considéré comme une entité unique. Le modèle ne prend donc pas en compte la variabilité spatiale des paramètres régissant les phénomènes comme le ruissellement, l’érosion ou l’occupation du sol. Il utilise des relations mathématiques simples.

Les modèles distribués quant à eux représentent, à l’aide de formules mathématiques plus complexes, la variabilité spatiale des phénomènes agissant sur le bassin.

Dans la majorité des cas, le modèle n’est pas totalement distribué étant donné que certains composants peuvent être globalisés pour permettre une simplification. On parle de modèle

semi-distribué.

En fonction du niveau de description des processus, le modèle peut être déterministe, stochastique ou mixte. Dans une modèle déterministe, les variables d’entrée et les paramètres du système sont supposés être parfaitement déterminés ou déterminables. Dans un modèle

stochastique, ce sont plutôt des distributions de probabilité qui sont associées à des grandeurs. La

majorité des modèles sont déterministes. L’approche probabiliste est utilisée soit parce que le phénomène étudié est aléatoire ou difficilement explicitable physiquement.

Classification selon la discrétisation temporelle :

La majorité des modèles hydrologiques transforment la pluie en débit au pas de temps journalier et ont donc besoin de données d’entrées au pas de temps journalier. Certains modèles fonctionnent à des pas de temps plus importants (mensuel, annuel…) alors que d’autres à des pas de temps plus faibles (infra-journalier à infra-horaires).

Selon les objectifs recherchés, le comportement du bassin peut être reproduit uniquement pour des événements particuliers, les modèles événementiels ou en continu sur une période plus ou moins longue grâce aux modèles continus (qui englobent des périodes sèches absentes des modèles événementiels).

 Les modèles événementiels reproduisent la réponse du bassin lors d’un épisode pluvieux. Ce type de modèle, activé seulement au moment des précipitations, nécessite de pouvoir précisé l’état initial du bassin en fonction des conditions antécédentes.

(28)

84  Les modèles continus permettent de suivre l’évolution des paramètres d’état et/ou de sortie à plus long terme. Ces modèles n’englobent pas que des périodes de précipitations et c’est pour cela que certains phénomènes ne peuvent être négligés (en particulier l’évapotranspiration par exemple, qui est liée aux conditions météorologiques). Ces modèles nécessitent donc des variables de conditions aux limites supplémentaires (précipitations, température, rayonnement solaire, vent…) par rapport aux modèles événementiels pour expliquer l’évolution des stocks d’eau sur le bassin pour une ou plusieurs années hydrologiques.

La construction théorique du modèle SWAT (qui est un modèle hydrologique permettant de manipuler de nombreuses données agronomiques) en lui-même sera expliquée dans la partie suivante.

2. Fonctionnement de SWAT

1. Choix du modèle

La modélisation agro-hydrologique présente l’intérêt de pouvoir simuler des scénarios d’évolution (ici de l’agriculture), en prenant en compte de manière dynamique l’occupation du sol et des pratiques, les processus de transfert des nutriments et des pesticides via le réseau hydrographique et en s’affranchissant de la variabilité interannuelle (y compris climatique) par la modélisation sur une longue période. Pour les besoins du projet, la modélisation porte sur le transfert de pesticides vers les eaux de surface (bassin du Ruiné). L’outil utilisé est donc le modèle «

Soils and Water Assessment Tool » (SWAT) dans sa version 2009, interfacé au Système

Géographique d’Information ArcGIS10 (ESRI).

SWAT est un modèle largement utilisé à l’échelle internationale. C’est un modèle ouvert, qui compte à ce jour plus de 600 publications scientifiques hors communications et colloques (source : éditeur de SWAT : brc-tamus, université du Texas). SWAT a été utilisé pour des tailles variées de bassins versants, allant de 17 km², aux USA, (Arnold et al., 2010) jusqu’à plusieurs milliers de km², comme celui de la Charente (Vernier et al., 2010). Il permet de simuler les effets des changements de pratiques sur la qualité de l’eau, les sédiments, les pesticides et nutriments sur le long terme dans des bassins versants complexes (types de sols et utilisation du sol variés, pratiques agricoles hétérogènes).

Les applications majeures de SWAT ont porté sur l’évaluation du transfert et du devenir de polluants d’origines agricoles : nutriments et pesticides, puis sur les processus d’érosion. Concernant l’azote, SWAT a été validé pour modéliser l’azote lixivé. Il a également été utilisé pour modéliser les transferts de nitrate (en France (Ferrant et al., 2011). Plusieurs références existent également concernant l’impact des changements des pratiques sur la réduction des quantités de pesticides présentes dans les eaux superficielles en modélisant les pratiques pour un petit bassin belge d’une trentaine de km² (Holvoet et al., 2007).

Un des avantages de SWAT est qu’il incorpore un module agronomique de croissance des plantes et qu’il permet de paramétrer des itinéraires techniques en incluant les opérations culturales,

(29)

84 dont la fertilisation et les traitements phytosanitaires. Ainsi, dans le cadre du programme Life Environment Concert'Eau, l’équipe Irstea Bordeaux (Bordenave et al., 2009) a simulé des scénarios de modifications des pratiques agricoles dont les flux de pesticides, sur des bassins versants des Coteaux de Gascogne.

Le choix du modèle s’est donc naturellement porté vers SWAT car c’est un modèle bien connu qui a fait ses preuves sur des bassins versants de tailles moyennes à grandes. Il a également fait ses preuves dans la modélisation du transfert de polluants agricoles vers les eaux de surfaces, objectif de cette tâche du projet. L’ajout du module agronomique de croissance des plantes est également un de ses points forts. Bien que rarement utilisé pour des petits bassins tels que celui du Ruiné, le modèle y est cependant bien compatible car quelques travaux ont été réalisés sur des petits bassins versants (bassin du Mercube, France (Renaud, 2004)) ainsi qu’un test dans le cadre d’un projet (appelé ModChar) à Irstea où le bassin du Ruiné a été utilisé pour tester SWAT (Vernier et al ;, 2013). Ce modèle était donc déjà largement utilisé au sein de l’institut depuis 2006.

2. Généralités

SWAT, acronyme de « Soil and Water Assessment Tool » (outil d’évaluation de l’eau et du sol) est un modèle, à l’échelle du bassin versant, développé par Jeff Arnold pour l’USDA Agricultural Research Service en 1999. C’est un modèle hydrologique et agronomique qui a été conçu afin de prédire et quantifier les effets combinés de la topographie, du climat, de la végétation, des sols et des pratiques agricoles sur les eaux de ruissellement et les sédiments, le tout dans des bassins versants assez étendus et complexes sur de longues périodes de temps. Ici, il est utilisé au pas de temps journalier.

C’est un modèle conceptuel à base physique, continu et déterministe. Cependant, plutôt que d’intégrer des équations de régression, SWAT requiert des informations spécifiques sur le climat, les sols, la topographie, la végétation et les modes de gestion sur le bassin versant étudié. Les processus physiques associés au mouvement de l’eau, des sédiments, de la croissance des plantes et du cycle des nutriments sont directement calculés et modélisés par SWAT en utilisant les informations spécifiques précédentes. Les avantages sont les suivants :

 Les bassins sans données d’observations peuvent être modélisés ;

 L’impact du changement des données d’entrées (climat, végétation, pratiques agricoles…) sur la qualité de l’eau par exemple peut être quantifié. Ceci nous intéresse particulièrement ici, car cela permettra d’évaluer le transfert de polluants induit.

SWAT est couplé avec la version anglophone 10 d’Arcgis (ESRI) qui est un logiciel de SIG. Le module utilisé en interface avec Arcgis s’appelle Arcswat. C’est une extension d’Arcgis et une interface graphique d’utilisation pour SWAT utilisé ici dans sa version 2009. Ce couplage permet de gérer les données de type rasters, vecteurs et alphanumériques. L’interface rend plus facile la phase d’intégration de manipulation et de paramétrages des données nécessaires à la modélisation. De nombreux fichiers sont nécessaires au bon fonctionnement du modèle : MNT (Modèle Numérique de Terrain), pédologie, réseau hydrographique, données climatiques, occupation du sol pratiques agricoles etc. Des valeurs sont définies par défaut pour des conditions américaines, mais un grand nombre d’entre elles sont adaptées au contexte local.

(30)

84 Il est à souligner que SWAT est issu de quatre modèles développés antérieurement : SWRRB (WILLIAMS et al. 1985), EPIC (WILLIAMS et al. 1984), CREAMS (Knisel, 1980) et GLEAMS (Leonard et al., 1987). L’historique se don développement est en annexe 3.

3. Théorie de SWAT

SWAT permet de simuler de nombreux processus physiques dans un bassin versant. Le fonctionnement général va être résumé dans cette partie. Un choix arbitraire de ne détailler que certaines parties jugées importantes ou clés a été fait. Il faut se référer à la documentation théorique pour plus d’informations (BRC-Tamus Swat theorical documentation, 2005).

Pour arriver au but final, le bassin divisé en sous-bassins, ici treize (en ajoutant des exutoires). L’utilisation de sous-bassins est particulièrement utile en simulation lorsque différentes zones du bassin sont dominées chacune par des sols différents par exemple. L’analyse des phénomènes hydrologiques est plus fine.

Chaque sous-bassin est subdivisé en HRU (Hydrologic Response Units), qui sont des combinaisons uniques de type de sol, d’occupation du sol et de pentes. Ces HRU sont des unités élémentaires de calcul pour SWAT ; qui sont des unités de discrétisation spatiale plus fines.

Le modèle SWAT est un modèle conservatif basé sur un équilibre hydrologique (water balance). La simulation du cycle hydrologique du bassin versant peut être séparée en deux grandes étapes :

 La phase terrestre qui contrôle la quantité d’eau, de sédiments, de nutriments et de pesticides qui rejoignent le chenal principal.

 La phase de routage qui peut être définie comme le mouvement de l’eau, des sédiments et des polluants dans le chenal.

1. Phase terrestre

Le cycle hydrologique simulé dans SWAT est basé sur le bilan hydrique :

SW

t=

SW

0+

∑

(

𝑅

𝑑𝑎𝑦−

𝑄

𝑠𝑢𝑟𝑓−

𝐸

𝑎−

𝑊

𝑠𝑒𝑒𝑝−

𝑄

𝑔𝑤)

𝑡

𝑖=1



SW

t: est la teneur finale en eau du sol (mm)

 SW0 : est la teneur initiale en eau du sol au jour i (mm)  t est le pas de temps (jours)



𝑅

𝑑𝑎𝑦: Précipitations au jour i (mm)



𝑄

𝑠𝑢𝑟𝑓: Quantité de ruissellement au jour i (mm) 

𝐸

𝑎 : Quantité d’évapotranspiration au jour i (mm)



𝑊

𝑠𝑒𝑒𝑝 : Quantité d’eau entrant dans la zone vadose au jour i (mm)  𝑄𝑔𝑤 : Quantité d’eau perdue (allant à l’aquifère) (mm)

Le climat contrôle cette équation et détermine les importances relatives des différents composants du cycle hydrologique. Les processus d’évapotranspiration, d’infiltration et de

(31)

84 ruissellement (surface et sub-surface) dépendent fortement de la nature du sol, de son occupation (la végétation ralenti le ruissellement) et de la pente. Ils sont ainsi calculés pour chaque HRU ce qui permet une meilleure description de l’hydrologie.

Figure 10 : Schéma du cycle hydrologique (source : documentation SWAT)

Ruissellement

Le ruissellement apparaît lorsque que le taux d’application d’eau à la surface dépasse la vitesse d’infiltration du sol. La vitesse d’infiltration dépend de la nature du sol et de son humidité.

Un paramètre appelé Curve Number (Cn) permet d’estimer le ruissellement. Ce paramètre est également le paramètre le plus sensible influant sur le débit, ce qui sera important lors de la calibration. Le CN est fonction de la perméabilité du sol et donc du type de sol, de l’occupation du sol et de la teneur en eau antérieure du sol. Des valeurs de CN typiques sont listées dans des tables.

(32)

84 L’équation du Curve Number est la suivante :

𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 =

(𝑅_𝑑𝑎𝑦− 𝐼_𝑎)² (𝑅𝑑𝑎𝑦− 𝐼𝑎+ 𝑆)

 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 = ruissellement accumulé (ou excès de précipitations) (mm H2O)

 𝑅_𝑑𝑎𝑦 = hauteur de précipitations du jour (mm H2O)

 𝐼_𝑎 = teneur en eau initiale du sol comprenant le stockage d’eau en surface, l’interception par les plantes et l’infiltration avant le ruissellement (mm H2O) (~0,2S)

 𝑆 = paramètre de rétention (mm H2O)

𝑆 = 25,4. (1000_𝐶𝑁 – 10)

Le ruissellement n’intervient que si 𝑅𝑑𝑎𝑦 > 𝐼𝑎 . Sur la figure suivante est représentée une solution

graphique de l’équation :

(33)

84

Tableau 1 : Différentes valeurs de CN (Group D représente un sol à fort potentiel de ruissellement) (source : documentation SWAT)

2. Phase de routage

Ici, le modèle détermine le flux d’eau, de sédiments, de nutriments et de pesticides dans le chenal principal. Ce processus est divisé en quatre composants :

 L’eau : Une portion de ce flux peut être perdue par évaporation ou par transfert vers la nappe d’accompagnement du cours d’eau mais également par pompage pour les activités humaines. Il peut être augmenté par des chutes de pluie directement dans le chenal principal (sans phase terrestre) ou par le rejet direct de sources ponctuelles.

 Sédiments : Le transport de sédiments est contrôlé simultanément par deux processus, le dépôt et le remaniement. Ceux-ci dépendent également de la vitesse du cours d’eau et de la taille des sédiments. Un sédiment trop grossier sera déposé si la vitesse du cours d’eau est trop faible. Si la vitesse du cours d’eau est suffisante, il y aura à l’inverse de l’érosion.

 Nutriments : Le flux total de nutriments (azote, phosphore…) dans le chenal est divisé en une part dissoute dans l’eau et une autre part adsorbée au sédiment.

 Pesticides : Comme pour les nutriments, le flux total est divisé avec les deux mêmes parties. A cause de la complexité des processus associés, un seul pesticide peut être routé à la fois. Les processus simulés par le modèle sont la décantation, l’enfouissement, la remobilisation, la volatilisation, la diffusion et la transformation (dégradation de la molécule active et transformation en une autre molécule).

(34)

84

Figure 12 : Processus liés au routage (source : documentation SWAT)

3. Eaux souterraines

Swat simule deux aquifères (zones poreuses et perméables du sous-sol saturées en eau) dans chaque sous-bassin. L’aquifère peu profond qui est « libre » et un aquifère profond dit « captif ». L’aquifère libre est une nappe d’accompagnement et contribue au débit du chenal principal. L’eau qui entre dans l’aquifère profond est considérée comme perdue pour le bassin versant étudié.

Aquifère libre (peu profond)

L’équation de l’équilibre hydrologique pour cet élément est la suivante :

aq

sh,i

= aq

sh,i-1

+ w

rchrg,sh

– Q

gw

– w

revap

quantité d’eau migrant vers la zone non-saturée du sol au jour i (mm H2O)

(35)

84 Le débit de base est assimilable à l’écoulement qui se produit dans un cours d’eau pendant les périodes sans précipitations. Le débit provient donc essentiellement de la nappe souterraine d’accompagnement qui alimente le cours d’eau. Ci-après est présenté la méthode de calcul du paramètre ALPHA_BF (

𝜶

_𝒈𝒘₎qui est la constante de récession du débit de base et qui est un des paramètres, influant fortement sur le débit du cours d’eau, à ajuster pour calibrer le modèle.

Le débit de base pourra entrer en jeu uniquement si la quantité d’eau stockée dans l’aquifère d’accompagnement dépasse une valeur seuil appelée

aq

shthr,q.

La réponse de l’écoulement souterrain, à l’équilibre, est :

𝑄

_𝑔𝑤

=

8000. 𝐾

𝑠𝑎𝑡

𝐿

_𝑔𝑤

²

. h

wtbl



𝐾

𝑠𝑎𝑡

=

Conductivité hydraulique de l’aquifère (mm/jour)



𝐿

_𝑔𝑤

=

Distance entre la ligne de partage des eaux et le cours d’eau principal (m) 

h

_wtbl

=

hauteur de la nappe(m)

La variation de la hauteur de la nappe au cours du temps (mm/jour) est :

𝑑ℎ

_{𝑤𝑡𝑏𝑙}

𝑑𝑡

=

𝑤

_{𝑟𝑐ℎ𝑟𝑔,𝑠ℎ}

− 𝑄

_𝑔𝑤

800. 𝜇



µ

= rendement spécifique de l’aquifère (m/m)

)



𝛼

𝑔𝑤

=

constante de récession du débit de base

(36)

84 En intégrant la relation précédente, on obtient :

𝑄

_{𝑔𝑤,𝑖}

= 𝑄

_{𝑔𝑤,𝑖−1}

. 𝑒

−𝛼𝑔𝑤.∆𝑡

+

𝑤

. (1 − 𝑒

−𝛼𝑔𝑤.∆𝑡

)

si aq

sh

> aq

shthr,q

𝑄

_{𝑔𝑤,𝑖}

= 0 si aq

sh

≤ aq

shthr,q  𝑄𝑔𝑤,𝑖= Débit de l′aquifère au jour i

 𝑄𝑔𝑤,𝑖−1= Débit de l′aquifère au jour i − 1

 ∆𝑡 = pas de temps (1 jour)

La constante de récession du débit de base (𝛼𝑔𝑤) est un indice direct de la réponse de l’écoulement

des eaux souterraines lors d’un changement de recharge. Elle varie de 0,1 à 0,3 pour une réponse lente et de 0,9 à 1,0 pour une réponse rapide.

Quand la nappe libre ne se recharge pas, on simplifie l’équation précédente pour obtenir :

𝑄

_𝑔𝑤

= 𝑄

_𝑔𝑤,0

. 𝑒

−𝛼𝑔𝑤.𝑡

_{si aq}

sh

> aq

shthr,q

𝑄

_{𝑔𝑤,𝑖}

= 0 si aq

sh

≤ aq

shthr,q 

𝑄

_𝑔𝑤,0

=

débit de la nappe au début de la récession (temps t =0) (mm H2O)



𝑡=

temps écoulé depuis le début de la récession (jours)

Grâce à l’équation précédente, on obtient la constante de récession du débit de base :

𝛼

_𝑔𝑤

=

1 𝑡

. 𝑙𝑛

𝑄

_{𝑔𝑤,𝑡}

𝑄

_𝑔𝑤,0

=

1 𝐵𝐹𝐷

. ln[10] =

2,3

𝐵𝐹𝐷



𝑄

_{𝑔𝑤,𝑡}

=

flux de la nappe au jour t (mm H2O)

 BFD = nombre de jours au débit de base sur le bassin versant

Aquifère captif (profond)

L’équation de l’équilibre hydrologique pour cet élément est la suivante :