PLAN
Introduction générale 1
Introduction 1
1) Présentation de notre objet d’étude : la parcelle agricole 1
2) Les différents processus du bilan hydrique 1
3) Cadrage du projet de thèse par rapport aux objectifs des travaux du Laboratoire avec le
modèle de bilan hydrique BILHYNA 2
4) Eléments quantitatifs des termes du bilan hydrique - place de la captation et du ruissellement
- Valeurs de la captation - Valeurs du ruissellement - Bilan
4 4 5 6 5) Modélisation du bilan hydrique - BILHYNA, place de la captation et du ruissellement
- Caractéristiques comparées du modèle BILHYNA - stratégies de travail - Modélisation des pluies
- Bilan
6 6 7 7
6) Conclusion 8
CHAPITRE I – Présentation des modèles
I) Présentation du modèle de bilan hydrique « BILHYNA » a) Définition du sol
b) Evapotranspiration potentielle de la culture c) Evapotranspiration réelle de la culture
d) « Infiltration », drainage profond et « remontées capillaires » e) Bilan hydrique
f) Conclusions
9
9 9 9 10 11 12 12 II) Modélisation des transferts lents de l’eau dans le sol
a) Cadrage de l’étude des transferts lents dans BILHYNA b) Présentation du modèle
c) Choix des relations K(Ψ) et Ψ(θ) d) Bilan
12 12 12 13 14 III) Modélisation de la captation
1) Situation bibliographique, questions importantes 2) Modélisation de la captation
3) Mise en place du modèle de captation amélioré
14 14 16 17
- Modélisation de l’abaissement de la transpiration du couvert - Modélisation du stock d’eau captée
- Résolution de la captation avec l’évaporation 4) Conclusions
17 18 18 19 IV) Modélisation de l’infiltration et du ruissellement
1) Présentation du modèle d’infiltration
- Description générale du processus d’infiltration au cours d’une pluie
- Des critères « préorientés » de modélisation nous conduisent au choix du modèle de GREEN-AMPT (1911)
- Analyse de l’expression de GREEN-AMPT
- Sens physique des trois paramètres du modèle de GREEN-AMPT (Ks, Hf, θsat)
2) Modélisation du ruissellement
3) Objectifs d’amélioration du modèle d’infiltration / ruissellement pour intégrer la dynamique des paramètres sur parcelle cultivée
- Importance de la battance
- Complications du calcul de l’infiltration sur le terrain - Bilan
4) Mise en place du modèle d’infiltration / ruissellement amélioré
- Intégration de la variabilité verticale de la conductivité hydraulique à saturation
- Prise en compte de la variabilité verticale du déficit hydrique de saturation et de la succion effective au front d’humectation
- Résolution de la formule intégrée d’infiltration pendant une pluie - Résolution de la redistribution de l’eau infiltrée entre deux pluies 5) Conclusions
19 20 20 21 21 23 23
24 24 24 25 25 25 27 27 27 29 V) Couplage de la captation et de l’infiltration / ruissellement à BILHYNA 29
VI) Conclusions 32
CHAPITRE II – Expérimentations 33
Introduction
I) Mesure de la pluie
a) Appareillage classique de mesure de la pluie b) Erreurs systématiques
c) Limite de précision de la mesure de la pluie d) Variabilité locale des pluies
e) Conclusions
33 34 34 34 34 35 36 II) Mesure des caractéristiques du couvert végétal
1) Suivi de l’indice de surface foliaire (LAI)
36 36
2) Mesure de la quantité d’eau nécessaire pour saturer le couvert végétal (captation) a) Mesure de la capacité de saturation de pieds entiers
b) Détail de la capacité de saturation en fonction des structures végétales - conséquences c) Bilan selon les espèces végétales
d) Conclusions
37 37 38 40 41 III) Mesure de la rugosité de la surface du sol
a) Rugosité orientée et rugosité aléatoire : conséquences sur les mesures et leur traitement b) Choix d’un indice quantifiant la rugosité de la surface du sol
c) Techniques de mesure d) Précision des mesures
e) Suivi de l’évolution de la rugosité f) Conclusions
41 41 41 42 42 43 44 IV) Mesure du ruissellement
a) Expérimentation de mesure du ruissellement b) Résultats des mesures
c) Conclusions
44 44 45 46
V) Mesure de l’humidité du sol 46
Introduction 46
1) Notions préalables de précision dans la mesure de l’humidité du sol - Définition de la précision spatiale de la mesure
- Définition de la précision temporelle de la mesure - Définition de la précision absolue de la mesure
47 47 47 47 2) Présentation du sol de la parcelle expérimentale de Grignon 48 3) Présentation des techniques de mesure : TDR et gravimétrie
a) Principe et protocole des mesures par gravimétrie b) Principes de la technique TDR
c) Synthèse bibliographique des erreurs de mesure par TDR d) Protocole des mesures par TDR
e) Bilan
49 49 50 51 51 52 4) Mesure du profil de densité du sol
a) Mesures selon la méthode des mottes b) Mesures selon la méthode du cylindre c) Fixation du profil de densité
d) Bilan
52 52 52 53 54 5) Analyse des erreurs et des possibilités de correction des mesures
a) Effet de la température de l’appareillage TDR
b) Effet des caractéristiques de la carte de multiplexage TDR
c) Effet du gonflement / retrait du sol sur les résultats de gravimétrie d) Bilan
54 54 55 55 56
6) Résultats des mesures TDR et de gravimétrie (24/4/98-31/10/2000) a) Test des mesures TDR in situ
b) Correction des mesures TDR c) Résultats
57 57 58 60
7) Conclusions 62
VI) Conclusions du volet expérimental 62
CHAPITRE III - Paramétrisation des modèles de bilan hydrique, pluie et captation
63
I) Détermination des paramètres et variables d’entrée du modèle BILHYNA 1) Un paramètre essentiel d’humidité du sol : la capacité au champ
2) Variables et paramètres relatifs au couvert végétal a) Paramètres de transpiration du couvert végétal
b) Caractérisation du couvert végétal sur l’ensemble du cycle cultural b-1) Modélisation de la croissance du couvert végétal (LAI)
b-2) Calcul du taux de recouvrement du sol
b-3) Modélisation de la sénescence du couvert et de ses impacts sur le bilan hydrique b-4) Modélisation du mulch de « pailles » et de ses effets sur le bilan hydrique 3) Conclusions
63 63 64 64 64 64 65 65 67 68 II) Développement des modèles de pluie
Introduction
1) Présentation de la démarche d’étude, et premiers éléments empiriques - Modélisation de l’intensité d’une pluie
- Développement du modèle de pluie horaire selon la formule de Gauss - Modélisation de la pluie horaire en intensité constante
- Premiers éléments empiriques
- Conclusions – fixation des paramètres
68
68 70 70 71 72 73 74 2) Développement d’un modèle de pluie à partir des mesures très précises
a) Modélisation de l’intensité de la pluie (en mm/h) à partir des mesures d’instant de basculement d’auget
- Présentation des hypothèses de découpage d’une pluie et de calcul de la courbe d’intensité
- Conclusions
b) Etude et choix des paramètres de traitement des mesures précises de la pluie
- Détermination d’une valeur du paramètre d’intervalle d’indépendance entre deux basculements successifs d’auget
- Détermination de la durée et de l’intensité (mm/h) des pluies correspondant à un seul basculement d’auget
74
74 74 76 76 76 77 3) Recherche des paramètres permettant de modéliser la pluie à partir des mesures horaires
- Etude de l’infiltration / ruissellement
78 78
- Etude de la captation
- Choix final des paramètres de modélisation des pluies horaires - Bilan
80 80 80 4) Modélisation de l’énergie cinétique des pluies
- Modélisation de l’énergie cinétique des pluies - Etude de l’énergie cinétique
- Impact du couvert végétal - Conclusions
5) Conclusions
81 81 83 84 85 85
III) Paramétrisation du modèle de captation - tests de sensibilité a) Choix des paramètres du modèle de captation
b) Tests de sensibilité du modèle de captation c) Bilan
86 86 87 89
IV) Conclusions 89
CHAPITRE IV – Paramétrisation du modèle d’infiltration / ruissellement 91
I) Fixation des paramètres d’infiltration
1) Détermination de la résistance hydraulique de la croûte de battance 2) Fixation des paramètres pour le sol travaillé et non travaillé
a) Considérations empiriques (bibliographie)
- Le « potentiel effectif d’infiltration » (signification, caractéristiques et détermination) b) Description des caractéristiques hydrodynamiques et utilisation pour calculer les paramètres de l’équation de GREEN-AMPT
- Techniques classiques d’estimation des paramètres hydrodynamiques du sol - Relations K(ψ) et ψ (θ)de VAN GENUCHTEN pour le sol de Grignon
- Estimation du réalisme des relations K(ψ) et ψ (θ) du sol de Grignon pour calculer l’infiltration
c) Etude du paramètre de « succion effective au front d’humectation »
d) Bilan des valeurs des paramètres du modèle de GREEN-AMPT (sol sous la croûte) 3) Fixation des paramètres de calcul de l’infiltrabilité du sol
4) Conclusions
91
91 92 93 94 95 95 96 97 98 101 101 102 II) Restitution de la dynamique des paramètres du modèle d’infiltration /
ruissellement
1) Evolution de la rugosité et de la capacité de flaquage
- Modélisation de l’évolution de la rugosité à partir des résultats - Généralisation du modèle d’évolution de la rugosité
- Modélisation de la capacité maximale de flaquage de la surface du sol - Effet de la pente sur le flaquage
- Modélisation de la dynamique de la capacité de flaquage
102
102 102 103 104 105 105
- Conséquences pour le calcul du ruissellement - Conclusions
2) Evolution de la croûte de battance
- Modélisation de l’évolution de la conductivité hydraulique de la croûte - Fixation de la cinétique de la battance (paramètre « c »)
- Passage de la valeur de la conductivité hydraulique à la résistance hydraulique de la croûte
- Illustrations - Conclusions
3) Evolution des paramètres d’infiltration du sol selon les travaux agricoles 4) Conclusions
106 106 107 107 108 109 110 110 110 111 III) Paramétrisation du modèle de redistribution lente de l’eau entre les couches de sol
a) Choix des paramètres b) Résultats de sensibilité c) Conclusions
111 111 113 113 IV) Etudes de sensibilité de l’infiltration / ruissellement
1) Sensibilité à la capacité maximale de flaquage 2) Sensibilité à la pente
3) Sensibilité à la résistance hydraulique de la croûte
- Liaison entre l’évolution de la résistance de la croûte et celle de l’infiltrabilité du sol - Conclusions
4) Sensibilité au profil de conductivité hydraulique à saturation
5) Sensibilité au modèle d’évolution de la succion effective au front d’humectation 6) Sensibilité à la captation
7) Conclusions
113 113 114 114 115 115 116 117 117 117
V) Conclusions 118
CHAPITRE V – Etude du bilan hydrique et des transferts hydrologiques 119
Introduction 119
I) Etude de la captation
- Eléments d’étude statistique de la captation et de son rôle dans le bilan hydrique - Conclusions
119 119 121 II) Etude de l’infiltration / ruissellement
1) Test du modèle d’infiltration / ruissellement face aux mesures - Comparaison des ruissellements mesuré et simulé
- Utilisation des pluies horaires et conséquences 2) Etude de la variabilité temporelle du ruissellement 3) Bilan
121 121 122 123 123 125
III) Etude des remontées capillaires 125
IV) Etude du bilan hydrique en 1998, 1999 et 2000 a) Résultats
b) Etude des courbes de simulation comparées aux mesures
c) Sensibilité du modèle à la valeur de la capacité au champ – conséquences d) Etude des termes du bilan hydrique – conséquences
V) Conclusions
126 126 126 128 129 130
Conclusion générale 133
Bibliographie 135
Annexes 147
