Développement d'une modélisation du devenir de pesticides à l'échelle d'un versant au sein d'une plateforme hydrologique, prise en compte de la macroporosité PDF Download
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L'objectif général de ma thèse est de développer une modélisation spatialisée à l'échelle d'un versant, afin de mieux rendre compte des principales voies de transfert des pesticides dans les terrains agricoles. Je cherche à adopter une approche simplifiée, mais qui permet néanmoins de représenter les discontinuités existantes (parcelles, fossés, talus ... etc). En effet, on souhaite pouvoir quantifier les mécanismes du transfert des pesticides en prenant en compte l'influence des éléments du paysage (parcelles, fossés, bandes enherbées ...etc) sur la partition des transferts d'eau et de pesticides en surface et en subsurface. On s'appuie pour ce développement sur les données acquises sur le bassin versant expérimental de la Morcille (69), qui servent à fournir des ordres de grandeur et un cadre pour tester la pertinence des développements effectués. Une synthèse bibliographique sur les processus en jeu et les modèles existants a conduit au choix de la plateforme de modélisation hydrologique CMF, développée à l'université de Giessen (Kraft, 2012). Cette dernière permet une modélisation orientée objet d'un système hydrologique (colonne de sol, versant, bassin versant ...etc) et propose une grande variété d'équations physiques pour la représentation des processus hydrologiques. Le travail est mené sur trois étapes, une première consiste à l'évaluation du comportement de la plateforme et la validation de sa réponse via la comparaison dans un premier temps via un modèle 1D suite à une comparaison avec Hydrus1D. Dans un second temps, nous avons mené des simulations en 2D en comparant avec le modèle Cathy en se basant sur les travaux de Sulis et al. (2010) et avec Hydrus2D (Simunek et al., 1999 & Simunek et al., 2001) sur un versant inspiré du versant expérimental de la Morcille. La deuxième étape consiste à la prise en compte des écoulements préférentiels dans certains types de sol structurés, nous paraît nécessaire pour une meilleure représentation des processus en jeu. La représentation du transfert préférentiel des produits phytosanitaires via les macropores vers la ressource en eau représente encore un défi pour la recherche. L'approche à double perméabilité (DP) choisie contient le développant d'une nouvelle fonction d'infiltration dans les macropores. Notre modèle DP contient également deux fonctions alternatives d'échange matrice-macropores ; la première est proportionnelle à la différence des teneurs en eau des deux compartiments du sol (Philip, 1968). La deuxième fonction d'échange est une onde diffusante basée sur l'approche présentée par van Genuchten (1993). La dernière partie de la thèse consiste en la modélisation des solutés suivant successivement les deux approches : simple porosité et double perméabilité, en considérant le transport des solutés par convection et une adsorption linéaire. La validation de notre approche de modélisation est menée en comparant avec les simulations d'Hydrus1D/2D.
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L'objectif général de ma thèse est de développer une modélisation spatialisée à l'échelle d'un versant, afin de mieux rendre compte des principales voies de transfert des pesticides dans les terrains agricoles. Je cherche à adopter une approche simplifiée, mais qui permet néanmoins de représenter les discontinuités existantes (parcelles, fossés, talus ... etc). En effet, on souhaite pouvoir quantifier les mécanismes du transfert des pesticides en prenant en compte l'influence des éléments du paysage (parcelles, fossés, bandes enherbées ...etc) sur la partition des transferts d'eau et de pesticides en surface et en subsurface. On s'appuie pour ce développement sur les données acquises sur le bassin versant expérimental de la Morcille (69), qui servent à fournir des ordres de grandeur et un cadre pour tester la pertinence des développements effectués. Une synthèse bibliographique sur les processus en jeu et les modèles existants a conduit au choix de la plateforme de modélisation hydrologique CMF, développée à l'université de Giessen (Kraft, 2012). Cette dernière permet une modélisation orientée objet d'un système hydrologique (colonne de sol, versant, bassin versant ...etc) et propose une grande variété d'équations physiques pour la représentation des processus hydrologiques. Le travail est mené sur trois étapes, une première consiste à l'évaluation du comportement de la plateforme et la validation de sa réponse via la comparaison dans un premier temps via un modèle 1D suite à une comparaison avec Hydrus1D. Dans un second temps, nous avons mené des simulations en 2D en comparant avec le modèle Cathy en se basant sur les travaux de Sulis et al. (2010) et avec Hydrus2D (Simunek et al., 1999 & Simunek et al., 2001) sur un versant inspiré du versant expérimental de la Morcille. La deuxième étape consiste à la prise en compte des écoulements préférentiels dans certains types de sol structurés, nous paraît nécessaire pour une meilleure représentation des processus en jeu. La représentation du transfert préférentiel des produits phytosanitaires via les macropores vers la ressource en eau représente encore un défi pour la recherche. L'approche à double perméabilité (DP) choisie contient le développant d'une nouvelle fonction d'infiltration dans les macropores. Notre modèle DP contient également deux fonctions alternatives d'échange matrice-macropores ; la première est proportionnelle à la différence des teneurs en eau des deux compartiments du sol (Philip, 1968). La deuxième fonction d'échange est une onde diffusante basée sur l'approche présentée par van Genuchten (1993). La dernière partie de la thèse consiste en la modélisation des solutés suivant successivement les deux approches : simple porosité et double perméabilité, en considérant le transport des solutés par convection et une adsorption linéaire. La validation de notre approche de modélisation est menée en comparant avec les simulations d'Hydrus1D/2D.
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Le module de transfert de pesticide PeStics a été intégré au sein du modèle agronomique STICS (Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard) afin de simuler le transfert de pesticides dans les sols agricoles. Par la suite une évaluation sur trois sites expérimentaux a été effectuée. Afin d'étudier le devenir des pesticides à l'échelle du bassin versant de l'Orgeval, des simulations concernant 4 herbicides (l'atrazine, la simazine, l'isoproturon, le chlortoluron) et un métabolite (la DEA) ont été réalisées à l'aide du modèle STICS sur une période de 23 ans (1990-2012) . Les objectifs de ces travaux étaient :i) de mettre en évidence les principaux processus impliqués dans la dissipation et le transfert de pesticides à long terme ; ii) d'évaluer l'influence de la dynamique des stocks en pesticide dans les sols, sur le transport en phase dissoute, vers le reste de l'hydrosystème ; iii) de déterminer les paramètres du modèle les plus sensibles aux pertes par lixiviation sur la période de 1990-2012. Les simulations ont été comparées aux observations disponibles sur le bassin versant. Les résultats mettent en avant la nécessité de prendre en considération la dynamique des stocks restants dans les sols pour comprendre le transfert des pesticides sur le long-terme. Une attention particulière doit également être portée sur les paramètres qui influencent la rétention et la disponibilité des pesticides à la lixiviation. En conclusion, les différences obtenues entre les flux lixiviés simulés pour une culture de blé et de maïs montrent l'intérêt des modèles agronomiques dans la modélisation du devenir des pesticides à l'échelle du bassin versant.
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Face au contexte de contamination générale des grandes masses d’eau par les produits phytosanitaires et de la dégradation toujours croissante de leur qualité en France, et dans un contexte régional de pollution de la nappe du fossé rhénan et de l’identification de la zone du piémont alsacien comme une source non négligeable de contamination, des bassins versant observatoires ont été mis en place pour suivre le transfert de pesticides dans ces zones identifiées comme sensibles. C’est à travers l’évolution des concentrations à l’exutoire des bassins que l’état de la contamination est défini et sert de base à la mise en place et à l’évaluation d’actions visant à réduire les transferts de produits phytosanitaires. Mais la stratégie d’observation de cette évolution conditionne la représentation que l’on se fait du problème et par là influence l’efficacité des actions mises en oeuvre. Or, dans un contexte semi-opérationnel, la contrainte économique liée au coût de l’analyse des pesticides est une contrainte majeure qui occulte la prise en compte de l’objectif dans la définition de stratégies de mesure : le faible nombre d’analyses est souvent recherché avant tout, au détriment de la représentativité des mesures. Nous proposons donc, à la lumière des connaissances actuelles sur les processus dominants dans le transfert des pesticides à l’exutoire de sous-bassins agricoles et en se plaçant dans un cadre semi-opérationnel, de répondre à la question suivante : peut-on définir des stratégies de mesure des concentrations en produits phytosanitaires à l’exutoire d’un bassin permettant une représentation non biaisée de la pollution des eaux à moindre frais, c’est-à-dire avec un minimum d’analyses ? Nous utilisons les informations fournies par deux modèles de transfert, adaptés aux données disponibles sur le terrain pour leur paramétrisation, ainsi que l’analyse des incertitudes de modélisation, pour définir deux stratégies d’échantillonnage, adaptées respectivement à une approche globale et distribuée du système, qui permettent de reproduire un chemogramme de référence à l’exutoire du bassin à partir du petit nombre de mesures de concentrations proposé par nos stratégies, en supposant les modèles parfaits. Dans l’état actuel, la méthode n’est pas directement applicable à des cas réelsavec les versions de modèles utilisées, conformes à nos exigences scientifiques et à nos contraintes socio-économiques. Ces stratégies à visée opérationnelle doivent donc être utilisées avec des modèles plus performants comme interpolateurs des concentrations mesurées, nécessitant par ailleurs des efforts de paramétrisation non supérieurs aux coûts (argent, temps) consentis pour le suivi des transferts lui-même dans un cadre semiopérationnel. Actuellement ces modèles n’existent pas et la levée de ce verrou constitue une des perspectives, majeure, pour l’aboutissement de la construction de stratégies opérationnelles, que cette étude a fortement contribué à préparer.
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Face au contexte de contamination générale des grandes masses d’eau par les produits phytosanitaires et de la dégradation toujours croissante de leur qualité en France, et dans un contexte régional de pollution de la nappe du fossé rhénan et de l’identification de la zone du piémont alsacien comme une source non négligeable de contamination, des bassins versant observatoires ont été mis en place pour suivre le transfert de pesticides dans ces zones identifiées comme sensibles. C’est à travers l’évolution des concentrations à l’exutoire des bassins que l’état de la contamination est défini et sert de base à la mise en place et à l’évaluation d’actions visant à réduire les transferts de produits phytosanitaires. Mais la stratégie d’observation de cette évolution conditionne la représentation que l’on se fait du problème et par là influence l’efficacité des actions mises en oeuvre. Or, dans un contexte semi-opérationnel, la contrainte économique liée au coût de l’analyse des pesticides est une contrainte majeure qui occulte la prise en compte de l’objectif dans la définition de stratégies de mesure : le faible nombre d’analyses est souvent recherché avant tout, au détriment de la représentativité des mesures. Nous proposons donc, à la lumière des connaissances actuelles sur les processus dominants dans le transfert des pesticides à l’exutoire de sous-bassins agricoles et en se plaçant dans un cadre semi-opérationnel, de répondre à la question suivante : peut-on définir des stratégies de mesure des concentrations en produits phytosanitaires à l’exutoire d’un bassin permettant une représentation non biaisée de la pollution des eaux à moindre frais, c’est-à-dire avec un minimum d’analyses ? Nous utilisons les informations fournies par deux modèles de transfert, adaptés aux données disponibles sur le terrain pour leur paramétrisation, ainsi que l’analyse des incertitudes de modélisation, pour définir deux stratégies d’échantillonnage, adaptées respectivement à une approche globale et distribuée du système, qui permettent de reproduire un chemogramme de référence à l’exutoire du bassin à partir du petit nombre de mesures de concentrations proposé par nos stratégies, en supposant les modèles parfaits. Dans l’état actuel, la méthode n’est pas directement applicable à des cas réelsavec les versions de modèles utilisées, conformes à nos exigences scientifiques et à nos contraintes socio-économiques. Ces stratégies à visée opérationnelle doivent donc être utilisées avec des modèles plus performants comme interpolateurs des concentrations mesurées, nécessitant par ailleurs des efforts de paramétrisation non supérieurs aux coûts (argent, temps) consentis pour le suivi des transferts lui-même dans un cadre semiopérationnel. Actuellement ces modèles n’existent pas et la levée de ce verrou constitue une des perspectives, majeure, pour l’aboutissement de la construction de stratégies opérationnelles, que cette étude a fortement contribué à préparer.
Author: Julie Wohlfahrt Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 192
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Surface water pollution by pesticides is a great environmental concern. In order to limit pesticides transfers from agricultural field to surface water, mitigation strategies are implemented. Their effectiveness has then to be assessed by specific tools. Most of pesticide runoff risk assessment tools are simple indicators or simulation models. Both can be performing for field application but most of the available methods are not yet adapted to help catchment managers in their decision process. Simple indicators lack taking into account inherent variability of watersheds structures and mechanistic models demands too many data to be used as routine tools. The aim of this study is then to develop a catchment scale pesticide runoff risk assessment tool to help catchment managers to identify risky situations. We developed two indicators: one to assess agricultural impact on pesticide runoff risk at a field scale and the other field spatial position impact on runoff route from the field to the hydrological network. Aggregating those two indicators lead us to assess catchment fields pesticide runoff risk and allows comparing agronomical or climatic scenarios. We based both indicators on modelling assuming that processes described by model make possible to explore wide factors variation ranges and to build databases on which indicators are developed.
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Le projet général dans lequel s'inscrit ce travail vise à développer un outil de modélisation permettant de mieux comprendre et quantifier la circulation de l'eau et de produits phytosanitaires à l'échelle de petits bassins versants ruraux, en prenant notamment en compte l'influence d'aménagements hydro-agricoles ou paysagers (tels que le drainage agricole par tuyaux enterrés, les fossés, le réseau bocager ou les bandes enherbées) sur la qualité de l'eau. En s'appuyant sur le cas d'étude du bassin versant de la Fontaine du Theil (Ille et Vilaine), on a mis en oeuvre une démarche de modélisation hydrologique distribuée fondée sur la représentation des différents aménagements sous forme de modules autonomes et connectés entre eux selon leur positionnement dans l'espace, en s'appuyant sur la plate-forme de modélisation environnementale LIQUID. On a ainsi construit et testé à l'échelle locale deux modules spécifiques représentant de manière simplifiée : le fonctionnement d'une parcelle drainée, incluant les transferts de pesticides,ainsi que le fonctionnement hydrodynamique d'une haie bocagère. On les a ensuite couplés de façon très simple à des modules existant par ailleurs dans LIQUID pour obtenir un modèle hydrologique distribué, qui a été appliqué sur une partie du bassin versant de la Fontaine du Theil (sans solutés).Les résultats sont pour l'instant très sommaires mais montrent un bon fonctionnement du couplage entre ces différents modules et apportent depremiers éléments qualitatifs de validation sur le comportement des haies vis-à-vis des flux souterrains. Ils sont encourageants quant à la possibilité, à travers cette approche, de représenter les interactions entre processus dominants et ainsi de faire progresser la connaissance sur les voies de contamination majeures à l'échelle du bassin. La plate-forme LIQUID, en permettant de construire des modules de conceptions différentes et de lesfaire communiquer dans un même modèle de façon cohérente et conforme à la physique, se révèle bien adaptée.
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Le projet général dans lequel s'inscrit ce travail vise à développer un outil de modélisation permettant de mieux comprendre et quantifier la circulation de l'eau et de produits phytosanitaires à l'échelle de petits bassins versants ruraux, en prenant notamment en compte l'influence d'aménagements hydro-agricoles ou paysagers (tels que le drainage agricole par tuyaux enterrés, les fossés, le réseau bocager ou les bandes enherbées) sur la qualité de l'eau. En s'appuyant sur le cas d'étude du bassin versant de la Fontaine du Theil (Ille et Vilaine), on a mis en oeuvre une démarche de modélisation hydrologique distribuée fondée sur la représentation des différents aménagements sous forme de modules autonomes et connectés entre eux selon leur positionnement dans l'espace, en s'appuyant sur la plate-forme de modélisation environnementale LIQUID. On a ainsi construit et testé à l'échelle locale deux modules spécifiques représentant de manière simplifiée : le fonctionnement d'une parcelle drainée, incluant les transferts de pesticides,ainsi que le fonctionnement hydrodynamique d'une haie bocagère. On les a ensuite couplés de façon très simple à des modules existant par ailleurs dans LIQUID pour obtenir un modèle hydrologique distribué, qui a été appliqué sur une partie du bassin versant de la Fontaine du Theil (sans solutés).Les résultats sont pour l'instant très sommaires mais montrent un bon fonctionnement du couplage entre ces différents modules et apportent depremiers éléments qualitatifs de validation sur le comportement des haies vis-à-vis des flux souterrains. Ils sont encourageants quant à la possibilité, à travers cette approche, de représenter les interactions entre processus dominants et ainsi de faire progresser la connaissance sur les voies de contamination majeures à l'échelle du bassin. La plate-forme LIQUID, en permettant de construire des modules de conceptions différentes et de lesfaire communiquer dans un même modèle de façon cohérente et conforme à la physique, se révèle bien adaptée
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La densification actuelle de l'urbanisation conduit à un changement d'occupation du sol et du réseau de drainage en zone péri-urbaine. L'écoulement est concentré dans des fossés ou des réseaux d'assainissement et ainsi accéléré. Ces phénomènes peuvent avoir des conséquences importantes pour les nappes et les cours d'eau, comme par exemple l'aggravation des crues et des sécheresses et l'altération de la qualité chimique et/ou biologique du milieu. Sous la pression réglementaire (Directive Cadre Européenne sur l'Eau) et la demande sociale, les gestionnaires sont donc confrontés à des choix complexes en terme d'aménagement. Ainsi, il est nécessaire de mettre au point des méthodes et des modèles capables de quantifier l'impact de l'augmentation de l'urbanisation sur la vulnérabilité des hydro-systèmes péri-urbains. Dans ce travail, nous formulons l'hypothèse qu'une modélisation hydrologique spatialisée continue, prenant explicitement en compte les objets des paysages périurbains (parcelles urbaines, agricoles, forestières, haies,..) et les éléments déterminant les chemins de l'eau (topographie, mais aussi réseaux d'assainissement ou de routes) peut aider à comprendre et hiérarchiser le rôle des différents objets du paysage sur la réponse hydrologique. Pour ce faire, le modèle distribué PUMMA (Peri-Urban Model for landscape Management) adapté aux bassins versants péri-urbains, a été développé dans le cadre de cette thèse. Il consiste en une intégration du modèle existant URBS, décrivant des processus hydrologiques urbains à l'échelle d'une parcelle cadastrale, dans la plate-forme de modélisation LIQUID, qui contient déjà des modules représentants des processus hydrologiques en zone rurale. PUMMA a également été complété par de nouveaux modules simulant les déversoirs d'orage, les bassins de rétention et le transfert du ruissellement de surface. Le modèle suit une approche orientée objet dans laquelle le paysage est divisé en mailles irrégualières, correspondant aux parcelles cadastrales en zone urbaine et aux unités de réponse hydrologiques (HRUs) en zone rurale. Afin de pouvoir appliquer le modèle à l'échelle d'un bassin versant, des méthodes automatiques pour la préparation des données géographiques ont été mises au point. De plus, une méthode a été développée pour déterminer les contours de bassins versants péri-urbains, en distinguant les surfaces contributives de temps sec et humide. Le modèle a été appliqué au bassin versant de la Chaudanne, un sous-bassin de l'Yzeron, situé en zone péri-urbaine lyonnaise pour deux années en conditions contrastées (sèche et humide). Les paramètres du modèle ont été spécifiés à partir des observations disponibles et des données de la littérature. Les résultats montrent un comportement du modèle réaliste et une aptitude à représenter les comportements différents en période sèche et humide, en lien avec des degrés de saturation des sols différents, même si les pics de débits d'été sont en général surestimés. Différents tests de sensibilité sur certains processus/paramètres montrent l'importance des processus urbains sur la réponse hydrologique du bassin, comme en particulier la génération de ruissellement de surface par les surfaces imperméables et naturelles urbaines, le drainage de l'eau du sol par les réseaux d'assainissement et les connexions entre les îlots urbains et le réseau hydrographique naturel et artificiel. L'épaisseur des sols et la conductivité hydraulique à saturation latérale jouent aussi un rôle important sur la dynamique du débit de base. Nous montrons aussi le potentiel du modèle pour tester différents scenarii d'aménagement ou de gestion des eaux pluviales.
Author: Alain Rousseau Publisher: Québec : Centre Eau terre et environnement, Institut national de la recherche scientifique ISBN: 9782891463256 Category : Languages : fr Pages : 142
Author: Karima Djabelkhir
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Author: Wilfried Queyrel
Author: Stéphanie Madier
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Author: Julie Wohlfahrt
Author: Flora Branger
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Author: Alain Rousseau
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