Modélisation du transfert de l’eau dans le sol et amélioration de la

représentation de la transpiration dans le modèle

Zahra THOMAS (Agrocampus-

Ouest)

Isabelle BRAUD (CEMAGREF Lyon)

Jamila TARHOUNI (INAT)

République Tunisienne

Ministère de l’Enseignement Supérieur Ministère de l’Agriculture

Et de la Recherche Scientifique Et des Ressources Hydrauliques

Décembre 20091

Plusieurs recherches ont montré que les structures linéaires boisées telles que la haie présentent des intérêts multiples et influent significativement sur le fonctionnement hydrologique au sein

d’un bassin versant.

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Lors de l’aménagement d’un bassin versant ( gestion des risques inondation ou sécheresse), il s’avère indispensable de prendre en considération l’impact de ces structures linéaires sur le transfert de l’eau dans le sol, sur le bilan hydrique et peut être sur d’autres processus physiques qui s’opèrent à l’échelle du bassin versant.

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A cette fin, la modélisation semble être l’outil le plus efficace pour quantifier cet impact étant donné la complexité des expérimentations et des processus physiques à l’échelle des B.V.

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Modéliser le transfert de l’eau dans la zone non saturée.

Déceler l’impact de la haie à l’échelle du B.V.

Améliorer la représentation de la

transpiration ( terme du bilan hydrique

difficile à prévoir) dans le modèle.

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Un modèle 1D de type SVAT qui résout à la fois les bilans de masse et d’énergie ?

Un modèle 2 D qui résout simplement le bilan de masse?

Quel est le modèle le plus approprié pour atteindre ces objectifs ?

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Le choix est fait sur un modèle de type SVAT (Soil-vegetation - Atmosphere Transfer) : modèle numérique qui décrit de manière simplifiée les transferts d’énergie et de matière qui s'opèrent entre le Sol, la Végétation et l'Atmosphère : SiSPAT

L’objectif d’un tel modèle SVAT est de présenter au mieux l’interaction entre la végétation et son environnement (sol et atmosphère).

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SiSPAT (Simple Soil-Plant-Atmosphere Transfer ) est un modèle d’écoulement vertical appliqué à l’échelle de la parcelle.

Il a été développé par Dantas-Antonino (1992)

La seconde version a été améliorée par Isabelle BRAUD (2002)

Il résout de façon couplée les transferts d’eau et de chaleur dans la zone non saturée.

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1- Présentation du site expérimental :Le site expérimental est situé dans la région de la

Bretagne, Département Ille et Vilaine sur la commune de Vezin- le -Coquet à 5 km à l’Ouest de Rennes.

Situation géographique du site expérimental9

Pont Lagot

2- Choix de la colonne du sol pour la modélisation :

Toposéquence de la zone étudiée d’après Ghazavi et al., (2008) (AM : amont, AV : aval suivi de la distance

par rapport à la haie

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Amont Haie AvalRuissea

u

le profil typique est constitué de 3 horizons H1, H2 et H3 dont les épaisseurs sont successivement : 15 cm, 60 cm et 125 cm.

H1 H2

H3 2 mètres

Avec :

Ag : horizon organo-minéral non labouréSg : horizon structural à caractère rédoxiqueCg II: horizon minéral de profondeur

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3- Données nécessaires pour la modélisation:3-1- Données tensiométriques et piézométriques:

Vue en plan de la zone instrumentée avec les points de mesure (AM16, AM8, AM4, AM1, AV2, AV6 et

AV12) et l’emplacement des instruments de mesure (Ghazavi, 2008) 12

3-2- Données climatiques: 3-2-1-Validation des données climatiques du site

Vezin-le-Coquet

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3-2-2- Forçage climatique:

La particularité de cette étude réside dans la hauteur de la haie qui est de 15 mètres

Passage des données climatiques de 2 m à 15 m de hauteur

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3-3-Paramètres hydrodynamiques définis par le Modèle de Van Genuchten en utilisant des fonctions sur le logiciel R

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4- Stratégie de la modélisation :

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Paramétrisa

tion

et calage

Prise en main du modèle

Validation

4-1- Chronologie de la modélisation :

4-2- Intervention au niveau du code de SiSPAT:• Adopter le modèle à notre étude :

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1- Trie des variables de sortie du fichier « out1.dat » :

Nœuds

Variables d’état

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Date

Variables d’état

2- Simulation pour une période de 5 mois:2-1- Potentiel matriciel: 25 cm

150 cm

50 cm

100 cm

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Vue en plan de la zone instrumentée avec les points de mesure (AM16, AM8, AM4, AM1, AV2, AV6 et

AV12) et l’emplacement des instruments de mesure (Ghazavi, 2008) 23

25 cm

50 cm100 cm150 cm

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25 cm50 cm100 cm150 cm

25

Potentiel matriciel :Pour les horizons superficiels : il est difficile de

reproduire les potentiels matriciels par le modèle à ce niveau vu :

L’importance des flux dans ces horizons : un nombre important de paramètres et des approximations numériques et la forte non linéarité des équations.

Les mesures dans ces horizons peuvent être aberrantes en raison des manipulations exigées suite aux décrochements fréquents des tensiomètres à ce niveau.

Pour les horizons les plus profonds (100 cm et 150 cm), les valeurs du potentiel matriciel simulées se confondent avec celles observées, ceci est dû :

A la condition à la limite inférieure de type Dirichlet.A la présence d’une nappe libre dont le niveau

piézométrique atteint ces niveaux de profondeur. 26

2-2- Température : 50 cm100 cm150 cm

25cm

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2-3- Bilan de masse:

Pluie + remontée capillaire +ΔS = Evt + ruissellement

=Evt cum Etr cum + Evs cum +interp

cum

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2-4- La paramétrisation :2- 4-1-LAI :

En fonction du stade phénologique

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2- 4-2- Le profil racinaire :

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3- Essai d’amélioration des résultats de simulation :

Présentation des différentes simulations : Simulation 1 : végétation de 2 mètres de hauteur, LAI

nul et vent enregistré à 2 mètres. Simulation 2 : végétation de 2 mètres de hauteur, LAI

> 0 mesuré pour une végétation entre 0 et 2 mètres et vent enregistré à 2 mètres.

Simulation 3 : végétation de 2 mètres de hauteur, LAI > 0 mesuré pour une végétation entre 0 et 2 mètres et vent enregistré à 15 mètres.

Simulation 4 : végétation de 15 mètres de hauteur, LAI > 0 mesuré pour une végétation entre 0 et 2 mètres et vent enregistré à 15 mètres.

Simulation 5 : végétation de 15 mètres de hauteur, LAI > 0 mesuré pour une végétation entre 0, 2 et 15 mètres et vent enregistré à 15 mètres.

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3-1- Potentiel matriciel : 25 cm

150 cm

50 cm

100 cm

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25 cm

150 cm

50 cm

100 cm

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Cumuls en mm

Cumuls en mm

3-2- Bilan hydrique :

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A travers les simulations on a pu confirmer l’impact de la haie :Sur le bilan hydrique à l’échelle locale via les deux termes de la transpiration (extraction racinaire) et de l’interception calculés par SiSPAT.

Sur le transfert de l’eau dans le sol : l’effet de la haie sur la dynamique de l’eau est perceptible essentiellement pendant la période estivale (chute du potentiel matriciel) et se poursuit même pendant la période de l’automne (retard de l’humidification du sol).

Sur la nappe libre présente dans la zone d’étude : cette dernière est souvent sollicitée par la haie pour satisfaire ses besoins en eau surtout en cas de déficit, ceci est mis en évidence par l’importance de la remontée capillaire résultante des simulations avec SiSPAT.

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Bilan de la simulation 4

Amélioration de la transpiration dans le modèle :

La simulation 4 donne une meilleure représentation de la transpiration, de

l’évaporation du sol et de l’interception :

• L’impact de la haie est distingué à 3 niveaux :

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+ Modélisation du transfert de l’eau dans le sol (via le potentiel matriciel)

- Le potentiel matriciel pendant la période estivale n’est pas bien simulé ( modèle 1D qui néglige les flux latéraux )

+ On a même pu modéliser le transfert thermique - Un effet de cumul d’erreur dont on doit tenir

compte

Amélioration de la transpiration, évaporation du sol et l’interception :Une bonne paramétrisation du LAI et du profil racinaireUne meilleure simulation des flux sol-atmosphère

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Les limites de SiSPAT:Etant donné qu’il est en 1D, il néglige les flux

latéraux qui sont par contre très importants dans le cas de la haie

Sol très sec

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Importance des flux latéraux à la proximité de la haie (Ghazavi,

2008)

La reproduction de la pente en cas de dessèchement et de la réhumectation est décalée : passage de la macroporosité à la microporosité ou vice-versa.

Absence d’une fonction de drainage: Sol plus humide que la réalité surtout

pendant les périodes où le niveau de la nappe augmente et la pluie est importante.

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Toutefois, on pense que le terme d’Evs englobe une partie du drainage.

Nécessité d’une fonction qui permet la distinction des deux termes.

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Etude de la possibilité d’insertion de SiSPAT dans un modèle hydrologique distribué :

Choix du modèle hydrologique :Il a les mêmes objectifs que ceux de SiSPAT ou bien

déterminés en partie par SiSPAT. la détermination d’une échelle appropriée pour

l’unité de modélisation ainsi qu’une représentation propre des processus hydrologique à cette échelle, ceci est conditionné par :

La disponibilité des données d’entrée et des paramètres pour chaque unité de modélisation

L’échelle spatiale et temporelle des variables de sorties

Les mesures prises pour la vérification des sorties du modèle

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Malgré qu’il s’agit d’un modèle monodimensionnel, SiSPAT nous a permis de :

Modéliser le transfert de l’eau et de chaleur dans le sol.

Démontrer l’impact de la haie à différents niveaux.

Améliorer la représentation de quelques termes du bilan hydrique.

Les résultats obtenus seront améliorés en tenant compte des flux latéraux, du ruissellement et de drainage ajouter des fonctions au niveau de SiSAPT pour les calculer.

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MERCI DE VOTRE ATTENTION

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