Post on 15-Sep-2018
Laboratoire des Interactions Sol-Agrosystème-Hydrosystème
Montpellier
L’érosion des solsProcessus, résultats expérimentaux,
modélisation et cartographie
Yves Le BissonnaisYves.Le-Bissonnais@supagro.inra.fr
SoCo 2008 2
Les enjeux et le contexte
! Dégradation des sols (perte en terre,tassement, MO…)
! Dégâts et nuisances aval (ravines, dépôts,envasements, coulées boueuses…)
! Qualité de l!’eau (turbidité, pollutions…)
!Directive cadre sur l’eau
!Loi sur les risques naturels (2005)
!Directive européenne «!protectiondes sols!» (200?)
SoCo 2008 4
Questions posées à la recherche
1. Quels sont les processus et les déterminants del’érosion?>Approche expérimentale et modélisation des
processus de l’érosion2. Où risque de se produire de l’érosion ?
>Modélisation régionale de l’aléa érosion etmodèle BV
3. Comment lutter contre l’érosion hydriqueagricole?>Etude expérimentales de mesures anti-érosives
SoCo 2008 5
Plan de l’exposé
"#Les processus érosifs$#La situation de la France%#Les facteurs d’évolution des
risques&#Les moyens d’action'#La modélisation de l’érosion(#Conclusion
SoCo 2008 6
Processus de ruissellement et d’érosion
croûte de battanceruissellementet érosion diffuse
rigole et ravineruissellement etérosion linéaire
pluie
sol
pratiques agricoles
morphologie du terrain
7 tonnes de terre /ha/an en moyenne dans zone d’aléas très fort
SoCo 2008 7
Les mécanismes de l’érosion hydrique
L’érosion, c’est au départ, un défaut d’infiltration lié à une dégradation de la surface des sols
sous l’action des pluies
Infiltration élevée Infiltration faible
Etat initial
fragmentaire poreux et meuble
après un travail du sol
Croûte structurale
(certains fragments
restent bien distincts)
Croûte sédimentaire
(lissage de la surface)
SoCo 2008 9
Processus élémentaires de l’érosion hydrique
Pluie RuissellementProcessus Agents
Détachement
Désagrégation
Mise enmouvement
Transport/ transfert
splashSédimentation
•Par infiltration
•Par piégeage
•Par dépôt
Diffus
ConcentréDétachement
Transport
SoCo 2008 11
Les différents facteurs de la stabilité structurale
! nature et organisation des constituantsmatière organique,matière organique,texture,texture,sodium,sodium,oxydes et hydroxydes Fe/Al,oxydes et hydroxydes Fe/Al,minéralogie.minéralogie.
=> familles de sols
! histoire et état hydrique initial=> scénarios climatiques
SoCo 2008 12
Conséquences de la désagrégation
ruissellement érosion
Désagrégation
croûte particules
importance de la taille des particules
SoCo 2008 13
"#Les processus érosifs$#La situation de la France%#Les facteurs d’évolution des
risques&#Les moyens d’action'#La modélisation de l’érosion(#Conclusion
SoCo 2008 15
CARACTERISTIQUES DU SOL
TOPOGRAPHIEOCCUPATION
DU SOLPRECIPITATIONS
Quelles sont les facteurs de l’aléa érosion(hydrique) et quels principes pour la modélisation?
SENSIBILITE POTENTIELLEDES SOLS A L'EROSION
INTEGRATIONSPATIALE
ALEA EROSIF « par unité spatiale »
ERODIBILITE DUMATERIAU PARENTAL
PENTE ETSURFACESDRAINEES
SENSIBILITEA LA BATTANCE
RUISSELLEMENT
ALEA EROSIF« local »
HAUTEURS ETINTENSITE DES
PLUIES COMBINEES
SoCo 2008 16
Quelles données sur le facteur «!sol!» pourprévoir l’érosion ?
! Informations permettant d’évaluer lacapacité d’infiltration (sensibilité à labattance) et l’érodibilité
! Indicateurs directs : stabilité structurale! Règles de pédotransfert:! Déterminant principaux : texture de
surface + teneur en matière organique! Déterminants secondaires : Teneur en
calcaire, Pierrosité, Minéralogie, Cations(ESP), Oxydes Fe et Al, …
! Autres informations sur les sols:profondeur, profils…
SoCo 2008 17
Les facteurs anthropiques
! Gestion des surfaces) Urbanisation (imperméabilisation)
) Assolements (% et répartition herbages, cultures hiver ouprintemps)
) Pratiques culturales (gestion intercultures, travail sol ±grossier, gestion MO…)
! Gestion des interfaces) Inter-parcellaire (éléments bocagés : obstacles aux
écoulements)
) Axes d’écoulement (talwegs, réseaux d’assainissement,voiries…)
SoCo 2008 18
"#Les processus érosifs$#La situation de la France%#Les facteurs d’évolution des
risques&#Les moyens d’action'#La modélisation de l’érosion(#Conclusion
SoCo 2008 19
Moyens de lutte anti-érosive: sur le plan technique
! A l’échelle de la parcelle :) Couverture végétale
) Travail du sol
! A l’échelle du petit bassin versant :) Occupation du sol
) Aménagement des chemin d’eau
) Gestion des obstacles au ruissellement
SoCo 2008 20
Parcelle: effets des pratiques sur le ruissellement etl’érosion
INFILTRATION
Sol ClimatPratiquesETATS DE SURFACE
Topographie
RUISSELLEMENTet EROSIONSTRUCTURE
! Protection de la surface contre l’action des pluies (battance)
! Amélioration de la stabilité structurale, de l’activitébiologique et de la porosité associée
! Modification de la rugosité et de la porosité
SoCo 2008 21
Les techniques sans labour ou «!deconservation!»
! 1. Gestion du l’état structural:) Pseudo-labours (sans retournement, + ou –
profonds)) Travail superficiel (+ ou – grossier)) Semis direct (non travail)
! 2. Gestion de la couverture et des résidus:) Résidus en surface (de culture, mulch)) Couverts végétaux (longs, intermédiaires)
Des techniques et des pratiques variées pour desmotivations diverses :TCS ? (= moins de travail !), TSL ?,« CT » (résidus >30%) ?
SoCo 2008 22
! Retarder l’apparition de la croûte de battanceet maximiser la rugosité de surface : travail dusol grossier à l!’implantation
! Casser la croûte de battance : biner maïs etbetteraves, écroûter les céréales
! Protéger le sol par une couverture végétale :cultures intermédiaires, semis sous couvert …
Travailler le sol sans
générer de terre fineBiner le maïs
Couvrir le sol par une
plante d'interculture
1- Pratiques culturales pour favoriser l!’infiltrationet réduire l!’érosion diffuse
SoCo 2008 23
Gestion de l!’intercultureImpact sur le ruissellement (Offranville 2002-03)
Cumul du 1er au 31 janvier 2003
(pluie cumulée : 132 mm)
11,9
2 2
26,4
0
5
10
15
20
25
30
deux
déchaumages
non déchaumé
(repousses)
moutarde déchaumeuse
à socs
ruis
sell
em
en
t (m
m)
SoCo 2008 24
bande enherbée
2- Pratiques culturales pour limiterl!’arrachement et piéger les sédiments: BV
) Réaliser des bandes enherbées
) Réaliser des petits aménagementshydrauliques
fascineFossé avec merlons
SoCo 2008 25
Lecomte, 1999
Pluie cumulée (mm) Ruissellement cumulé avant bande enherbée (mm) Ruissellement cumulé après bande enherbée (mm)
14
7:30 8:27 9:25 10:22 11:20 12:18 13:15
7
0
2
4
6
8
10
12
Pc
(mm
)
0
1
2
3
4
5
6
Rc (m
m)
Efficacité des dispositifs enherbés
Le ruissellement a été réduit d’un
facteur 10 après le dispositif enherbé
Et l’érosion d’un facteur 40
Des parcelles expérimentales permettent de testerl’efficacité des solutions préconisées.
SoCo 2008 26
3- L’impact des modes d’entretien de la vigne sur leruissellement et l’érosion
! Peu d’expérimentations en vrai grandeur! Des modalités expérimentales très diverses! Les pratiques testées:
) Des pratiques « classiques »:•• Désherbage chimique totalDésherbage chimique total•• Travail du sol superficielTravail du sol superficiel
) Des pratiques « protectrices »:•• Maîtrise de lMaîtrise de l’’enherbement naturel par herbicide de postenherbement naturel par herbicide de post
levéelevée•• Engazonnement avec tonteEngazonnement avec tonte•• MulchsMulchs
(Désherbage chimique sur le rang (pré levée et post levée) : les résultats portent sur l’interrang)
SoCo 2008 27
Des résultats expérimentaux convergents
! Des taux de ruissellement et d’érosion trèsélevés sont souvent mesurés sous vigne :) Ruissellement > 40%
) Erosion > 10 T/ha/an et jusqu’à 100 T/ha/an
! Désherbage chimique toujours le plusruisselant
! Travail du sol temporairement efficace, maisrisque élevé si fortes pluies
! Mulch en général efficace mais à renouveler! Enherbement efficace mais variable! Pratiques + efficaces pour l’érosion
SoCo 2008 28
Un exemple d’expérimentation : Puisserguier (CA34-INRA)
États desurface
Ruissellement
et érosion
Propositions
Désherbage chimique Herbicide post levée Travail du sol Engazonnement
SoCo 2008 29
Influence des pratiques culturales sur leruissellement
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Désherbage
chimique total
Enherbemment
naturel maitrisé
par le
glyphosate
Enherbemment
naturel maitrisé
par le travail du
sol
Engazonnementco
eff
icie
nt
de
ru
iss
ell
em
en
t m
oy
en
an
nu
el
(%)
(moyenne période 2002-2005)
SoCo 2008 30
Influence des pratiques culturales sur l'érosion
0
2
4
6
8
10
Désherbage
chimique total
Enherbemment
naturel maitrisé
par le
glyphosate
Enherbemment
naturel maitrisé
par le travail du
sol
Engazonnement
éro
sio
n m
oyen
ne a
nn
uelle (
t/h
a)
(moyenne période 2002-2005)
SoCo 2008 31
Conclusions sur les sols viticoles
! Limiter le ruissellement permet de :) Réduire les risques d’érosion
) Réduire les risques de transferts de pesticides
) Recharger le stock d’eau du sol
* Les pratiques qui limitent le ruissellement etl’érosion"#L’engazonnement
$#Les mulchs
%#Le travail du sol
&#L’enherbement naturel maîtrisé par herbicide post levée
SoCo 2008 32
1 km
L’échelle du bassin versant
Caractéristiques:occupation du solcouverture végétalesens de travail du solrugosité
Flume, raingauge
mesures de flux à l’exutoire
SoCo 2008 33
Modélisation du ruissellement BV (STREAM)
Bourville, le 04/03/98
Caractéristique de l’événementPluie totale : 21,6 mmAntécédent hydrique : 1,8 mmDurée : 3,41 heures
Volume en m3
SoCo 2008 34
Simulation de l’impact de dispositifs enherbés
non enherbémare tampon
enherbement du talwegenherbement en bordure de parcelle
SoCo 2008 35
Simulation d’impact des dispositifs enherbésBourville, le04/03/98
Volume en m3
Les nouveaux dispositifs enherbésajoutés ont amélioré la situationsur l’ensemble du bassin.
Exutoire
Et il n’y a plus de ruissellement enprovenance du territoire agricoleà l’exutoire du bassin versant
SoCo 2008 36
"#Les processus érosifs$#La situation de la France%#Les facteurs d’évolution des
risques&#Les moyens d’action'#La modélisation de l’érosion(#Conclusion
SoCo 2008 37
! Objectif: prédiction des flux! Historiquement: Etats-Unis
USLE (1965)RUSLE (1997)WEPP (1997;200?)
! + CREAMS, CSEP, EPIC, EUROSEM,GLEAMS, ACRU, AGNPS, EROSION3D,KINEROS2, LISEM, MEDRUSH, etc., etc.,etc.
Modélisation de l’érosion
SoCo 2008 38
Type de modèles
! Empirique/Mécaniste/Physique! Global/Spatialisé! Déterministe/Statistique! Echelle de temps
Intra-averse, averse, mois, année…
! Echelle d’espaceParcelle, versant, bassin versant, région…
SoCo 2008 39
Les types de modèles
! Relations entre échelles spatiales et temporelleset la description des processus
Descrip
tion des p
rocess
us
Goutte Événement AnnéeJournée
Temps
Espace
Bassinversant
Versant
Parcelle
Maille(m2)
Maille(mm2 )
EUROSEM
STREAM
CREAMS
LISEM
USLE
RUSLE
GUEST
WEEP
PSEM-2d
KINEROS
ANSWERSPESERA
SoCo 2008 40
Modélisation: approches «!simples!»
! Erosion=Ruissellement x Concentration en sédiment) Hydrologie + production de sédiments (BV)
! USLE (Wischmeier and Smith, 1978): Empirique, Global,Parcelle, Annuel
perte en terre (t/ha/an) = R K LS C P
R :R : Erosivité Erosivité de la pluie de la pluie
K :K : Erodibilité Erodibilité du sol du sol
L : Longueur de penteL : Longueur de pente
S : PenteS : Pente
C : CouvertC : Couvert
P : Pratique culturaleP : Pratique culturale
SoCo 2008 41
! Généralités
! La puissance du ruissellement
! La capacité de transport du ruissellement
modélisation : approches mécanistes
- Loi de conservation de la masse (eau et sédiments)
- Paramètres théoriquement mesurables
- Les modèles diffèrent par les lois physiques qui décrivent lesprocessus
- Lois de l’hydraulique classique difficilement applicables
- Indices dépendant de la vitesse de l’eau et de la contrainte decisaillement critique du sol
- Limite supérieure des phénomènes d’érosion
+ Difficile de paramétrer : simplifications
- Valeur pour laquelle le dépôt et l’arrachement sont en équilibre
SoCo 2008 42
Modèle mécaniste
!"#$%&'"()*+
",$'--
./(#012/$()#$3)"/4
3/(#012/$()*+)"#5$3"'&
52�(Deposition
6$("#5$2/$(
./(#012/$()*+
",$'--
.-3)7)8
.-3)9)8
."3)9)8
!09):%
!%'5;
<"
"
"d
#
h-=-
SoCo 2008 43
! Representation by a cascade of rectangularplanes and channels
KINEROS2 Catchment description
Laboratoire des Interactions Sol-Agrosystème-Hydrosystème
Montpellier
JJ - 2 J - 1
Calcul dubilan infiltration / ruissellement
PLUIE Estimation des
paramètres de
l'infiltrabilité à l'échelle
localeFaciès
Antécédenthydrique
Couvert végétal
Rugosité
Prise en compte de lacirculation duruissellement à
l'échelle du bassinversant
Calcul des volumes ruisselés à l'exutoireet en tout point
Topographie
Sens de travail
du sol
Cheminsd'eau
Principe de fonctionnement du modèle STREAM"Sealing and Transfer by Runoff and Erosion taking into account Agricultural Modifications"
SoCo 2008 45
Limites des modèles d’érosion à l’échelle du bassin versant
! Segmentation de l’espace
- Non prise en compte des discontinuités morphologiques (talus,fossés, routes…)
! Processus décrits
- Pas de distinction spatiale entre érosion diffuse et érosionconcentrée
+ Manque de connaissances sur certains processus
- initiation des rigoles
- part des détachements par le ruissellement et par effet splash
- évaluation de la vitesse de dépôt des sédiments
- Non prise en compte des variabilités intra-parcellaire
SoCo 2008 46
Modélisation et cartographie de l’aléa érosion àl!’échelle régionale
! Objectif) comparaisons interrégionales) bilans quantitatifs) aide à l ’aménagement
! Disponibilité et qualité des données) précision, résolution, extension…
! Type de modèle) Déterministe (PESERA), empirique, expert
(MESALES)! Résolution spatiale et unités d!’intégration
) combinaison des données) restitution
! Validation
SoCo 2008 47
MESALES (Méthode d’Evaluation Spatiale de l’ALéaErosion des Sols)
topographie occupationdu sol
battance érodibilité
sols
règles de pédotransfert
arbre de décision
sensibilité à l'érosionarbre de décision
pluviométrie
aléa érosion
SoCo 2008 48
MESALES France
Pluviométrie :1. Pas 50 km
2. Données sur 30 ans
3. Une carte par saison
4. Combinaison hauteur
d’eau et intensité
5. Méthode AURELHY
1. Méthodologie Nationale
SoCo 2008 50
Cartes des pentes X
aire ruisselante
(STREAM) Battance Erodobilité
Pluies Période de retour 2 ans
CORINE LAND
COVER 2000
+
+ + +
SENSIBILITE
ALEA
MESALES Hérault (50m pixel resolution)
SoCo 2008 51
En conclusion
! Grande diversité de situations érosives enFrance
! Coût important, mais mal évalué! Nombreuses réponses possibles! Évolution du contexte réglementaire en
cours! Prise de conscience récente! Nécessité d’associer mesures individuelles
et collectives! Différents outils de modélisation en
fonction des objectifs