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ran
sfert
s Mécanismes et
voies de transfert
Chantal Gascuelavec la contribution de Sylvie Guiet
UMR Sol Agro et hydrosystème Spatialisation
INRA – Agrocampus Ouest
2Journée de synthèse scientifique Azote3 février 2012 - Ploërmel
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L’eau des cours d’eau
L’eau des cours d’eau, une eau qui s’est infiltrée dans les sols a rejoint les nappes, puis le cours d’eau
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Le bassin versant
Délimitée à partir de la topographie
exutoire
exutoire
exutoire
Surface drainée à un point exutoire
L’ordre d’un bassin versant (Strahler) correspond à l’ordre du tronçon à l’exutoire, replacé dans un graphe décrivant le réseau hydrographique d’un fleuve
Densité du réseau hydrographique forte : 1 km/km²Les ordres 1 = 50 % de la surface.
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Découpage hydrologique du bassinversant de l'Elorn en 35 sous bassinsversants avec en fond de cartel'information hypsométrique.H. Squividant, UMR SAS
Des nouveaux outils
L ’Elorn- Délimitation des zones humides- Cartes des sols- Délimitation du bassin versant- Calcul de sa surface
- sur GéoSAS en production : http://geowww.agrocampus-ouest.fr/mapfishapp/?noheader
- sur GéoBretagne : http://geobretagne.fr/mapfishapp/
Contact : H. Squividant, UMR SAS
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Pluie : 100 %1. Evapotranspiration : 50 %
Les processus et le bilan – l’Eau
Sol
Infiltration
2. La recharge à la nappe : 47 %
Zone Non Saturée
3. Ruissellement : 3 %
Exfiltration
4. L’écoulement de nappe : 47 %
Contributionà la rivière
En Bretagne La nappe, c’est 95 % du bilan annuel d’écoulement.
Le ruissellement peut représenter jusque 30 % de l’écoulement lors des crues hivernales.
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6
Avec :
P : précipitations (liquide et solide) [mm]
Qs : lame écoulée [mm]
E : évaporation (y compris évapotranspiration) [mm]
dS : ressources accumulées à la fin de la période [mm]
dS=P-Qs-E
Bilan hydrologique
sortie
entrée
pluie (mm)
ETP (mm)
Qs (mm)
94/95 1028,5 745,9 534,895/96 707,0 684,7 241,696/97 556,0 680,1 176,497/98 822,5 691,7 357,398/99 885,5 700,0 420,499/00 915,0 663,9 438,900/01 1325,5 687,5 882,401/02 662,5 698,9 218,98
moyenne 862,8 694,1 408,9écart type 231,2 11,8 221,7
En Bretagne D’Est en Ouest, P varie de 600 à 1 200 mm. ETP varie peu.
L’écoulement varie du simple au double, en lien direct avec la pluie.
La variabilité inter-annuelle de la pluie est forte
Bilan hydrologique annuel du bassin versant deKervidy-Naizin (56). UMR SAS, INRA Rennes
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Les milieux traversés
Le solLes zones humides de bas fond La zone
altérée
La zone fissurée
En Bretagne, 4 types de milieuxLe sol : RU (épaisseur), matières organiques (rétention/dégradation)
Les zones humides ripariennes : biotransformations
La zone altérée : un réservoir d’eau et de solutés
Le socle : une grosse hétérogénéité
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Le bassin versant transforme la pluie en débit. L’eau du cours d’eau est un mélange d’eaux d’âges et de parcours très différents.
Cette transformation est :
� non proportionnelle
� varie pour un même bassin versant au cours de l’année, d’une saison à l’autre, d’une crue à l’autre
� varie d’un bassin versant à un autre selon les conditions géologiques, pédologiques, climatiques et l’occupation du sol.
Le réservoir d’eau (sol et altérite) n’est pas grand
� sensibilité au climat : sécheresse et inondation
� capacité de "dilution" faible
� capacité "tampon" liée aux zones humides relativement étendues
En résumé
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Et la qualité de l’eau ?
La qualité de l’eau s’exprime par un grand nombre de paramètres physiques, chimiques et biologiques qui varient très fortement dans le temps, et sont liés à
différentes sources
Apports atmosphériques
Emissions
Biotransformations internes
Intrants agricoles
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Des hotspots en Europe
Des régions avec une agriculture dominée par l’élevageProche de la mer : les ports comme entrée à une alimentation animale générent des bilans très excédentaires en nutriment
N P
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Crue
Cycle annuelVariations inter-
annuelles
Tendances
Les temporalités
Thèse A. Aubert, UMR SAS
Chlorure
COD
Nitrate
Les solutés
Un schéma différent pour les autres
éléments adsorbés sur les particules
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Des processus s’organisent dans l’espace et le temps
http://agro-transfert-bretagne.univ-rennes1.fr/Territ_Eau/
Mobilisation.Détachement pour les particules, percolation vers la nappe pour les solutés
Transport/Emission.Connexion nappe/rivière pour
les solutés, connexion ruissellement cours d’eau pour
les particules
Source. Entrées (fertilisant, pesticides…) mais aussi stocks internes (sol, nappe)
Impact. Perturbation biologique des substances
présentes
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.013
From Sept. to Aug.
Concentr
ation
Concentr
ation
From Sept. to Aug.
Concentr
ation
From Sept. to Aug.Concentr
ation
From Sept. to Aug.
Nitrate Chlorure Sulfate DOC
La dynamique de 4 solutés
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.014
From Sept. to Aug.
Concentr
ation
Concentr
ation
From Sept. to Aug.
Concentr
ation
From Sept. to Aug.Concentr
ation
From Sept. to Aug.
Nitrate Chloride Sulfate DOC
Comp.2Comp.3
Comp.1
La dynamique de 4 solutés
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.015
From Sept. to Aug.
Concentr
ation
Concentr
ation
From Sept. to Aug.
Concentr
ation
From Sept. to Aug.Concentr
ation
From Sept. to Aug.
Nitrate Chloride Sulfate DOC
Comp.2Comp.3
Comp.1
La dynamique de 4 solutés
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.016
La dynamique de 4 solutés
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Ruissellement sur surface saturée
Ecoulement de nappe
Infiltration
Pluie
Exfiltration
Surface de nappe
Ruissellement
Écoulement de rivièrefluviatile
Pluie
percolation
Les éléments chimiques non solubles
NH4, C et N part., Phosphore, bactéries… antibiotiques, pesticides…
drains
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Pesticides� Persistance très variable
– Dégradation dans les sols
� Mobilité très variable– Rétention dans les sols
– Transfert par ruissellement et infiltration
Temps très variable
Nitrates� Persistance forte
– Incorporation dans la M.O.
– Stockage dans les nappes
� Mobilité forte– Elément soluble
– Transfert de nappe
� Temps longs : années
Phosphore, Métaux...� Persistance forte � Mobilité faible� Accumulation dans les sols
� Temps longs * Temps courts
Une famille disparate et en émergence : micropolluants organiques, Bactéries, Antibiotiques, toxines...
� Matière organique et activité biologique des sols� Contamination des sols et des hydrosystèmes
Des pollutions diffuses différentes
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+
Source Entrée
Annuelle
+
Transport Subsurface Surface
*
N
:
P
Zones tampons
Biogé ochemi que Physi que +
*
Durabilité Accumulation dans les sols
Accumulation Inter-annuelle
Facteurs d’efficience
Limites
Bande enherbéee
Haie
Connectivité Indice
topographique Pente
Report de pollution Emission vers l’atmosphère
Accumulation dans les nappes
Zone riparienne
Le bilan comparatif : N et P
Nitrate: entre 0.5 et 0.9Gradient Est Ouest Bretagne : 0.7
Flux sortant / Total Entrée %
Pour P particulaire : souvent < 0.05Bretagne : < 0.01 pour P total
Zone agricole
Zone non agricole
Ou d’agriculture
extensive
Mais des valeurs cibles très différentes
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Deux repères : lessivage
� Traitement de 50 g/ha
� Pluviométrie de 800 mm/an et ETP de 400 mm/an, soit une lame infiltrée de 400 mm
� Quantité potentiellement transférée = dose ((g/ha) * 106 ) mg/ha/lame ((mm ou l/m²). 10 -4) l/ha
� 100 % transféré 12,5 mg/l
� 1 % transféré 0,125 mg/l
� 0,1 % transféré 0,0125 mg/l
� Réciproquement, une lame d’eau de 400 mm à 0,1 g/l correspond à un lessivage de 0,4 g/ha
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Deux repères : ruissellement
� Traitement de 50 g/ha, traitement fortement adsorbé sur la fraction solide du sol, répartie dans le premier cm du sol à une teneur en eau de 40 cm3/cm3,– Q eau = 13 g/ha ; Q solide = 487 g/ha
� On suppose une pluie de 10 mm qui transporte par ruissellement le pesticide contenu dans les 2 premiers mm du sol
� La concentration de ces 10 mm d’eau qui ruissellent est de 2,4 mg/l >> 0,1 mg/l
� Réciproquement, une lame d’eau ruisselante de 10 mm à 0,1 mg/l correspond à une exportation de 0,1 g/ha
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Le constat
Animateur de BV, syndicat d’eau, BE…
Directive nitrate
Breizh Bocage
AgriculteurExploitation
Bretagne Eau Pure Parcelles à
risquesCORPEP
Objectivation du rôle du paysage sur l’eau
De multiples dispositifs, à différentes
échelles, sur différents
paramètres, qui nuisent à la mise
en place de l’action et à sa
cohérenceArrêté zones
humides
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Approche fonctionnelle et globale du territoire rural : parcelles et espace semi-naturels
– Mieux comprendre pour mieux agir : dispositifs concertés– Augmenter la cohérence de l’action pour ceux qui en sont
porteurs : agriculteurs, responsables de projets de territoire…
Partage des connaissancesRegardons où est le cours d’eau, les zones humides…
Analyse des fonctionsMa zone humide a-t-elle un rôle sur les flux de nitrate…
Objectivation des fonctionsSi je préserve cette zone humide, ou implante cette bande enherbée, de combien cela contribue-t-il au problème de qualité de l’eau ?
Les fondements de Territ’Eau
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- Diffuser des connaissances scientifiques et techniques sur "La circulation de l’eau et des polluants dans un bassin versant", sur "le rôle des éléments paysagers sur la qualité de l’eau"
- Produire des outils pédagogiques : illustrations, cartes, photos…
Un corpus de connaissances partagées
Cartes de référencesSchémas Animations
Photo de végétation des zones humidesDes Foires Aux Questions
Un module d’enseignement UVED (2 TD licence) : pour vous ?
Grilles d’analyse du paysage et des
systèmes de culture
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- Diffuser des connaissances scientifiques et techniques sur "La circulation de l’eau et des polluants dans un bassin versant", sur "le rôle des éléments paysagers sur la qualité de l’eau"
- Produire des outils pédagogiques : illustrations, cartes, photos…
http://agro-transfert-bretagne.univ-rennes1.fr/Territ_Eau/
Un site Web très consulté : 31 000
utilisateurs depuis le début. 500/mois
Références très utilisées, sans même la mise en œuvre des outils de diagnostics
et des indicateurs associés
Un corpus de connaissances partagées
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Des modules de diagnostic
Module 1 Définir une démarche adaptée au territoire
Identifier les éléments structurants du paysage et leur rôle
Scénarios & Expériences
Modules de caractérisation des pratiques agricoles
Module bilan et de finalisation des actions
Module AzoteModule Phyto
Zonage du bassin versantConnectivité des écoulements et réactivité géochimique
Transferts Directs/Ruissellement/Ecoulement de Subsurface
Module Phosphore
Module COD Module Bactérie fécales
Module 2
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Identification du réseau hydrographique fonctionnelcours d’eau + fossés circulants
La délimitation des zones humides et de leur rôle selon leur localisation et mode de gestion
topo-climatique, effectives (arrêté 2009), capacité dénitrifiante
La délimitation de la connectivité du paysage, vis-à-vis des écoulements, dans le bassin versant
les points et surfaces de transfert directs, zone potentielle de transfert par ruissellement, et par sub-surface
Les préconisations d’aménagement
Le module paysage : reconnaître les éléments structurants du paysage
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Le réseau hydrographique fonctionnel
- Surface de Zone humide effective ; importance des zones humides - Part des zone humide effective/zone humide topoclimatiqu e : conservation des zones
humides
Zones humides
potentielles
Zones humides effectives
Zones humides efficaces
Les zones humides
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3. Occupation du sol, pression N
1. Relation versant/zone humide
2. Court circuits
Les zones humides : qualification/dénitrification
Limite zone
humide - versant
(rupture de
pente)
Apport
d'eau
dans la
zone
humide
Végétation
naturelle
eutrophe
+
Prairie Culture
-
Végétation
oligotropheFauchée ou
pâturée
occasionnellement
Apports d'engrais
azoté < 50u
Fauchée et
ferti > 50u
Ou
pâturée
extensif
Haie continue
+
Pas de
court-
circuit +
+++ +++ ++- ++-
Zone
humide à
conserver
pour sa
valeur
patrimoniale
Court-
circuit -+-+ +-+ +-- +--
Haie discontinue
ou absente
-
Pas de
court-
circuit +
-++ -++ -+- -+-
Court-
circuit ---+ --+ --- ---
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Restitution cartographique
Carte des éléments structurants du paysage et de la qualification des zones humides effectives
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Les modules par polluant (nitrate, phytos, phosphore, matière organique, bactéries fécales) croisent :
� facteur source � la pression polluante actuelle� la pression polluante passée
� facteur transfert� la connectivité de la parcelle au cours d’eau � la rétention dans le bassin versant
2- Un outil de diagnostic et de préconisation
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Contribution aux référentiels et méthodes de diagnostic : Thierry Morvan, Françoise Vertès et Anne Jaffrézic (UMR SAS, INRA Rennes et Quimper), Jean-Marcel Dorioz UMR CARRTEL (INRA Thonon-les-Bains), Gérard Gruau UMR Géosciences (CNRS –Université Rennes 1), Pierre Castillon ARVALIS-Institut du Végétal, Michel Falchier, Daniel Hanocqet Djilali Heddadj Pôle Agronomie P.V. - Chambre Régionale d’Agriculture de Bretagne.
Bernard Clément (Université de Rennes I, UMR Ecobio), Philippe Merot, Catherine Grimaldi, Patrick Durand, Jerôme Molenat (INRA Rennes, UMR SAS), Claudine Thenail, Jacques Baudry (INRA Rennes, UMR SAD), Laurence Hubert-Moy (UMR LETG)
Contribution premier projet et son copil : Florence Massa (Agro-transfert), Wilfried Messiez(SAGE Pays de Saint-Brieuc), Gabriel Béduneau (ADASEA 22), Thomas Schmutz (bureau d'étude Aubépine), Pierre Baron (IDF), Ronan Caignec (Eau et Rivière de Bretagne), Michel Danais (Ouest Aménagement), Gilles Pichard (CRPF), Annie Charter, Alexandra Dufour, Catherine Dupont, Christine Hubert, Samuel Leport, Laurence Ligneau, Stéphanie Montagne, Benoît Ribardière, Aurélie Rio (Chambres d’agriculture de Bretagne)
Contribution à la réalisation et à la valorisation des tests de terrain : Sarah Bascou et Benoît Ribardière Chambre d’agriculture des Côtes d’Armor, Sylvie Fiche et Isabelle Simon Chambre d’agriculture du Finistère, Thomas Malvoisin et Cyril Guérillot Chambre d’agriculture d’Ille-et-Vilaine, Caroline Cornet et Marie-Claire Lisch Chambre d’agriculture du Morbihan, Jean-Noël Gachet Chambre d’agriculture du Maine et Loire, Laëtitia Schaff Chambre d’agriculture de la Meurthe et Moselle, Ludovic Purson Chambre d’agriculture de la Meuse, Thomas Lacroix Chambre d’agriculture des Vosges, Nicolas Chartier Chambre régionale d’agriculture de Lorraine.
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Voies de transfert, un maillon
Drivers
Pressures
State
Impact
ResponsesLivestock (au/ha)Fertilizers (kg/ha)
Load to waters(kg/yr)
Concentrationin lakes (mg/l)
Algal blooms
RemedialmeasuresDrivers
Pressures
State
Impact
ResponsesDrivers
Pressures
State
Impact
ResponsesLivestock (au/ha)Fertilizers (kg/ha)
Load to waters(kg/yr)
Concentrationin lakes (mg/l)
Algal blooms
Remedialmeasures
Acteurs du territoireSystèmes agricoles
Bilans (Aliments, Fertilisants)
Eutrophisation
Santé écosystèmeSanté humaine
Charge émise vers l’eau (Kg/ha)
Concentrations dans les hydrosystèmes cibles
(cours d’eau, littoral, lacs, retenues)
Remédiation à différents niveaux
Accompagnement socio-économique
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Une dimension systémique
Capacité tamponConnectivité, Rétention,
biotransformation
Bilans globauxEntrées, bilan des nutriments
Charge critiqueespèce emblémaique, vulnérabilité, usage…
Bilans distribués ou semi distribués
Réseau de relation des acteursAccompagnement des changements
ExploitationsSystème de production
agricoleElevage : liaison au sol…
Système aquatiquezones humides, rivière, lac, littoral
ParcellesSystème de culture & Solitk, fertilisation, caractéristique des
sols
Paysage et systèmehydrologique
Maillage, bord de champs et cours d'eau
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L’eau des cours d’eau
Un produit du territoireDes régulations possibles à l’échelle du paysage
Une hypothèque : des stocks dans l’environnement
Une surveillance nécessaire et au plus près des actions des bilans, des flux et des concentrations