Approche géomatique pour simuler l’érosion hydrique et le ... · informatiques d’érosion...

Water Qual. Res. J. Canada, 2001Volume 36, No. 3, 435–473Copyright © 2001, CAWQ

* Auteur-ressource; [email protected] † Actuellement à : Institut de recherche et de développement en agroenviron-

nement (IRDA), 2700, rue Einstein, Sainte-Foy (Québec) G1P 3W8

Approche géomatique pour simuler l’érosion hydriqueet le transport des sédiments à l’échelle des

petits bassins versants

MARC DUCHEMIN,1*† MARIUS LACHANCE,1 GUY MORIN1

ET ROBERT LAGACÉ2

1Institut National de la Recherche Scientifique (INRS-Eau), Université du Québec,2800, rue Einstein, C.P. 7500, Sainte-Foy (Québec) G1V 4C72Département des sols et de génie agroalimentaire, Université Laval, Sainte-Foy(Québec) G1K 7P4

L’existence de problèmes d’érosion hydrique à différents endroits d’un bassinversant se manifeste souvent par la présence d’une quantité excessive de sédi-ments en suspension dans les cours d’eau. L’évaluation indirecte de l’érosionpar la mesure des sédiments en suspension transportés à l’exutoire des bassinsversants permet ainsi d’avoir une bonne idée de l’impact environnemental desactivités agricoles. Il s’avère toutefois essentiel, dans une perspective de gestionde la qualité de l’eau à l’échelle d’un bassin versant, de pouvoir estimer l’éro-sion hydrique et le transport des sédiments en suspension afin d’identifier leszones problématiques. Cette estimation implique la manipulation d’unesomme considérable d’informations pour décrire l’environnement du bassinversant et l’emploi de modèles mathématiques complexes pour simuler lesprocessus hydrologiques et sédimentologiques en jeu. Le recours aux modèlesinformatiques d’érosion hydrique et aux systèmes d’information géographique(SIG) est alors de mise. Cet article présente le développement et l’applicationd’une approche géomatique de simulation qui implique l’utilisation conjointedu modèle hydrologique CEQUEAU, du modèle d’érosion MODÉROSS et dusystème d’information géographique IDRISI. Plus précisément, cet articleprésente de quelle façon le progiciel CEQÉROSS a été utilisé pour prédire lecomportement hydrosédimentologique d’un petit bassin versant agricole duQuébec. Les charges sédimentaires totales simulées à l’exutoire du bassin ver-sant de Lennoxville s’élevaient à 27,5 tonnes et 54,1 tonnes pour les annéeshydrologiques 1991–1992 et 1992–1993 respectivement. Ces valeurs se compar-ent avantageusement aux charges sédimentaires totales de 30,3 tonnes et 51,3tonnes observées durant ces mêmes périodes. Les résultats obtenus montrentégalement que la nature épisodique du transport des sédiments en suspensionà l’exutoire du bassin versant de Lennoxville pendant la période 1991–1993 a étébien reproduite par CEQÉROSS. L’approche géomatique proposée est suf-fisamment conviviale et fiable pour s’inscrire à l’intérieur d’un ensembled’outils de gestion agroenvironnementale.

Mots clés : simulation, érosion, sédiments, bassin versant, SIG, CEQÉROSS

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Soil erosion at various places of a watershed often comes with an excessivequantity of suspended sediments in the rivers. The indirect evaluation of ero-sion by the measurement of the suspended sediments transported at the water-shed outlet makes it possible to have a good idea of the environmental impactof agricultural activities. It turns out, however, that it is essential, from the pointof view of the water quality management, to be able to evaluate soil erosion andsuspended sediment transport in order to identify problematic zones on water-shed. This estimate implies the handling of a considerable sum of informationto describe the watershed environment and the use of complex mathematicalmodels to simulate the hydrological and sedimentological processes concerned.The recourse to the data processing models of soil erosion and geographicalinformation systems (GIS) is then essential. This article presents the develop-ment and the application of a geomatic approach of simulation, which impliesthe joint use of the hydrological model CEQUEAU, the erosion modelMODÉROSS and the geographical information system IDRISI. More precisely,this article presents how the software package CEQÉROSS was used to predictthe hydrosedimentologic behaviour of a small agricultural watershed ofQuebec (Canada). The total suspended sedimentary loads simulated at the out-let of the Lennoxville watershed reached 27.5 tons and 54.1 tons for the periods1991–92 and 1992–93, respectively. These values are similar to the total sedi-mentary loads of 30.3 tons and 51.3 tons observed during these correspondingperiods. The obtained results show that the episodical nature of the suspendedsediment transport at the Lennoxville watershed oulet was well reproduced byCEQÉROSS. The geomatic approach suggested is sufficiently user-friendly andreliable to be registered inside an agroenvironmental management tool.

Key words: simulation, erosion, sediment, watershed, GIS, CEQÉROSS

Introduction

La gestion de l’eau par bassin versant est perçue par plusieurs commeétant un moyen efficace de préserver la qualité des ressources hydriqueset d’en assurer un usage diversifié et durable. Comme le soulignent Côtéet Bernard (1993), les questions reliées à la qualité de l’eau sont étroite-ment reliées à celles de la dégradation des sols. Parmi les formes de dégra-dation susceptibles d’accroître la présence de sédiments en suspensiondans les cours d’eau, se trouve l’érosion hydrique (Comité Sénatorial duCanada 1984). Cependant, l’étude de l’érosion hydrique demeure un défide taille compte tenu des nombreux facteurs naturels et anthropiques quiinteragissent à l’échelle des bassins versants. Il devient donc essentiel depouvoir estimer adéquatement l’érosion hydrique et le transport des sédi-ments car la présence éventuelle d’une trop forte quantité de sédiments ensuspension risque d’engendrer des problèmes de pollution diffuse.

Les modèles informatiques spécialisés dans la simulation de l’éro-sion hydrique et de la pollution diffuse jouent un rôle important dans lagestion agroenvironnementale d’un bassin versant car ils permettent deprédire l’impact des activités agricoles et des mesures de conservation surla qualité de l’eau (Gangbazo et al. 1994; Villeneuve et al. 1998). Parmi cesmodèles se trouvent RUSLE (Renard et al. 1997), ANSWERS-2000

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(Bouraoui et Dillaha 1996), AGNPS-98 (USDA 1998), GAMES (Cook et al.1985), WEPP (USDA 1995), EUROSEM (Morgan et al. 1998) et SWAT(Arnold et al. 1995). Toutefois, la lourdeur qu’engendre la gestion de cesmodèles rend souvent laborieuse l’exécution des simulations. Face à ceproblème et grâce au développement prodigieux qu’a connu l’informa-tique au cours des dernières années, les chercheurs ont suggéré d’utiliserles systèmes d’information géographique (SIG) pour assembler et gérerles données hétérogènes qui décrivent l’environnement d’un bassin ver-sant. L’utilisation conjointe des modèles hydrologiques et des SIG a con-duit les chercheurs à proposer différents couplages modèle/SIG pour lesétudes agroenvironnementales (ex: AGNPS/ARC-INFO par Needham etVieux 1989; USLE/SPANS par Gangbazo et al. 1991; ANSWERS/GRASSpar Rewerts et Engel 1991; AGNPS/GRASS par Srinivasan et Engel 1994;RUSLE/IDRISI par Desmet et Govers 1996; WEPP/GRASS par Savabi etal. 1996; AGNPS/SPANS par Perrone et Madramootoo 1997 etRUSLE/IDRISI par Millward et Mersey 1999).

Pour Gangbazo (1997), les modèles spécialisés devraient permettrede simuler l’effet des changements de pratiques agricoles sur la qualité del’eau, d’aider à cibler les zones du bassin versant d’où proviennent lesplus grandes charges de polluants et d’accroître l’efficacité de l’approchedes objectifs environnementaux en agriculture. Dupont et al. (1998) souti-ennent cependant que les gestionnaires hésitent à recourir à ces technolo-gies complexes puisqu’elles demandent généralement un haut niveaud’expertise, des investissements financiers et humains importants, unerestructuration organisationnelle dérangeante et une grande disponibilitéde données pour leur calage et leur validation. Le défi de la modélisationde l’érosion hydrique et du transport des sédiments à l’échelle du bassinversant est donc double; soit celui de développer une approche géoma-tique (modèle/SIG) assez complexe pour simuler les différents processusimpliqués dans le phénomène d’érosion et de sédimentation à l’échelledes bassins versants et assez simple pour demeurer accessible à plusieursgroupes d’individus préoccupés par la conservation du sol et de l’eau(gestionnaires, chercheurs, etc.).

Cet article présente une approche géomatique conviviale qui permetde simuler, en continu, l’érosion hydrique et le transport des sédiments àl’échelle des bassins versants. Dans une première partie, nous présentonsles principales composantes de l’approche géomatique alors que dans uneseconde partie, nous appliquons l’approche proposée à un petit bassinversant agricole du Québec.

Présentation de l’approche géomatique de simulation et du modèle d’érosion MODÉROSS

Présentation de l’approche géomatique

L’approche géomatique envisagée consiste essentiellement àeffectuer une modélisation hydrologique et sédimentologique sur unbassin versant en utilisant un SIG pour gérer une partie des données (Fig.1). Cette approche implique l’utilisation du SIG IDRISI (Eastman 1997),

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du modèle hydrologique CEQUEAU (Morin et al. 1995) et du modèled’érosion hydrique et de transport des sédiments MODÉROSS(Duchemin 2000). Le modèle MODÉROSS se base principalement sur lesfacteurs de l’équation universelle de perte de sol révisée (RUSLE, Renardet al. 1997). L’intégration du modèle MODÉROSS au modèle CEQUEAUa conduit à la création du progiciel CEQÉROSS (Duchemin 2000).

La stratégie de couplage du SIG IDRISI et du progiciel CEQÉROSSconsiste en une intégration de premier niveau (Tim et Jolly 1994). Cettestratégie d’intégration ad hoc est souvent utilisée car elle présente le moins

Fig. 1. Composition de l’approche géomatique de simulation.


de complexité informatique. Dans cette stratégie, le modèle hydrologiqueet le modèle d’érosion hydrique effectuent leurs calculs indépendammentdu SIG. Le SIG est utilisé pour diviser le bassin versant en éléments de cal-cul (i.e., maillage) et pour extraire les variables physiographiques, d’éro-sion et de gestion agricole qui servent à alimenter le progiciel CEQÉROSS.Les données extraites du SIG ne peuvent être utilisées directement par lesmodèles car elles doivent être formatées et organisées de façon à pouvoirêtre lues correctement par ceux-ci. Les deux outils informatiques utilisentdes bases de données indépendantes qui contiennent des informations surchacun des éléments de calcul du bassin versant. L’échange d’informationsentre le SIG et les modèles s’effectue à l’aide d’interfaces spécifiques. Cesinformations servent à construire les fichiers nécessaires au fonction-nement de CEQÉROSS. L’avantage de ce couplage souple (loose coupling)réside dans le fait que chaque fonction du couple modèle/SIG peut êtreexploité à son maximum. Son principal inconvénient découle des nom-breuses manipulations de données qui augmentent le risque de propaga-tion d’erreurs entre les différentes étapes menant aux simulations.

Les principales étapes de cette approche géomatique sont la segmen-tation du bassin versant en unités spatiales de simulation relativementhomogènes (i.e,. éléments de calcul), la détermination des caractéristiquesclimatiques, hydrologiques, topographiques, pédologiques et d’occupa-tion du territoire, la détermination du réseau de drainage, l’évaluation dela production de sédiments au sol et en rivière, l’estimation de la capacitéde transport de l’écoulement, le calcul de la concentration des sédimentsen suspension et le transfert des sédiments vers l’aval du bassin versant.La génération d’un modèle numérique d’altitude (MNA) à l’aide du SIGIDRISI conduit à déterminer la direction d’écoulement des eaux de sur-face sur chacun des éléments de calcul. Les macro-commandes du SIGIDRISI ainsi que son système de gestion de données (Database Workshop)ont été utilisés pour extraire les variables physiographiques, d’érosionhydrique et de gestion agricole. Ces informations spatiales, amasséespour chacun des éléments de calcul, s’ajoutent aux données d’observa-tions (météorologiques, hydrologiques et qualité de l’eau) pour former labanque de données nécessaires au fonctionnement de CEQÉROSS.

Le fonctionnement de CEQÉROSS implique deux simulations succes-sives au pas de temps journalier. Ces simulations permettent de reproduire,sur chaque élément du bassin versant, les processus hydrologique, d’érosionet de sédimentation. L’approche comprend, en premier lieu, une simulationde l’écoulement de l’eau à partir de la composante hydrologique du modèleCEQUEAU. Cette simulation reproduit les débits et les lames d’eau sur lebassin versant. Une seconde simulation permet d’évaluer l’érosion hydriqueet le transport des sédiments en suspension jusqu’à l’exutoire du bassin ver-sant. Celle-ci est obtenue à l’aide du modèle MODÉROSS (Duchemin 2000).La stratégie de calage de CEQÉROSS implique l’ajustement des paramètresde CEQUEAU et MODÉROSS de façon à reproduire les débits, les concen-trations et les charges de solides en suspension observées à l’exutoire d’unbassin versant. Des critères statistiques servent à quantifier cet ajustement età juger de la performance des modèles à reproduire les données observées.

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Ces critères statistiques procurent un indice global de la précision des simu-lations mais n’indiquent pas la partie du cycle hydrologique et sédimen-tologique qui est simulée correctement. Le recours aux illustrationsgraphiques est alors de mise. Le logiciel CEQÉROSS permet de produire àl’écran différents graphiques concernant l’évolution temporelle des débits,des concentrations et des charges de solides en suspension observées et cal-culées (hydrogramme et sédimentogramme). Les données spatiales relativesaux pertes de sol et à la sédimentation peuvent être retournées au SIG pouren effectuer une visualisation des résultats ou être utilisées ultérieurement àdes fins d’analyses statistiques.

Présentation de MODÉROSS

L’érosion hydrique est un phénomène géologique qui implique l’ar-rachement, le transport et, éventuellement, la sédimentation du matérielérodé. Ces processus sont considérés par le modèle d’érosion MODÉROSS(Duchemin 2000). Ainsi, en ce qui concerne l’arrachement des particulesdu sol, les deux principaux agents physiques responsables de l’érosionhydrique sont les précipitations et le ruissellement de surface (Birot 1981;Brandt et Thornes 1987). L’énergie avec laquelle les gouttes de pluie frap-pent la surface du sol suffit souvent à détacher les particules de la couchesuperficielle du sol et à les rendre disponibles pour le transport. À l’impactdes précipitations s’ajoute la force exercée par le ruissellement de surface.En plus de prendre en charge les matériaux rendus disponibles par l’éro-sion pluviale, le ruissellement agit sur le sol en exerçant une tension decisaillement qui tend à défaire les agrégats. Les matériaux du sol détachéspar les précipitations et le ruissellement peuvent alors être transportés versl’aval du bassin versant, le long des versants.

La hauteur de la lame d’eau et la distribution de la végétation con-tribuent à amortir l’impact des gouttes de pluie à la surface du sol et àréduire la vitesse du ruissellement. Le transport des sédiments seracependant limité par la capacité de transport du ruissellement (Foster etMeyer 1972; Alonso et al. 1981; Guy et al. 1992). Lorsque la capacité detransport s’avère inférieure à la quantité de matériaux érodés, il y a sédi-mentation d’une partie de ceux-ci. Cette sédimentation provoque untriage des matériaux érodés en fonction du diamètre des particules trans-portées, et souvent, seules les particules les plus fines (limons, argiles)réussissent à atteindre l’exutoire du bassin versant.

Une approche de modélisation conceptuelle, à distribution spatiale, aété choisie pour reproduire les processus intervenant lors du phénomèned’érosion/sédimentation. La production et le transfert des sédiments à dif-férents endroits d’un bassin versant est rendu possible grâce à undécoupage du bassin versant en éléments de calcul (i.e., carreaux) con-tenant les informations pertinentes sur les différents paramètres du mo-dèle. Puisque la représentation conceptuelle des processus retenus reposeessentiellement sur l’emploi d’équations empiriques, une recherche d’al-gorithmes de cette nature a donc été effectuée à partir des modèles d’éro-sion hydrique déjà existants. En pratique, il semble que l’emploi des fac-


teurs de l’USLE (Universal Soil Loss Equation; Wischmeier et Smith 1978)demeure une stratégie acceptable pour la modélisation de l’érosionhydrique des sols surtout si on considère les récents progrès attribuablesau modèle RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation; Renard et al. 1997).Les modèles AGNPS98 (USDA 1998), CropSyst (Stöckle et Nelson 1996) etEPIC (Williams 1995) utilisent, en partie, les algorithmes de USLE/RUSLEdans leur module d’érosion hydrique. Le modèle MODÉROSS a étéélaboré en s’inspirant de ces modèles et en y ajoutant certaines particula-rités issues d’autres modèles (ex: capacité de transport). Le tableau 1présente les principales équations du modèle (équations 1 à 8).

L’évaluation de l’érosion hydrique des sols est basée sur l’équationuniverselle de perte de sol (USLE, Wischmeier et Smith 1978) et sur sesmodifications ultérieures (RUSLE, Renard et al. 1997). Les principaux fac-teurs qui affectent l’érosion hydrique des sols sont inclus dans le modèle:

A = R K L S C P (9)

où A représente le taux d’érosion potentielle (t/ha), R représente le facteurd’érosivité (MJ mm/ha h), K représente le facteur d’érodabilité (t ha h/haMJ mm), L représente le facteur de longueur de pente, S représente le fac-teur d’inclinaison de pente, C représente le facteur de la couverture végé-tale, et P représente le facteur des pratiques de conservation du sol.

Dans MODÉROSS, le taux d’érosion des sols A (t/ha) est fortementinfluencé par les précipitations ainsi que par le ruissellement qui enrésulte. Le facteur d’érosivité R (MJ mm/ha h) donne une approximationquantitative de l’énergie de ces deux agents d’érosion. Foster et al. (1977)proposent un facteur d’érosivité qui tient compte de l’effet combiné desprécipitations et du ruissellement sur l’érosion hydrique. Le modèlehydrologique CEQUEAU fournit les données de précipitation et de ruis-sellement pour chaque élément de calcul du bassin versant. L’érosivitédes précipitations journalières est calculée à partir d’une procédure pro-posée par Richardson et al. (1983) et Selker et al. (1990). La vulnérabilitédu sol à l’attaque des précipitations est prise en compte par le facteurd’érodabilité K (t ha h/MJ ha mm). Le facteur K est calculé pour chaquesérie de sol rencontré sur le bassin versant à l’aide de la relation proposéepar Wischmeier et Smith 1978. Cette relation fait intervenir la texture dusol, son contenu en matière organique, sa structure et sa perméabilité(Foster et al. 1981). La proposition de Young et al. (1990) a été retenue pourfaire varier le facteur d’érodabilité au cours de l’année. La topographieinfluence également le taux d’érosion du sol. Cette influence est représen-tée par les facteurs de longueur (L) et d’inclinaison de la pente du terrain(S). Ces facteurs sont sans dimension. Le modèle MODÉROSS calcule,pour chaque élément du bassin versant, la valeur du facteur (LS) à l’aided’équations proposées par McCool et al. (1997) et Nearing (1997). L’effetprotecteur qu’offre la couverture végétale est introduit dans le modèle parle facteur C alors que les pratiques culturales de conservation sont con-sidérées par le facteur P. L’évaluation de ces facteurs suit les recomman-dations de Wischmeier et Smith (1978). Ces deux derniers facteurs sont

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Tableau 1. Principales équations du modèle d’érosion MODÉROSS1

(1)

Rtji = érosivité totale journalière sur l’élément de calcul i (MJ mm/ha h)Rpji = érosivité des précipitations sur l’élément de calcul i (MJ mm/ha h)Rrji = érosivité du ruissellement sur l’élément de calcul i (MJ mm/ha h)Pji = précipitation journalière sur l’élément de calcul i (mm)Hji = lame d’eau journalière sur l’élément de calcul i (mm)Qmji = débit moyen journalier sur l’élément de calcul i (m3/s)Si = superficie de l’élément de calcul i (ha)FARP, EXPRP = coefficients de calage pour l’érosivité pluvialeCOEFAM = coefficient de calage pour amortir l’érosivité pluvialeCOEFQPT, EXPQPT = coefficients de calage pour l’érosivité du ruissellement

(2)

FKANi = érodabilité annuelle moyenne, pondérée sur l’élément de calcul i (t hah/MJ ha mm) Kas = érodabilité annuelle moyenne de la série de sol (s) (t ha h/MJ ha mm)%si = % de l’élément de calcul i couvert par la série de sol (s)n = nombre de séries de sols (s) sur l’élément de calcul i

(3)

LSi = facteur topographique sur l’élément de calculi

li = longueur de pente sur l’élément de calcul i (m)PENTDi = inclinaison de la pente du terrain sur l’élément de calcul i (degré)

(4)

(continued)


Tableau 1. (continued)

FCi = valeur du facteur C sur l’élément de calcul i au jour (j)Cpn = facteur C au début de la nième périoden = période ‘végétale’ (1 à 5)JO = jour julien à évaluer (1 à 365 ou 366)JDn = jour julien du début de la nième période

(5)

Tsji = capacité de transport au sol sur l’élément de calcul i (kg/m s)FCTS = coefficient de transport (à calibrer) (m0,5 s2/kg0,5 )ρw = densité de l’eau (kg/m3) [ 999,1 kg/m3 à 15°C ]g = accélération gravitationnelle (9,8 m/s2)Hji = lame d’eau journalière sur l’élément de calcul i (mm) PENTDi = pente sur l’élément de calcul i (degré)

(6)

PROSOLji = masse journalière de sédiments retenue sur l’élément i (t/jour)Psji = masse journalière de sédiments produite au sol sur l’élément i (t/jour)Pstji = masse journalière de sédiments transférée vers l’aval (t/jour)PSDS = proportion de sédiments disponibles au sol pour le prochain transport

(7)

Prji = production journalière de sédiments en rivière sur l’élément i (t/jour)Qmji = débit moyen journalier sur l’élément i (m3/s)Sri = pente moyenne de la rivière sur l’élément i (m/m)Lri = longueur du cours d’eau sur l’élément i (m)FSSRIV = coefficient de calage de la production en rivièreFPUSS1 = coefficient de calage de la puissance du débit en rivièreFPUSS2 = coefficient de calage de la puissance de la pente en rivière

(8)

Pn = paramètre d’amortissement pour la classe granulométrique “n” modifié enfonction de la vitesse de chute des particulesPOSSTR = coefficient de calage pour l’amortissement de l’érosion en rivière (i.e.,proportion maximale de sédiments en suspension des classes granulométrique 2,3 et 4 exportée au carreau aval pendant un transfert)Vri = vitesse du courant d’eau en rivière sur l’élément (m/s)vcn = vitesse de chute correspondant au diamètre maximum de la classe granu-lométrique “n” (m/s)

1 Voir Duchemin (2000) pour une description détaillée des équations dumodèle MODÉROSS.

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étroitement reliés au mode d’occupation du territoire sur le bassin ver-sant. Ils sont également adimensionnels.

La figure 2 présente la structure générale du modèle d’érosionMODÉROSS. Cette structure repose sur une représentation conceptuelle del’érosion hydrique proposée par Meyer et Wischmeier (1969) et sur unemodification de la sous-routine des solides en suspension du modèlehydrologique CEQUEAU (Morin et al. 1995). Le modèle MODÉROSSemprunte le découpage du bassin versant en carreaux entiers deCEQUEAU et considère également les concepts de production et de trans-fert (transport) de l’écoulement et des sédiments sur les carreaux (i.e., élé-

Fig. 2. Structure du modèle d’érosion MODÉROSS.


ments de calcul). La production consiste à déterminer la quantité de sédi-ments produite au sol par l’érosion hydrique. Les précipitations et le ruis-sellement provenant de CEQUEAU servent à calculer l’érosion hydrique ausol sur chacun des carreaux. Afin d’éviter que la production de sédimentsau sol ne soit transportée totalement vers la rivière, le modèle MODÉROSSutilise un facteur de contrainte lié à la notion de capacité de transport de l’é-coulement de surface (Finkner et al. 1989). Si la production de sédimentspar l’érosion au sol s’avère supérieure à la capacité de transport du ruis-sellement, il y aura sédimentation d’une partie de cette production, le resteétant dirigé vers les cours d’eau. Le transfert des sédiments vers l’avals’opère de façon similaire au transfert des débits utilisé dans CEQUEAUpour acheminer l’eau vers l’embouchure du bassin versant.

La production de sédiments en rivière est évaluée exclusivement sur leséléments de calcul où il y a présence d’un cours d’eau à l’aide d’une relationempirique similaire à celle proposée dans le modèle CEQUEAU (Morin et al.1995). Des notions d’hydraulique fluviale régissent la dynamique du trans-port en rivière. Une division des sédiments en quatre classes granu-lométriques permet de suivre le transport sédimentaire jusqu’à l’exutoire dubassin versant. Un bilan des classes granulométriques se fait à chaque jouren fonction de l’accumulation et du transport des sédiments sur chaque élé-ment de calcul du bassin versant. Puisque les sédiments générés lors de laphase de production en rivière ne peuvent être transportés instantanément,le modèle utilise un facteur d’amortissement similaire à celui de Morin et al.(1995) afin de compenser ce phénomène. Le résultat final se traduit par uneconcentration journalière de sédiments en suspension (mg/L) aux stationsde qualité des eaux. Cette valeur peut être convertie en charge solide jour-nalière (tonnes) par une simple multiplication avec le débit moyen journalier(m3/s) calculé par le modèle hydrologique CEQUEAU.

La simulation de l’érosion hydrique et du transport des solides ensuspension nécessite la détermination de 35 paramètres. Ces derniers sedivisent en deux groupes; ceux servant au calcul de l’érosion et du trans-port des sédiments au sol et ceux servant au calcul de l’érosion et dutransport des sédiments en rivière. Au sol, les paramètres et constantespermettent de simuler les processus d’érosion pluviale, d’érosion parruissellement et de capacité de transport tandis qu’en rivière, ils permet-tent de simuler l’érosion fluviale et le transport des sédiments par tranch-es granulométriques. Une étude de sensibilité du modèle d’érosionMODÉROSS (Duchemin 2000) a démontré que les paramètres de calageEXPRP, COEFAM et FARP et les variables d’entrée PENTD, FKAN et FCinfluencent le plus l’érosion au sol, alors que les paramètres de calageFPUSS1, FPUSS2 et FSSRIV influencent le plus la charge sédimentaire àl’exutoire du bassin versant.

Intégration du modèle MODÉROSS au modèle hydrologique CEQUEAU

Le modèle MODÉROSS a été traduit en FORTRAN Watcom 77/386,version 11 (Powersoft 1996), et introduit à la version 2.0 pour DOS dumodèle hydrologique CEQUEAU (Morin et al. 1995). Le progiciel qui

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résulte de cette union porte le nom de CEQÉROSS (i.e., CEQUEAU/MODÉROSS). CEQÉROSS permet de simuler, en continu, l’écoulement del’eau, l’érosion hydrique et le transport des sédiments en suspension àl’échelle des petits bassins versants grâce à un découpage spatial basé surles caractéristiques physiographiques, hydrologiques, pédologiques etd’occupation du territoire du bassin versant. Ce modèle informatiquetient compte des conditions climatiques en milieu nordique et s’accom-mode de modifications éventuelles dans l’utilisation du territoire, partic-ulièrement en milieu agricole. Puisque CEQÉROSS permet de suivrel’évolution spatiale et temporelle des débits, des concentrations et descharges sédimentaires à différents endroits d’un bassin versant, il rendpossible l’identification des secteurs les plus touchés par les problèmesd’érosion hydrique et de sédimentation. De plus, la possibilité d’utiliserun SIG pour gérer les données d’entrée et de sortie augmente la portée duprogiciel. Les principales étapes de la simulation sont accessibles par lafenêtre de pilotage de CEQÉROSS (Fig. 3), soient l’édition des fichiers, lapréparation des données, la sélection des fichiers, l’exécution de la simu-lation et la visualisation des résultats. L’ensemble des informations estgéré par la trilogie IDRISI-CEQUEAU-MODÉROSS.

Flux d’informations entre IDRISI, CEQUEAU et MODÉROSS

L’approche géomatique de simulation proposée comprend troisniveaux d’échange d’informations, soient celui du système d’informationgéographique IDRISI, celui de la composante hydrologique du modèle

Fig. 3. Fenêtre de pilotage du modèle CEQÉROSS.


CEQUEAU et celui du modèle d’érosion hydrique MODÉROSS (Fig. 1).Puisque l’ensemble des informations est géré par la trilogie IDRISI-CEQUEAU-MODÉROSS, un travail d’identification et d’analyse des fluxde données a été effectué afin de faciliter l’échange des fichiers. La figure4 illustre une partie de ces flux de données. Dans l’approche proposée, leSIG IDRISI est utilisé pour segmenter le bassin versant en une matricecomposée de plusieurs carreaux. Ces carreaux constituent les éléments decalcul sur lesquels s’effectuent les simulations. Le SIG IDRISI permet degénérer et d’extraire des informations à caractère spatiale relatives auxparamètres hydrologiques, physiographiques, d’érosion et de gestionagricole sur les carreaux. Deux macro-commandes IDRISI ont été confec-

Fig. 4. Flux de données entre IDRISI, CEQUEAU et MODÉROSS.

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tionnées afin d’automatiser cette collecte d’informations. Le modèlehydrologique CEQUEAU assure le transfert de l’eau et des sédiments d’uncarreau à l’autre. Les données physiographiques par carreaux servent àeffectuer une première simulation concernant la quantité d’eau. Cette simu-lation s’effectue à partir de la composante hydrologique de CEQUEAU etpermet, entre autre, de fournir les précipitations, les températures journa-lières, la direction d’écoulement, les débits et les lames d ’eau sur les car-reaux du bassin versant. Ces données par carreaux sont utilisées poureffectuer une seconde simulation concernant la qualité de l’eau. Cette simu-lation s’effectue à l’aide de MODÉROSS et permet d’évaluer l’érosionhydrique, la production de sédiments au sol et en rivière et le transport dessédiments en suspension jusqu’à l’exutoire du bassin versant. Le modèled’érosion MODÉROSS reçoit donc ses données hydrologiques etmétéorologiques de la composante quantité du modèle CEQUEAU etutilise le SIG IDRISI pour gérer certaines de ses données spatiales.

Application à un petit bassin versant agricole du Québec

Le bassin versant étudié

Contexte géographiqueLe bassin versant étudié, d’une superficie de 78 ha, occupe une petite

plaine agricole des Cantons de l’Est (Québec, Canada), à environ 5 km ausud-est de la ville de Sherbrooke (Fig. 5). Son réseau hydrographique secompose essentiellement d’un petit ruisseau d’une longueur d’environ 1km. L’exutoire du bassin versant se situe approximativement à 45° 22’Net 71° 51’O, en amont de la rivière Saint-François. Le bassin versant s’ins-crit à l’intérieur des limites de la station de recherches agricoles deLennoxville appartenant à Agriculture et Agro-alimentaire Canada. Afind’alléger le texte, ce bassin versant sera dorénavant désigné par “bassinversant de Lennoxville”. Dans cette région agricole de l’Estrie, les mono-cultures de maïs et de céréales pratiquées dans le sens de la pentefavorisent l’érosion des sols et le transport de sédiments contaminés versles cours d’eau (Pesant 1990). Afin d’étudier ce problème agroenviron-nemental, des chercheurs ont appliqué des modèles comme l’USLE(Salehi 1989), AGNPS (Nivesse 1993) et GAMES (Salehi 1996) poursimuler, à l’échelle de l’événement pluvieux, de la saison et de l’année,l’érosion hydrique et le transport des sédiments sur le bassin versant deLennoxville. Jusqu’à ce jour, aucune simulation de l’érosion hydrique n’aété effectuée, en continu, à l’échelle journalière. Cette application deCEQÉROSS contribue à combler ce manquement.

Données d’observation disponiblesLes données ponctuelles (températures, précipitations, débits,

solides en suspension) nécessaires au fonctionnement de CEQÉROSSproviennent du Département de Génie rural de l’Université Laval et de lastation de recherches de Lennoxville. Boukchina et al. (1992) et Salehi etal. (1997) décrivent en détail les systèmes de mesures et d’acquisition des


Fig.

5.

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c.

450 DUCHEMIN ET AL.

données météorologiques, hydrologiques et de qualité de l’eau du bassinversant de Lennoxville. Les données concernant les débits, les concentra-tions et les charges de solides en suspension utilisées dans le cadre decette application étaient disponibles à l’échelle journalière et couvraientdeux années hydrologiques consécutives, soit du 1er octobre 1991 au 30septembre 1992 (période de calage) et du 1er octobre 1992 au 30 septembre1993 (période de validation).

Au cours de la période d’étude, des températures moyennes de 4,0°Cet 4,1°C ont été enregistrées pour les années hydrologiques 1991–1992 et1992–1993 respectivement. Ces températures s’avèrent plus froides que lanormale climatique de 5,3°C établie pour la période 1961–1990(Environnement Canada 1993). L’année 1991–1992 a reçu 679,6 mm depluie et 164,6 mm de neige (équivalent en eau) comparativement à 813,8mm de pluie et 224,1 mm de neige pour l’année 1992–1993. Les normalesclimatiques 1961–1990 sont de 794,5 mm pour la pluie et de 251,7 mmpour la neige (Canada 1993). Les quantités totales d’eau reçue pour l’an-née hydrologique 1991–1992 présentent donc un déficit de 18,7 % par rap-port à l’année 1992–1993 et un déficit de 19,3 % par rapport à la normaleclimatique de 1961–1990. Les valeurs moyennes des débits journalierspendant les années hydrologiques 1991–1992 et 1992–1993 s’élevaient à0,010 m3/s et 0,012 m3/s respectivement alors que les valeurs moyennesdes concentrations journalières de sédiments en suspension s’élevaient à69,8 mg/L et 68,9 mg/L respectivement.

Les documents cartographiques nécessaires au fonctionnement deCEQÉROSS proviennent du Département de génie rural de l’UniversitéLaval, du Département de géographie de l’Université de Sherbrooke et dela station de recherches de Lennoxville. Ces données numérisées ont étéutilisées pour spatialiser la topographie, l’hydrographie, la pédologie,l’occupation du territoire et la division des champs agricoles sur le bassinversant. Le SIG IDRISI a été utilisé pour générer le modèle numériqued’altitude (MNA) et les pentes du bassin versant. Le MNA obtenu révèleque les altitudes du bassin versant varient graduellement de 150 mètres àl’aval, à 230 mètres à l’amont. La figure 6A présente la distribution spa-tiale des pentes sur le bassin versant de Lennoxville. La pente moyennedu bassin versant s’élève à 6,6 %. Les pentes les plus fortes se localisentdans la partie aval du bassin versant.

Les dépôts de surface (tills, alluvions fluvio-glaciaires, dépôts lacus-tres) laissés par le passage des glaciers et l’action de l’eau forment lamatrice géologique sur laquelle se sont développés les sols du bassin ver-sant (Cann et Lajoie 1943). Les sols qui couvrent le bassin versant deLennoxville appartiennent aux séries Ascot, Coaticook, Danby,Lennoxville, Magog, Mascot et Sheldon. Deux étendues de solsorganiques complètent les dépôts de surface du bassin versant. La figure6B montre que la distribution spatiale des séries de sols du bassin versantde Lennoxville est dominée par les sols Coaticook et Sheldon qui couvrent75 % du bassin versant. Ces sols, fortement érodables, présentent àplusieurs endroits des signes d’érosion lorsqu’ils supportent des culturesintensives (ex: maïs).


Fig. 6. Distribution spatiale des pentes (A), des sols (B) et de l’occupation du territoire (C) sur le bassin versant de Lennoxville.

Le bilan des activités agricoles sur le bassin versant de Lennoxvilleau cours de la période d’octobre 1991 à septembre 1993 comprenait, pourchaque champs agricole, le type de culture et le calendrier des opérationsagricoles. Pour chaque année de la simulation, les cultures étaient identi-fiées sur chacun des champs et l’ensemble des cultures recensées sur unmême champ pendant la période d’étude fournit un système de gestionagricole (i.e., cultures en rotation) qui a été codifié pour les besoins deCEQÉROSS. La figure 6C donne la superficie du bassin versant occupéepar les 14 systèmes de gestion agricole présents lors de la période1991–1993 ainsi que la superficie occupée par les bâtiments. Les culturesfourragères occupaient la majorité du bassin versant de Lennoxville pen-dant cette période. De façon générale, la rotation des cultures offrait unebonne protection contre l’érosion hydrique pendant la période 1991–1993.

452 DUCHEMIN ET AL.

Préparation des fichiers pour la simulation

L’hétérogénéité spatiale des caractéristiques physiques du bassin ver-sant de Lennoxville a été considérée en utilisant le principe du découpageen carreaux entiers de CEQUEAU (Morin et al. 1995). L’image matricielledu SIG IDRISI représentant le bassin versant a été découpée en carreaux de50 m par 50 m (0,25 ha). Cette opération a conduit à segmenter le bassinversant en 367 éléments de calcul pour lesquels ont été extraites les infor-mations pertinentes aux simulations. Les images matricielles du bassinversant présentant la position des carreaux, l’occupation du territoire et latopographie ont été utilisées pour générer les données spatiales néces-saires au modèle hydrologique CEQUEAU (Morin et al. 1995) alors que lesimages matricielles illustrant la distribution spatiale des séries de sols, descultures et des altitudes du bassin versant ont été utilisées pour détermin-er les facteurs d’érodabilité (K), de gestion agricole (C et P) et de topogra-phie (LS) nécessaires au modèle d’érosion MODÉROSS (Duchemin 2000).

Les données physiographiques, d’érosion et de gestion agricole ont étéobtenues pour chaque élément de calcul par l’intermédiaire de macro-com-mandes et de la base de données d’IDRISI (Database Workshop). Ces infor-mations, qui se présentaient sous formes de fichiers d’images et d’attri-buts, ont été utilisées pour préparer les fichiers de données phy-siographiques, d’érosion et de gestion agricole de CEQÉROSS. Lalongueur de pente est évaluée en fonction de la taille et de la pentemoyenne des éléments de calcul ainsi que de la direction de l’écoulementdes eaux de surface. Le modèle de drainage DEDNM (Digital ElevationDrainage Network Model) de Martz et Garbrecht (1992), tel qu’adapté pourIDRISI par Cluis et al. (1996), a été utilisé pour déterminer et codifier le sensde l’écoulement sur chaque carreau. Ces données ont servi à calculer le fac-teur topographique (LS) du modèle d’érosion MODÉROSS. La figure 7

Fig. 7. Détermination du trajet d’écoulement des eaux de surface sur le bassinversant de Lennoxville.


présente le trajet d’écoulement des eaux de surface sur le bassin versantde Lennoxville pour la résolution de 50 m (0,25 ha). Afin de calculer l’éro-sion hydrique au sol, le modèle MODÉROSS demande de connaîtrel’érodabilité annuelle moyenne des séries de sols du bassin versant (i.e.,facteur K). Le facteur K varie de 0,030 t ha h/MJ ha mm pour la sérieMascot à 0,052 t ha h/MJ ha mm pour la série Sheldon. Une moyennepondérée du facteur d’érodabilité K a été calculée pour chaque élément decalcul du bassin versant à l’aide du SIG IDRISI.

Les renseignements provenant du bilan annuel des activités agricolesde la station de recherches de Lennoxville ont servi pour déterminer le fac-teur de la végétation (C) du modèle MODÉROSS. Cette déterminationnécessite la connaissance des types de cultures présentes sur chaque élé-ment de calcul du bassin versant, la date du début de cinq périodes d’ac-tivités agricoles et la valeur du facteur (C) pour chacune de ces dates.L’année a été divisée en cinq périodes de croissances végétales (cropstagesperiods) suivant les recommandations de Wischmeier et Smith (1978). Le cal-endrier des opérations agricoles a permis de fixer le jour du début de cha-cune de ces périodes. Pour déterminer la valeur du facteur (C), le modèleMODÉROSS nécessite également de connaître le système de gestion agri-cole (i.e., rotation) dominant sur chaque élément de calcul. Cette informa-tion sert à établir un lien avec le code du système de gestion agricole con-tenu dans le fichier des données agricoles. Lagacé (1980) présente lesvaleurs du facteur (C) pour les principaux systèmes de gestion agricole ren-contrés au Québec. La détermination du facteur (C) comporte une incerti-tude très élévée car elle demande une connaissance particulière, et souventà long terme, de l’activité agricole d’un bassin versant. Le facteur du con-trôle de l’érosion (P) a été fixé à un (1) pour la période de simulationpuisque les informations obtenues permettaient de croire que les laboursont été effectués dans le sens de la pente durant la période de simulation.

Les analyses statistiques

La procédure de calage de CEQÉROSS consistait à ajuster un ensem-ble de paramètres de CEQUEAU et de MODÉROSS de façon à reproduirele mieux possible les valeurs journalières, mensuelles et annuelles desdébits, des concentrations et des charges de sédiments en suspensionmesurées à l’exutoire du bassin versant de Lennoxville au cours des péri-odes d’octobre 1991 à septembre 1992 (période de calage) et d’octobre 1992à septembre 1993 (période de validation). La précision de cet ajustement aété évaluée par la comparaison graphique des hydrogrammes et des sédi-mentogrammes observés et simulés ainsi que par l’examen de trois critèresde performance, soient l’erreur absolue moyenne (EAM), le coefficient decorrélation (R) de Pearson et le coefficient (NS) de Nash-Sutcliffe (Nash etSutcliffe 1970). Ces critères donnent la performance de prédiction annuel(calage et validation) des modèles CEQUEAU et MODÉROSS sur la basedes calculs effectués aux pas de temps mensuel et journalier.

L’erreur absolue moyenne (EAM) représente la différence absolueentre les valeurs observées et simulées pour un pas de temps donné (jour,

454 DUCHEMIN ET AL.

mois). Une valeur de EAM près de zéro (0) indique un bon ajustement dumodèle. Legates et McCabe (1999) considèrent que le coefficient (NS) estplus robuste que le coefficient (R) pour évaluer la performance d’un modè-le de simulation car il tient compte de la différence relative entre les

Tableau 2. Valeurs finales des paramètres de calage de CEQUEAU

Paramètres Description Valeur

STRNE Seuil de transformation pluie-neige (°C). 0,000TFC Taux potentiel de fonte en forêt (mm/°C/jour). 2,500TFD Taux potentiel de fonte en clairière (mm/°C/jour). 5,723TSC Seuil de tempé rature de fonte en forêt (°C). 0,500TSD Seuil de température de fonte en clairière (°C). 0,346TTD Coefficient de déficit calorifique. 0,826TTS Température du mûrissement du stock de neige (°C). -0,100CIN Coefficient d’infiltration dans le réservoir NAPPE. 0,550CVMAR Coefficient de vidange du réservoir LACS et MARAIS. 0,075CVNB Coefficient de vidange basse du réservoir NAPPE. 0,010CVNH Coefficient de vidange haute du réservoir NAPPE. 0,001CVSB Coefficient de vidange basse du réservoir SOL. 0,005CVSI Coefficient de vidange intermédiaire du réservoir SOL. 0,875XINFMA Infiltration maximale (mm/jour). 43,200HINF Seuil d’infiltration du réservoir SOL vers le réservoir 57,975

NAPPE (mm).HINT Seuil de vidange intermédiaire du réservoir SOL (mm). 58,875HMAR Seuil de vidange du réservoir LACS et MARAIS (mm). 23,750HNAP Seuil de vidange supérieure du réservoir NAPPE (mm). 10,000HPOT Seuil de prélèvement de l’eau à taux potentiel, par 66,336

évapotranspiration (mm).HSOL Hauteur du réservoir SOL (mm). 70,895HRIMP Lame d’eau nécessaire pour que débute le ruissellement 1,500

sur les surfaces imperméables (mm).COEP Coefficient de correction des précipitations annuelles en 1,250

fonction de l’altitude (mm/mètre/an).EVNAP Fraction de l’évapotranspiration prise dans le réservoir 0,680

NAPPE (de 0.0 à 1.0).TRI Fraction de surface imperméable des carreaux entiers 0,050

(de 0.0 à 1.0).XAA Exposant de la formule de Thornthwaite. 1,095XIT Valeur de l’index thermique de Thornthwaite. 23,067COET Correction des températures en fonction de l’altitude –0,010

(°C/1 000 m).EXXKT Paramètre d’ajustement des coefficients de transfert d’un 425,000

carreau à l’autre.


Tableau 3. Valeurs finales des paramétres de calage de MODÉROSS


FARP1 Coefficient (saison froide) pour la relation érosivité-précipitation 0,107

FARP2 Coefficient (saison chaude) pour la relation érosivité-précipitation 0,183

EXPRP Exposant pour la relation érosivité-précipitation 1,76ERAN Érosivité annuelle moyenne (MJ mm/ha h) 1547,04HRUISS Hauteur minimum de ruissellement nécessaire 0,1

pour produire l’érosivité (mm)HPLUIE Hauteur minimum de pluie nécessaire pour 1,0

produire l’érosivité (mm)COEFAM Coefficient pour le facteur d’amortissement de 0,23

l’érosivitéFCTS Coefficient pour la capacité de transport du 0,0045

ruissellementPSDS Proportion de sédiments disponibles au sol (0–1) 0,10COEFQPT Coefficient pour le calcul du ruissellement de pointe 2,143EXPQPT Exposant pour le calcul du ruissellement de pointe 1,100COEFLAR Coefficient pour le calcul de la relation dé bit-largeur 5,00EXPLAR Exposant pour le calcul de la relation débit-largeur 0,500COEFPRO Coefficient pour le calcul de la relation 1,50

débit-profondeurEXPPRO Exposant pour le calcul de la relation 0,300

débit-profondeurDIAM1 Limite supérieure du diamètre des sédiments en 0,050

rivière de classe 1 (mm)DIAM2 Limite supérieure du diamètre des sédiments en 0,250



rivière de classe 4 (mm)FPUSS1 Exposant du débit pour le calcul de la production 1,15

de sédiments en rivièreFPUSS2 Exposant de la pente pour le calcul de la production 0,77

de sédiments en rivièreFSSRIV1 Coefficient (saison froide) pour la production de 0,20

sédiments en rivièreFSSRIV2 Coefficient (saison chaude) pour la production de 0,03

sédiments en rivièrePOSS1 Proportion des sédiments en rivière inférieure à 0,60

DIAM1 (0–1)POSS2 Proportion des sédiments en rivière entre DIAM1 0,25

et DIAM2 (0–1)

(suite à la page suivante)

456 DUCHEMIN ET AL.

valeurs observées et calculées. Le coefficient NS vaut un (1) lorsque lesvaleurs simulées sont identiques aux valeurs observées. La forme qua-dratique du coefficient de Nash-Sutcliffe le rend toutefois sensible auxvaleurs extrêmes et aux fluctuations répétées dans les sérieschronologiques de données (ASCE 1993).

Résultats et discussion

Ajustement des paramètres de calage

L’ajustement des paramètres de calage de la partie hydrologique(CEQUEAU) s’est effectué indépendamment de l’ajustement desparamètres de calage de la partie concernant l’érosion hydrique et letransport des sédiments en suspension (MODÉROSS). Les tableaux 2 et 3présentent les valeurs des paramètres de calage de CEQUEAU etMODÉROSS sur le bassin versant de Lennoxville pour la période d’octo-bre 1991 à septembre 1992. Ces paramètres ont également été utilisés poursimuler les débits et le transport des sédiments durant la période de vali-dation qui s’étendait d’octobre 1992 à septembre 1993.

Bien que le bassin versant étudié possède un temps de réponseinférieure à la journée, la simulation au pas de temps journalier demeurepossible car CEQUEAU permet d’effectuer plusieurs transferts quotidienset de cumuler les extrants (volume d’eau, masse de sédiments) sur chaqueélément de calcul à la fin d’une journée. Le modèle CEQUEAU se veutalors un outil flexible quant au pas de temps utilisé pour la simulation.Morin et al. (1995) précisent les étapes de calage du modèle CEQUEAU.

Tableau 3. (suite)


POSS3 Proportion des sédiments en rivière entre DIAM2 0,10et DIAM3 (0–1)

POSS4 Proportion des sédiments en rivière entre DIAM3 0,05et DIAM4 (0–1)

POSSTR Proportion maximale des sédiments en rivière des 0,10classes 2, 3 et 4 exportés (0–1)

SED1 Quantité de sédiments de classe 1 en rivière au 0,001premier jour de simulation (tonne)





Les valeurs ajustées au pas de temps journalier des paramètres de calagede la composante hydrologique du modèle CEQNIT (Boukchina 1994)pour la période juin 1991 à mai 1993 ont servi de point de départ pour lecalage des paramètres de CEQUEAU sur le bassin versant de Lennoxville.

Pour effectuer le calage du modèle MODÉROSS, un jeu deparamètres a d’abord été décidé au début de la simulation. Le paramètred’érosivité annuelle moyenne [ERAN] a été estimé à 1547,04 MJ mm/hah alors que le paramètre donnant la durée de la période sans gel au sol[PERSG] a été fixé à 110 jours. Les paramètres spécifiant les jours juliensdu début de la saison froide [DSF] et de la saison chaude [DSC] ont étéétablis à 274 et 90 respectivement. Les coefficients [FARP1] et [FARP2]pour la relation érosivité-précipitation ont été estimés à 0,107 et 0,183 audébut de la simulation. Les paramètres [DIAM1], [DIAM2], [DIAM3] et[DIAM4] donnant les limites supérieures du diamètre des quatre classesgranulométriques de sédiments en suspension transportés en rivière ontété fixés à 0,05 mm, 0,25 mm, 0,50 mm et 2,0 mm respectivement. Lesparamètres [POSS1], [POSS2], [POSS3] et [POSS4] donnant les propor-tions des sédiments en rivière pour chacune des classes granulométriquesde sédiments en suspension ont été estimés à partir de la distributiongranulométrique des sédiments en suspension de la rivière Eaton située àproximité du bassin versant de Lennoxville (Carson et al. 1973). Ces pro-portions ont été fixées respectivement à 0,64, 0,32, 0,03 et 0,01 au début dela simulation. Les paramètres [SED1], [SED2], [SED3] et [SED4] donnantles masses de sédiments en rivière pour chacune des classes granu-lométriques ont été fixés à 0,001 tonne chacun. Les paramètres[COEFQPT] et [EXPQPT] qui permettent de calculer le ruissellement depointe ont été obtenus à partir d’une courbe qui met en relation les débitsmoyens journaliers et les débits maximums horaires journaliers à l’exu-toire du bassin versant de Lennoxville pour la période d’octobre 1991 àseptembre 1993. L’exposant [EXPQPT] a été établi à 1,062 alors que lecoefficient [COEFQPT] a été établi à 2,143 au début de la simulation.

Le calage final des paramètres des modèles CEQUEAU etMODÉROSS s’est effectué par essais et erreurs, c’est-à-dire par l’analysedes résultats des simulations et modifications successives des paramètresjusqu’à ce que les débits, les concentrations et les charges journalières desédiments en suspension calculés et observés pour les périodes de calage(1991–1992) et de validation (1992–1993) deviennent comparables (cf.tableaux 2 et 3). Des représentations graphiques ont été utilisées pourillustrer ces résultats. La figure 8 compare les débits moyens, les concen-trations moyennes et les charges moyennes de solides en suspensionobservés et simulés sur le bassin versant pour les années hydrologiques1991–1992 et 1992–1993 ainsi que pour la période complète 1991–1993.Ces moyennes annuelles sont présentées avec leur intervalle de confianceà 95 %. Les figures 9 à 14 précisent les résultats des simulations pour despas de temps mensuel et journalier et permettent de localiser les périodesde l’année où la prévision semble problématique. Les critères statistiquesde performance accompagnent ces figures.

458 DUCHEMIN ET AL.

Fig. 8. Comparaison entre les débits, les concentrations et les charges moyennesobservés et simulés à l’exutoire du bassin versant de Lennoxville pour les péri-odes 1991–1992, 1992–1993 et 1991–1993.

Performance de calage et de validation de CEQUEAU

À l’échelle annuelle (Fig. 8A), la valeur moyenne des débits jour-naliers simulés à l’exutoire du bassin versant a atteint 0,010 ± 0,002 m3/set 0,014 ± 0,003 m3/s pour les années hydrologiques 1991–1992 et


1992–1993 respectivement alors que la valeur moyenne des débits jour-naliers simulés pour la période 1991–1993 a atteint 0,012 ± 0,002 m3/s. Lafigure 8A indique que les débits simulés se comparent avantageusementaux débits observés dans l’intervalle de 95 %. Le débit moyen annuel a étésurestimé de 5 % pour l’année hydrologique 1991–1992 alors qu’il a étésurestimé de 8 % pour l’année hydrologique 1992–1993. À l’échelle men-suelle (Fig. 9), l’EAM sur les débits moyens a atteint 0,002 m3/s et 0,004m3/s pour les périodes 1991–1992 et 1992–1993 respectivement. Ces écarts

Fig. 9. Comparaison entre les débits moyens mensuels observés et simulés à l’ex-utoire du bassin versant de Lennoxville pour les périodes de calage (A) et de val-idation (B).

460 DUCHEMIN ET AL.

sont très faibles en comparaison des débits mensuels illustrés sur les his-togrammes de la figure 9. Les coefficients NS et R s’élevaient à 0,87 et 0,94respectivement pour l’année hydrologique 1991–1992 et à 0,92 et 0,97respectivement pour l’année hydrologique 1992–1993.

À l’échelle journalière (Fig. 10), le modèle hydrologique CEQUEAUa bien reproduit les débits journaliers observés à l’exutoire du bassin ver-sant de Lennoxville. L’EAM sur les débits journaliers a atteint 0,005 m3/set 0,008 m3/s pour les périodes 1991–1992 et 1992–1993 respectivement.

Fig. 10. Comparaison entre les débits moyens journaliers observés et simulés àl’exutoire du bassin versant de Lennoxville pour les périodes de calage (A) et devalidation (B).


Ces erreurs sont très faibles si on les compare aux variations des débitsjournaliers sur les hydrogrammes de la figure 10. L’ajustement desparamètres de calage de CEQUEAU a produit un coefficient NS de 0,74 etun coefficient R de 0,86 pour l’année hydrologique 1991–1992 alors queces statistiques indiquent un coefficient NS de 0,67 et un coefficient R de0,82 pour l’année hydrologique 1992–1993. Le synchronisme entre lespointes des hydrogrammes observés et simulés témoigne que les débitsjournaliers ont été prédits avec succès par CEQUEAU. La diminution du

Fig. 11. Comparaison entre les concentrations moyennes mensuelles observées etsimulées à l’exutoire du bassin versant de Lennoxville pour les périodes de calage(A) et de validation (B).

462 DUCHEMIN ET AL.

coefficient NS, du pas de temps mensuel au pas de temps journalier,indique une augmentation du rapport de la variance résiduelle à la vari-ance des débits observés lorsque la période de comparaison augmente.

L’ensemble de ces statistiques témoigne d’une bonne prédiction desdébits mesurés à l’exutoire du bassin versant de Lennoxville pour la péri-ode complète de simulation. La prédiction des débits par CEQUEAU estimpressionnante considérant qu’il s’avère difficile, en modélisationhydrologique, de reproduire les débits des petits bassins versants carceux-ci réagissent rapidement aux événements qui entraînent une modi-

Fig. 12. Comparaison entre les concentrations moyennes journalières observées etsimulées à l’exutoire du bassin versant de Lennoxville pour les périodes de calage(A) et de validation (B).


fication des écoulements de surface. Toutefois, l’examen des débitsmoyens journaliers simulés par CEQUEAU (cf. Fig. 10) révèle une sures-timation des débits d’étiage aux mois de janvier, février, mai et juin. Cetype d’erreur peut provenir d’une mauvaise estimation des températureset des précipitations sur les éléments de calcul du bassin versant et/ouprovenir d’une représentation inadéquate du trajet d’écoulement de l’eaude surface. Rudra et al. (1993), Lopes (1996) et Chaubey et al. (1999)soulignent l’importance d’obtenir une bonne spatialisation des précipita-tions pour la modélisation hydrologique à l’échelle d’un bassin versant.

Fig. 13. Comparaison entre les charges totales mensuelles observées et simulées àl’exutoire du bassin versant de Lennoxville pour les périodes de calage (A) et devalidation (B).

464 DUCHEMIN ET AL.

Le modèle CEQUEAU a donc eu tendance à surestimer les petits débitsjournaliers sur le bassin versant de Lennoxville. Les crues printanières desmois de mars et avril ainsi que les fortes précipitations estivales ont aussiprovoqué une légère hausse des erreurs de simulation. Ces erreursdécoulent de l’imprécision des données d’entrée (i.e., températures, pré-cipitations, débits) et/ou provenir d’une mauvaise réponse deCEQUEAU à l’ajustement de certains paramètres de calage durant cespériodes de l’année (i.e., fonte, infiltration, évaporation).

Fig. 14. Comparaison entre les charges totales journalières observées et simuléesà l’exutoire du bassin versant de Lennoxville pour les périodes de calage (A) et devalidation (B).


Compte tenu du rôle d’avant plan joué par le modèle CEQUEAUdans l’approche de simulation proposée (cf. Fig. 1) et considérant le fluxde variables provenant de la partie hydrologique de CEQÉROSS (cf. Fig.4), la phase de calage et de validation de CEQUEAU a des répercussionsdirectes sur le calage et la validation du modèle d’érosion hydrique et detransport des sédiments en suspension MODÉROSS. La simulation dutransport des sédiments sera d’autant plus efficace que la simulationhydrologique aura été bien réussie.

Performance de calage et de validation de MODÉROSS

La valeur moyenne des concentrations journalières de solides en sus-pension simulées à l’exutoire du bassin versant de Lennoxville a atteint63,6 ± 4,4 mg/L pour l’année hydrologique 1991–1992 et 82,5 ± 7,0 mg/Lpour l’année hydrologique 1992–1993 alors que la valeur moyenne desconcentrations journalières observées atteignait 69,8 ± 6,6 mg/L et 68,9 ±8,5 mg/L respectivement pour ces mêmes années (Fig. 8B). La concentra-tion moyenne annuelle pour l’année hydrologique 1991–1992 a été sous-estimée de 9 % alors qu’elle a été surestimée de 20 % pour l’annéehydrologique 1992–1993. La figure 8B indique que les concentrationsmoyennes simulées pour les années 1991–1992 et 1992–1993 s’écartent desintervalles de confiance à 95 % des concentrations moyennes observées.Toutefois, la concentration moyenne de 72,8 ± 4,2 mg/L simulée pour lapériode 1991–1993 occupe l’intervalle de confiance à 95 % de la valeurmoyenne observée à 69,3 ± 5,3 mg/L. À l’échelle mensuelle (Fig. 11),l’EAM sur les concentrations moyennes mensuelles a atteint 14,9 mg/L et32,9 mg/L pour les périodes 1991–1992 et 1992–1993 respectivement. Cesécarts mensuels sont faibles en comparaison de la variation des concen-trations mensuelles illustrées à la figure 11. Les coefficients NS et R s’éle-vaient à 0,44 et 0,72 respectivement pour l’année hydrologique 1991–1992et à 0,24 et 0,59 respectivement pour l’année hydrologique 1992–1993. Lesconcentrations des mois de janvier à mars 1993 sont en partie respon-sables des fortes différences obtenues pour la période de validation. Defaçon générale, les écarts entre les concentrations moyennes mensuellesobservées et simulées présentent une variation temporelle qui s’oppose àcelle des débits moyens mensuels.

Les concentrations moyennes journalières de solides en suspensionsimulées pendant la période 1991–1993 demeurent dans l’ordre degrandeur des concentrations observées à l’exutoire du bassin versant (Fig.12). L’EAM a atteint 41,6 mg/L pour l’année 1991–1992 et 54,8 mg/L pourl’année 1992–1993. Ces erreurs sont relativement faibles si on les compareaux variations des concentrations journalières illustrées sur les sédimen-togrammes de la figure 12. Cependant, l’examen des sédimentogrammesrévèle que le modèle reproduit difficilement les pointes des concentra-tions journalières au cours de la période d’octobre 1991 à septembre 1993.Ces écarts résultent souvent d’une détermination imprécise du trajet d’é-coulement de l’eau de surface qui a pour effet d’avancer ou de retarderl’apport de sédiments au ruisseau. L’ajustement des paramètres de calagede MODÉROSS a donné un coefficient NS de -0,11 et un coefficient R de

466 DUCHEMIN ET AL.

0,24 pour l’année hydrologique 1991–1992 alors que ces statistiquesindiquent un coefficient NS de -0,18 et un coefficient R de 0,32 pour l’an-née hydrologique 1992–1993. Ces résultats ne surprennent guère puisquela variabilité naturelle des sédiments en suspension rend difficile le calageà court terme des modèles de transport sur les petits bassins versants. Lesnombreuses pointes qui caractérisent l’évacuation des débits et des sédi-ments en suspension témoignent de la réponse rapide du bassin versantde Lennoxville aux changements climatiques, hydrologiques et d’utilisa-tion du territoire survenus pendant la période d’octobre 1991 à septembre1993. De plus, l’évaluation de la performance de prédiction journalièred’un modèle à l’aide du coefficient NS demeure soumise aux séries dedonnées présentant plusieurs pointes successives (ASCE 1993). Une mau-vaise prédiction des débits pour certaines périodes critiques de l’annéecontribue également à fausser la prédiction des concentrations de sédi-ments en suspension durant l’année.

Ces statistiques témoignent d’une faible prédiction des concentra-tions de solides en suspension à l’exutoire du bassin versant deLennoxville durant la période 1991–1993 comparativement aux débitsprédits par CEQUEAU. La comparaison des concentrations observées etsimulées suggère des erreurs associées à l’imprécision des données d’en-trée (i.e., précipitations, débits, sédiments en suspension) et/ou à unemauvaise réponse du modèle MODÉROSS suite à l’ajustement desparamètres de calage (i.e., érosivité, érodabilité, dimension et proportiondes sédiments en rivière, influence des activités agricoles).

L’évaluation de la performance de MODÉROSS à reproduire le trans-port des sédiments en suspension à l’exutoire du bassin versant deLennoxville demande également d’examiner les charges annuelles, men-suelles et journalières simulées. La valeur moyenne des charges journa-lières de solides en suspension simulées pour la période 1991–1993 aatteint 0,120 ± 0,021 t/j. La moyenne annuelle des charges journalières desédiments en suspension simulées à l’exutoire du bassin versant deLennoxville a atteint 0,077 ± 0,018 t/j pour l’année hydrologique1991–1992 et 0,162 ± 0,037 t/j pour l’année hydrologique 1992–1993 (Fig.8C). Les charges sédimentaires observées pour ces mêmes périodes s’éle-vaient à 0,085 tonne et 0,153 tonne respectivement. La charge moyenneannuelle observée a donc été sous-estimée de 9 % pour l’annéehydrologique 1991–1992 alors qu’elle a été surestimée de 6 % pour l’annéehydrologique 1992–1993. Toutefois, les charges moyennes simulées pourles périodes 1991–1992, 1992–1993 et 1991–1993 s’inscrivent à l’intérieurdes intervalles de confiance à 95 % des charges moyennes observées.

À l’échelle mensuelle (Fig. 13), l’EAM sur les charges totales a atteint1,113 t/mois et 1,859 t/mois pour les périodes 1991–1992 et 1992–1993respectivement. Les coefficients NS et R s’élevaient à 0,75 et 0,89 respec-tivement pour l’année hydrologique 1991–1992 et à 0,91 et 0,97 respec-tivement pour l’année hydrologique 1992–1993. À l’échelle journalière(Fig. 14), le modèle MODÉROSS a bien reproduit les charges totalesobservées à l’exutoire du bassin versant. La plupart des pointes journal-ières ont été prédites avec succès. L’EAM sur les charges totales journal-


ières a atteint 0,067 t et 0,120 t pour les périodes 1991–1992 et 1992–1993respectivement. Ces erreurs sont faibles si on les compare aux variationsdes charges journalières de la figure 14. L’ajustement des paramètres decalage de MODÉROSS a donné un coefficient NS de 0,38 et un coefficientR de 0,65 pour l’année hydrologique 1991–1992 alors que ces statistiquesont donné un coefficient NS de 0,42 et un coefficient R de 0,65 pour l’an-née hydrologique 1992–1993.

Ces statistiques de performance témoignent d’une bonne prédictiondes charges journalières et mensuelles de sédiments en suspensionobservées à l’exutoire du bassin versant de Lennoxville. L’évolution descharges simulées présente cependant des fluctuations qui témoignent dela variabilité naturelle du transport sédimentaire au cours de la période1991–1993. Les crues printanières des mois de mars et avril ainsi que lesfortes précipitations estivales ont provoqué une légère hausse de l’erreurde simulation. Un petit bassin versant agricole comme celui deLennoxville ne possède pas l’effet tampon nécessaire (i.e., effet cumulatif)pour régulariser la qualité de ses eaux et faciliter l’estimation journalièredes charges sédimentaires transportées en périodes critiques. Ferguson(1987) a reconnu que la variabilité naturelle du transport des sédiments ensuspension réduit l’exactitude et la précision de l’estimation des chargessédimentaires évacuées à l’exutoire des bassins versants.

Évolution temporelle des charges sédimentaires

La figure 15 montre que la courbe d’évolution des charges journa-lières cumulées simulée par CEQÉROSS se compare avantageusement àla courbe des charges journalières cumulées observée à l’exutoire dubassin versant de Lennoxville pendant la période 1991–1993. Ces courbesprésentent des évolutions temporelles similaires caractérisées par laprésence de paliers qui témoignent d’une réponse rapide du bassin ver-sant aux changements climatiques, hydrologiques et d’utilisation du ter-ritoire. Ces paliers marquent d’ailleurs les endroits où se retrouvent lesprincipaux écarts entre les charges observées et simulées. Les écarts lesplus importants se manifestent à l’automne 1992, à l’hiver 1993 et à l’été1993. L’écart de l’hiver 1993 (janvier-février-mars) présente une chargesimulée supérieure à celle observée car les débits et les concentrations desédiments en suspension simulés durant cette saison ont été nettementsupérieurs à ceux observés (cf. Fig. 10 et 12). La pente des paliers indiqueque la période de transition entre les périodes de pointes simulées parCEQÉROSS est moins abrupte que celle observée. Les simulations ontdonc eu tendance à régulariser l’évacuation des charges solides entre lesépisodes critiques de l’année.

Les charges sédimentaires simulées à l’exutoire du bassin versanttotalisaient 27,5 t/an et 54,1 t/an pour les années hydrologiques1991–1992 et 1992–1993 respectivement. Rapportées à l’échelle du bassinversant (i.e., 78 ha), ces charges simulées conduisent à des taux annuelsd’érosion nette de 0,4 t/ha et 0,7 t/ha respectivement. Ces valeurs se com-parent aux charges totales de 30,3 t/an (0,4 t/ha) et 51,3 t/an (0,7 t/ha)observées durant ces périodes. Les charges totales simulée et observée

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Fig.

15.

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3.


pour la période 1991–1993 ont donc atteint 81,7 t et 81,6 t respectivement,soit un taux d’érosion nette similaire d’environ 0,5 t/ha par an.

La figure 15 indique également que la majeure partie de la chargesédimentaire évacuée du bassin versant de Lennoxville pendant la péri-ode d’octobre 1991 à septembre 1993 est survenue lors de la crue du prin-temps 1993 où, en l’espace de 30 jours, la charge cumulée observée s’estaccrue de 32 tonnes (ou 25 tonnes pour la simulation), ce qui correspondà 40 % (ou à 31 % pour la simulation) de la charge totale cumulée pendantla période 1991–1993. L ’évacuation de la charge sédimentaire lors de lacrue du printemps 1992 a été moins importante avec près de 20 % de lacharge totale de l’année hydrologique 1991–1993. Les deux crues prin-tanières de la période 1991–1993 ont donc contribué, à elles seules, à l’ex-portation de 60 % de la charge totale des sédiments en suspension dubassin versant de Lennoxville en seulement 8,2 % du temps (i.e., 60 jours).Ces résultats montrent que les simulations effectuées avec CEQÉROSS ontbien reproduit la nature épisodique du transport des sédiments en sus-pension à l’exutoire du bassin versant de Lennoxville pendant la période1991–1993.

Conclusions

L’étude de l’érosion hydrique et du transport des sédiments en sus-pension à l’échelle des bassins versants exige l’emploi d’outils d’analysede plus en plus sophistiqués. L’approche géomatique de simulationprésentée dans cette article s’insère dans une méthodologie de rechercheaxée sur l’utilisation conjointe de la modélisation hydrologique et des sys-tèmes d’information géographique. Elle fait intervenir le SIG IDRISI, lemodèle hydrologique CEQUEAU et le modèle d ’érosion MODÉROSS. Leproduit de ce couplage, CEQÉROSS, permet de reproduire, au pas detemps journalier, l’écoulement de l’eau, l’érosion hydrique et le transportdes sédiments en suspension à l’échelle des petits bassins versants. Cetteapproche permet une spatialisation des caractéristiques physiographiques,hydrologiques, climatiques et anthropiques du bassin versant et tientcompte des conditions en milieu nordique. De plus, elle s’accommode demodifications éventuelles dans l’utilisation du sol afin de pouvoir simulerles impacts des scénarios de gestion du territoire.

L’application de CEQÉROSS sur un bassin versant du Québec adémontré que l’approche géomatique de simulation proposée permet d’ef-fectuer adéquatement un suivi, en continu, de l’érosion hydrique et dutransport sédimentaire à l’échelle d’un petit bassin versant agricole. Lesrésultats obtenus s’avèrent prometteurs en ce qui concerne l’utilisation ducouplage technologique IDRISI-CEQUEAU-MODÉROSS pour les étudesagroenvironnementales. Les différences entre les valeurs observées etsimulées des débits, des concentrations et des charges de sédiments en sus-pension pendant la période 1991–1993 peuvent provenir de plusieurssources d’imprécision relatives à la modélisation par CEQUEAU etMODÉROSS. L’extraction de variables spatiales par le SIG IDRISI et le

470 DUCHEMIN ET AL.

calage des paramètres des modèles constituent sûrement les étapes opéra-tionnelles les plus susceptibles d’engendrer ces différences. L’applicationde CEQÉROSS à d’autres petits bassins versants permettra d’évaluerdavantage la performance de prédiction du modèle, d’améliorer les algo-rithmes d’érosion et de production des sédiments au sol et en rivière et devérifier la pertinence de certains paramètres de calage.

Références

Alonso CV, Neibling WH, Foster GR. 1981. Estimating sediment transport capac-ity in watershed modeling. Trans. ASAE 24:1211–1220.

Arnold JG, Williams JR, Srinivasan R, King KW. 1995. SWAT — Soil and WaterAssessment Toll, User manual. Texas Agricultural Expriment Station,Blackland Research Center, Temple.

A.S.C.E. 1993. Criteria for evaluation of watershed models. J. Irrig. Drain. Div.ASCE 119:429–442.

Birot P. 1981. Les processus d’érosion à la surface des continents. Masson, Paris.Boukchina R. 1994. Caractérisation et modélisation du nitrate sur un bassin ver-

sant agricole au Québec. Thèse de Doctorat, Faculté des Sciences del’Agriculture et de l’Alimentation, Université Laval, Québec.

Boukchina R, Lagacé R, Salehi F, Pesant A, Gallichand J, Cluis D. 1992. Mesure dedébits et de la qualité de l’eau d’un petit bassin versant agricole, p. 29–54. DansGallichand J (éd.), Gestion et qualité de l’eau des bassins versants agricoles,16ème Colloque de génie rural, Département de Génie rural, Université Laval.

Bouraoui F, Dillaha TA. 1996. ANSWERS-2000: Runoff and sediment tranportmodel. J. Environ. Eng. 122:493–502.

Brandt CJ, Thornes JB. 1987. Erosional energetics, Chapter 3, p. 51–87. DansGregory KJ (ed.), Energetics of physical environment. John Wiley & Sons.

Cann DB, Lajoie P. 1943. Étude des sols des comtés de Stanstead, Richmond,Sherbrooke et Compton. Publication 742, Bulletin technique 45, Dominiondu Canada, Ministère de l’Agriculture.

Carson MA, Taylor CH, Grey BJ. 1973. Sediment production in a smallAppalachian watershed during spring runoff: The Eaton basin, 1970–1972.Can. J. Earth Sci. 10:1707–1734.

Chaubey I, Haan CT, Grunwald S, Salisbury JM. 1999. Uncertainty in the modelparameters due to spatial variability of rainfall. J. Hydrol. 220:48–61.

Cluis D, Martz L, Quentin E, Rechatin C. 1996. Coupling GIS and DEM to classi-fy the Hortonian pathways of non-point sources to the hydrographic net-work, p. 7–44. HydroGIS 96: Application of geographic information systemsin hydrology and water resources management. Proceedings of the ViennaConference, April 1996. IAHS Publication No. 235.

Comité Sénatorial du Canada. 1984. Nos sols dégradés; le Canada comprometson avenir, Rapport sur la conservation des sols. Comité sénatorial perma-nent de l’agriculture, des pêcheries et des forêts, Gouvernement du Canada,Ottawa.

Cook DJ, Dickinson WT, Rudra RP. 1985. GAMES. Guelph model for evaluatingthe effects of agricultural management systems on erosion and sedimenta-tion. User’s manual. Technical Report No.126-71. School of Engineering,University of Guelph, Ont.

Côté D, Bernard C. 1993. Conservation des sols et de l’eau. Agrosol 6:20–28.Desmet PJJ, Govers G. 1996. A GIS procedure for automatically calculating the


USLE LS factor on topographically complex landscape units. J. Soil WaterConserv. 51:427–433.

Duchemin M. 2000. Approche géomatique pour simuler l’érosion hydrique et letransport des sédiments à l’échelle des petits bassins versants agricoles.Thèse de Doctorat, Institut national de la recherche scientifique, INRS-EAU,Université du Québec, Sainte-Foy, Québec.

Dupont J, Smitz J, Rousseau AN, Mailhot A, Gangbazo G. 1998. Utilisation desoutils numériques d’aide à la décision pour la gestion de l’eau. Revue desSciences de l’Eau 11:5–18.

Eastman RJ. 1997. IDRISI for Windows, Users guide, Version 2.0. Clark University,Graduate School of Geography, Worcester, MA.

Environnement Canada. 1993. Normales climatiques au Canada (1961–1990) :Québec. Publication du Programme climatologique canadien,Environnement Canada, Service de l’environnement atmosphérique.

Ferguson RI. 1987. Accuracy and precision of methods for estimating river load.Earth Surf. Processes Landforms 12:95–104.

Finkner SC, Nearing MA, Foster GR, Gilley JE. 1989. A simplified equation formodeling sediment transport capacity. Trans. ASAE 32:1545–1550.

Foster GR, Meyer LD. 1972. Transport of soil particles by shallow flow. Trans.ASAE 15:99–102.

Foster GR, Meyer LD, Onstad CA. 1977. A runoff erosivity factor and variableslope length exponents for soil loss estimates. Trans. ASAE 20:683–687.

Foster GR, McCool DK, Renard KG, Moldenhauer WC. 1981. Conversion of theuniversal soil loss equation to SI metric units. J. Soil Water Conserv.36:355–359.

Gangbazo G. 1997. Contrôle de la pollution diffuse agricole par l’approche desobjectifs environnementaux de rejet. Vecteur Environnement 30:25–31.

Gangbazo G, Quentin ME, Cluis D, Bernard C. 1991. Cartes de vulnérabilité àl’érosion hydrique du sol obtenues par géomatique sur le bassin duRuisseau-des-Anges. INRS-Eau et Ministère de l’Environnement du Québec,rapport d’étape no.1, avril 1991.

Gangbazo G, Cluis D, Bernard C. 1994. Contrôle de la pollution diffuse agricoleà l’échelle du bassin versant. Sciences et Techniques de l’Eau 27:33–39.

Guy BT, Dickinson WT, Rudra RP. 1992. Evaluation of fluvial sediment transportequations for overland flow. Trans. ASAE 35:545–555.

Lagacé R. 1980. L’équation universelle de pertes de sols : un outil, p. 37–60. DansLagacé R (éd.), Érosion et conservation des sols, 8ème Colloque de génie rural,Département de génie rural, Université Laval, Québec.

Legates DR, McCabe GJ. 1999. Evaluating the use of “goodness-of-fit” measuresin hydrologic and hydroclimatic model validation. Water Resour. Res.35:233–241.

Lopes VL. 1996. On the effect of uncertainty in spatial distribution of rainfall oncatchment modelling. Catena 28:107–119.

Martz LW, Garbrecht JD. 1992. Numerical definition of drainage network andsubcatchment areas from digital elevation models. Computers Geosc.18:747–761.

McCool DK, Foster GR, Weesies GA. 1997. Slope length and steepness factor(LS), Chapter 4, p. 105–129. Dans Predicting soil erosion by water: A guide toconservation planning with the revised universal soil loss equation (RUSLE).USDA-ARS, Agricultural Handbook No. 703.

Meyer LD, Wischmeier WH. 1969. Mathematical simulation of the processes ofsoil erosion by water. Trans. ASAE 12:754–758.

472 DUCHEMIN ET AL.

Millward AA, Mersey JE. 1999. Adapting the RUSLE to model soil erosion poten-tial in a mountainous tropical watershed. Catena 38:109–129.

Morgan RPC, Quinton JN, Smith RE, Govers G, Poesen JWA, Auerswald K,Chisi G, Torri D, Styczen ME, Folly AJV. 1998. The European soil erosionmodel (EUROSEM): documentation and user guide, Version 3.6, July 1998.Silsoe College, Cranfield University, UK.

Morin G, Paquet P, Sochanski W. 1995. Le modèle de simulation de quantité etde qualité CEQUEAU: Guide de l’utilisateur, Version 2.0 pour DOS. INRS-Eau, rapport de recherche no.434.

Nash JE, Sutcliffe JV. 1970. Riverflow forescating through conceptuel model. J.Hydrol. 10:282–291.

Nearing MA. 1997. A single, continuous function for slope steepness influence onsoil loss. Soil Sci. Soc. Am. J. 61:917–919.

Needham S, Vieux B. 1989. A GIS for AGNPS parameter input and mappingouput. ASAE paper no.89-673.

Nivesse X. 1993. Application du modèle AGNPS au bassin de Lennoxville.Rapport de stage, Diplôme d’agronomie appronfondie, École NationaleSupérieure Agronomique de Rennes, Génie de l’environnement et InstitutNational de la Recherche Scientifique (INRS-Eau).

Perrone J, Madramootoo CA. 1997. Use of AGNPS for watershed modeling inQuebec. Trans. ASAE 40:1349–1354.

Pesant A. 1990. Ruissellement et érosion des surfaces cultivées, p. 89–100.Colloque sur la conservation de l’eau en milieu agricole, Québec, 12 et 13février 1990, Conseil des productions végétales du Québec, Ministère de l’a-griculture, des pêcheries et de l’alimention du Québec.

Powersoft 1996. Watcom FORTRAN 77, version 11. Sybase, Inc.Renard KG, Foster GR, Weesies GA, McCool DK, Yoder DC. 1997. Predicting

soil erosion by water: A guide to conservation planning with the revised uni-versal soil loss equation (RUSLE). Agricultural handbook 703, U.S.Department of Agriculture, Agricultural Research Service, Washington DC.

Rewerts CC, Engel BA. 1991. ANSWERS on GRASS: Integrating a watershed sim-ulation with a GIS. International Winter Meeting, American Society ofAgricultural Engineers, Chicago, IL. Paper No. 91–2621.

Richardson CW, Foster GR, Wright DA. 1983. Estimation of erosion index fromdaily rainfall amount. Transaction ASAE 26:153–157.

Rudra RP, Dickinson WT, Von Euw EL. 1993. The importance of precise rainfallinputs in nonpoint source pollution modeling. Trans. ASAE 36:445–450.

Salehi F. 1989. Validation de l’équation universelle de perte de sol pour le Québecet mesure de quelques facteurs C et K. Mémoire de maîtrise, Facuté des sci-ences de l’agriculture et de l’alimentation, Université Laval, Québec.

Salehi F. 1996. Mesure et modélisation des sédiments d’un petit bassin versantagricole. Thèse de Doctorat, Facuté des sciences de l’agriculture et de l’ali-mentation, Université Laval, Québec.

Salehi F, Lagacé R, Pesant AR. 1997. Construction of a year-round operatinggauging station for sediment and water quality measurements of smallwatersheds. J. Soil Water Conserv. 52:431–436.

Savabi MR, Klik A, Grulich K, Mitchell JK, Nearing MA. 1996. Application ofWEPP and GIS on small watersheds in USA and Austria, p. 469–476.HydroGIS 96: Application of geographic information systems in hydrologyand water resources management. Proceedings of the Vienna Conference,April 1996, IAHS Publication No.235.


Selker JS, Haith DA, Reynolds JE. 1990. Calibration and testing of a daily rainfallerosivity model. Trans. ASAE 33:1612–1618.

Srinivasan R, Engel BA. 1994. A spatial decision support system for assessingagricultural nonpoint source pollution. Water Resour. Bull. 30:441–452.

Stöckel CO, Nelson RL. 1996. CropSyst user’s manual (Version 2.0). BiologicalSystems Engineering Dept., Washington State University, Pullman, WA.

Tim US, Jolly R. 1994. Evaluating agricultural nonpoint-source pollution usingintegrated geographic information systems and hydrologic/water qualitymodel. J. Environ. Qual. 23:25–35.

U.S.D.A. 1995. Water erosion prediction project : WEPP technical documentation.U.S. Department of Agriculture, NSERL Report No.10, July 1995, NationalSoil Erosion Research Laboratory, USDA-ARS-MWA, 1196 SOIL Building,West Lafayette..

U.S.D.A. 1998. AGNPS98, United State Department of Agriculture, ARS —National Sedimentation Laboratory. Site Internet http://www.sedlab.olemiss.edu/AGNPS98.html.

Villeneuve JP, Hubert P, Mailhot A, Rousseau AN. 1998. La modélisationhydrologique et la gestion de l’eau. Revue des Sciences de l’Eau 11:19–39.

Williams JR. 1995. The EPIC model, Chapter 25, p. 909–1000. Dans Singh VP (éd.),Computer models of watershed hydrology. Water Resources Publications,Littleton, CO.

Wischmeier WH, Smith DD. 1978. Predicting rainfall erosion losses: A guide toconservation planning. Agricultural handbook 537, U.S. Department ofAgriculture, Washington, DC.

Yalin YS. 1963. An expression for bed-load transportation. J. Hydraul. ASCE 89:221–250.

Young RA, Römkens MJM, McCool DK. 1990. Temporal variations in soil erodi-bility. Catena 17:41–53.

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