L'hydrologie, une partenaire de la géomorphopédologie · PDF...
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BA SE Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 2011 15(S2), 699-707 L’hydrologie, une partenaire de la géomorphopédologie pour une gestion transéchelle des grands enjeux environnementaux Aurore Degré, Catherine Sohier, François Colard, Nora Kummert, Alexandra Bauwens, Julie Rauw, Eléonore Beckers Univ. Liège - Gembloux Agro-Bio Tech. Unité d’Hydrologie et Hydraulique agricole. Passage des Déportés, 2. B-5030 Gembloux (Belgique). E-mail : [email protected] La zone insaturée du sol et du sous-sol est souvent qualifiée de zone critique, étant donné son rôle d’interfaçage entre les compartiments aérien et souterrain de notre environnement. Dans les thématiques du transfert des solutés ou de la conservation des eaux et des sols, les recherches d’hydrologie et d’hydraulique agricole s’appuient sur les informations pédologiques et ce, depuis une échelle extrêmement locale jusqu’à la vision régionale de la gestion environnementale. La dérivation des paramètres hydrodynamiques depuis les descriptions pédologiques des sols permet à l’hydrologue de quantifier et de représenter spatialement la dynamique des échanges eau-sol-végétation-atmosphère, les déplacements de l’eau dans le sol et la zone vadose ainsi que les déplacements et les transformations des solutés. Les recherches présentées ici couvrent la modélisation hydrologique physiquement basée à l’échelle régionale qui vise l’analyse prospective (au-delà de 2020) des mesures envisagées pour limiter les pollutions diffuses d’origine agricole, tout comme des modélisations physiques détaillées en sites expérimentaux. L’érosion hydrique des sols est un autre enjeu majeur de gestion environnementale. Le sol étant une ressource peu renouvelable, les techniques de conservation des sols et l’aménagement hydraulique des bassins versants ruraux nécessitent la plus grande considération. Elles sont un outil supplémentaire de limitation des apports au cours d’eau (tant en termes de sédiments qu’en termes de nutriments). Là encore, les descriptions pédologiques permettent de cibler les sols les plus sensibles. De plus, les cartes des sols qui incluent une interprétation géomorphologique permettent de confronter les modèles d’arrachement, de transport et de dépôt de sédiments aux observations des pédologues faites lors des premiers levés et actuellement en cours. On démontre ainsi que dans le contexte actuel et crucial de préservation des ressources eau et sol, l’hydrologie et la science du sol sont réaffirmées comme des partenaires forts de gestion des grands enjeux environnementaux. Mots-clés. Hydrologie, géomorphologie, pédologie, relations eau-sol-plante, érosion, nitrate, modèle de simulation, Belgique. Hydrology: a partner of geomorphopedology in the scope of a scale-through environmental management. Unsaturated soil and subsoil are often called “critical zone” considering their major interfacing role in our environment. Dealing with solute transfer or water and soil conservation, hydrologic research relies on pedologic descriptions. It is the case from micro to macro scale analysis. Hydrodynamic parameters are derived from pedologic information on soil. They allow hydrologists to quantify and spatially describe the dynamic exchanges between water, soil, crops and atmosphere. The modelling of water and solute transfer through soil and vadose zone also needs them. The paper presents some research highlights on soil behaviour, hydrological modelling and forecasting under climate change. Erosion is another major topic. Soil is a poorly renewable resource. Soil conservation and soft hydraulic management in watersheds deserve more attention. They can help limiting nutrient and sediment transfer to surface water. Again, pedologic information is the starting point of conceptualization and modelling. Furthermore, the Soil Map of Belgium includes information on geomorphology and landscape descriptions which date from decades. They are of first importance to calibrate and validate detachment, transport and sedimentation models. In the current context of high environmental concern, it is demonstrated how hydrology and pedology have to be partners in order to deal with such major issues. Keywords. Hydrology, geomorphology, soil sciences, water-soil-plant relationships, erosion, nitrate, simulation models, Belgium.
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BASE Biotechnol. Agron. Soc. Environ.201115(S2),699-707
L’hydrologie,unepartenairedelagéomorphopédologiepourunegestiontranséchelledesgrandsenjeuxenvironnementauxAuroreDegré,CatherineSohier,FrançoisColard,NoraKummert,AlexandraBauwens,JulieRauw,EléonoreBeckersUniv.Liège-GemblouxAgro-BioTech.Unitéd’HydrologieetHydrauliqueagricole.PassagedesDéportés,2.B-5030Gembloux(Belgique).E-mail:[email protected]
Lazoneinsaturéedusoletdusous-solestsouventqualifiéedezonecritique,étantdonnésonrôled’interfaçageentre lescompartimentsaérienetsouterraindenotreenvironnement.Danslesthématiquesdutransfertdessolutésoudelaconservationdes eaux et des sols, les recherches d’hydrologie et d’hydraulique agricole s’appuient sur les informations pédologiqueset ce, depuis une échelle extrêmement locale jusqu’à la vision régionale de la gestion environnementale. La dérivationdesparamètreshydrodynamiquesdepuis les descriptionspédologiquesdes sols permet à l’hydrologuedequantifier et dereprésenter spatialement ladynamiquedeséchangeseau-sol-végétation-atmosphère, lesdéplacementsde l’eaudans le solet lazonevadoseainsique lesdéplacementset les transformationsdes solutés.Les recherchesprésentées ici couvrent lamodélisationhydrologiquephysiquementbasée à l’échelle régionalequivise l’analyseprospective (au-delàde2020)desmesuresenvisagéespourlimiterlespollutionsdiffusesd’origineagricole,toutcommedesmodélisationsphysiquesdétailléesensitesexpérimentaux.L’érosionhydriquedessolsestunautreenjeumajeurdegestionenvironnementale.Lesolétantuneressourcepeurenouvelable,lestechniquesdeconservationdessolsetl’aménagementhydrauliquedesbassinsversantsrurauxnécessitentlaplusgrandeconsidération.Ellessontunoutilsupplémentairedelimitationdesapportsaucoursd’eau(tantentermesdesédimentsqu’entermesdenutriments).Làencore,lesdescriptionspédologiquespermettentdeciblerlessolslesplus sensibles.Deplus, lescartesdes solsqui incluentune interprétationgéomorphologiquepermettentdeconfronter lesmodèlesd’arrachement,detransportetdedépôtdesédimentsauxobservationsdespédologuesfaiteslorsdespremierslevésetactuellementencours.Ondémontreainsiquedanslecontexteactueletcrucialdepréservationdesressourceseauetsol,l’hydrologieetlasciencedusolsontréaffirméescommedespartenairesfortsdegestiondesgrandsenjeuxenvironnementaux.Mots-clés.Hydrologie,géomorphologie,pédologie,relationseau-sol-plante,érosion,nitrate,modèledesimulation,Belgique.
Hydrology: a partner of geomorphopedology in the scope of a scale-through environmental management. Unsaturatedsoilandsubsoilareoftencalled“criticalzone”considering theirmajor interfacing role inourenvironment.Dealingwithsolutetransferorwaterandsoilconservation,hydrologicresearchreliesonpedologicdescriptions.Itisthecasefrommicrotomacroscaleanalysis.Hydrodynamicparametersarederivedfrompedologicinformationonsoil.Theyallowhydrologiststoquantifyandspatiallydescribethedynamicexchangesbetweenwater,soil,cropsandatmosphere.Themodellingofwaterandsolutetransferthroughsoilandvadosezonealsoneedsthem.Thepaperpresentssomeresearchhighlightsonsoilbehaviour,hydrologicalmodelling and forecastingunder climate change.Erosion is anothermajor topic.Soil is a poorly renewableresource.Soil conservationand softhydraulicmanagement inwatershedsdeservemoreattention.Theycanhelp limitingnutrientandsedimenttransfertosurfacewater.Again,pedologicinformationisthestartingpointofconceptualizationandmodelling.Furthermore,theSoilMapofBelgiumincludesinformationongeomorphologyandlandscapedescriptionswhichdatefromdecades.Theyareoffirstimportancetocalibrateandvalidatedetachment,transportandsedimentationmodels.Inthecurrentcontextofhighenvironmentalconcern,itisdemonstratedhowhydrologyandpedologyhavetobepartnersinordertodealwithsuchmajorissues.Keywords. Hydrology, geomorphology, soil sciences, water-soil-plant relationships, erosion, nitrate, simulation models,Belgium.
700 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201115(S2),699-707 DegréA.,SohierC.,ColardF.etal.
1. IntroductIon
Le sol et le sous-sol non saturés sont une zonecritiqued’interfaçagedesdifférentscompartimentsdel’environnement,tantconcernantlesfluxd’eauetleursinteractionsaveclasolutiondusolqueconcernantlesfluxgazeux.
Chaqueéchelledeperceptionpeutcontribueràunemeilleure compréhension des processus intervenantauseindessystèmeseau-sol-plante.L’articleprésentesuccinctementunpaneldetechnologiesd’investigationutiliséesauseindel’Unitéd’HydrologieetHydrauliqueagricole de Gembloux Agro-Bio Tech, Universitéde Liège. Les activités de cette unité sont centréessur le monitoring et la modélisation des flux d’eau,desolutésetdesédimentsàdifférenteséchelles.Lestechniquesdemonitoringoud’acquisitiondedonnéesvisent unemeilleure perception et quantification desprocessus, tandis que les techniques demodélisationvisent à représenter les systèmes afin de mener desétudesprospectivesparticulièrementnécessairesauvudes pressions environnementales présentes et à venirpesant sur les sols, l’atmosphère et les ressources eneau.
2. PHysIque des sols, PartItIon des flux d’eau, structure
L’évolution des pratiques culturales vers unesimplification des itinéraires techniques est en pleinessor et conduit actuellement à des conclusionsdivergentes quant à leurs effets sur la porosité et lesparamètres hydrodynamiquesdu sol (Cousin et al., 2004).Ce paragraphe aborde lacomparaison de la structuredu sol cultivé en fonction del’itinéraire mécanique appli-qué et cela, au moyen dedeux techniques différentes:la mesure de la relationpression-teneur en eau et lamicrotomographie à rayonsX(Beckersetal.,2010a).
Une étude a pris place surun site d’essai long terme àGentinnes (Brabant Wallon,Belgique) au sein duquel,depuis 2004, certainesparcelles sont travaillées enlabour alors que d’autres lesontentravailculturalsimplifié(TCS).Cedernier consiste enun semis après déchaumagesur 10cm. Le sol est de type
Aba(b)1, la rotation est betterave– froment d’hiver.Un échantillonnage de sols a été réalisé en mars2010. Vingt échantillons en structure conservée ontétéprélevésdanslapartiesupérieuredel’horizonAp.Dixd’entreeuxontétéscannésaumicrotomographeà rayonsX [Skyscan-1172 high-resolution desk-topmicro-CT system (Skyscan, Kontich, Belgium)]. Laconfigurationdelacaméraetladistancesource-objet-caméra ont été ajustées pour obtenir une résolutionde 17µm. Cette résolution permet de visualiserunegamme importantede taillesdepores reliés à laméso-ouàlamacroporosité.Laporositéaétéanalyséeà travers des facteurs de distribution de la taille despores,deleurorientation,connectivité,etc.
Les premiers résultats relatifs à l’analyse endeux dimensions montrent une différenciation de ladistributiondesporesdegrandetaille(D>1000µm)enfonctiondel’orientationdescoupesenTCS,tandisqu’aucunetendancenettenesedégagepourlelabour.L’analyse en trois dimensions a permis de nuancerces résultats. Il semble en effet que la porosité enlaboursoitplusdéveloppéeverticalementet,enTCS,au contraire, plus horizontalement.Deplus, le degréd’anisotropieestglobalementplusélevépourlelabourquepourleTCS.Parailleurs,laconnectivitéduréseauporal apparait plus importante en labour qu’en TCS(Beckersetal.,2010b).
La deuxième moitié des échantillons a permisl’obtentiondescourbesdepFprésentéesàlafigure 1(appareildeRichardsjusqu’àunpFde4,2).Iciaussi,les résultats font preuve d’une grande variabilité enlabour, tandis que le comportement des échantillonsenTCSestbeaucoupplushomogène.Cescourbesde
Teneur en eau volumétrique (%)
pF
Labour moyen
TCS moyen
IC (95 %) Labour
IC (95 %) TCS
24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
figure 1.Comparaisondes courbesde rétention selondeux itinéraires techniques :technique culturale simplifiée (TCS) et labour (n = 5)—Comparison of retention curves depending on two agricultural practices: conservationnal technics (TCS) and ploughing (n = 5).
L’hydrologieetlesgrandsenjeuxenvironnementaux 701
rétentionnouspermettentparailleursdeconstaterquelaréserveutilepourlaplanteestsignificativementplusimportante enTCS dans l’horizonAp. Cettemesureest corroboréepardes constatationseffectuées sur leterrain lors de la culture de betteraves qui montraitune meilleure rétention d’eau en surface sur lesparcellesenTCS. Il sembleraitdoncque laméso-etla macroporosité soient favorisées pour les horizonssuperficielsdusolenTCS.
Lerôlejouéparlastructuredusoldanslapartitiondes flux entre infiltration et ruissellement et dansla limitation de l’érosion hydrique peut égalementêtre estimé à l’échelle de parcelles expérimentales.Kummert et al. (2010) ont présenté des mesuresréalisées sous simulationdepluieérosive (80mm.h-1pendant 30min) dans une parcelle de sol limoneuxemblavée en betterave avec différents itinérairestechniques (labour d’hiver, labour d’automne et
décompactage)(figures 2 et 3).Les résultats préliminaires
confirment un intérêt dudécompactage (sans labour) pourlimiter les pertes en terres maismontrent également que cettetechnique produit davantage deruissellement que les techniquestraditionnelles de labour. Cesmesures réalisées durant unepremière année de reconversionde l’itinéraire technique doiventêtre confirmées par des essaiscomplémentaires, mais ellesmontrentquel’itinérairetechniqueet la structure du sol ont un rôlepotentiel à jouer dans la luttecontre l’érosion hydrique et leruissellement, ces rôles pouvantêtrecontradictoires.
3. HydrologIe du sol et du sous-sol, systèMes eau-sol-Plante
Lapriseencomptedesvégétauxestunélémentindispensablepourlacompréhensiondesphénomèneshydrologiques de surface etde sub-surface (Drogue et al.,2010). L’utilisation d’un modèlehydrologique physiquement basépermetdereprésenterl’hydrologiedu continuum eau-sol-plante-atmosphère et de mettre enévidence, notamment, les effetsde modification des conditionsexternes sur le fonctionnementde ce système (exemple:changementclimatique).
Dans le cadre du projetInterregIVBAMICE(Adaptation of the Meuse to the Impacts of Climate Evolution), unemodélisation hydrologique dedeux sous-bassins versants de la
Date de la simulation
Per
te e
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l (t.
ha-1)
Labour d’hiver
Labour d’automne
Décompactage
14 juin 19 juillet 25 aout
14
12
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8
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2
0
figure 2.Perteensolmoyennesoussimulationsdepluieérosivesoustroisitinérairestechniques : labour d’hiver, labour d’automne et décompactage (sol limoneux,culture de betterave, année 2010)—Mean soil losses under rainfall simulation for three different agricultural practices : winter ploughing, autumn ploughing and decompaction (loamy soil, sugar beet, year 2010).
figure 3. Volumemoyenderuissellementsoussimulationsdepluieérosivesoustroisitinérairestechniques:labourd’hiver,labourd’automneetdécompactage(sollimoneux,culturedebetterave,année2010)—Mean runoff volume under rainfall simulation for three different agricultural practices : winter ploughing, autumn ploughing and decompaction (loamy soil, sugarbeet, year 2010).
Volu
me
ruis
selé
(l)
Date de la simulation
Labour d’hiver
Labour d’automne
Décompactage
14 juin 19 juillet 25 aout
70
60
50
40
30
20
10
0
702 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201115(S2),699-707 DegréA.,SohierC.,ColardF.etal.
Meuseenrégionwallonne(laVesdreetlaLesse)aétéréaliséed’unepart, en situationactuelle (1971-2005)etd’autrepart,avecunforçageclimatiqueauniveaudes températuresetde lapluviométrie(Baguisetal.,2010)visantàrefléterl’évolutionpossibleduclimatàl’horizon2020-2050etàl’horizon2070-2100.
Si l’onconsidère l’hypothèsequel’occupationdusoletlestypesdeculturesrestentidentiquesàleurétatactuel jusqu’à lafindusiècle, ilestpossibled’isolerl’effet du changement climatique sur la partition desfluxentrel’évapotranspirationréelle, leruissellementdirect,lestransfertshypodermiquesetlapercolationdebase(tableaux 1et2).
Ces bilans, réalisés à l’échelle du bassin versantet quimoyennent plus de 30années demodélisationjournalière, montrent notamment une diminutionsensible de l’évapotranspiration réelle (ETR) quipourraitatteindrede16à17%paran(respectivementpourlaVesdreetlaLesse)àl’horizon2070-2100pourle scénario sec. Ces bilans masquent une variabilitéjournalière et interannuelle qui est présentée auxfigures 4aet4b.
Ilapparaitqueleprofilannueldel’évapotranspira-tion réelle est significativement modifié par la priseen compte d’un forçage climatique. À l’horizon2070-2100,l’ETRindiquequelesvégétauxreprennent
plustôtleuractivitéaucoursduprintemps.Ilapparaitégalement que la répartition «en cloche» de l’ETRaucoursde l’annéedevientune répartitionbimodaleavec un premier pic d’activité autour du jour 150(∼20mai) et un second pic d’activité autour du jour270 (∼27septembre). Un creux d’activité a lieu finaout. Il est essentiellement dû au stress hydriqueconsécutif d’une forte diminution des précipitationsen été conjointe à une augmentation de la demandeclimatique(haussedelatempérature)etaufaitquelesculturesontprésentéundéveloppementplusrapideendébutdesaison.
Cesmodifications du bilan hydrologique et de ladynamique du système eau-sol-plante conduisentégalement à des effets tangibles sur la qualité del’eauetparticulièrement,laqualitédelarechargedesaquifères. Considérant, comme précédemment, quetoutes autres chosesque le climat restent inchangéesdans les années à venir, on peut simuler le devenirdesconcentrationsennitratedelasolutiondusolauxprochaineséchéancesdelaDirectiveCadresurl’Eau.CettemodélisationreposesurunmodèlehydrologiquephysiquementbasédocumentédansSohieretal.(2009)etSohieretal.(2010).
La figure 5 présente les profils de concentrationattendusdanslesoletlazonevadosejusqu’àl’horizon
tableau 1. BilanhydrologiqueactueldubassinversantdelaVesdre[moyenneannuellesurbasedesfluxjournaliers(1971-2005)]etperspectivesd’évolutionspourlespériodes2020-2050et2070-2100,scénarioshautetbas—Hydrologic balance of the Vesdre catchment [mean annual value based on daily flow simulation (1971-2005)] and evolution for 2020-2050 and 2070-2100 time slices, high and low impacts scenarios.
qsim(mmparan)
2020-2050 2070-2100Humide sec Humide sec
Pluie 1110 3% -12% 4% -19%Ruissellementdirect 226 14% -14% 19% -23%Hypodermiqueslents 195 18% -12% 25% -21%Percolation 109 11% -10% 13% -19%évapotranspirationréelle 573 -8% -11% -11% -17%
tableau 2.BilanhydrologiqueactueldubassinversantdelaLesse[moyenneannuellesurbasedesfluxjournaliers(1971-2005)]etperspectivesd’évolutionpourlespériodes2020-2050et2070-2100,scénarioshautetbas—Hydrologic balance of the Lesse catchment [mean annual value based on daily flow simulation (1971-2005)] and evolution for 2020-2050 and 2070-2100 time slices, high and low impacts scenarios.
qsim(mmparan)
2020-2050 2070-2100Humide sec Humide sec
Pluie 1016 4% -11% 5% -19%Ruissellementdirect 164 16% -12% 24% -20%Hypodermiqueslents 248 18% -14% 25% -23%Percolation 62 3% -11% 4% -17%évapotranspirationréelle 539 -7% -9% -10% -16%
L’hydrologieetlesgrandsenjeuxenvironnementaux 703
figure 4a. évolutionannuelledel’évapotranspirationréelle(périodederéférence1971-2005)etpériodesfutures,scénarioshautetbas(arrière-plan:min,maxetécart-typedelapériodederéférence)sur lebassinversantde laVesdre—Annual variation of actual evapotranspiration (reference period 1971-2005) and future time slices, high and low impacts scenarios (background: min max and standard deviation of the reference period) in Vesdre watershed.
préf ± écart-type 2070-2100 haut
période de référence2020-2050 haut2070-2100 haut2020-2050 bas2070-2100 basminimum ETR pour 2070-2100 hautmaximum ETR pour 2070-2100 haut
mm
par
jour
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0 1 janv. 1 fév. 1 mars 1 avril 1 mai 1 juin 1 juillet 1 aout 1 sept. 1 oct. 1 nov. 1 déc.
figure 4b.évolutionannuelledel’évapotranspirationréelle(périodederéférence1971-2005)etpériodesfutures,scénarioshautetbas(arrière-plan:minmaxetécart-typedelapériode2070-2100scénariohaut)surlebassinversantdelaVesdre—Annual variation of actual evapotranspiration (reference period 1971-2005) and future time slices, high and low impacts scenarios (background: min max and standard deviation of the 2070-2100 period scenario high) in Vesdre watershed..
préf ± écart-type
période de référence2020-2050 haut
2070-2100 haut
2020-2050 bas
2070-2100 bas
mm
par
jour
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0 1 janv. 1 fév. 1 mars 1 avril 1 mai 1 juin 1 juillet 1 aout 1 sept. 1 oct. 1 nov. 1 déc.
704 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201115(S2),699-707 DegréA.,SohierC.,ColardF.etal.
2027 considérant une évolution climatique selon lescénario humide (Baguis et al., 2010). L’hypothèsede constance des pratiques agricoles dans le tempsse marque dans les premiers mètres du profil où laconcentrationatendanceàsestabiliser.Enprofondeurenrevanche,latendanceestàlahausse.Ellefaitsuiteautransfertprogressifdesionsnitratedanslazonenonsaturéedusous-sol.Onpeutleurattribuerunevitessede1mparandansleslimons(Sohieretal.,2009).
Cettefiguresuggèrequ’une«dettenitrate»existedansnos sous-solsetque lesconcentrationsde l’eauderecharge(danslasituationprésentéeici,larechargea lieu à plus de 35m sous la surface) seront encoreen augmentation dans les années à venir dans lesaquifères profonds, quelles que soient les pratiquesagricolesmenéesensurface.Ceretardestconditionnépar le type de sol et de sous-solet par l’épaisseur de la couchenon saturée. De plus, le scénariohumide considéré ici induit uneaugmentationdulessivagedûàdespériodes de saturation temporairepluslonguesenautomneetenhiver.
4. HydrologIe des versants
Lesolestégalementuncontinuumspatial et les interactions qu’ilentretientavecl’eauetlesvégétauxsont influencées par sa positiondans le paysage. En termes d’éro-
sionhydrique,lesfluxdesurfacevontdéterminerlesdétachements, transportsetdépôtsdesédimentsdanslesversants.Àlongterme,cesdéplacementspeuventinduire des modifications de la morphologie desversants.
L’actualisation en cours de la Carte des Sols dela Belgique (Legrain et al., 2011b) a un potentielremarquable pour l’étude de l’érosion qui a eu lieuentre le levé initial et la situation actuelle. En effet,sur base des relevés pédologiques systématiqueseffectuésdepuis1947,desunitéscartographiquesontétéidentifiéesàl’échelledu1/20000.
De nouvelles observations pédologiques, àl’heure actuelle, présentent des résultats différentsdes observations réalisées il y a plusieurs dizainesd’années.Unexempleestprésentéenfigure 6.Dansles
Con
cent
ratio
n en
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e (m
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O3. l-1
)
Profondeur (m) 0 5 10 15 20 25 30 35 40
70
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40
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0
Moyenne 1998-2000
Moyenne 2003-2005
Moyenne 2012-2015
Moyenne 2025-2027
figure 5. Profilsdeconcentrationennitratedelasolutiondusol,moyennes1998-2000,2003-2005,2012-2015et2025-2027selonunscénariodechangementclimatique«haut»,pratiquesagricoles2005—Nitrate concentration profiles, mean values 1998-2000, 2003-2005, 2012-2015 and 2025-2027 under “high impacts” climate change scenario, agricultural practices 2005.
N-O Distance (m) SE
Alti
tud
e (m
)
150145140135130125120115110
0 100 200 300 400 500 600
figure 6.ExempledetoposéquenceprésentantlesunitéscartographiquesdelaCNSW (levé en 1957) et les observations de terrain réalisées en 2010 (pointsverts)(Rauw,2010),graphismeA.Liénard—Toposequence showing differences between 1957 soil survey and 2010 observations (green dots) (Rauw, 2010), graphism A. Lienard.
L’hydrologieetlesgrandsenjeuxenvironnementaux 705
versants,deszonesprésententdesprofilsd’érosionlàoùlesymboledudéveloppementdeprofilnesignalaitpasuneérosion.Danslesvallons,deszonesdedépôtsplusprofondsoudesdépôtsplusétenduspeuventêtreobservés(Legrainetal.,2011a).
Ces observations représentent un gisement dedonnéespotentiellespourlavalidationdesmodèlesdequantificationdespertesenterreparérosionhydrique,ainsiquedesmodèlesquireprésententl’évolutiondela morphologie des versants. Les perspectives ainsiouvertessontnombreusesetcouvrenttantdesdomainesde conservation des sols que de l’aménagement desterritoires.
5. ModélIsatIon bassIn versant
La modélisation hydrologique du continuum sol-plante-atmosphèrepeutenfinêtrecoupléeàunsystème
d’informationgéographiqueetauxdifférentesbasesdedonnées spatiales nécessaires à son fonctionnement.LemodèleEPICgrid(Sohieretal.,2009)développéàGemblouxAgro-BioTechutiliselesbasesdedonnéesreprises au tableau 3. Il est spatialisé surbased’unegrillerégulièredemaillescarréesde1kmdecôté.
LemodèlehydrologiqueEPICgridpermetuncalculjournalier des flux d’eau et de nutrimentsmaille parmaille sur tout le territoire de la région wallonne etpeut,paragrégationspatialeet/ou temporelle, fournirdes résultats synthétiques aux différentes unités derapportage que sont les masses d’eau de surface ousouterraine (Celluleétatde l’EnvironnementWallon,2007;Sohieretal.,2010).
La prise en compte de différents scénariosclimatiques ou de modifications des pratiques ouencore de l’évolution de l’occupation du sol sontenvisageables.Àtitred’exemple, lafigure 7présentelaconcentrationennitratedeseauxdelessivageàune
figure 7. Concentrationennitratedelasolutiondusolà1,5m(moyenne2000-2005)delapartiesuddelaBelgique—Nitrate concentration at 1.5 m depth (mean value 2000-2005) of Southern Belgium.
tableau 3.BasesdedonnéesspatialesdumodèleEPICgrid—Geodatabases of the EPICgrid model.données référencesSol Maréchaletal.,1971Géologie Laimeetal.,1995;Halletetal.,2007Occupationdusol CarteNumériqued’OccupationdesSolsdeWallonie(CNOSW)Pratiquesagricoles Borgersetal.,2007Modèlenumériquedeterrain Laimeetal.,1995
Conc. NO3 (mg.l-1)
pas de données
< 10
11-25
26-40
41-50
> 50
Masses d’eau souterrainesdites « supérieures »
N
10 0 10 20 km
Université de LiègeGembloux Agro-Bio TechUnité d’Hydrologie & Hydraulique agricoleIr. C. Sohier - Dr. A. DegréMars 2010
706 Biotechnol. Agron. Soc. Environ. 201115(S2),699-707 DegréA.,SohierC.,ColardF.etal.
profondeurfixede1,5msouslasurfacedusol(valeurmoyenne 2001-2005).Cet azote est en grande partieperdupourlavégétationetseratransféréversleseauxsouterraines. Cet indicateur fournit une informationrapide relative aux performances environnementalesdes pratiques agricolesmenées en surface durant lesmoisquiprécèdent.
Le nord du sillon Sambre et Meuse apparaitsubir une pression nettement plus importante quelerestede larégionwallonne. Ils’agiteneffetde laceinturelimoneuse,dontlessuperficiesagricolessontconsacréesessentiellementauxculturesintensives.
Sur base de ces résultats à 1,5m de profondeur,les meilleures pratiques agricoles dans un contextedonnépeuventêtreidentifiéesetencouragées.Encela,lamodélisation hydrologique régionale proposée parEPICgrid est un outil d’aide à la décision unique enEurope(Sohieretal.,2010).
Il permet d’aller plus loin encore grâce àl’intégrationdanslemodèledelazonevadose,soitlazonedesous-solnonsaturéquifaitlienentrelazoneracinaireetleseauxsouterraines.
Cette représentation permet de cartographier lesconcentrations en nitrate de l’eau de recharge desnappes, prenant en compte l’historique des pratiquesagricolesetdesconditionsmétéorologiquesensurfaceainsi que le temps de transfert dans la zone vadose(Sohieretal.,2009).Lafigure 8illustrel’informationainsiproduite.
6. conclusIon
Au travers des applications et exemples présentés,l’importance et la complexité des interactions entrel’eau, le sol et la végétation ont été démontrées.Il importe de considérer le sol, l’eau et le vivanten tant que système pour espérer progresser dansla compréhension et la quantification du rôled’interfaçage que joue le sol. Nous avons montréquelques-uns des enjeux environnementaux danslesquels hydrologie et pédologie sont intimementliés.
L’hydrologie s’appuie sur la pédologie pourcomprendreetquantifierl’infiltration,leruissellement,l’érosion, les dépôts, les transformations de solutés,leurs transferts. Ces phénomènes sont dynamiques,dépendantsduclimat,delavégétationetdespratiqueshumaines.
Lesoln’estpasunematricefigée.S’ilporteenluilestracesd’évènementsanciens(glaciations,submersion,etc.), il est égalementmodifié jouraprès jourpar lesracines,lamicro-faune,lesmouvementsdel’eauainsique par les pratiques agricoles. Sa caractérisationdynamiqueresteàdévelopper.
remerciements
Les auteurs tiennent à remercier les organisateurs de la3e Journée d’étude du Projet de Cartographie Numérique
figure 8. Concentrationennitratedeseauxdelessivageàproximitédesnappesdebase(moyenne2000-2005)delapartiesuddelaBelgique—Nitrate concentration near groundwater (mean value 2000-2005) of Southern Belgium.
Conc. NO3 (mg.l-1)
pas de données
< 10
11-25
26-40
41-50
> 50
Masses d’eau souterrainesdites « supérieures »
N
10 0 10 20 km
Université de LiègeGembloux Agro-Bio TechUnité d’Hydrologie & Hydraulique agricoleIr. C. Sohier - Dr. A. DegréMars 2010
L’hydrologieetlesgrandsenjeuxenvironnementaux 707
des Sols de Wallonie (PCNSW); les bailleurs de fondsde différentes recherches présentées dans cet article: leprogrammeInterregIVB(projetAMICE),laSPGE(projetQualVados), leServicePublicdeWallonie(ProjetGISER,ClimEro) ainsi que le CRA-W, la ferme de la Faculté deGembloux et l’asbl Greenotec pour leur participation auxessaisdeterrain.
bibliographie
BaguisP., RoulinE., WillemsP. & NtegekaV., 2010.Climatechangescenariosforprecipitationandpotentialevapotranspiration over central Belgium. Theor. Appl. Climatol.,99(3-4),273-286.
BeckersE., LyS., DegréA. & LéonardA., 2010a.Comparisonofagriculturalsoils’structuredependingontillagesystemusingX-raymicrotomography.Geophys. Res. Abstr.,12.
BeckersE., RoisinC., LéonardA. & DegréA., 2010b.évolutiondesstructuresdesolssousitinérairestechniquescontrastés:relationentrecourbesderétentionetanalyseparmicrotomographie aux rayonsX. In :35e journées du GFHN, 24-25 novembre 2010, Louvain-la-Neuve, Belgique. Louvain-la-Neuve, Belgique: UniversitécatholiquedeLouvain,EarthandLifeInstitute.
BorgersN.,VandenbergheC.&MarcoenJ.M., 2007.Des pratiques agricoles aux reliquats en azote nitrique des sols en région wallonne. Collaboration scientifique entre l’Unité d’Hydrologie et d’Hydraulique agricole et le Groupe de Recherche en Environnement et Ressources Azotées dans le cadre de l’Évaluation des mesures prises pour réduire les incidences de la pollution diffuse d’origine agricole et domestique sur la qualité des masses d’eau de surface et souterraines de la région wallonne à l’aide du modèle EPICgrid-PIRENE (Convention RW-SPGE).Gembloux,Belgique:FacultéuniversitairedesSciencesagronomiquesdeGembloux.
Cellule état de l’Environnement Wallon, 2007. Rapport analytique sur l’état de l’environnement wallon 2006-2007.Namur,Belgique:DGRNE,MRW.
CousinI.,VogelH.J.&NicoullaudB., 2004. Influence delastructuredusolàdifférenteséchellessurlestransfertsd’eau.Conséquence d’une réduction du travail du sol.Étude Gestion Sols,11(1),69-81.
DrogueG. et al., 2010.Analysis of climate change, high-flows and low-flows scenarios on the Meuse basin: WP1 report - Action 3, http://hdl.handle.net/2268/68472,(17/02/2011).
HalletV.&BarbierF.,2007.Étude bibliographique visant à préciser le cadre géologique et hydrogéologique au droit
des mailles du modèle EPICgrid. Convention de sous-traitance entre la Faculté universitaire des Sciences agronomiques de Gembloux et les Facultés universitaires Notre-Dame de la Paix de Namur. Namur, Belgique:FacultésuniversitairesNotre-DamedelaPaix.
KummertN., BeckersE., RoisinC. & DegréA., 2010.Assessing structure potential in soil and waterconservation:monitoringtopsoilhydrologyfrommicrotofield scale. In:Wollesende JongeL.,MoldrupP.&LindbladVendelboeA.,eds.1st International conference and exploratory workshop on soil architecture and physico-chemical functions “CESAR”, 30/11-2/12/2010, Tjele, Denmark.
LaimeS. & DautrebandeS., 1995. Projet pilote CARHY. Ministère wallon de l’équipement et des transports. Services fédéraux des affaires scientifiques techniques et culturelles. Programme de recherche dans le domaine de la télédétection par satellite – phase III.Gembloux,Belgique:FacultéuniversitairedesSciencesagronomiquesdeGembloux.
LegrainX. et al., 2011a. Soil redistribution in ruralcatchment: how fifty years old soil survey can helpmodelimprovement.Geophys. Res. Abstr.,13.
LegrainX., DemarcinP., ColinetG. & BockL., 2011b.Cartographie des sols en Belgique : aperçu historiqueetprésentationdestravauxactuelsdevalorisationetderévision de laCarteNumérique des Sols deWallonie.Biotechnol. Agron. Soc. Environ.,15(S2),647-656.
MaréchalR. & TavernierR., 1971. Planche11B:Pédologie –Associations de sols. In : Commission del’Atlas, Comité National de Géographie, éd. Atlas de Belgique.Bruxelles:InstitutGéographiqueMilitaire.
Rauw J., 2010. Gestion de l’érosion à l’échelle du bassin versant. Quantification, apport de la géomorphopédologie et exploitation de logiciels libres.Mémoire: Univ. Liège - Gembloux Agro-Bio Tech(Belgique).
SohierC., DegréA. & DautrebandeS., 2009. From rootzone modelling to regional forecasting of nitrateconcentrationinrechargeflows.ThecaseoftheWalloonRegion(Belgium).J. Hydrol.,369(3-4),350-359.
SohierC. & DegréA., 2010. Modelling the effects ofthe current policy measures in agriculture: an uniquemodelfromfieldtoregionalscaleinWalloonregionofBelgium.Environ. Sci. Policy,13(8),754-765.
(16réf.)
