Processus, résultats expérimentaux, modélisation et...

Laboratoire des Interactions Sol-Agrosystème-Hydrosystème

Montpellier

L’érosion des solsProcessus, résultats expérimentaux,

modélisation et cartographie

Yves Le [email protected]

SoCo 2008 2

Les enjeux et le contexte

! Dégradation des sols (perte en terre,tassement, MO…)

! Dégâts et nuisances aval (ravines, dépôts,envasements, coulées boueuses…)

! Qualité de l!’eau (turbidité, pollutions…)

!Directive cadre sur l’eau

!Loi sur les risques naturels (2005)

!Directive européenne «!protectiondes sols!» (200?)

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Les enjeux et le contexte

Besoin d’un zonage de l’aléa et de plans d’action

SoCo 2008 4

Questions posées à la recherche

1. Quels sont les processus et les déterminants del’érosion?>Approche expérimentale et modélisation des

processus de l’érosion2. Où risque de se produire de l’érosion ?

>Modélisation régionale de l’aléa érosion etmodèle BV

3. Comment lutter contre l’érosion hydriqueagricole?>Etude expérimentales de mesures anti-érosives

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Plan de l’exposé

"#Les processus érosifs$#La situation de la France%#Les facteurs d’évolution des

risques&#Les moyens d’action'#La modélisation de l’érosion(#Conclusion

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Processus de ruissellement et d’érosion

croûte de battanceruissellementet érosion diffuse

rigole et ravineruissellement etérosion linéaire

pluie

sol

pratiques agricoles

morphologie du terrain

7 tonnes de terre /ha/an en moyenne dans zone d’aléas très fort

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Les mécanismes de l’érosion hydrique

L’érosion, c’est au départ, un défaut d’infiltration lié à une dégradation de la surface des sols

sous l’action des pluies

Infiltration élevée Infiltration faible

Etat initial

fragmentaire poreux et meuble

après un travail du sol

Croûte structurale

(certains fragments

restent bien distincts)

Croûte sédimentaire

(lissage de la surface)

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Croûte de battance

Infiltration < 1mm/h après 100 mm de pluie cumulée

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Processus élémentaires de l’érosion hydrique

Pluie RuissellementProcessus Agents

Détachement

Désagrégation

Mise enmouvement

Transport/ transfert

splashSédimentation

•Par infiltration

•Par piégeage

•Par dépôt

Diffus

ConcentréDétachement

Transport

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Etat initial 5 min de pluie90 min de pluie

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Les différents facteurs de la stabilité structurale

! nature et organisation des constituantsmatière organique,matière organique,texture,texture,sodium,sodium,oxydes et hydroxydes Fe/Al,oxydes et hydroxydes Fe/Al,minéralogie.minéralogie.

=> familles de sols

! histoire et état hydrique initial=> scénarios climatiques

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Conséquences de la désagrégation

ruissellement érosion

Désagrégation

croûte particules

importance de la taille des particules

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SoCo 2008 14

L’aléa érosion en France

http://erosion.orleans.inra.fr/rapport2002/

SoCo 2008 15

CARACTERISTIQUES DU SOL

TOPOGRAPHIEOCCUPATION

DU SOLPRECIPITATIONS

Quelles sont les facteurs de l’aléa érosion(hydrique) et quels principes pour la modélisation?

SENSIBILITE POTENTIELLEDES SOLS A L'EROSION

INTEGRATIONSPATIALE

ALEA EROSIF « par unité spatiale »

ERODIBILITE DUMATERIAU PARENTAL

PENTE ETSURFACESDRAINEES

SENSIBILITEA LA BATTANCE

RUISSELLEMENT

ALEA EROSIF« local »

HAUTEURS ETINTENSITE DES

PLUIES COMBINEES

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Quelles données sur le facteur «!sol!» pourprévoir l’érosion ?

! Informations permettant d’évaluer lacapacité d’infiltration (sensibilité à labattance) et l’érodibilité

! Indicateurs directs : stabilité structurale! Règles de pédotransfert:! Déterminant principaux : texture de

surface + teneur en matière organique! Déterminants secondaires : Teneur en

calcaire, Pierrosité, Minéralogie, Cations(ESP), Oxydes Fe et Al, …

! Autres informations sur les sols:profondeur, profils…

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Les facteurs anthropiques

! Gestion des surfaces) Urbanisation (imperméabilisation)

) Assolements (% et répartition herbages, cultures hiver ouprintemps)

) Pratiques culturales (gestion intercultures, travail sol ±grossier, gestion MO…)

! Gestion des interfaces) Inter-parcellaire (éléments bocagés : obstacles aux

écoulements)

) Axes d’écoulement (talwegs, réseaux d’assainissement,voiries…)

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SoCo 2008 19

Moyens de lutte anti-érosive: sur le plan technique

! A l’échelle de la parcelle :) Couverture végétale

) Travail du sol

! A l’échelle du petit bassin versant :) Occupation du sol

) Aménagement des chemin d’eau

) Gestion des obstacles au ruissellement

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Parcelle: effets des pratiques sur le ruissellement etl’érosion

INFILTRATION

Sol ClimatPratiquesETATS DE SURFACE

Topographie

RUISSELLEMENTet EROSIONSTRUCTURE

! Protection de la surface contre l’action des pluies (battance)

! Amélioration de la stabilité structurale, de l’activitébiologique et de la porosité associée

! Modification de la rugosité et de la porosité

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Les techniques sans labour ou «!deconservation!»

! 1. Gestion du l’état structural:) Pseudo-labours (sans retournement, + ou –

profonds)) Travail superficiel (+ ou – grossier)) Semis direct (non travail)

! 2. Gestion de la couverture et des résidus:) Résidus en surface (de culture, mulch)) Couverts végétaux (longs, intermédiaires)

Des techniques et des pratiques variées pour desmotivations diverses :TCS ? (= moins de travail !), TSL ?,« CT » (résidus >30%) ?

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! Retarder l’apparition de la croûte de battanceet maximiser la rugosité de surface : travail dusol grossier à l!’implantation

! Casser la croûte de battance : biner maïs etbetteraves, écroûter les céréales

! Protéger le sol par une couverture végétale :cultures intermédiaires, semis sous couvert …

Travailler le sol sans

générer de terre fineBiner le maïs

Couvrir le sol par une

plante d'interculture

1- Pratiques culturales pour favoriser l!’infiltrationet réduire l!’érosion diffuse

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Gestion de l!’intercultureImpact sur le ruissellement (Offranville 2002-03)

Cumul du 1er au 31 janvier 2003

(pluie cumulée : 132 mm)

11,9

2 2

26,4

0

5

10

15

20

25

30

deux

déchaumages

non déchaumé

(repousses)

moutarde déchaumeuse

à socs

ruis

sell

em

en

t (m

m)

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bande enherbée

2- Pratiques culturales pour limiterl!’arrachement et piéger les sédiments: BV

) Réaliser des bandes enherbées

) Réaliser des petits aménagementshydrauliques

fascineFossé avec merlons

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Lecomte, 1999

Pluie cumulée (mm) Ruissellement cumulé avant bande enherbée (mm) Ruissellement cumulé après bande enherbée (mm)

14

7:30 8:27 9:25 10:22 11:20 12:18 13:15

7

0

2

4

6

8

10

12

Pc

(mm

)

0

1

2

3

4

5

6

Rc (m

m)

Efficacité des dispositifs enherbés

Le ruissellement a été réduit d’un

facteur 10 après le dispositif enherbé

Et l’érosion d’un facteur 40

Des parcelles expérimentales permettent de testerl’efficacité des solutions préconisées.

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3- L’impact des modes d’entretien de la vigne sur leruissellement et l’érosion

! Peu d’expérimentations en vrai grandeur! Des modalités expérimentales très diverses! Les pratiques testées:

) Des pratiques « classiques »:•• Désherbage chimique totalDésherbage chimique total•• Travail du sol superficielTravail du sol superficiel

) Des pratiques « protectrices »:•• Maîtrise de lMaîtrise de l’’enherbement naturel par herbicide de postenherbement naturel par herbicide de post

levéelevée•• Engazonnement avec tonteEngazonnement avec tonte•• MulchsMulchs

(Désherbage chimique sur le rang (pré levée et post levée) : les résultats portent sur l’interrang)

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Des résultats expérimentaux convergents

! Des taux de ruissellement et d’érosion trèsélevés sont souvent mesurés sous vigne :) Ruissellement > 40%

) Erosion > 10 T/ha/an et jusqu’à 100 T/ha/an

! Désherbage chimique toujours le plusruisselant

! Travail du sol temporairement efficace, maisrisque élevé si fortes pluies

! Mulch en général efficace mais à renouveler! Enherbement efficace mais variable! Pratiques + efficaces pour l’érosion

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Un exemple d’expérimentation : Puisserguier (CA34-INRA)

États desurface

Ruissellement

et érosion

Propositions

Désherbage chimique Herbicide post levée Travail du sol Engazonnement

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Influence des pratiques culturales sur leruissellement

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Désherbage

chimique total

Enherbemment

naturel maitrisé

par le

glyphosate

Enherbemment

naturel maitrisé

par le travail du

sol

Engazonnementco

eff

icie

nt

de

ru

iss

ell

em

en

t m

oy

en

an

nu

el

(%)

(moyenne période 2002-2005)

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Influence des pratiques culturales sur l'érosion

0

2

4

6

8

10

Désherbage

chimique total

Enherbemment

naturel maitrisé

par le

glyphosate

Enherbemment

naturel maitrisé

par le travail du

sol

Engazonnement

éro

sio

n m

oyen

ne a

nn

uelle (

t/h

a)

(moyenne période 2002-2005)

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Conclusions sur les sols viticoles

! Limiter le ruissellement permet de :) Réduire les risques d’érosion

) Réduire les risques de transferts de pesticides

) Recharger le stock d’eau du sol

* Les pratiques qui limitent le ruissellement etl’érosion"#L’engazonnement

$#Les mulchs

%#Le travail du sol

&#L’enherbement naturel maîtrisé par herbicide post levée

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1 km

L’échelle du bassin versant

Caractéristiques:occupation du solcouverture végétalesens de travail du solrugosité

Flume, raingauge

mesures de flux à l’exutoire

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Modélisation du ruissellement BV (STREAM)

Bourville, le 04/03/98

Caractéristique de l’événementPluie totale : 21,6 mmAntécédent hydrique : 1,8 mmDurée : 3,41 heures

Volume en m3

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Simulation de l’impact de dispositifs enherbés

non enherbémare tampon

enherbement du talwegenherbement en bordure de parcelle

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Simulation d’impact des dispositifs enherbésBourville, le04/03/98

Volume en m3

Les nouveaux dispositifs enherbésajoutés ont amélioré la situationsur l’ensemble du bassin.

Exutoire

Et il n’y a plus de ruissellement enprovenance du territoire agricoleà l’exutoire du bassin versant

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! Objectif: prédiction des flux! Historiquement: Etats-Unis

USLE (1965)RUSLE (1997)WEPP (1997;200?)

! + CREAMS, CSEP, EPIC, EUROSEM,GLEAMS, ACRU, AGNPS, EROSION3D,KINEROS2, LISEM, MEDRUSH, etc., etc.,etc.

Modélisation de l’érosion

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Type de modèles

! Empirique/Mécaniste/Physique! Global/Spatialisé! Déterministe/Statistique! Echelle de temps

Intra-averse, averse, mois, année…

! Echelle d’espaceParcelle, versant, bassin versant, région…

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Les types de modèles

! Relations entre échelles spatiales et temporelleset la description des processus

Descrip

tion des p

rocess

us

Goutte Événement AnnéeJournée

Temps

Espace

Bassinversant

Versant

Parcelle

Maille(m2)

Maille(mm2 )

EUROSEM

STREAM

CREAMS

LISEM

USLE

RUSLE

GUEST

WEEP

PSEM-2d

KINEROS

ANSWERSPESERA

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Modélisation: approches «!simples!»

! Erosion=Ruissellement x Concentration en sédiment) Hydrologie + production de sédiments (BV)

! USLE (Wischmeier and Smith, 1978): Empirique, Global,Parcelle, Annuel

perte en terre (t/ha/an) = R K LS C P

R :R : Erosivité Erosivité de la pluie de la pluie

K :K : Erodibilité Erodibilité du sol du sol

L : Longueur de penteL : Longueur de pente

S : PenteS : Pente

C : CouvertC : Couvert

P : Pratique culturaleP : Pratique culturale

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! Généralités

! La puissance du ruissellement

! La capacité de transport du ruissellement

modélisation : approches mécanistes

- Loi de conservation de la masse (eau et sédiments)

- Paramètres théoriquement mesurables

- Les modèles diffèrent par les lois physiques qui décrivent lesprocessus

- Lois de l’hydraulique classique difficilement applicables

- Indices dépendant de la vitesse de l’eau et de la contrainte decisaillement critique du sol

- Limite supérieure des phénomènes d’érosion

+ Difficile de paramétrer : simplifications

- Valeur pour laquelle le dépôt et l’arrachement sont en équilibre

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Modèle mécaniste

!"#$%&'"()*+

",$'--

./(#012/$()#$3)"/4

3/(#012/$()*+)"#5$3"'&

52&#0(Deposition

6$("#5$2/$(

./(#012/$()*+

",$'--

.-3)7)8

.-3)9)8

."3)9)8

!09):%

!%'5;

<"

"

"d

#

h-=-

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! Representation by a cascade of rectangularplanes and channels

KINEROS2 Catchment description

Laboratoire des Interactions Sol-Agrosystème-Hydrosystème

Montpellier

JJ - 2 J - 1

Calcul dubilan infiltration / ruissellement

PLUIE Estimation des

paramètres de

l'infiltrabilité à l'échelle

localeFaciès

Antécédenthydrique

Couvert végétal

Rugosité

Prise en compte de lacirculation duruissellement à

l'échelle du bassinversant

Calcul des volumes ruisselés à l'exutoireet en tout point

Topographie

Sens de travail

du sol

Cheminsd'eau

Principe de fonctionnement du modèle STREAM"Sealing and Transfer by Runoff and Erosion taking into account Agricultural Modifications"

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Limites des modèles d’érosion à l’échelle du bassin versant

! Segmentation de l’espace

- Non prise en compte des discontinuités morphologiques (talus,fossés, routes…)

! Processus décrits

- Pas de distinction spatiale entre érosion diffuse et érosionconcentrée

+ Manque de connaissances sur certains processus

- initiation des rigoles

- part des détachements par le ruissellement et par effet splash

- évaluation de la vitesse de dépôt des sédiments

- Non prise en compte des variabilités intra-parcellaire

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Modélisation et cartographie de l’aléa érosion àl!’échelle régionale

! Objectif) comparaisons interrégionales) bilans quantitatifs) aide à l ’aménagement

! Disponibilité et qualité des données) précision, résolution, extension…

! Type de modèle) Déterministe (PESERA), empirique, expert

(MESALES)! Résolution spatiale et unités d!’intégration

) combinaison des données) restitution

! Validation

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MESALES (Méthode d’Evaluation Spatiale de l’ALéaErosion des Sols)

topographie occupationdu sol

battance érodibilité

sols

règles de pédotransfert

arbre de décision

sensibilité à l'érosionarbre de décision

pluviométrie

aléa érosion

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MESALES France

Pluviométrie :1. Pas 50 km

2. Données sur 30 ans

3. Une carte par saison

4. Combinaison hauteur

d’eau et intensité

5. Méthode AURELHY

1. Méthodologie Nationale

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MESALES France par saison1. Méthodologie Nationale

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Cartes des pentes X

aire ruisselante

(STREAM) Battance Erodobilité

Pluies Période de retour 2 ans

CORINE LAND

COVER 2000

+

+ + +

SENSIBILITE

ALEA

MESALES Hérault (50m pixel resolution)

SoCo 2008 51

En conclusion

! Grande diversité de situations érosives enFrance

! Coût important, mais mal évalué! Nombreuses réponses possibles! Évolution du contexte réglementaire en

cours! Prise de conscience récente! Nécessité d’associer mesures individuelles

et collectives! Différents outils de modélisation en

fonction des objectifs

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