Modélisation du transfert des pesticides à l’échelle de la parcelle

Transfert des solutés

   Processus de surface : Les pertes de soluté par évapotranspiration ne sont pas prises en compte dans MACRO. La quantité de soluté absorbé par la plante est proportionnelle à la quantité d’évaporation potentielle et à la concentration en pesticides dans la couche de surface. Ecoulements dans la matrice du sol et écoulements préférentiels : MACRO calcule le transport des solutés dans les micropores par l’équation de convection-dispersion. Un terme puits/source permet de représenter l’absorption par les plantes, les pertes par évaporation, drainage et lessivage vers la nappe ainsi que les échanges entre les micropores et les macropores. Un deuxième facteur permet de rendre compte de l’adsorption par le sol. Le flux dans les macropores est calculé par l’équation de convection, la dispersion étant considérée comme nulle. Une homogénéisation s’effectue sur la première couche numérique de sol : la quantité de soluté dans les micropores est fonction de la lame d’eau infiltrée dans la matrice et de la concentration dans la pluie nette (ou dans l’irrigation). Dans les macropores, un équilibre instantané s’effectue entre l’eau entrante et l’eau résidant dans le sol. Les échanges de solutés entre les deux domaines poraux sont basés sur le phénomène de convection-diffusion. En résumé, le Tableau 1 reprend les principaux processus hydrologiques décrits dans MACRO. La paramétrisation du modèle nécessite l’attribution de valeurs à de nombreux paramètres, qui sont corrélés. En effet, MACRO prend aussi en compte un grand nombre de paramètres relatifs au type de culture, aux pratiques agricoles (labour, drainage…), et aux caractéristiques des molécules. Ceux-ci seront décrits plus précisément dans la partie sur la  paramétrisation du modèle pour ceux que nous avons pris en compte. Les modélisations peuvent se faire à l’échelle journalière ou à un pas de temps plus fin (horaire). Chaque horizon du profil de sol, dont les caractéristiques sont implémentées par l’utilisateur, est divisé en couches numériques (60 à 200 en tout).

Description de l’outil CEMAFOR

   Cemafor (Cheviron, B. 2011) est un outil couplant le modèle hydrologique MACRO et le logiciel d’analyse de sensibilité PEST, qui permet de réaliser calage et analyse de sensibilité de MACRO de façon intensive. Il permet d’effectuer des calculs directs ou inverses sur des contextes déjà créés ou définis par l’utilisateur, impliquant les transferts d’eau et de soluté, sur un profil vertical 1D, comportant 4 couches successives pour des périodes annuelles ou pluri-annuelles. Deux contextes sont déjà implémentés : celui de la Fontaine du Theil et celui de la Jaillière. Dans le deuxième cas, les paramètres de MACRO sont calés en ajustant les prévisions du modèle aux données observées. Toutes les informations disponibles pour toutes les variables ont été implémentées dans le code source de CEMAFOR (Figure 3). Dans le cas de la Fontaine du Theil, au contraire, il n’existe pas de données observées et l’objectif est la réalisation de scénarios. Nous avons vérifié que les résultats obtenus avec Cemafor (utilisant une version ligne de commande de MACRO) sont identiques à ceux qu’on obtiendrait avec l’interface graphique classique de MACRO. Par contre, CEMAFOR présente l’avantage de permettre une simulation intensive de MACRO puisque nous pouvons renseigner en plusieurs lignes successives les différents jeux de paramètres que nous souhaitons tester. Un paramètre de continuité spatio-temporel entre les simulations peut être renseigné à chaque ligne. Il permet de forcer la continuité de la concentration en soluté dans les micropores, de la température et de la teneur en eau totale entre la fin d’une simulation et le début de la suivante.

Définition de différents profils de sol et détermination de leurs propriétés hydrodynamiques (FPT)

  En raison de la difficulté d’accès à certains paramètres décrivant un sol (mesures généralement destructives, fiabilité et répétabilité de l’expérimentation, coût de la mesure en elle même), il est parfois nécessaire de se baser sur des valeurs estimées sur un bassin versant similaire à celui étudié, ou bien d’estimer certains paramètres à partir de variables plus facilement accessibles telles que la granulométrie, la teneur en matière organique, ou encore la densité apparente à l’aide de fonctions de pédo-transfert validées. Plusieurs possibilités pour le calcul des propriétés hydrodynamiques du sol dans MACRO : un ensemble de fonction de pédotransfert (FPT) initialement utilisé et un nouvellement introduit dans MACRO 5.2 nommé respectivement « Macro » et « Footprint », les données peuvent aussi être rentrées à la main. Comme son nom l’indique ce dernier est issu du projet Européen Footprint. Des analyses comparatives de Macro et Footprint s’avèrent donc nécessaire afin de juger laquelle est le plus adaptée à dans notre cas d’étude. Au préalable, les différents profils de sols ont été repris à partir des données récoltées sur le terrain. Les campagnes de mesures ont permit de définir les textures des profils de sol, leur densité apparente et leur teneur en carbone organique repris en annexe 5. La variabilité des caractéristiques hydrodynamiques mesurées sur le terrain (conductivité hydraulique notamment), acquises nécessairement de manière ponctuelle, est importante à l’échelle de l’unité cartographique de sol. De plus, ces données n’ont pu être acquises pour tous les horizons pédologiques : nous choisissons donc d’utiliser des fonctions de pédotransfert, afin d’aboutir à un jeu de propriétés hydrodynamiques cohérent.Les différentes méthodes pour estimer les paramètres liées au transfert préférentiel sont décrites en annexe 6. Footprint est un outil supplémentaire pour l’estimation de certains paramètres contrôlant l’hydrologie des sols étudiés. De plus, n’ayant pas de données précises sur la structure des sols du BV de la Fontaine du Theil, nous pensons qu’il est préférable d’utiliser les fonctions de pédotransfert Footprint qui nous permettent de ne pas les renseigner directement.

Analyse comparative des fonctions de pédotransfert MACRO et FOOTPRINT :

   Les fonctions de pédotransfert Macro et Footprint ont été confrontées pour les sols La/S/C, A/E/Bt de versant et pour un profil type argilo sableux (annexe 7). Nous pouvons voir que Macro présente des teneurs en eau à saturation (totale) légèrement plus élevée pour chaque horizon, et donc une porosité de macropores plus grande. Concernant les conductivités hydrauliques totales, elles sont nettement plus faibles avec l’option Footprint. Les paramètres de diffusion (ASCALE) et de tortuosité (ZN) semblent être évalués complètement différemment entre Macro et Footprint. Les propriétés hydrodynamiques du sol dépendent fortement des données structurales de celui-ci. Il est nécessaire de renseigner dans le modèle les paramètres de forme (SHAPE) de structure (STRUCTURE) et de taille (STRENGH) des agrégats. Pour cela, ceux-ci avait été déterminés approximativement puisque aucune donnée structurale n’avait été relevée sur les sols de la Fontaine du Theil. Nous avons donc testé l’influence de ces paramètres avec chacune des fonctions de pédotransfert (annexe 8). Les propriétés hydrodynamiques obtenues avec Footprint ne sont effectivement aucunement influencées par ces 3 paramètres. Les résultats avec les FPT Macro montrent que lorsque l’agrégat a une structure grossière et a une forme prismatique, la diffusion des micropores vers les macropores est légèrement augmentée. D’autre part, il en va de même lorsque l’on augmente la taille des agrégats mais ceci entraine de surcroit une importante augmentation de conductivité hydraulique totale. Des simulations pour évaluer l’influence des fonctions de pédotransfert sur les variables de sorties ont été faites. Nous pouvons voir que l’infiltration à la surface par les micropores obtenue avec les fonctions de pédotransfert nouvellement introduite est moins importante que celle obtenue avec les fonctions de base, contrairement à l’infiltration par les macropores qui est plus importante (Figure 7a). L’écoulement en bas de profil passe plus par les macropores avec les FPT Macro, ceci entraine en conséquent une percolation totale plus importante de 10mm dans notre cas ( Figure 7b).

Conclusion

  Pour contribuer au projet Miriphyque qui vise à « caractériser le risque de contamination des eaux par les produits phytosanitaire », nous avons simulé le transfert des pesticides à l’échelle de la parcelle avec le modèle MACRO pour un grand nombre de scénarios agro-pédo climatiques sur le bassin versant de la Fontaine du Theil (35) : sol, climat, culture, stratégie de traitement. Le modèle a été paramétré puis calibré afin d’obtenir des résultats réalistes. L’objectif était de réaliser une analyse de sensibilité sur différents paramètres et données d’entrée, mais aussi de produire des chroniques simulées nécessaires au déroulement du projet Miriphyque. Compte tenu des dysfonctionnements rencontrés avec CEMAFOR, nous avons réalisé un nombre plus limité de simulations, représentatives de la diversité des situations rencontrées. Les résultats ont permis de mettre en évidence l’importance considérable du climat de l’année sur les variables simulées : débits ruisselés et percolés, quantités de pesticides exportées. A l’inverse, le climat de l’année antérieure semble n’avoir que très peu d’influence dans ce contexte. Il serait intéressant de suivre la même démarche, se basant sur des plans d’expérience, dans un contexte où des mesures sont disponibles pour juger si l’état hydrique du sol de l’année précédente n’a réellement aucun impact sur les flux d’eau percolés et par conséquent sur les transferts de solutés. D’après les simulations, les propriétés des pesticides constituent le deuxième facteur le plus influant sur leur transfert. En effet, une molécule plus mobile est retrouvée en quantité plus importante en bas de profil qu’une molécule s’adsorbant beaucoup. Enfin, les propriétés hydrodynamiques du sol ont aussi une importance non négligeable sur les flux d’eau et de solutés. La méthode utilisée pour estimer les conditions hydriques du profil en début de simulation exagère la dessiccation ou la saturation du sol par rapport aux profils simulés par MACRO, et mériterait d’être ajustée. En s’appuyant sur le calendrier cultural exhaustif existant sur le BV, l’influence d’utiliser des dates de traitement réelles ou approximées a été étudiée.De façon générale, ces résultats, bien que s’appuyant sur des plans d’expérience, sont basés sur un nombre relativement limité de simulations : la mise en œuvre de CEMAFOR, maintenant les derniers problèmes résolus, permettra de conforter et généraliser ces conclusions, ainsi que d’alimenter les entrepôts de données, qui seront remobilisés dans la suite de Miriphyque.En définitive, ce stage m’a permis d’acquérir une connaissance fine de MACRO dans un contexte non drainé alors que la littérature existante concerne surtout des contextes drainés. Grâce à ce travail, j’ai pu acquérir des connaissances sur les transferts de pesticides dans l’environnement. Cette expérience en modélisation me permettra surtout de mieux appréhender, lors d’une future expérience professionnelle en bureau d’études, l’analyse des résultats de simulations.

Table des matières

Introduction
Synthèse bibliographique
1. Présentation du modèle de transfert des pesticides : MACRO 
2. Description de l’outil CEMAFOR 
I. Le bassin versant de la Fontaine du Theil 
1.1 Présentation générale 
1.2 Création de scénarios 
II. Réflexion sur les modalités de modélisation à adopter et paramétrage de MACRO 
2.1 Définition de différents profils de sol et détermination de leurs propriétés hydrodynamiques (FPT) 
2.2 Détermination des conditions aux limites 
2.2.1 ZHBF : Nappe dans le profil
2.2.2 Versant : Gradient hydraulique constant
2.3 Estimations des conditions initiales
2.4 Paramètres culturaux 
2.5 Paramètres phytosanitaires 
2.6 Calibration des paramètres hydrodynamiques 
III. Modélisation des flux d’eau et transfert de pesticides
Conclusion
Glossaire
Référence bibliographie
Liste des Annexes
Annexes

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