Le contexte de lโhydrologie des milieux cultivรฉsย
Lโagriculture a de nombreux effets directs et indirects dans les processus de rรฉgulation des crues et dโรฉrosion des sols ou encore sur la qualitรฉ de lโeau et des sols. La pollution des eaux de surface et des eaux souterraines par des polluants agricoles, notamment les pesticides, est une problรฉmatique gรฉnรฉralisรฉe en Europe (European Environment Agency, 2011). Lโรฉrosion des sols cultivรฉs menace des surfaces importantes, particuliรจrement dans les zones mรฉditerranรฉennes (Zalidis et al., 2002). Enfin, en favorisant le ruissellement ร des รฉchelles locales, lโagriculture est suspectรฉe dโavoir un impact sur les crues, mรชme si cet impact ร lโรฉchelle des bassins versants de plusieurs dizaines ร plusieurs centaines de kilomรจtres carrรฉs est encore controversรฉ (OโConnell et al., 2007; Hess et al., 2010). Ces impacts de lโagriculture mettent en pรฉril la provision de services รฉcosystรฉmiques rendus par les paysages cultivรฉs (Commission Europรฉenne, 2010), notamment les services dโapprovisionnement (eau, nourriture, etc.), de rรฉgulation (rรฉgulation des inondations, etc.), culturels (beautรฉ des paysages, etc.) ou de support (formation du sol, etc.).
En Europe, lโagriculture reprรฉsente environ 44 % des terres รฉmergรฉes, en considรฉrant lโensemble des cultures et prairies (Eurostat, 2009). En tant que principale utilisation des sols, la gestion de son impact sur lโenvironnement, que ce soit sur la biodiversitรฉ ou la qualitรฉ des eaux et des sols, est donc devenue lโenjeu de nombreuses politiques (Stoate et al., 2009). Diffรฉrentes actions sont alors possibles selon lโobjectif considรฉrรฉ, du changement de pratiques (par exemple la conversion ร lโagriculture biologique) aux amรฉnagements fonciers qui peuvent en partie attรฉnuer certains impacts de lโagriculture. Parmi ces amรฉnagements fonciers figurent les rรฉseaux de fossรฉs.
Les fossรฉs dans les paysages cultivรฉsย
Dรฉfinition et variabilitรฉ des fossรฉs dans les paysages cultivรฉsย
Les fossรฉs correspondent ร des excavations du sol, destinรฉes ร conduire les eaux en dehors des parcelles. Leur prรฉsence dans les paysages agricoles est attestรฉe depuis plusieurs siรจcles ร plusieurs millรฉnaires (Berger, 2000; Roose and Sabir, 2002), avec nรฉanmoins des phases de dรฉveloppements et de rรฉgressions selon les pรฉriodes (Berger, 2000). Lโamรฉnagement du territoire qui a donnรฉ naissance ร ces รฉlรฉments peut รชtre issu dโune somme de dรฉcisions individuelles dโagriculteurs ou de politiques plus gรฉnรฉrales, comme sous lโรฉpoque romaine (Berger, 2000). Certaines de ces politiques dโamรฉnagement ont pu donner naissance localement ร des paysages particuliers, comme cโest le cas pour les anciens รฉtangs du Languedoc assรฉchรฉs par des rรฉseaux de fossรฉs .
Les fossรฉs sont majoritairement connectรฉs entre eux dโun point de vue hydraulique et sโorganisent donc en rรฉseau dans les paysages agricoles. Ces rรฉseaux de fossรฉs comprennent ร la fois des fossรฉs agricoles, รฉlรฉments centraux de ce que lโon appelle lโassainissement agricole, mais aussi des fossรฉs de bord de route (assainissement routier). Ces rรฉseaux peuvent aussi รชtre complรฉtรฉs par des chemins creux et entrecoupรฉs de buses enterrรฉes. Pour des raisons de simplification, ces rรฉseaux seront nommรฉs ยซ rรฉseaux de fossรฉs ยป dans la thรจse mรชme sโils peuvent inclure dโautres รฉlรฉments que des fossรฉs stricto sensu. Les fossรฉs sont prรฉsents dans tous les paysages agricoles avec cependant une abondance variable (Lagacherie et al., 2006; Crabit, 2010; Hirt et al., 2011). Ils sont par ailleurs toujours en รฉvolution dans les paysages agricoles actuels, mรชme si cette รฉvolution se fait sur des pas de temps longs (supรฉrieurs ร la dรฉcennie). Ainsi, on observe encore des crรฉations de fossรฉs. ร lโinverse, des fossรฉs sont aussi supprimรฉs lors de remembrements, ou tout simplement pour gagner de la surface cultivable. La configuration spatiale des rรฉseaux de fossรฉs (la maniรจre dont les rรฉseaux sโorganisent dans lโespace), et notamment leur densitรฉ, apparaรฎt donc comme une caractรฉristique variable de ces rรฉseaux.
Les fossรฉs se caractรฉrisent รฉgalement par leurs propriรฉtรฉs ยซ locales ยป, telles que leur gabarit, leur substrat ou leur vรฉgรฉtation. Ces propriรฉtรฉs peuvent รฉgalement รชtre spatialement variables dans les paysages cultivรฉs (Bouldin et al., 2004; Bailly et al., 2006; Lagacherie et al., 2006; Crabit, 2010). Les fossรฉs sont susceptibles dโรชtre entretenus par les agriculteurs (Milsom et al., 2004; Bassa et al., 2012), mais aussi par les collectivitรฉs locales pour les fossรฉs de bord de route. Leurs propriรฉtรฉs (gabarit, vรฉgรฉtation, etc.) sont donc a priori รฉgalement sujettes ร des รฉvolutions au cours du temps. Lagacherie et al. (2006) ont dโailleurs pu observer une variabilitรฉ dans les couvertures vรฉgรฉtales des fossรฉs ร un an dโintervalle.
La variabilitรฉ des rรฉseaux de fossรฉs dans le paysage peut donc รชtre vue au travers de leur configuration spatiale, notamment leur densitรฉ, ou de leurs propriรฉtรฉs, notamment leur vรฉgรฉtation. Sur une รฉchelle de temps court (de lโordre de quelques annรฉes) et au vu des quelques rรฉfรฉrences de la bibliographie, ces caractรฉristiques sont supposรฉes รชtre significativement variables dans les paysages cultivรฉs, dโun point de vue spatial pour la configuration spatiale, dโun point de vue spatial et temporel pour les propriรฉtรฉs telles que la vรฉgรฉtation. Ces deux points de vue seront considรฉrรฉs dans ce travail de thรจse.
Fonctions et impacts des rรฉseaux de fossรฉsย
Les rรฉseaux de fossรฉs peuvent avoir une fonction de drainage des sols (Adamiade, 2004; Carluer and Marsily, 2004; Holden et al., 2006; Krause et al., 2007; Needelman et al., 2007a), une fonction dโinterception du ruissellement de surface sur les versants et sur les bords de route (Ramos and Porta, 1997; Adamiade, 2004; Carluer and Marsily, 2004; Holden et al., 2006; Buchanan et al., 2012), en plus dโune fonction de transport des eaux captรฉes. Dans les zones oรน le drainage des sols est primordial, les fossรฉs peuvent รฉgalement servir de collecteur pour les rรฉseaux de drains enterrรฉs (Carluer and Marsily, 2004; Needelman et al., 2007a). En zone mรฉditerranรฉenne, la fonction dโinterception du ruissellement de surface devient primordiale afin dโรฉviter le ravinement des parcelles agricoles (Ramos and Porta, 1997; Roose and Sabir, 2002) ; les fossรฉs deviennent donc un amรฉnagement anti รฉrosif. Souvent associรฉs ร des terrasses qui limitent la pente des versants en zone mรฉditerranรฉenne, les fossรฉs sont alors considรฉrรฉs indispensables ร la stabilitรฉ du versant cultivรฉ et du systรจme de terrasses en gradin (Stanchi et al., 2012).
En relation avec les diffรฉrentes fonctions des fossรฉs ร lโรฉchelle parcellaire, de nombreux impacts sur lโhydrologie des bassins versants sont induits. Bien que ces rรฉseaux de fossรฉs nโaient รฉtรฉ considรฉrรฉs que rรฉcemment en hydrologie, leur impact dans la modification des chemins de lโeau est maintenant largement admis (Duke et al., 2006; Gascuel-Odoux et al., 2011; Buchanan et al., 2012). Selon les cas, ils peuvent forcer le ruissellement ร ne pas suivre la plus grande pente, ou au contraire concentrer le ruissellement. En rรฉponse ร cette modification des chemins de lโeau, les crues des bassins versants drainรฉs par des fossรฉs en zone mรฉditerranรฉenne apparaissent plus rapides et plus fortes en comparaison ร ce quโon observerait avec un hypothรฉtique rรฉseau de drainage naturel (Moussa et al., 2002). En zone tempรฉrรฉe plus humide, les rรฉseaux de fossรฉs contribuent รฉgalement ร une intensification des crues (Buchanan et al., 2012). Cet impact des fossรฉs semble cependant plus variable et peut รฉvoluer sur le long terme aprรจs la crรฉation du rรฉseau de fossรฉs dans des zones trรจs humides (Holden et al., 2006). Lโimpact des fossรฉs dans les รฉchanges avec les nappes peut รชtre รฉgalement important. Par exemple, Dages et al. (2009) ont montrรฉ quโenviron 50 % de la recharge automnale des nappes pouvaient se faire via lโinfiltration dans le rรฉseau de fossรฉs en zone mรฉditerranรฉenne. De ce fait, ils peuvent influer sur la redistribution spatiale des ressources en eau de sub-surface dans les milieux ร dรฉficit hydrique saisonnier. En zone tempรฉrรฉe plus continentale, Krause et al. (2007) ont montrรฉ que les รฉchanges avec la nappe (ร la fois recharge et drainage) รฉtaient attรฉnuรฉs dans le cas oรน la densitรฉ des rรฉseaux de fossรฉs serait rรฉduite. Finalement, de par leur impact sur les chemins de lโeau, les rรฉseaux de fossรฉs sont une composante essentielle ร prendre en compte dans lโรฉvaluation de la connectivitรฉ hydrologique structurelle des bassins versants (Bracken and Croke, 2007; Lexartza-Artza andWainwright, 2009; Fiener et al., 2011).
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Table des matiรจres
Introduction gรฉnรฉrale
Le contexte de lโhydrologie des milieux cultivรฉs
Les fossรฉs dans les paysages cultivรฉs
Dรฉfinition et variabilitรฉ des fossรฉs dans les paysages cultivรฉs
Fonctions et impacts des rรฉseaux de fossรฉs
Relation entre structure et fonctionnement du paysage
La simulation paysagรจre explicite pour explorer le fonctionnement des paysages
La reprรฉsentation du fonctionnement hydrologique des paysages
Objectifs et plan de la thรจse
I Zone dโรฉtude et donnรฉes
1 La zone dโรฉtude
1.1 Introduction
1.2 Les paysages et les sols (Bonfils, 1993; Barthรจs et al., 1999)
1.3 Lโagriculture
1.4 Le climat
1.5 Les fossรฉs dans la zone dโรฉtude
1.6 Les problรฉmatiques environnementales liรฉes ร lโhydrologie
2 Prรฉsentation de la base de donnรฉes rรฉalisรฉe pendant la thรจse
2.1 Acquisition de donnรฉes sur la configuration spatiale des rรฉseaux de fossรฉs
2.2 Acquisition de donnรฉes sur lโentretien et la couverture vรฉgรฉtale des fossรฉs
2.3 Collecte de donnรฉes sur les milieux รฉtudiรฉs
II Configuration spatiale des rรฉseaux de fossรฉs et hydrologie de surface des bassins agricoles
3 Modรฉlisation spatiale de la densitรฉ des rรฉseaux de fossรฉs dans les paysages
cultivรฉs
3.1 Rรฉsumรฉ
3.2 Introduction
3.3 Study area
3.3.1 General description
3.3.2 Field data
3.4 Methods
3.4.1 Selecting a geographical support
3.4.2 Spatial explanatory model of man-made drainage density
3.4.3 Identification of potential explanatory variables of man-made drainage
densities
3.4.4 Assessment of the performances of the explanatory model
3.5 Results
3.5.1 Selection of the grid cell size for the spatial modeling of man-made drainage
density
3.5.2 Variability of drainage densities among and inside survey areas
3.5.3 Spatial modeling of drainage densities
3.6 Discussion
3.6.1 Variability and explanation of the man-made drainage density throughout
agricultural landscapes
3.6.2 Spatial explanatory model
3.6.3 Discussion of the effect of each explanatory variable
3.6.4 Transferability of the methodology
3.6.5 From where did the unexplained variability come ?
3.7 Conclusion
4 Simulation des effets de la configuration spatiale des rรฉseaux de fossรฉs sur les
รฉcoulements de surface des bassins versants cultivรฉs
4.1 Rรฉsumรฉ
4.2 Introduction
4.3 Material and Methods
4.3.1 Study area
4.3.2 Summary of the methods
4.3.3 Evaluation of ditch network effects on hydrology
4.4 Results
4.4.1 Agricultural ditch drainage network and water flow path variability
4.4.2 Discharge variability and scaling
4.4.3 Hillslope overland flow variability
4.5 Discussion
4.5.1 Importance of the agricultural ditch drainage network on the hydrology
of a small, cultivated catchment
4.5.2 Catchment extent effect
4.5.3 Hydrological efficiency
4.5.4 Limitations and uncertainties in results
4.6 Conclusions
5 Diagnostic de lโefficacitรฉ des rรฉseaux de fossรฉs ร limiter le risque dโรฉrosion
hydrique des sols
5.1 Introduction
5.2 Zone dโรฉtude
5.3 Mรฉthodes
5.3.1 Relevรฉs terrain des rรฉseaux de fossรฉs
5.3.2 Simulation spatiale du risque dโรฉrosion des sols des parcelles
5.3.3 Recherche dโamรฉlioration de lโefficacitรฉ des rรฉseaux de fossรฉs ร limiter le
risque dโรฉrosion des sols des parcelles
5.4 Rรฉsultats
5.4.1 Effet des rรฉseaux de fossรฉs actuels sur le risque dโรฉrosion des sols des parcelles
5.4.2 Comparaison de lโefficacitรฉ anti-รฉrosive des vrais rรฉseaux de fossรฉs et des
rรฉseaux simulรฉs
5.5 Discussion
5.5.1 Efficacitรฉ des rรฉseaux de fossรฉs dans la diminution du risque dโรฉrosion
hydrique des sols des parcelles
5.5.2 Limites de lโapproche
5.6 Conclusion
Conclusion gรฉnรฉraleย
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