MÉTHODE D'ESTIMATION DES ÉMISSIONS DE N VERS LES MASSES D'EAU CONTINENTALES SUPERFICIELLES ET SOUTERRAINES Présentation de l’action INRA-ONEMA année 2011.

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1 MÉTHODE D'ESTIMATION DES ÉMISSIONS DE N VERS LES MASSES D'EAU CONTINENTALES SUPERFICIELLES ET SOUTERRAINES Présentation de l’action INRA-ONEMA année 2011

2 Plan  Evolution de la méthode depuis l’EDL 2004  Positionnement parmi les méthodes existantes  Présentation de la méthode N eaux superficielles  Présentation de la méthode N eaux souterraines

3 Evolution de la méthode depuis l’EDL 2004  EDL 2004 : RNABE estimé grâce à la caractérisation : – Des pressions : calcul Surplus NOPOLU par zone hydro – De l'état : réseau de mesure eaux superficielles et souterraines  Exigence de la CE de faire le lien pressions- impacts par masse d'eau. Modélisation préconisée  Groupe suivi mars 2011 : validation d’un CdC – Objectif : associer aux valeurs du surplus NOPOLU un « coefficient de transfert dans les masses d'eau » – Formes d'azote prises en compte : NO3 -, N total – Échelle spatiale de rendu : masse d'eau de surface (bv immédiat), masse d'eau souterraine (niveau 1) – Année de référence : 2009 (période 2005- 2009) – Rapport biblio : T2 2011, méthode : T4 2011 Source: EDL 2004, Agence de l’eau Loire Bretagne

4 Positionnement parmi les méthodes existantes empiriquephysique Modèles statiques, compatibles avec une approche bilan type NOPOLUModèles dynamiques, données source plus complexes

5 Positionnement parmi les méthodes existantes  Modèles semi-distribués appliqués dans des sous-bv aux USA (SPARROW) et en Europe (GREEN)  Coefficient RCoefficient BTerme de source diffuse SD SPARROW- temps de résidence, calculé en fonction de la longueur et de la vitesse du flux - débit (en remplacement de la profondeur) - présence d'un réservoir - perméabilité du sol - pente - densité rivière - zone humide - température ambiante - precipitation - part de la surface irriguée - consommation d'eau pour l'irrigation somme des intrants GREEN- longueur rivière - pente rivière - profondeur rivière - débit d’étiage - débit - pente - conductivité hydraulique du sol=fct(texture, densité apparente, matière organique) - indice de Beven - température - précipitations annuelles - précipitations hivernales somme des intrants Source: Grizzetti 2006

6 Positionnement parmi les méthodes existantes Moneris : 7 équations semi-empiriques + équation de rétention dans les eaux de surface (Berhendt et al. 2002) PolFlow : basé sur la description des flux d’eau (écoulement total, indice de recharge des nappes, temps de résidence dans les nappes) et coefficients de rétention fonction des propriétés des sol/aquifères (De Wit et al. 2001)

7 Positionnement parmi les méthodes existantes empiriquephysique Modèle NOPOLU-transfert

8 Présentation de la méthode N eaux superficielles 1-BFI N surplus [NO3 - ] aquifer SP L BFI B sol B pluie B ZH flux profond R Modèles conceptuels existants :NOPOLU-transfert : Partition de l’écoulement entre Flux superficiel et Flux profond basé sur le calcul d’un base flow index calculé par la méthode de Meinardi (1994) Flux superficiel dérivé du surplus NOPOLU Flux profond dérivé de la lame d’eau et de la concentration des nappes Schéma conceptuel

9 Écoulement total = composante rapide (subsurface) + lente (profonde) Ecoulement total : Sauquet (2006) Coefficient de partition calculé par la méthode de Meinardi (1994) : méthode heuristique croisant des données d'occupation du sol, texture, pente, et hydrogéologie Résultat calcul du BFI par la méthode de Meinardi (1994) Présentation de la méthode N eaux superficielles Etape 1 : calcul du Base Flow Index

10 Flux superficiel : surplus NOPOLU {SOeS} Flux profond : concentration [NO3-] {base ADES} Surplus NOPOLU (données SOeS 2007) Calcul du surplus NOPOLU Présentation de la méthode N eaux superficielles Etape 2 : données source

11 Présentation de la méthode N eaux superficielles Où Zi={Ksat, lame d'eau, %ZH} Ksat déduit de la texture de l'horizon 1 croisé avec fonction de pédotransfert (Wosten et al. 1998) : InfoSol Orléans Lame d'eau déduite des pluies efficaces : modèle SAFRAN de Météo France %ZH : carte des sols hydromorphes (Lagacherie 1989), TWI (Beven et al. 1979), BD du JRC, carte sol 1/1000000 1-BFI N surplus [NO3 - ] aquifer SP L BFI B sol B pluie B ZH flux profond R Etape 3 : coefficient de transfert dans les versants

12 Présentation de la méthode N eaux superficielles  Sorties du modèle ESTIMKART du CEMAGREF (Lamouroux et al. 2010)  BD des plans d'eau CEMAGREF et facteur d’émission (Kronvang et al. 2004) 1-BFI N surplus [NO3 - ] aquifer SP L BFI B sol B pluie B ZH flux profond R Etape 4 : coefficient de transfert dans le réseau hydrographique

13 Exemple d’application en BZH Présentation de la méthode N eaux superficielles Equation calibrée Résultat : Flux mesuré vs Flux estimé

14 Présentation de la méthode N eaux souterraines Concentration moyenne en nitrate dans les eaux souterraines en 2007 Surplus NOPOLU (données SOeS 2007) Cahier des charges Echelle de rendu : masse d’eau de niveau 1 2 Possibilités :  Simuler un flux sous racinaire  Tenter de prédire des concentrations dans la nappe

15 Présentation de la méthode N eaux souterraines Simuler un flux sous-racinaire : approche de MITERRA-EUROPE Velthof et al., 2009; De Vries et al., 2010 Amélioration d’un calcul de surplus de type NOPOLU grâce à des facteurs :  de ruissellement de surface  de lixiviation Mais : modèle non confronté à des données Limites/difficultés:  Il n’existe pas de base de données lysimétrique sur l’ensemble de la France, qui permettrait de calibrer ces paramètres  Une approche modèle dynamique serait plus adaptées (modèle Syst’N)

16 Présentation de la méthode N eaux souterraines Etape 1 : Calcul d’une concentration potentielle dans les eaux de drainage Prédire la concentration dans les nappes : approche de MONERIS Behrendt et al. 2002 De Wit et Behrendt, 1999 Limites/difficultés:  Absence de données de Surplus NOPOLU avant 2004  Difficulté à caractériser « la concentration » d’une masse d’eau Etape 2 : Appliquer un coefficient de dénitrification fonction des condition hydrogéologiques

17 Présentation de la méthode N eaux souterraines Proposition rendu 2011 Localisation des 124 masses d'eau de niveau 1 incluses dans le jeu de données de calibration Concentrations mesurées et simulées Régression liant le surplus 2007 à la concentration dans la nappe (moyenne période 2005-2009) en fonction de facteurs du milieu « Concentration de la nappe » = moyenne des points base ADES réseau DCE (plus de 20 mesures et faible écart-type)

18 Présentation de la méthode N eaux souterraines Proposition 2012 : outil Syst’N Objectifs de l’outil : Estimer les pertes d'azote dans les systèmes de culture vers les eaux (nitrate), comme vers l’atmosphère (ammoniac, protoxyde d’azote), aux échelles de la parcelle (ou d’un ensemble de parcelles) et de la succession de cultures. Il rend compte de l’effet des systèmes de culture (successions des cultures, itinéraires techniques) et du contexte pédoclimatique sur ces émissions. Avancées prévues pour 2012 : Evaluation/reparamétrisation du simulateur par culture Application de l’outil sur deux territoires contrastés :  Un territoire breton  Une zone de grandes cultures

19 Merci de votre attention

20 MÉTHODE D'ESTIMATION DES ÉMISSIONS DE P VERS LES MASSES D'EAU CONTINENTALES SUPERFICIELLES Présentation de l’action INRA-ONEMA année 2011

21  Evolution de la méthode depuis l’EDL 2004  Présentation de la méthode P eaux superficielles Méthodologie pour le P total Méthodologie pour le P dissous

22 Evolution de la méthode depuis l’EDL 2004  EDL 2004 : caractérisation  Des pressions : caractérisation pressions d’origine agricoles par bilans des apports (transferts vers cours d’eau pas pris en compte)  De l'état : réseau de mesure eaux superficielles et souterraines  Exigence de la CE de faire le lien pressions- impacts par masse d'eau. Modélisation préconisée  Groupe suivi mars 2011 : validation d’un CdC – Objectif : prise en compte d’un stock de P dans les sols et y associer un « coefficient de transfert dans les masses d'eau » – Formes de phosphore prises en compte : ortho phosphate, P total – Échelle spatiale de rendu : masse d'eau de surface (bv immédiat) – Rapport biblio : T2 2011, méthode : T4 2011 Source: EDL 2004, Agence de l’eau Loire Bretagne

23 Méthode P  eaux superficielles Mobilisation du P sur les versants Transfert sur les versants jusqu’à la rivière (b) Transfert dans la rivière (a) P émis PS sources ponctuelles a : transfert en rivière Flux(P) = a * (PS + b * DS) DS : sources diffuses (P part et P diss ) b: transferts de P des surfaces agricoles vers les rivières = connectivité des versants

24 Méthode P  eaux superficielles stock Teneur P total estimée des sols Teneur P dissous estimée des sols mobilisation Erosion Taux de saturation transfert Ruissellement de surface Ruissellement de surface et de subsurface

25 Méthode P  eaux superficielles Pour le P total  Estimation du stock de P:  Données disponibles: dans base de données RMQS (grille 16 km) P assimilable (olsen); Pour 235 sites mesure de P total + Sites bretons (large gamme)  établissement règle de relations pour obtenir une cartographie des teneurs en P des sols.

26 Présentation de la méthode P eaux superficielles Pour le P total  Mobilisation du P total (P particulaire): Modèle d’érosion hydrique des sols (carte quantifiée de l’érosion des sols, Cerdan et al., 2010). Teneur P particulaire Erosion des sols x = Mobilisation du P

27 Présentation de la méthode P eaux superficielles Pour le P total  Transfert du P particulaire: Par ruissellement de surface capable de transporter des particules en suspension (connectivité sédimentologique C S ). C S =f(dist, C H, pente, OS, Surf, pluie)  Dist= indice de distance au cours d’eau  C H = connectivité hydrologique  OS = occupation du sol (CLC)  Surf = état de surface (battance)

28 Présentation de la méthode P eaux superficielles Pour le P total  Enrichissement des particules en P au cours de leur transfert sur les versants Au fur et à mesure du transfert tri granulométrique : particules + fines et + enrichies en P. Enrt=f(Dist, T, Polsen/Ptotal…)  Dist= indice de distance au cours d’eau  T = texture des sols (phase porteuse de P)  Polsen/Ptotal  proportion P facilement extractible

29  Pistes d’estimation du stock de P dissous:  à partir de données P olsen  indicateurs taux de saturation Méthode P  eaux superficielles Pour le P dissous

30  Transfert du P dissous: Par ruissellements de surface et de subsurface (connectivité hydrologique C H ). C H = f (IDPR) Méthode P  eaux superficielles Pour le P dissous IDPR: Indice de Développement et de Persistance des Réseaux (Mardhel, 2004)

31  Transfert du P dissous: IDPR Méthode P  eaux superficielles Pour le P dissous Si géologie et propriétés de perméabilité homogènes  réseau de rivières dépend seulement de la topographie (MNA) – réseau théorique. Dans un contexte naturel, lithologie et perméabilité varient dans l’espace  réseau de rivières dépend aussi de ces propriétés – réseau réel. IDPR = (d RT / d RN ) * 1000 d RT distance au réseau théorique (MNA), d RN distance au réseau réel (Carthage).

32  Transfert du P dissous: IDPR Méthode P  eaux superficielles Pour le P dissous IDPR = (d RT / d RN ) * 1000 d RT distance au réseau théorique (MNA), d RN distance au réseau réel (Carthage). Réseau théorique plus dense que le réseau réel : d RT < d RN  IDPR < 1000, infiltration domine Réseau théorique Réseau réel

33  Transfert du P dissous: IDPR Méthode P  eaux superficielles Pour le P dissous IDPR = (d RT / d RN ) * 1000 d RT distance au réseau théorique (MNA), d RN distance au réseau réel (Carthage). Réseau théorique plus dense que le réseau réel : d RT < d RN  IDPR < 1000, infiltration domine Réseau théorique Réseau réel Réseau réel plus dense que le réseau théorique : d RN < d RT  IDPR > 1000, ruissellement domine km

34  Transfert du P dissous: Par ruissellements de surface et de subsurface (connectivité hydrologique C H ). C H =f(IDPR) Méthode P  eaux superficielles Pour le P dissous IDPR: Indice de Développement et de Persistance des Réseaux (Mardhel, 2004)

35 Méthode P  eaux superficielles stock érosion connectivité Flux mesuré Données en cours d’analyse pour tester la démarche proposée

36 Merci de votre attention