SWAT, un modèle agro-hydrologique semi-distribué

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1 SWAT, un modèle agro-hydrologique semi-distribué
SWAT (Soil and Water Assessment Tool) conceptuel à bases physiques, semi distribué Il modélise, au pas de temps journalier, les flux d'eau, d'azote et de pesticides des sols vers la nappe et le ruisseau, ainsi que le transport réactif au sein du cours d'eau. il dispose d'une interface utilisateur avancée, ainsi que d'une documentation utilisateur et théorique précise et structurée. J. G. Arnold, R. Srinivasan, R. S. Muttiah, and J. R. Williams. Large area hydrologic modeling and assessment - part 1 : Model development. Journal Of The American Water Resources Association, 34(1) :7389, February 1998.

2 Differences between modeling approach
La spatialisation des contributions des modeling units dans le reach

3 Itinéraires techniques
- % occ. surface - distance au nœud Inputs : Itinéraires techniques Données climatique Outputs : Hydrologie MES Nitrates Pesticides … Pente la partie modélisation agronomique du modèle parcellaire ne s'eectue plus à l'échelle de la parcelle culturale mais à celle de l'Hydrologic Response Unit (HRU), c'est à dire une unité homogène en termes de pente, de pédologie et d'occupation du sol1. Cette unité n'est pas forcément spatialement continue. L'unité de discrétisation spatiale est le sous-bassins, obtenus par le découpage du bassin à partir d'un Modèle Numérique de Terrain, de façon automatique ou semiforcée par le positionnement arbitraire d'exutoires. Les sous-bassins peuvent donc êtres dénit assez librement, du moment qu'il y ait une cohérence topographique (les sous-bassins sont bien des bassins au sens hydrologique, et ont un seul exutoire). On peut dénir les sous bassins par les zones Hydro de l'Agence de l'Eau. La HRU est représentée au sein du sous-bassin par un pourcentage d'occupation de la surface. La partie hydrologique s'appuie en partie sur un arbre de drainage à l'échelle du bassin versant, issu d'un MNT. Celle-ci agrège les ux issus des HRU par sous-bassins. Il n'y a pas de modèle de nappe spatialisée, mais un modèle à réservoir par HRU, les flux provenant de ces réservoir étant récoltés par le cours d'eau.

4 Couplage du modèle sol/nappe et du modèle rivière
Evaporation Transpiration Précipitations Processus - Hydrologie Zone racinaire Ruiss. de surface Infiltration Prélèvement par les plantes Ecoulement de sub-surf. Zone non saturée Pas de Rétroaction riv.->HRU Evap. depuis aq. superf. Percolation vers aq. superf. Décharge de la nappe Aq. superf. Couche imperm. Aq. profond Flux sortant du BV Percolation vers aq. profond

5 SWAT Hydrologie

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8 Pesticides : Phase dissoute et phase particulaire Précipitations
rivière Zone non saturée Nappe Ruissellement de surface Ecoulements de subsurface Décharge de la nappe

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10 en tout point du cours d’eau principal de chaque sous-bassin
Présentation de la construction d’un projet de modélisation utilisant l’interface ArcSwat : schémas fonctionnel. Données d’entrée et variables de forçage MNT, carte des sols, occupation du sol, Données météo, itinéraire technique … Access SWAT.exe ArcSwat Interface Fichiers_In.txt Variables de sortie: Concentrations de N, P, MES, Pesticides en tout point du cours d’eau principal de chaque sous-bassin

11 Zone d’étude et mesures
Gascogne area Located in the area of Coteaux Gascogne Area: 1110 km2 Annual precipitation: mm Annual evaporation : mm

12 Zone d’étude : BV de la Save
S. Ferrant Larra Occ. du sol majoritaire Amont : prairies (63%) Aval : blé et tournesol (34%) Hydrologie : Q° moyen annuel : 4,7 m3.s-1 Q° en crue : 25 m3.s-1 Q° à l’étiage : 3 m3.s-1 Neste : 1,5 m3.s-1

13 Landuse and soil types in the catchment
Pasture (33%), Sunflower (19%) winter wheat (18%) Forest (9%) Others (21%) 14 landuse classes 29 Soil classes

14 Dominant Landuse and soil classification in SWAT
91 subcatchments

15 Calibration élément dissous
Calibration Hydro Calibration MES Calibration élément dissous Calibration pesticides

16 Le modèle est dit semi-distribué, car il couple un modèle sol/nappe 1D, et un modèle hydrologique 1D (c'est un faux 2D). Il a été clairement développé pour prédire les effets de différentes politiques de gestion à l'échelle de grands bassins versants. Ce type de modèle ne permet pas de simuler une interaction sol-nappe, et donc ne peut prendre en compte les interactions spatiales entre les différentes zones du bassin versant.

17 Processus – Erosion (HRU)
HRU : MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation – Williams, 1995) d’après USLE (Wischmeier et Smith, 1965, 1978) Sed : charge en sédiments Qsurf : volume ruisselé Qpeak : peak runoff rate C : coef. de ruissellement i : intensité des précipitations USLE_K : coef. d’érodabilité du sol USLE_C : coef. du couvert végétal USLE_P : coef. des pratiques culturales (labour, etc.) LSusle : coef. topographique CFRG : coef. lié à la pierrosité Légende : Paramètres demandés par le modèle

18 Processus – Erosion (Rivière)
En sortie du tronçon : Légende : Paramètres demandés par le modèle

19 Processus - Pesticides
Processus de transport et transformation : 2 phases porteuses : Phase dissoute (d) Phase particulaire (p) HRU Rivière -> Pas de transferts par la nappe

20 Équations - HRU Air/plante Sol Efficacité de l’application Lessivage
Dégradation Sol Dégradation (d,p) Partition Phase soluble (WSOL) Infiltration (d) Ecoulements de subsurface (d) Ruissellement de surface (d) Phase particulaire Ruissellement de surface (p) Coefficient d’enrichissement : entré ou calculé Légende : Paramètres pesticides demandés par le modèle Autres paramètres Pour les 10 premiers mm Pour les horizons inf.

21 Équations - Rivière Eau Lit sédimentaire Dégradation (d,p)
Légende : Paramètres pesticides demandés par le modèle Eau Dégradation (d,p) Partition: Fp = 1-Fd -> f(CHPST_KOC) Volatilisation (d) Déposition (p) Lit sédimentaire Partition: Fp,sed = 1-Fd,sed -> f(CHPST_KOC) Remise en suspension (d,p) Diffusion (d) Enfouissement (p)

22 Pesticides : jeu de données observées
Choix de trois molécules Solubilité dans l’eau : Métolachlore > Aclonifène > Trifluraline > 3 herbicides sur tournesol épandus début avril (sol nu) 22

23 Données ITK et approche simplifiée
Première approche : ‘dominant land use’ (1 ss-bassin = 1 HRU) -> 91 sous-bassins 24 ss-bassins en tournesol/blé ou blé/tournesol (37552 ha ~ 34% du BV) Itinéraire technique : ITK moyens Métolachlore, Aclonifène, Trifluraline = trois herbicides appliqués sur Tournesol uniquement (rien sur les autres cultures) 3 pesticides concernent : Appliqués sur 10 j 1/3 du BV 1 année sur 2 Paramétrage dans ‘land area’ + ‘in-stream’ d’après Neitsch et al. (2002) 5 avril 0.874 kg/ha Trifluraline 10 avril semi 15 avril 0.977 kg/ha Aclonifène 1.12 kg/ha Métolachlore 1er octobre récolte 1er janvier 31 décembre ITK Tournesol

24 Model calibration 10 years of calibration period (01/07/1998 to 30/03/2009) Manual calibration for both flow and sediment based on physical catchment understanding

25 Coeff. - Paramétrage Dénomination SWAT Définition Métolachlore
(Neitsch et al., 2002) Dénomination SWAT Définition Métolachlore Aclonifène Triflularin Land area Month, Day Date d’épandage 15 avril 5 avril WOF Fraction lessivée 0.6 0.4 AP_EF Efficacité (feuill.-sol/épandage) 0.75 HLIFE_F Demi vie feuillage (j) 5 3 HLIFE_S Demi vie sol (j) 90 60 SKOC Koc (ml.g-1) 200 8000 WSOL Solubilité (mg.l-1) 530 0.3 PERCOP Coeff. de percolation 0.5 PSTENR Coeff. d’enrichissement (dft) In - st ream CHPST_KOC Coeff. de partition riv. (m3.g-1) 0.001 0.0036 CHPST_REA Dégradation riv. (j-1) 0.0267 0.0231 CHPST_VOL Volatilisation riv. (m.j-1) 0.01 CHPST_STL Déposition riv. (m.j-1) 1 SEDPST_REA Dégradation séd. (j-1) CHPST_RSP Remise en suspension riv. (m.j-1) 0.002 SEDPST_ACT Hauteur du lit sédimentaire (m) 0.03 CHPST_MIX Diffusion riv. (m.j-1) SEDPST_BRY Enfouissement (m.j-1)

26 9.20% Simulation hydrologique (Juil1998 - Mars 2009) Water balance
Simulated precipitation : 726 mm ET: mm (78.3%) Percolation: (14.1%) Transmission loss: 3.26 mm (0.5%) Surface runoff: mm (7.1%) Total water yield: 138 mm (observed 136mm) Water balance Nash= 0.53 R2= 0.56 9.20%

27 Simulated daily sediment vs observed daily sediment at Larra station (01/01/2007 to 30/03/2009)

28 Identifier l’origines des COP
Oeurng et al. (en cours). Sera soumis à Hydrological Processes

29 48 t km-2 1.2 t km-2 Simulation long terme de MES et COP
Identifier les zones d’érosion Relation (Sediment-water yield) Oeurng et al. (en cours). Sera soumis à Journal of Hydrology

30 70 ha m3.s-1 Sous-bassin 20 mg.l-1 14,5 mg.l-1

31 Premiers résultats (µg/L)
Métolachlore Trifluraline Aclonifène Premiers résultats (µg/L) Calage Chantha hydro/MES Données: Lobat et Thierry du 26/03/08 au 27/03/09 Ruissellement de surface (Métolachlore 99% Trifluraline 99.9%) Phase dissoute (Métolachlore 88% Trifluraline 17%) Phase particulaire (Métolachlore 12% Trifluraline 83%)

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33 Outputs

34 Pesticides - Fonction de la couverture végétale
Kp = soil adsorption coefficient C = concentration of pesticides (particulaire et dissous) Koc = soil adsorption coeff. Normalized for soil organic carbon content orgC = percent organic C present in the soil Volatilization V=volatilization mass-transfer coefficient Depth=flow depth Fd=fraction dissoute de pest Pstwtr=qté de pest dans l’eau TT=flow travel time

35 Phase particulaire/phase dissoute
Sédiments (MUSLE - Williams, 1995): Transports phase dissoute / particulaire (sol) MUSLE = modified universal soil loss equation Qpeak=peak runoff rate K=erodibility factor (USLE) C=cover and management factor (USLE) P=support practice factor (USLE) (en rapport avec les pratiques culturales) LS=topographic factor (USLE) CFRG=coarse fragment factor (en rapport avec la qté de pierres dans le sol) Factors=ratio par rapport à des valeurs de référence Transport of sorbed pesticides C = conc. De pesticides dans les sédiments des 10 premiers mm. Sed = gain en sédiment E = enrichment ratio Transport of soluble pesticides W = amount of mobile water SAT = amount of water at soil saturation Kp = soil adsorption coefficient P = densité

36 Q=runoff R=pluie I=interception S=retention parameter = f(CN) et CN = f(type de sol et ITK) + Green and Ampt basé sur potentiel du sol Filter strips -> trapping efficiency

37 Transport des sédiments
Si Concsed>Concmax Si Concsed<Concmax Concmax=f(vitesse du cours d’eau) Seddep=sédiments déposés Seddeg=sédiments dégradés Sedi=qté de sédiments en début de simu Concmax=conc max qui peut être transportée par le cours d’eau Kch=facteur d’érodabilité Cch=facteur de couverture du canal (lié à la végétation) Vol=volume d’eau ds le tronçon

38 Pesticides Fp = fraction of total pesticides in the particular phase
Kd= pesticides partition coef Concsed=concentration of suspended solids in the water Fd = fraction of total pesticides in the dissolved phase Dégradation (phase part+dissoute): Pst=qté de pest dégradé dans l’eau Pstrchwtr=qté de pest ds l’eau au début de la journée TT = travel time Vv=volatilization mass-transfer coef Depth = flow depth Pest dans MES dans rivière Équation similaires pour pest dans sédiment (- le flux) pour la dégradation Resuspension: Pst=qté de pest ôtée des séidment par resuspension Vr=vitesse de resuspension Pstsed=qté de pest dans les sédiments TT=travel time