Mushombe Muma1, Alain N. Rousseau1 & Silvio J. Gumiere2 Modélisation de l’impact des drains souterrains agricoles sur le fonctionnement hydrologique d’un micro-bassin versant Mushombe Muma1, Alain N. Rousseau1 & Silvio J. Gumiere2 1INRS - Centre Eau Terre Environnement, Québec (QC) 2Département des sols et de génie agroalimentaire, Université Laval, Québec (QC) 1

1. INTRODUCTION 2 2

INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Contexte général Qualité, quantité & dynamique eau: modifiées/activités humaines sur BV 3 3

INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Contexte général Qualité, quantité & dynamique eau: modifiées/activités humaines sur BV Plusieurs pratiques ou aménagements  gestion & protection eau … … 4 4

INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Contexte général Qualité, quantité & dynamique eau: modifiées/activités humaines sur BV Plusieurs pratiques ou aménagements  gestion & protection eau Parmi ceux-ci, attention  drains souterrains agricoles … … 5 5

Principaux écoulements INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Principaux écoulements Couplage eaux surface/eaux souterraines: contribution eaux surface  eaux souterraines (infiltration) & contribution eaux souterraines  eaux surface (exfiltration) 6 6

Principaux écoulements INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Principaux écoulements 7 7

Principaux écoulements INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Principaux écoulements 8 8

INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Objectifs Simuler écoulement exutoire micro-bassin & analyser effet drainage souterrain sur variation d’emmagasinement 9 9

INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Objectifs Simuler écoulement exutoire micro-bassin & analyser effet drainage souterrain sur variation d’emmagasinement Analyser impact drainage souterrain & sols sur: Écoulement exutoire; Couplage eaux surface - eaux souterraines; Hydrogramme écoulement exutoire. 10 10

2. MATÉRIELS & MÉTHODES 11 11

Site d’Étude: Micro-bassin Bras d’Henri INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Site d’Étude: Micro-bassin Bras d’Henri A  2.5 km² Occupation drains 30 % A Couleur bleue: réseau hydro Étoile noire: exutoire Autres couleurs: réseaux de drainage 12 12

Site d’Étude: Occupation du Sol INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Site d’Étude: Occupation du Sol Occupation du sol Superficie (%) Urbain 0.50 Pâturage et foin 53.06 Céréales 8.13 Maïs 27.78 Eau 0.00 Milieu humide Sol nu Friche Feuillus 9.24 Conifères 1.28 13 13

Site d’Étude: Source de Données INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Site d’Étude: Source de Données AAC: Données météorologiques, conductivités hydrauliques à saturation des sols jusqu’à 1.25 m de profondeur, hauteurs d’eau exutoire/micro-bassin. Conductivités hydrauliques à saturation à profondeur > 1.25 m  essais de perméabilité (slug test) 14 14

Modèle CATHY* : Application au Site d’Étude INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Modèle CATHY* : Application au Site d’Étude Modèle 3D Surface MNA 20 m résolution Épaisseur: 5.45 m 15 couches/5 groupes Nœuds @ drains: 1.20 m de profondeur *CATchment Hydrology (Camporese et al. 2010) **Lagacé (2012), Savoie (2009) 15 15

Périodes d’Étude et Valeurs de PCPeff INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Périodes d’Étude et Valeurs de PCPeff 1er mai (121 JJ) au 31 octobre (304 JJ) des années 2006, 2007, 2008 & 2009 Calage: 2006 & Validation: 2007, 2008 & 2009 16 16

Périodes d’Étude et Valeurs de PCPeff INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Périodes d’Étude et Valeurs de PCPeff 1er mai (121 JJ) au 31 octobre (304 JJ) des années 2006, 2007, 2008 & 2009 Calage: 2006 & Validation: 2007, 2008 & 2009 ÉTÉ 2006 & 2007: faibles PCPeff 2008: plus de PCPeff 2009: très faibles PCPeff 2007: + faible PCPeff totale 17 17

Scénarios Ks 4 scénarios: Scénario 1  Ks mesurée: Calage & Validation INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Scénarios Ks 4 scénarios: Scénario 1  Ks mesurée: Calage & Validation Scénarios 2, 3 & 4 (constitués de 1/analyse impact sur écoulements) 18 18

Scénarios Ks 4 scénarios: Scénario 1  Ks mesurée: Calage & Validation INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Scénarios Ks 4 scénarios: Scénario 1  Ks mesurée: Calage & Validation Scénarios 2, 3 & 4 (constitués de 1/analyse impact sur écoulements) 19 19

Scénarios Ks 4 scénarios: Scénario 1  Ks mesurée: Calage & Validation INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Scénarios Ks 4 scénarios: Scénario 1  Ks mesurée: Calage & Validation Scénarios 2, 3 & 4 (constitués de 1/analyse impact sur écoulements) Étude AS/CATHY: Muma et al. (2014)  KsXY(9-15): Paramètre + influent (indice 1er ordre + élevé) /écoulements aux drains & exutoire KsXY(5-8) & KsZ(5-8)  Influence suite aux interactions avec autres paramètres 20 20

Scénarios Ks KsZ1 = KsZ2 KsXY1 = 10KsXY2 10KsZ1 = KsZ3 KsXY1 = KsXY3 INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Scénarios Ks KsZ1 = KsZ2 10KsZ1 = KsZ3 KsZ1 = KsZ4 KsXY2 = 10KsXY4 KsXY1 = 10KsXY2 KsXY1 = KsXY3 KsXY1 = 10KsXY4 Ordre décroissance Ks : 3, 1, 2 , 4 21 21

3. RÉSULTATS & DISCUSSION 22 22

Calage et validation du modèle (scénario 1) INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Calage et validation du modèle (scénario 1) Critère de Nash (NSE) 23 23

Calage et validation du modèle INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Calage et validation du modèle Critère de Nash (NSE) 24 24

Calage et validation du modèle (scénario 1) INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Calage et validation du modèle (scénario 1) Critère de Nash (NSE) X Critère de Nash modifié (NSEm): admet erreur de  20 % sur valeurs observées. 25 25

Calage et validation du modèle INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Calage et validation du modèle Critère de Nash (NSE) X Critère de Nash modifié (NSEm): admet erreur de  20 % sur valeurs observées. 26 26

Effet drainage souterrain sur variation emmagasinement (scénario 1) INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Effet drainage souterrain sur variation emmagasinement (scénario 1) 27 27

Effet drainage souterrain sur variation emmagasinement INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Effet drainage souterrain sur variation emmagasinement Faibles PCPeff en été  2 courbes se coupent: sd passe en dessous de d  Pas écoulement aux drains 28 28

Effet drainage souterrain sur variation emmagasinement INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Effet drainage souterrain sur variation emmagasinement Faibles PCP en été  2 courbes se coupent: sd passe en dessous de d  Pas écoulement aux drains Plus PCPeff en été  2 courbes restées presque parallèles: sd toujours au dessus de d  écoulement aux drains 29 29

Impact drainage agricole & sols sur écoulement exutoire INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact drainage agricole & sols sur écoulement exutoire (4 scénarios, année 2006) Ks 3 > Ks 1 > Ks 2 > Ks 4 30 30

Impact drainage agricole & sols sur écoulement exutoire INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact drainage agricole & sols sur écoulement exutoire Ks 3 > Ks 1 > Ks 2 > Ks 4 Max. sd > Max. d Sol - conducteur, pointes plus  31 31

Impact drainage agricole & sols sur écoulement exutoire INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact drainage agricole & sols sur écoulement exutoire Ks 3 > Ks 1 > Ks 2 > Ks 4 Min. sd < Min. d Sol + conducteur, bases plus  32 32

Impact drainage agricole & sols sur écoulement exutoire INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact drainage agricole & sols sur écoulement exutoire Ks 3 > Ks 1 > Ks 2 > Ks 4 Tot. sd < Tot. d Sol + conducteur : écoul. totaux +  & (d-sd) +  33 33

Impact drainage agricole & sols sur couplage des eaux INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact drainage agricole & sols sur couplage des eaux (4 scénarios, année 2006) Eaux exfiltrées Drains  diminution eaux exfiltrées 34 34

Impact drainage agricole & sols sur couplage des eaux INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact drainage agricole & sols sur couplage des eaux (4 scénarios, année 2006) Eaux infiltrées Drains  augmentation eaux infiltrées 35 35

Impact drainage agricole & sols sur couplage des eaux INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact drainage agricole & sols sur couplage des eaux (4 scénarios, année 2006) Eaux ruisselées Drains  diminution eaux ruisselées 36 36

INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact réseaux drainage sur hydrogramme écoulement exutoire (scénario 1, année 2006) 37 37

INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact réseaux drainage sur hydrogramme écoulement exutoire (scénario 1, année 2006) Exfiltration + dominante Aux pointes: ruissellement + dominant Faibles variations aux drains 38 38

INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION Impact réseaux drainage sur hydrogramme écoulement exutoire (scénario 1, année 2006) Exf. = 0.56 Exutoire Drains = 0.23 Exutoire Ruiss. = 0.21 Exutoire Micro-bassin drainé 30 %, drainage significatif 39 39

4. CONCLUSION 40 40

CATHY: Bonne simulation écoulements exutoire micro-bassin INTRODUCTION MATÉRIELS & MÉTHODES RÉSULTATS DISCUSSION & CONCLUSION CATHY: Bonne simulation écoulements exutoire micro-bassin Drains (augmentent capacité drainage sol (Soutter et al. 2007; BTSAC, 2012)) & types de sol (Novak et al. 2001; Kladivko et al. 1999)  impact élevé sur circulation eau à la surface & dans sol. Expérimentalistes: Drains diminuent ruissellement surface (Istock & Kling, 1983), débits de pointe (Mclean & Schwab, 1992) & augmentent infiltration (Hill, 1976; Thomas et al. 1995), niveau de base (Schilling & Libra. 2003) ; écoulement total (Tomer et al. 2005)  Observations vérifiées/CATHY. Étude  Contribution significative compréhension de CATHY, la première sur modélisation d’impact des drains agricoles souterrains/bilans hydrologiques à échelle BV utilisant modèle 3D. 41 41

Références bibliographiques Basin Technical and Scientific Advisory Committee (BTSAC) (2012) Water management options for subsurface drainage: Briefing Paper 2. http://www.rrbdin.org/archives/4520 (Consulté le 20 Mai 2014). Camporese, M., et al., 2010. Surface-subsurface flow modeling with path-based runoff routing, boundary condition-based coupling, and assimilation of multisource observation data. Water Resources Research, 46(2), W02512. Hill AR (1976) The environmental impacts of agricultural land drainage. Journal of Environmental Management 4:251-274. Istok JD & Kling GF (1983) Effect of subsurface drainage on runoff and sediment yield from an agricultural watershed in western Oregon, U.S.A. Journal of Hydrology 65(4):279-291. Kladivko EJ, Grochulska J, Turco RF, Van Scoyoc GE & Eigel JD (1999) Pesticide and Nitrate Transport into Subsurface Tile Drains of Different Spacings. Journal of Environmental Quality 28(3):997-1004. Lagacé, R., 2012. Infiltration et drainage: GAA-7003, Notes de cours, Chapitre 10: Bilan hydrique au Québec. Département des sols et de génie agroalimentaire, Université Laval, Québec. Disponible au : http://www.grr.ulaval.ca/gaa_7003/Documents/Notes_cours_2012/CH_10_Bilan _QC.pdf [Consulté 12 janvier 2013]. McLean JJP & Schwab GO (1982) Flood peak plows and subsurface drainage. ASAE, Paper n° 82-2053, St. Joseph, MI. 42 42

Références bibliographiques Muma M, Gumiere SJ & Rousseau AN (2014) Analyses de sensibilité globale du modèle CATHY aux propriétés hydrodynamiques du sol d’un micro-bassin agricole drainé. Hydrological Sciences Journal 59(8) : 1606-1623 Novak SM, Portal JM & Schiavon M (2001) Effects of soil type upon metolachlor losses in subsurface drainage. Chemosphere 42(3):235-244. Savoie, V., 2009. Le drainage de surface. Formation OAQ, MAPAQ – Centre du Québec, session 2009-2010, 37 p. Schilling KE & Libra RD (2003) Increased baseflow in Iowa over the second half of the 20th century. Journal of the American Water Resources Association 39(4):851-860. Soutter M, Mermoud A & Musy A (2007) Ingénierie des eaux et du sol. Processus et aménagements. Lausanne, Presses polytechniques et universitaires romandes, 294p. Thomas DL, Perry CD, Evans RO, Izuno FT, Stone KC & Gilliam JW (1995) Agricultural drainage effects on water quality in Southeastern U.S. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 121(4):277-282. Tomer, M.D., Meek, D.W., and Kramer, L.A. (2005). Agricultural practices influence flow regimes of headwater streams in Western Iowa. J. Environ. Qual., 34(5), 1547–1558. 43 43

Merci pour votre attention ! 44

Questions 45