Introduction d'un module d'extraction d'eau du sol dans le modèle hydrologique CATHY: Comparaison de quatre modèles empiriques de distribution de densité racinaire  Mushombe Mumaa, Silvio J. Gumiereb, Alain N. Rousseaua, Carlotta Scudelera, Claudio Paniconia aInstitut National de la Recherche Scientifique, Centre ETE, Université du Québec, 490 rue de la Couronne, Québec (QC), G1K 9A9 bDépartement des sols et de génie agroalimentaire, Université Laval, 2480 boulevard Hochelaga, Québec (QC), G1V 0A6 1 Introduction Conditions limites à la surface (forçage atmosphérique): Pluie – Évaporation potentielle Transpiration potentielle: Évapotranspiration potentielle – Évaporation potentielle Condition initiale de simulation: hauteur de la nappe Période de simulation: 17 mai au 15 novembre 2010 (période végétative: activités agricoles intenses sur le site) Longueur maximale racinaire: 1.00 m sous la surface Cultures étudiées: maïs et soja 3.2 Nappe à 15, 25, 35, 50, 60, 70, 80 cm sous la surface du sol avec le modèle 1 Scenario 3 – maïs (Fig. 4) Écoulement aux drains est réduit de 5.00 à 6.90 % Écoulement à l’exutoire diminue de 7.00 à 12 % Scenario 4 – soja (Fig. 4) Réduction de 3.80 à 6.30 % d’écoulement aux drains Diminution de 6.60 à 10.40 % d’écoulement à l’exutoire La transpiration a beaucoup plus d’impact sur l’écoulement à l’exutoire qu’aux drains. Ceci reflète le fait que la portion drainée du champ représente 155 nœuds sur un total de 483 nœuds de surface. Fig. 4 Réduction d’écoulement aux drains et à l’exutoire due à la transpiration des cultures, maïs et soja, avec la nappe à 15, 25, 35, 50, 60, 70, 80 cm sous la surface du sol – partitionnement d’écoulements par les cultures Tendance de réduction de l’impact de chaque culture sur les écoulements (Fig. 5) À gauche du point d’intersection, la droite de tendance du soja est légèrement au-dessus de celle du maïs pour les deux variables À droite du point d’intersection, au fur et à mesure que la zone non saturée augmente, le taux de changement de l’écart entre les deux droites de tendance est plus faible pour l’écoulement aux drains qu’à l’exutoire La tendance de la réduction de l’écoulement à l’exutoire est plus forte que celle de l’écoulement aux drains Fig. 5 Droite de tendance de réduction d’écoulement aux drains (1) et à l’exutoire (2) pour le maïs et le soja avec la nappe à 15, 25, 35, 50, 60, 70, 80 cm sous la surface du sol (continue: (2)-maïs; longs pointillés: (2)-soja; pointillés: (1)-maïs; deux pointillés: (1)-soja) 1.1 Contexte Sur un sol couvert de végétation, la part de l’eau libérée du sol vers l’atmosphère via les plantes vaut 2/3 à 3/4 de l’évapotranspiration (ETP) totale [1]. Ainsi, la transpiration représente une part importante dans la modélisation hydrologique des terres cultivées. Dans la forme originale de CATHY, l’ETP est représentée par une condition aux frontières à la surface du sol. 1.2 Objectifs Introduire un module racinaire d’extraction de l’eau dans le modèle hydrologique CATHY Prendre en compte la transpiration des cultures annuelles Utiliser quatre modèles empiriques verticaux (1D) de distribution de densité racinaire Évaluer l’effet de la transpiration des cultures annuelles sur l’écoulement aux drains et à l’exutoire du champ Comparaison des résultats avec et sans le module racinaire d’extraction de l’eau 2.4 Modèles racinaires d’extraction de l’eau L’extraction de l’eau du sol par les racines traitée comme terme puits introduit dans l’équation de Richards [5] et dépend de: Transpiration potentielle Profondeur maximale racinaire Fonction de réduction du stress hydrique Distribution de la densité racinaire normalisée aux différents stades de croissance (Lnrd(zr)), zr étant la profondeur racinaire normalisée. Le tableau 1 donne quatre modèles empiriques 1D de Lnrd(zr) utilisées Tableau 1 Différents modèles de distribution de densité racinaire 2 Matériels et méthodes Modèle Distribution Lnrd(zr) Référence 1 Uniforme [5] 2 Non linéaire [6] 3 Exponentielle [7] 4 2.1 Localisation et description du site d’étude Un champ drainé de 17.04 ha (Fig. 1) localisé dans le micro-bassin d’intervention Bras d’Henri (2.4 km²) du projet « Évaluation des Pratiques de gestion Bénéfique à l’échelle des bassins Hydrographiques (EPBH) » d’Agriculture et Agro-alimentaire Canada (AAC) [2] Texture du sol: sable grossier loameux à sable fin loameux Précipitations annuelles, d’ordre de 1150 mm, sont généralement supérieures à eau évaporée en été; d’où aucun déficit hydrique n’est observé dans le sol [3] Données météorologiques, propriétés hydrauliques du sol jusqu’à profondeur 1.25 m fournies par AAC et conductivité hydraulique saturée à profondeur > 1.25 m obtenue par slug test Fig.1 Localisation du site d’étude (double pointillés à l’intérieur de l’encadré) dans le micro-bassin Bras d’Henri (étoile rouge: exutoire du champ, points verts: sortie réseau de drainage, points rouges: piézomètres, lignes violettes: réseau de drainage) 3 Résultats et discussion 3.1 Nappe à 15 cm (scenario 1) et 50 cm (scenario 2) sous la surface du sol avec les quatre modèles – maïs Réduction écoulement aux drains et à l’exutoire (Fig. 2) Modèle 1: Diminution écoulement aux drains de 5.00 et 5.50 % et à l’exutoire de 7.10 et 8.60 % respectivement pour scenarios 1 et 2 Modèles 2, 3, et 4: Diminutions inférieures à 2.00 % pour les deux configurations de nappe L’introduction du module racinaire d’extraction de l’eau dans le modèle CATHY induit une réduction d’écoulement tant aux drains qu’à l’exutoire. Fig. 2 Réduction d’écoulement aux drains et à l’exutoire due à la transpiration du maïs avec la nappe à 15 et 50 cm sous la surface du sol Ratios volumes cumulés transpiration/évapotranspiration et évapotranspiration/précipitation (Fig. 3) Ratios  30 % pour le modèle 1 et ratios  15 % pour tous les autres modèles face à transpiration/évapotranspiration Ratios  15 % pour tous les modèles en ce qui concerne évapotranspiration/précipitation Ces résultats s’accordent avec le fait qu’aucun déficit hydrique n’est observé dans le micro-bassin [3]. Fig. 3 Ratios des volumes cumulés transpirés (Tp) versus évapotranspirés (ETp) et évapotranspirés versus précipités (Pcp) 2.2 Description du modèle hydrologique CATHY (CATchment HYdrology): modèle à base physique spatialement distribué intégrant les processus d’écoulement de surface (équation de Saint-Venant 1D) et d’écoulement souterrain (équation de Richard 3D) [4] Expressions de van Genuchten et Nielsen utilisées pour spécifier les caractéristiques non linéaires de la relation teneur en eau/conductivité hydraulique Phase de prétraitement (preprocessing): Lecture des données topographiques (MNA), analyse des paramètres structuraux, du chenal, … Phase de simulation: Propriétés du sol (Ksat, Por, Ss, relation de CRH et CCH), ic, type de simulation, flux à la surface, … 4 Conclusion Étude dans sa phase préliminaire: besoin de mesures de terrain (lysimètres) afin de valider les taux de transpiration Transpiration des cultures: sujet d’étude intense spécialement dans de zones arides; même zones tempérées suite aux changements climatiques pouvant augmenter les besoins pour l’irrigation Références bibliographiques [1] Lösch R. Wasserhaushalt de Pflanzen. Wiebelsheim, Germany; Quelle und Meyer; 2001. ISBN 3-494-02238-0. [2] Yang W, Rousseau AN, Boxall P. An integrated economic-hydrologic modeling framework for watershed evaluation of beneficial management practises. Journal of Soli and Water Conservation 2007; 62: 423-432. [3] Lamontagne L, Martin A, Nolin MC. Étude pédologique du bassin versant du Bras d’Henri (Québec). Laboratoires de pédologie et d’agriculture de précision, Centre de recherche et de développement sur les sols et les grandes cultures, Service national d’information sur les terres et les eaux, Direction générale de la recherche, Agriculture et Agroalimentaire Canada, Québec (Québec), 2010. [4] Camporese M, Paniconi C, Putti M, Orlandini S. Surface-subsurface flow modeling with path-based runoff routing boundary condition-based coupling, and assimilation of multisource observation data. Water Resour Res 2010; 46, W02512, doi: 10.1029/2008WR007536. [5] Feddes RA, Kowalik J, Zaradny H. Water uptake by plant roots. In: Simulation of field water use and crop yield. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1978, pp. 16-30. [6] Wu J, Zhang R, Gui S. Modeling soli water movement with water uptake by roots. Plant and Soil 1999; 215: 7-17. [7] Vrugt JA, Hopmans JW, Simunek J. Calibration of a two-dimensional root water uptake model. Soil Sci Soc Am J 2001; 65: 1027-1037. 2.3 Implantation du modèle CATHY au champ Discrétisation Spatiale (surface) à partir de MNA 20 m de résolution: 426 cellules et 483 nœuds projetés sur 15 couches Milieu poreux: 7728 nœuds, 38340 éléments tétraédriques Système de drainage@nœuds à 1.15 m sous la surface: potentiel de pression nulle (conditions de Dirichlet), 155 nœuds sur 483