Présentation du modèle SiSPAT Elaboré par : Manel GHRABLI (INAT) République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur Ministère de l’Agriculture Et de la Recherche Scientifique Et des Ressources Hydrauliques Modélisation du transfert de l’eau dans le sol et amélioration de la représentation de la transpiration dans le modèle Elaboré par : Manel GHRABLI (INAT) Zahra THOMAS (Agrocampus-Ouest) Isabelle BRAUD (CEMAGREF Lyon) Jamila TARHOUNI (INAT) Décembre 2009

Plusieurs recherches ont montré que les structures linéaires boisées telles que la haie présentent des intérêts multiples et influent significativement sur le fonctionnement hydrologique au sein d’un bassin versant.

Lors de l’aménagement d’un bassin versant ( gestion des risques inondation ou sécheresse), il s’avère indispensable de prendre en considération l’impact de ces structures linéaires sur le transfert de l’eau dans le sol, sur le bilan hydrique et peut être sur d’autres processus physiques qui s’opèrent à l’échelle du bassin versant.

A cette fin, la modélisation semble être l’outil le plus efficace pour quantifier cet impact étant donné la complexité des expérimentations et des processus physiques à l’échelle des B.V.

Modéliser le transfert de l’eau dans la zone non saturée. Déceler l’impact de la haie à l’échelle du B.V. Améliorer la représentation de la transpiration ( terme du bilan hydrique difficile à prévoir) dans le modèle.

Quel est le modèle le plus approprié pour atteindre ces objectifs ? Un modèle 1D de type SVAT qui résout à la fois les bilans de masse et d’énergie ? Un modèle 2 D qui résout simplement le bilan de masse?

Présentation du modèle SiSPAT Le choix est fait sur un modèle de type SVAT (Soil- vegetation - Atmosphere Transfer) : modèle numérique qui décrit de manière simplifiée les transferts d’énergie et de matière qui s'opèrent entre le Sol, la Végétation et l'Atmosphère : SiSPAT L’objectif d’un tel modèle SVAT est de présenter au mieux l’interaction entre la végétation et son environnement (sol et atmosphère).

SiSPAT (Simple Soil-Plant-Atmosphere Transfer ) est un modèle d’écoulement vertical appliqué à l’échelle de la parcelle. Il a été développé par Dantas-Antonino (1992) La seconde version a été améliorée par Isabelle BRAUD (2002) Il résout de façon couplée les transferts d’eau et de chaleur dans la zone non saturée.

Présentation du modèle SiSPAT 1- Présentation du site expérimental : Le site expérimental est situé dans la région de la Bretagne, Département Ille et Vilaine sur la commune de Vezin- le - Coquet à 5 km à l’Ouest de Rennes. Situation géographique du site expérimental Pont Lagot Ce site est situé dans une zone de bas fond à une vingtaine de mètres du ruisseau de Pont Lagot. Sa superficie est de 280 m2 avec une longueur de 28 mètres et une largeur de 10 mètres, instrumenté par des tensiomètres et des piézomètres munis de capteurs de niveau pour le suivi

2- Choix de la colonne du sol pour la modélisation : Toposéquence de la zone étudiée d’après Ghazavi et al., (2008) (AM : amont, AV : aval suivi de la distance par rapport à la haie Amont Haie Aval Ruisseau

le profil typique est constitué de 3 horizons H1, H2 et H3 dont les épaisseurs sont successivement : 15 cm, 60 cm et 125 cm. H1 H2 H3 2 mètres Avec : Ag : horizon organo-minéral non labouré Sg : horizon structural à caractère rédoxique Cg II: horizon minéral de profondeur

3- Données nécessaires pour la modélisation: 3-1- Données tensiométriques et piézométriques: Vue en plan de la zone instrumentée avec les points de mesure (AM16, AM8, AM4, AM1, AV2, AV6 et AV12) et l’emplacement des instruments de mesure (Ghazavi, 2008)

3-2- Données climatiques: 3-2-1-Validation des données climatiques du site Vezin-le-Coquet

Passage des données climatiques de 2 m à 15 m de hauteur 3-2-2- Forçage climatique: La particularité de cette étude réside dans la hauteur de la haie qui est de 15 mètres Passage des données climatiques de 2 m à 15 m de hauteur

3-3-Paramètres hydrodynamiques définis par le Modèle de Van Genuchten en utilisant des fonctions sur le logiciel R

4- Stratégie de la modélisation :

Présentation du modèle SiSPAT 4-1- Chronologie de la modélisation : Simulation pour un mois sec (Septembre 2006) Simulation pour un mois humide (Janvier 2007) Simulations pour une période de 5 mois (01/01/07 au 31/05/07) Simulations pour une période de 8 mois (01/01/07 au 31/08/07) Simulations pour une période de18 mois (01/01/06 au 31/08/07) Prise en main du modèle Paramétrisation et calage Validation

4-2- Intervention au niveau du code de SiSPAT: Adopter le modèle à notre étude :

Présentation du modèle SiSPAT Pour faciliter la saisie des valeurs initiales de la température et éviter d’intervenir directement sur le code du modèle SiSPAT, INTERCIP.exe a été étendu pour générer la condition initiale de la température.

1- Trie des variables de sortie du fichier « out1.dat » : Variables d’état Nœuds

Variables d’état Date

2- Simulation pour une période de 5 mois: 2-1- Potentiel matriciel: 25 cm 50 cm 100 cm 150 cm

Vue en plan de la zone instrumentée avec les points de mesure (AM16, AM8, AM4, AM1, AV2, AV6 et AV12) et l’emplacement des instruments de mesure (Ghazavi, 2008)

25 cm 50 cm 100 cm 150 cm

25 cm 50 cm 100 cm 150 cm

Potentiel matriciel : Pour les horizons superficiels : il est difficile de reproduire les potentiels matriciels par le modèle à ce niveau vu : L’importance des flux dans ces horizons : un nombre important de paramètres et des approximations numériques et la forte non linéarité des équations. Les mesures dans ces horizons peuvent être aberrantes en raison des manipulations exigées suite aux décrochements fréquents des tensiomètres à ce niveau. Pour les horizons les plus profonds (100 cm et 150 cm), les valeurs du potentiel matriciel simulées se confondent avec celles observées, ceci est dû : A la condition à la limite inférieure de type Dirichlet. A la présence d’une nappe libre dont le niveau piézométrique atteint ces niveaux de profondeur.

Présentation du modèle SiSPAT 25cm 2-2- Température : 50 cm 100 cm 150 cm Malgré que les valeurs prédites par le modèle ont la même dynamique que celles mesurées, on note la présence d’un effet de cumul d’erreurs, d’où des températures simulées plus basses que celles dans la réalité.

Etr cum + Evs cum +interp cum 2-3- Bilan de masse: Pluie + remontée capillaire +ΔS = Evt + ruissellement = Evt cum Etr cum + Evs cum +interp cum

LAI en fonction du temps 2-4- La paramétrisation : 2- 4-1-LAI : LAI en fonction du temps Bibliographie ETP Observations En fonction du stade phénologique

Profil racinaire en fonction du temps 2- 4-2- Le profil racinaire : Profil racinaire en fonction du temps Niveau de la nappe Modèle type LAI Observation du site

3- Essai d’amélioration des résultats de simulation : Présentation des différentes simulations : Simulation 1 : végétation de 2 mètres de hauteur, LAI nul et vent enregistré à 2 mètres. Simulation 2 : végétation de 2 mètres de hauteur, LAI > 0 mesuré pour une végétation entre 0 et 2 mètres et vent enregistré à 2 mètres. Simulation 3 : végétation de 2 mètres de hauteur, LAI > 0 mesuré pour une végétation entre 0 et 2 mètres et vent enregistré à 15 mètres. Simulation 4 : végétation de 15 mètres de hauteur, LAI > 0 mesuré pour une végétation entre 0 et 2 mètres et vent enregistré à 15 mètres. Simulation 5 : végétation de 15 mètres de hauteur, LAI > 0 mesuré pour une végétation entre 0, 2 et 15 mètres et vent enregistré à 15 mètres.

3-1- Potentiel matriciel : 25 cm 50 cm 100 cm 150 cm

25 cm 50 cm 100 cm 150 cm

3-2- Bilan hydrique : Cumuls en mm Cumuls en mm

A travers les simulations on a pu confirmer l’impact de la haie : Sur le bilan hydrique à l’échelle locale via les deux termes de la transpiration (extraction racinaire) et de l’interception calculés par SiSPAT. Sur le transfert de l’eau dans le sol : l’effet de la haie sur la dynamique de l’eau est perceptible essentiellement pendant la période estivale (chute du potentiel matriciel) et se poursuit même pendant la période de l’automne (retard de l’humidification du sol). Sur la nappe libre présente dans la zone d’étude : cette dernière est souvent sollicitée par la haie pour satisfaire ses besoins en eau surtout en cas de déficit, ceci est mis en évidence par l’importance de la remontée capillaire résultante des simulations avec SiSPAT.

Amélioration de la transpiration dans le modèle : La simulation 4 donne une meilleure représentation de la transpiration, de l’évaporation du sol et de l’interception : Bilan de la simulation 4

L’impact de la haie est distingué à 3 niveaux :

+ Modélisation du transfert de l’eau dans le sol (via le potentiel matriciel) - Le potentiel matriciel pendant la période estivale n’est pas bien simulé ( modèle 1D qui néglige les flux latéraux ) + On a même pu modéliser le transfert thermique - Un effet de cumul d’erreur dont on doit tenir compte Amélioration de la transpiration, évaporation du sol et l’interception : Une bonne paramétrisation du LAI et du profil racinaire Une meilleure simulation des flux sol-atmosphère

Importance des flux latéraux à la proximité de la haie (Ghazavi, 2008) Les limites de SiSPAT: Etant donné qu’il est en 1D, il néglige les flux latéraux qui sont par contre très importants dans le cas de la haie Sol très sec Importance des flux latéraux à la proximité de la haie (Ghazavi, 2008)

La reproduction de la pente en cas de dessèchement et de la réhumectation est décalée : passage de la macroporosité à la microporosité ou vice-versa. Absence d’une fonction de drainage: Sol plus humide que la réalité surtout pendant les périodes où le niveau de la nappe augmente et la pluie est importante.

Nécessité d’une fonction qui permet la distinction des deux termes. Toutefois, on pense que le terme d’Evs englobe une partie du drainage. Nécessité d’une fonction qui permet la distinction des deux termes.

Etude de la possibilité d’insertion de SiSPAT dans un modèle hydrologique distribué : Choix du modèle hydrologique : Il a les mêmes objectifs que ceux de SiSPAT ou bien déterminés en partie par SiSPAT. la détermination d’une échelle appropriée pour l’unité de modélisation ainsi qu’une représentation propre des processus hydrologique à cette échelle, ceci est conditionné par : La disponibilité des données d’entrée et des paramètres pour chaque unité de modélisation L’échelle spatiale et temporelle des variables de sorties Les mesures prises pour la vérification des sorties du modèle

Malgré qu’il s’agit d’un modèle monodimensionnel, SiSPAT nous a permis de : Modéliser le transfert de l’eau et de chaleur dans le sol. Démontrer l’impact de la haie à différents niveaux. Améliorer la représentation de quelques termes du bilan hydrique. Les résultats obtenus seront améliorés en tenant compte des flux latéraux, du ruissellement et de drainage ajouter des fonctions au niveau de SiSAPT pour les calculer.

MERCI DE VOTRE ATTENTION