Méthode d'estimation des émissions de N vers les masses d'eau continentales superficielles « Evaluation des surplus azotés de l'agriculture et de son devenir » , Jussieu, 20 février 2012

Plan Eléments de cadrage sur l’action ONEMA Développement du modèle Bassins de calibration Résultats Discussion

Eléments de cadrage sur l’action ONEMA 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) Source: EDL 2004, Agence de l’eau Loire Bretagne

Positionnement parmi les méthodes existantes empirique physique Régressions linéaires : BV régionaux (Howarth et al. 1996) BV locaux : approche coefficients d’exportation (Johnes et al. 1996) Modèles conceptuels simples : Application US : SPARROW (Smith et al. 1997) Application EU : GREEN (Grizzetti 2006) Modèles conceptuels semi-empiriques : MONERIS (Behrendt et al. 2002) PolFlow (De Wit et al. 2001) (Applications BV régionaux) Modèles à base physique : Application Seine : STICS-MODCOU (Ledoux et al. 2007) Application locale : TNT2 = STICS + TOPMODEL (Beaujouan et al. 2001) Modèles statiques, compatibles avec une approche bilan type NOPOLU Modèles dynamiques, données source plus complexes

Positionnement parmi les méthodes existantes Modèles semi-distribués appliqués dans des sous-bv aux USA (SPARROW) et en Europe (GREEN)   Coefficient R Coefficient B Terme 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 Remplacer le terme source par un surplus (plutôt que inputs) Source: Grizzetti 2006

Positionnement parmi les méthodes existantes Moneris : 7 équations semi-empiriques + équation de rétention dans les eaux de surface (Berhendt et al. 2002) Décomposer en écoulement profond et écoulement de subsurface 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)

Positionnement parmi les méthodes existantes empirique physique Régressions linéaires : BV régionaux (Howarth et al. 1996) BV locaux : approche coefficients d’exportation (Johnes et al. 1996) Modèles conceptuels simples : Application US : SPARROW (Smith et al. 1997) Application EU : GREEN (Grizzetti 2006) Modèles conceptuels semi-empiriques : MONERIS (Behrendt et al. 2002) PolFlow (De Wit et al. 2001) (Applications BV régionaux) Modèles à base physique : Application Seine : STICS-MODCOU (Ledoux et al. 2007) Application locale : TNT2 = STICS + TOPMODEL (Beaujouan et al. 2001) Modèle NOPOLU-transfert Remplacer le terme source par un surplus (plutôt que inputs) Décomposer en écoulement profond et écoulement de subsurface

Développement du modèle Schéma général Modèles conceptuels existants : NOPOLU-transfert : 1-BFI N surplus [NO3-] aquifer SP L BFI Bsol Bpluie BZH fluxprofond R Partition de l’écoulement entre Fluxsuperficiel et Fluxprofond basé sur le calcul d’un base flow index calculé par la méthode de Meinardi et al. (1994) Fluxsuperficiel dérivé du surplus NOPOLU Fluxprofond dérivé de la lame d’eau et de la concentration des nappes

Etape 1 : calcul du Base Flow Index Développement du modèle Etape 1 : calcul du Base Flow Index Écoulement total = composante rapide (subsurface) + lente (profonde) Ecoulement total : Sauquet (2006) Coefficient de partition calculé par la méthode de Meinardi et al. (1994) : méthode heuristique croisant des données d'occupation du sol, texture, pente, et hydrogéologie « Meinardi et al. (1994)… they distinguish between groundwater recharge and ‘superficial runoff’. The superficial runoff component also includes shallow goundwater recharge with relatively short residence times » « the groundwater recharge index calculated by Meinardi et al. (1994) [may be called] a ‘deep’ groundwater recharge index » « we are well aware that this subdivision in runoff components are indicators rather than fixed boundaries » De Wit et al. (2000) Schéma conceptuel modèle PolFlow De Wit et al. (2001) Résultat calcul du BFI par la méthode de Meinardi et al. (1994)

Etape 2 : Sources d’azote Développement du modèle Etape 2 : Sources d’azote Fluxsuperficiel : surplus NOPOLU {SOeS} Fluxprofond : concentration [NO3-] {base ADES réseau DCE} spatialisée Calcul du surplus NOPOLU Surplus NOPOLU (données SOeS 2007)

Développement du modèle Etape 3 : coefficient de transfert dans les versants Où Zi={lame d’eau/pluies efficaces, topographie, sol, land use, pratiques agricoles, zones humides} Lame d'eau déduite des pluies efficaces : modèle SAFRAN de Météo France Topographie : pente, distance moyenne au cours d’eau, densité de cours d’eau Sol : Ksat déduit de la texture de l'horizon 1 croisé avec fonction de pédotransfert (Wosten et al. 1998) Land use : % espaces naturels et semi-naturels Pratiques : pas de bases de données utilisables %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 Bsol Bpluie BZH fluxprofond R

Développement du modèle Etape 4 : coefficient de transfert dans le réseau hydrographique 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 Bsol Bpluie BZH fluxprofond R

Bassins de calibration Constitution d’un jeu de bassins versants où des flux ont été calculés France :188 bv BZH : 56 bv Seine : 44bv Sélectionné selon des critères de taille, indépendance, années disponibles, part du ponctuel dans le flux total

Résultats Modèle France R²=0.69 RMSE=6.75kgN.ha-1.yr-1 model parameters coefficient units estimate standard error t value Pr(>|t|)   National model effective rainfall mm 2,76E+02 4,29E+01 6,442 9,82E-10 *** hydraulic load s-1.ha.m 1,78E-03 8,11E-04 2,196 0,0293 * R²=0.69 RMSE=6.75kgN.ha-1.yr-1

Résultats Modèle Seine avec les mêmes BD R²=0.66 Modèle calibré sur la France et appliqué sur la Seine Modèle calibré sur la Seine et appliqué sur la Seine model parameters coefficient units estimate standard error t value Pr(>|t|)   Seine model 1 effective rainfall mm 1,08E+02 6,35E+01 1.70 0.09653 . hydraulic load s-1.ha.m 6,49E-03 2,12E-03 3.06 0.00385 ** R²=0.66 RMSE=7.74kgN.ha-1.yr-1 RMSE -4%

Résultats Modèle Seine avec BFI et lame d’eau Florence R²=0.77 Modèle calibré sur la France et appliqué sur la Seine Modèle calibré sur la Seine et appliqué sur la Seine model parameters coefficient units estimate standard error t value Pr(>|t|)   Seine model 2 effective rainfall mm 2.428+02 5.91+01 4.109 0.00018 *** hydraulic load s-1.ha.m 1.683-03 7.225E-04 2.329 0.02475 * R²=0.77 RMSE=2.23kgN.ha-1.yr-1 OK RMSE -22%

Résultats Modèle BZH R²=0.76 RMSE=7,43kgN.ha-1.yr-1 RMSE -19% Modèle calibré sur la BZH et appliqué sur la BZH Modèle calibré sur la France et appliqué sur la BZH Brittany model   Total runoff mm 1,66E+02 4,71E+01 3.515 0.000932 *** %hydromorphic soil % 2.650E-02 7.893e-03 3.357 0.001496 ** average distance to stream m 2.925e- 03 8.345e- 04 3.505 0.000960 hydraulic load s-1.ha.m 2.019e- 03 1.072e-03 1.884 0.065256 . correction factor 1.302e+0 0 2.889e-01 4.505 3.89e-05 R²=0.76 RMSE=7,43kgN.ha-1.yr-1 RMSE -19%

Discussion Comparative evaluation of national-scale and regionalized models Régionalisation améliore l’ajustement mais peut dégrader la prédiction des paramètres du fait de : Nombre plus réduit de bv Variabilité des conditions agro-pédo-climatique moindre Analysis of basins’ characteristics governing nitrate transfer Transfert gouverné par la lame d’eau principalement France Seine 1 Seine 2 BZH B 0.56 0.62 0.34 0.51 R 0.83 0.52 0.84 0.85 Valeur médiane des facteurs B et R

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 BV côtier breton Une zone de grandes cultures, dans le bassin parisien

Bases de données BD pour calculer des variables explicatives potentielles pour l’ensemble des facteurs (sol, ZH, pluies, …)   National model Brittany model Seine model N surplus NOPOLU 2007 (SOeS) N point sources Industrial and domestic emissions (Water agencies) N concentration in aquifers nitrate concentration (ADES database) Soil Soil texture (France 1:1000000 soil map) Soil texture (Brittany 1:250000 soil map) Riparian wetlands Beven Index (DEM 50m) 50m resolution map of hydromorphic soils (Lemercier et al., 2011) Map of riparian wetlands (AESN, 2006) Effective rainfall - runoff P-ETP (Météo France SAFRAN database) Total runoff (Banque Hydro) Land use Natural and semi-natural areas (Corine Land Cover 2006) River sytem data BD Carthage + hydraulic geometries as modeled by ESTIMKART (Lamouroux et al., 2010) Lakes and reservoir BD Carthage + hydraulic residence time as modeled by CEMAGREF Total runoff Total runoff map (Sauquet, 2006) BFI base flow index as calculatd by Meinardi et al. (1994) base flow index as calculatd by Meinardi et al. (1994)+base flow index as estimated by Wellington method