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Unité de recherche Milieux Aquatiques, Ecologie et Pollutions. Lyon Guide de di

Unité de recherche Milieux Aquatiques, Ecologie et Pollutions. Lyon Guide de dimensionnement des zones tampons enherbées ou boisées pour réduire la contamination des cours d’eau par les produits phytosanitaires Nadia Carluer Alexandra Fontaine Claire Lauvernet Rafaël Munoz-Carpena Août 2011 2 SOMMAIRE 1. INTRODUCTION..........................................................................................................5 1.1. Contexte ...................................................................................................................................5 1.2. Objectifs du guide ...................................................................................................................5 1.3. Destinataires ............................................................................................................................6 1.4. Structure du guide ..................................................................................................................6 2. PRODUITS PHYTOSANITAIRES ET ZONES TAMPONS : RAPPELS......................7 2.1. Le transfert des produits phytosanitaires.............................................................................7 2.2. Les zones tampons et leur rôle...............................................................................................8 2.3. Efficacité des zones tampons................................................................................................10 2.4. Positionnement des zones tampons......................................................................................12 2.5. Dimensionnement des zones tampons .................................................................................13 3. METHODOLOGIE DE DIMENSIONNEMENT ...........................................................13 3.1. Hypothèses majeures ............................................................................................................14 3.2. Modèle utilisé.........................................................................................................................14 3.3. Démarche à suivre.................................................................................................................15 4. ACQUISITION DES DONNEES ET PARAMETRES D’ENTREE..............................18 4.1. Surface contributive..............................................................................................................18 4.1.1. Dimensions et pente de la surface contributive................................................................19 4.1.2. Occupation des sols et périodes de traitement .................................................................24 4.1.3. Sols de la surface contributive .........................................................................................24 4.1.3.1. Conductivité hydraulique à saturation ......................................................................24 4.1.3.2. Profondeur eventuelle de la couche imperméable ....................................................28 4.1.3.3. Profondeur De la nappe.............................................................................................28 4.1.4. Potentiel de génération du ruissellement..........................................................................29 4.1.4.1. La théorie du Curve Number.....................................................................................29 4.1.4.2. La détermination du Curve Number .........................................................................33 4.1.5. Evènement pluvieux.........................................................................................................35 4.1.6. Ruissellement sortant de la surface contributive..............................................................39 4.2. Zone Tampon enherbée ou boisée .......................................................................................43 4.2.1. Longueur et pente de la zone tampon ..............................................................................43 4.2.2. Propriétés d’infiltration du sol de la zone tampon ...........................................................44 4.2.2.1. Présence d’une nappe superficielle...........................................................................44 3 4.2.2.2. Conductivité hydraulique à saturation ......................................................................44 4.2.2.3. Teneur en eau à saturation.........................................................................................47 4.2.2.4. Teneur en eau initiale................................................................................................48 4.2.2.5. Succion moyenne au front d’humidité......................................................................49 4.2.2.6. Caractéristiques hydrodynamiques des horizons de sol............................................50 5. DIMENSIONNEMENT DE LA ZONE TAMPON.........................................................56 5.1. Modélisation. .........................................................................................................................56 5.1.1. Création d’un projet .........................................................................................................56 5.1.1.1. Renseignement des « Propriétés du ruissellement de surface »................................57 5.1.1.2. Renseignement des « Propriétés d’infiltration du sol » ............................................59 5.1.1.3. Renseignement des « Propriétés de la couverture vegetale » ...................................61 5.1.1.4. Renseignement des « Caractéristiques des sediments transportés ».........................62 5.1.1.5. Renseignement du « Hyetogramme de pluie » .........................................................62 5.1.1.6. Renseignement de l’ « Hydrogramme de ruissellement » ........................................63 5.1.2. Modification d’un projet ..................................................................................................64 5.2. Dimensionnement de la zone tampon. Optimisation .........................................................65 Exploitation des résultats ...........................................................................................................66 6. CONCLUSION...........................................................................................................68 GLOSSAIRE..................................................................................................................69 REFERENCES...............................................................................................................70 ANNEXE A. LE MODELE NUMERIQUE VFSMOD.......................................................72 Equations utilisées......................................................................................................................72 Paramètres d’entrée....................................................................................................................73 Sensibilité des paramètres..........................................................................................................75 Scénarios ................................................................................................................................75 Etude de sensibilité ................................................................................................................78 Résultats.................................................................................................................................79 ANNEXE B. LA METHODE DU SCS-CN (SOIL CONSERVATION SERVICE - CURVE NUMBER) ......................................................................................................................80 ANNEXE C. LE PROGRAMME IGCS (INVENTAIRE GESTION ET CONSERVATION DES SOLS)....................................................................................................................83 La base de données DONESOL.................................................................................................83 La base de données des analyses de terres (BDAT) ..................................................................83 ANNEXE D. METHODES DE DETERMINATION DE LA TEXTURE D’UN SOL ..........84 ANNEXE E. LE PROGRAMME HYETOHYDRO...........................................................88 Construction des hyétogrammes de pluie ..................................................................................89 Construction des hydrogrammes de ruissellement.....................................................................91 Etape 1 : Construction du hyetogramme de pluie nette .........................................................92 4 Etape 2 : Construction de l’hydrogramme unitaire................................................................92 Etape 3 : Construction de l’hydrogramme total.....................................................................93 ANNEXE F. UTILISATION DU MODULE HYDROGRAMME UNITAIRE (HU) DANS VFSMOD........................................................................................................................95 ANNEXE G. UTILISATION DU MODULE « HYDROGRAMME UNITAIRE » (HU) DANS LA « DESIGN ANALYSIS » ..........................................................................................97 Version V0 mise à jour le 8 septembre 2011 5 1. INTRODUCTION 1.1. Contexte Les produits phytosanitaires sont utilisés depuis quelques décennies en France pour protéger les cultures des maladies et augmenter le rendement agricole. Cependant, ils sont incriminés dans la contamination des eaux de surface : pour répondre aux exigences de la Directive Cadre sur l’Eau, qui requiert l’atteinte du bon état écologique des masses d’eau d’ici 2015, il est nécessaire de gérer cette source de contamination. La limitation du transfert des pesticides entre la parcelle agricole et le réseau hydrographique peut s’avérer une solution complémentaire intéressante, en parallèle à une occupation du sol diversifiée et des pratiques agricoles respectueuses de l’environnement. Les zones tampons enherbées ou boisées peuvent dans ce contexte être un moyen efficace pour limiter la contamination des eaux de surface en pesticides. Elles protègent les cours d’eau de la dérive des produits appliqués sur les cultures, mais peuvent également limiter le transfert des pesticides dans le ruissellement de surface, depuis la parcelle agricole jusqu’à la rivière. Outre leur fonction de protection de la qualité de l’eau, elles sont également susceptibles de préserver ou restaurer la biodiversité (CORPEN 2007)1 et suscitent donc un intérêt croissant. L’efficacité d’une zone tampon pour retenir les pesticides varie selon sa localisation et ses dimensions. A ce jour, le guide de diagnostic à l’échelle du petit bassin versant (Gril, Le Hénaff et al. 2010)2 permet de positionner au mieux ces structures, et des recommandations sont fournies par l’USDA-NRCS (USDA 2000) ainsi que le CORPEN (2007) pour déterminer la largeur requise par les dispositifs enherbés ou boisés pour réduire de manière significative le transfert des pesticides. Toutefois, la largeur préconisée actuellement dépend uniquement de la longueur du versant intercepté, et n’est donc pas toujours adaptée. L’efficacité d’une zone tampon dépend en effet également des caractéristiques propres du site sur lequel elle est implantée : le type de sol, la présence ou non d’une nappe superficielle, la pente, le climat local, les conditions d’humidité initiales et le ruissellement entrant, lié aux caractéristiques des parcelles amont. A titre d’exemple, à largeur égale, une bande enherbée ou boisée située à l’aval d’un versant de 200 mètres de long n’aura pas la même efficacité si elle est située sur un sol limoneux hydromorphe ou sur un sol sableux sec. Il est ainsi nécessaire de tenir compte des caractéristiques propres du site d’implantation de la zone tampon lors de son dimensionnement et cette étude doit être réalisée au cas par cas. 1.2. Objectifs du guide Ce guide a pour but de proposer une méthode simple de dimensionnement des zones tampons selon leur localisation et les caractéristiques du milieu environnant. Compte tenu de la complexité des processus affectant le fonctionnement de ces dispositifs, l’utilisation d’un modèle numérique de bande enherbée s’avère nécessaire et judicieux. VFSMOD, acronyme du nom anglais Vegetative Filter Strip Modeling system, est un modèle qui a été créé au Etats-Unis (Muñoz-Carpena, Miller et al. 1993) et validé en de nombreux sites. Il simule à l’échelle locale les processus hydrologiques ainsi que les transferts de sédiments et de pesticides (Sabbagh, Fox et al. 2009) au sein d’une zone tampon située à l’aval de cultures, pour un événement pluvieux ponctuel. La méthode ici proposée repose sur l’utilisation de ce modèle. Elle guide l’utilisateur dans la construction de scénarios visant à caractériser le ruissellement entrant et la zone tampon qui alimentent le modèle, dans le cas précis qui l’intéresse : les paramètres alimentant le modèle doivent en effet être représentatifs du site d’étude, et permettre de représenter des événements de ruissellement « type» advenant dans la zone d’étude considérée. La largeur optimale de la bande est alors déterminée en fonction des conditions renseignées. 1 Ce guide est disponible en ligne sur http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon/ur- maly/Pollutions-diffuses/les-travaux-sur-les-zones-tampons 2 Ce guide est disponible en ligne sur http://www.cemagref.fr/le-cemagref/lorganisation/les-centres/lyon/ur- maly/Pollutions-diffuses/les-travaux-sur-les-zones-tampons 6 ⇒ Le présent guide fournit l’ensemble des outils et données nécessaires à la détermination des paramètres d’entrée du modèle et accompagne l’utilisateur dans les différentes phases d’utilisation du modèle et d’exploitation des résultats. Un glossaire, situé à la fin de ce guide, définit les termes suivis d’une astérisque * 1.3. Destinataires Ce guide s’adresse aux services de l’état, collectivités territoriales ou encore bureaux d’études qui seront amenés à participer à l’installation de zones tampons pour protéger les eaux de surface de la contamination en produits phytosanitaires, dans le cadre de la définition et la mise en place de plans d’action. 1.4. Structure du guide Dans un premier temps, un rappel sur les transferts hydriques des produits phytosanitaires, la mise en place des zones tampons pour les limiter, ainsi que les facteurs influençant l’efficacité de ces dernières sera effectué (Partie II). Dans un second temps, la méthodologie de dimensionnement proposée sera exposée (partie III) et des indications seront fournies à l’utilisateur pour acquérir les données nécessaires à la modélisation de son cas d’étude (Partie IV). Enfin, une aide sera fournie pour exploiter les résultats du modèle et aboutir à un choix de largeur optimale pour la zone tampon à implanter (Partie V). En plus de ces informations, un certain nombre d’annexes serviront de support à ce guide et fourniront des explications supplémentaires, utiles à la bonne compréhension des processus impliqués. Important : Il convient de rappeler que l’utilisation de ce guide de dimensionnement n’intervient qu’en seconde étape, lorsque la position de la zone tampon a d’ores et déjà été établie suite au diagnostic du bassin versant. Si toutefois la mise en oeuvre de la démarche présentée ici aboutit à des dimensions trop importantes pour une bande enherbée donnée, on pourra reconsidérer ce positionnement, par exemple en complétant le dispositif par des bandes de moindres dimensions implantées plus en amont sur le versant, voire à l’intérieur des parcelles. 7 2. PRODUITS PHYTOSANITAIRES ET ZONES TAMPONS : RAPPELS 2.1. Le transfert des produits phytosanitaires Les produits phytosanitaires désignent l’ensemble des produits chimiques utilisés pour lutter contre les parasites animaux et végétaux. Les plus communs sont les herbicides, utilisés pour traiter les mauvaises herbes, les insecticides, utilisés pour lutter contre les insectes, et les fongicides, utilisés pour lutter contre les uploads/Ingenierie_Lourd/ guide-de-dimensionnement-cemagref-v0.pdf