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Chapitre IV Paramétrisation du modèle d’infiltration / ruissellement 91 Nous al

Chapitre IV Paramétrisation du modèle d’infiltration / ruissellement 91 Nous allons à présent fixer les valeurs des paramètres du modèle d’infiltration / ruissellement. Nous avons vu dans le chapitre I que certains de ces paramètres connaissaient une forte variabilité temporelle sur parcelle cultivée, que nous allons ici également tenter de restituer : évolution de la croûte, de la rugosité et du flaquage, des caractéristiques des couches de sol travaillé. Nous étudierons enfin la sensibilité du modèle d’infiltration / ruissellement aux paramètres importants de notre sujet d’étude. Nous avons également inclus dans le présent chapitre la paramétrisation du modèle de redistribution lente de l’eau entre couches de sol, qui est, comme l’équation de GREEN-AMPT, basée sur la loi de DARCY, et constitue un terme correctif pour calculer le profil d’humidité initiale journalier du sol. Nous ne reviendrons pas sur la description précise du programme d’infiltration / ruissellement et sur le schéma de couplage au modèle BILHYNA, pour lesquels nous pourrons nous reporter respectivement à l’organigramme présenté en annexe (n°3) et à la figure n°12 du chapitre I (et commentaires dans le texte). Le chapitre suivant montrera ensuite l’évaluation finale du bilan hydrique intégrant captation et infiltration / ruissellement, avec des tests face aux mesures de ruissellement et d’humidité du sol, et étudiera les termes propres à la captation et à l’infiltration / ruissellement. I) Fixation des paramètres d’infiltration L’équation d’infiltration / ruissellement nécessite de déterminer un certain nombre de paramètres. Nous caractériserons d’abord la croûte de battance (résistance hydraulique) selon une méthode simple, puis les trois paramètres hydrodynamiques du sol sous la croûte (conductivité hydraulique à saturation, succion effective au front d’humectation, humidité volumique à saturation) sur la base d’éléments théoriques et empiriques précis. Notre analyse fait appel notamment à un paramètre de « potentiel effectif d’infiltration », que nous développerons. Afin de pouvoir intégrer la variabilité des pratiques agricoles, nous caractériserons les effets du travail du sol (semis et de labour d’hiver) sur les paramètres hydrodynamiques. Nous préciserons également les valeurs des paramètres de résolution de l’équation de calcul de l’infiltrabilité du sol à partir de la forme intégrée de l’équation de GREEN-AMPT. Les paramètres pluviométriques ont été fixés dans le chapitre précédent (paragraphe II), et nous n’y reviendrons donc pas. Le paramètre d’épaisseur des différentes couches de sol est par ailleurs fixé a priori par le modèle BILHYNA (voir annexe n°1), et ne sera pas étudié. Enfin, le dernier terme de l’équation de GREEN-AMPT, la hauteur de flaque (Ho), sera abordé dans le paragraphe suivant (II) à travers l’évaluation de la dynamique temporelle de la capacité maximale de flaquage de la surface du sol. 1) Détermination de la résistance hydraulique de la croûte de battance Nous avons vu que le modèle d’infiltration nécessitait de connaître la valeur de la résistance hydraulique de la croûte. L’étude des caractéristiques des croûtes de battance constitue un sujet extrêmement complexe, pour lequel nous ne disposions pas de moyens expérimentaux suffisants. Nous avons ainsi utilisé les résultats de la bibliographie. La modélisation de l’évolution de la croûte sera analysée ensuite. De manière simple, il existe un critère de risque de battance (REMY et MARIN LAFLECHE, 1974 – tableau n°12 ci-dessous) : MO A Lg Lf R . 10 . 75 , 0 . 5 , 1 + + = Lf = taux de limons fins Lg = taux de limons grossiers A = taux d’argiles MO = taux de matières organiques Ce modèle empirique permet de considérer que la sensibilité à la battance est proportionnelle à la teneur en limons (surtout les limons fins) et inversement proportionnelle aux taux d’argiles et de >2 très battant 1.8 – 2 battant R 1.6 – 1.8 assez battant 1.4 – 1.6 peu battant < 1.4 non battant Chapitre IV Paramétrisation du modèle d’infiltration / ruissellement 92 matières organiques (notons l’importance toute particulière attribuée à ce dernier terme). Ce paramètre nous semble cohérent, et il restitue notamment bien les caractères respectivement assez battant (R = 1.74) et non battant (R = 1.24) des sols de Blosseville et de Villamblain expérimentés par FOX et al. (1998a, 1998b). Nous avons pu estimer précisément ce critère à partir de cinq analyses menées sur le sol de surface de notre site expérimental, classant notre sol dans la catégorie des « non battants » (R moyen = 0.98), à cause de sa teneur élevée en argiles (autour de 30%). Compte-tenu de ces résultats, nous retenons l’hypothèse que les caractéristiques des croûtes de battance sur notre site expérimental seront comparables à celles du sol de Villamblain de l’étude de FOX et al. (1998a, 1998b). FOX et al. (1998a, 1998b) montrent très clairement que la croûte de battance à la surface d’un sol est en fait tout à fait hétérogène tant en épaisseur qu’en caractéristiques hydrodynamiques, et il nous faut donc pouvoir définir une « croûte moyenne équivalente ». Nous pouvons considérer qu’il existe deux types de croûtes, dont la disposition spatiale et l’importance quantitative sont directement fonction de la microtopographie. Les croûtes dites « structurales » se forment au niveau des monticules, tandis que celles dites « sédimentaires » sont constituées dans les zones de dépression. Ainsi, puisque les deux types de croûtes ont une valeur de résistance différente, l’infiltrabilité dépendra parfois largement de la hauteur de flaquage, comme l’ont montré FOX et al. (1998a, 1998b). Pour rester cohérent avec le niveau de simplification de notre modèle, nous avons simplement recherché la valeur de la résistance moyenne de la croûte en fonction d’un coefficient de recouvrement du sol par chacun des deux types de croûtes. La fraction maximale de sol flaqué est donnée par la formule de HANSEN (2000) : 64 , 0 . 17 , 0 MDS SF = MDS = capacité maximale de flaquage (mm) En utilisant cette formule avec nos calculs de valeur de la capacité de flaquage (cf. paragraphe II-1), nous estimons pour le lit de semence en fin d’évolution que les dépressions ont un taux de présence de 15.3%, 17.1% et 18.2% respectivement pour une pente de 6%, 3% et 1% (valeurs des pentes pour les trois placettes de mesure du ruissellement), soit une valeur de résistance moyenne de la croûte de 0.97h, 1.02h et 1.05h. Nous retiendrons simplement l’ordre de grandeur : 1.0h. Dans le cas du labour d’hiver, la pente de la parcelle étant proche de 1%, les mêmes considérations nous amènent à une valeur de 2.5h. Le tableau n°13 résume ces résultats, indiquant également à titre comparatif ceux pour le sol de Blosseville. Résistance (h) Villamblain, Grignon Blosseville Selon type de croûte (FOX et al., 1998a) Croûte structurale Croûte sédimentaire 0.53 (±0.05) 3.40 (±0.71) 5.90 (±0.23) 33.20 (±5.50) Croûte moyenne Lit de semence (et sol moissonné) Labour d’hiver ≈1.0 ≈2.5 ≈10.0 ≈25.0 Tableau n°13 : valeurs de résistance hydraulique de la croûte La précision de ces résultats est faible puisque non validée directement à partir de mesures sur notre site expérimental. Toutefois, compte tenu de la faible valeur de la résistance de la croûte dans notre cas, nous considérons que cette précision est suffisante. 2) Fixation des paramètres pour le sol travaillé et non travaillé De nombreuses erreurs sont souvent commises lorsqu’il s’agit de fixer les valeurs des paramètres du modèle de GREEN-AMPT, et en premier lieu le paramètre clé de conductivité hydraulique à saturation. Nous analysons ici cette problématique et proposons une solution empirique simple et raisonnée. Chapitre IV Paramétrisation du modèle d’infiltration / ruissellement 93 a) Considérations empiriques (bibliographie) L’analyse des résultats d’infiltration / ruissellement sur le terrain amène certaines considérations essentielles. Tout d’abord, la pluie a un rôle clé dans le processus d’infiltration. Les mesures d’infiltrométrie révèlent en effet notamment que les valeurs de Ks sont largement plus fortes sous lame d’eau que sous pluie artificielle (le plus souvent d’un ordre 4 à 10, avec quelques centaines contre quelques dizaines de mm/h - voir notamment SIDARAS et ROTH, 1987), et ceci de surcroît pour des sols dont la croûte de battance est déjà formée. Nous pouvons expliquer cette différence par l’augmentation du processus de colmatage des pores (« pore clogging ») (voir notamment MORIN et BENYAMINI, 1977, PANINI et al., 1997) par les particules mobilisées sous l’action de battance des gouttes de pluie, et la non mise en fonctionnement des gros macropores. Les valeurs de conductivité hydraulique mesurées sous pluie artificielle sont également plus élevées qu’en conditions réelles, car l’expérimentation provoque une submersion accrue de la surface du sol (cf. FOX et al., 1998). Type de sol Conductivité hydraulique effective moyenne à « saturation » (mm/h) Echelle (m²) Référence Loamy sand 77.4 100 ESTEVES et al., 2000 Sandy loam 7.78 (+) (#) 5.0-8.0 (avec croûte) 56.0 (protection par un mulch) 136 4 4 RISSE et al., 1995 MORIN et BENYAMINI, 1977 MORIN et BENYAMINI, 1977 Fine sandy loam 6.19 (+) (#) 18.22 (+) (-) 136 136 RISSE et al., 199 ZHANG et al., 1995 Loam 2.27-7.68 (+) (#) 0.87-2.02 (*) avec croûte 2.90-5.30 (*) sans croûte 5.31-17.65 (+) (-) 136 - - 136 RISSE et al., 1995 MOORE, 1981 MOORE, 1981 ZHANG et uploads/Litterature/ rosnoblet09-02710-iv-param2-02915-2.pdf