Construction et évaluation d'un modèle de transport de contaminants réactifs couplé surface-subsurface à l'échelle du versant

Construction and evaluation of a coupled surface-subsurface flow and transport pesticides model at the hillslope scale

Gatel, L.

Type de document
Thèse
Langue
Français
Affiliation de l'auteur
IRSTEA LYON UR RIVERLY FRA
Année
2018
Résumé / Abstract
L'utilisation de pesticides sur les surfaces agricoles conduit à une contamination généralisée des eaux de surface et de subsurface en France. En complément d'une évolution durable des pratiques agricoles allant vers une utilisation raisonnée des pesticides à large échelle, il est crucial de chercher à limiter des transferts de polluant des zones agricoles aux zones aquatiques. Pour mieux agir sur les voies de transfert dans un bassin versant, il est nécessaire d'approfondir les connaissances des processus en jeu et de leurs interactions éventuelles (surface/subsurface, eau/soluté, etc.) en tirant au mieux partie des observations du terrain et de la modélisation à base physique. L'objectif de cette thèse est le développement d'un modèle spatialisé de transfert de solutés réactifs à l'échelle du versant. Pour cela, on a intégré les processus réactifs dans le modèle hydrologique à base physique CATHY (CATchment HYdrology), qui représente en 3 dimensions les écoulements de l'eau de façon couplée surface-subsurface et le transport advectif dans des situations variablement saturées. En subsurface, les processus d'adsorption linéaire et de dégradation du premier ordre ont été implémentés. Un module de mélange des solutés entre la lame ruisselante et la première couche de sol a également été développé, afin de simuler la remobilisation des solutés de la subsurface dans le ruissellement. Le couplage surface-subsurface des écoulements est particulièrement efficace dans CATHY, et le couplage du transport de soluté adoptant la même stratégie a été amélioré pour mieux respecter la conservation de la masse dans CATHY-Pesticide. Le modèle est en premier lieu testé sur des données issues d'expérimentations de transfert de subsurface sur une maquette de laboratoire à petite échelle dans laquelle ont été injectés des lots de pesticides sous trois régimes de pluie successifs représentant approximativement un cycle annuel. Les résultats sont confrontés aux chroniques de flux massiques observées et une analyse de sensibilité de type Morris est menée sur le temps de percée et le coefficient de Nash-Sutcliffe calculé sur les chroniques observées et simulées du cumul de masse en sortie. A partir d'une évaluation combinant différents critères, on montre que le modèle reproduit de façon acceptable les observations sans calage, et satisfaisante après une légère calibration. Les conductivités à saturation horizontale et verticale, la porosité et le paramètre $n$ de la courbe de rétention influencent de façon non négligeable l'hydrodynamique et le transfert de solutés. Dans un second temps, le modèle est évalué sur les données issues d'un versant viticole du Beaujolais dans un contexte orageux subissant de fortes interactions surface-subsurface. Plusieurs analyses de sensibilité globales sont menées avec différentes stratégies d'échantillonage et de calcul des indices de Sobol. Les analyses mettent en valeur les mêmes paramètres influents que la méthode de Morris pour la subsurface. Les interactions entre les paramètres influencent fortement la variabilité des sorties hydrodynamiques et de transfert. La conservation de la masse est très correctement assurée sur de larges échantillons malgré la complexité de la simulation. CATHY-Pesticide a été évalué à plusieurs échelles, en subsurface seule puis en surface-subsurface couplées, par différentes méthodes, et peut être considéré comme un outils solide de représentation fine des processus, notamment pour valider des outils plus conceptuels. S'il a reproduit de façon satisfaisante les données expérimentales, de nombreuses perspectives sont encore envisageable : approfondissement de l'analyse de sensibilité dans d'autres contextes (climat, occupation du paysage, etc.), simulation des transferts sur une échelle de temps plus longue, représentation de davantage de processus tel que le transport sédimentaire.
Pesticide use on agricultural surfaces leads to widespread surface and subsurface water contamination in France. In absence of a sustained decrease in pesticide use that would necessitate deep changes in agricultural practices, it is of crucial importance to limit transfers form agricultural fields to rivers. In order to constrain those transfers, a deeper knowledge of governing processes and their potential interactions (surface/subsurface, water/solutes, etc.) is necessary, and full advantage must be taken of field observations and physically-based modelling. The aim of the PhD research described in this thesis is the development of a spatialised reactive transfer model at the hillslope scale. To this end, reactive processes are implemented in the hydrological physically-based model CATHY (CATchment HYdrology) that simulates surface-subsurface coupled water flow and advective solute transport in three dimensions and in variably saturated conditions. Linear adsorption and first-order decay are implemented in the subsurface component. A mixing module is developed as well, in order to simulate solute mobilisation from soil to surface runoff. The water flow surface-subsurface coupling procedure is very accurate in CATHY, and the transport coupling procedure, based on the same strategy, has been improved in order to respect mass conservation. The model is first evaluated using a dataset from a small-scale subsurface laboratory experiment. Several pesticide batches have been injected at the surface under three successive hydraulic regimes, approximately representing an annual cycle. Simulation results are compared to mass flux evolution in time. A Morris sensitivity analysis is conducted on the breakthrough timing and on the Nash-Sutcliffe coefficient computed for cumulative observed and simulated mass at the outlet. Based on an evaluation combining several criteria, we show that the model adequatly reproduces observations without calibration, with significant amelioration after a slight calibration. Horizontal and vertical saturated conductivities, porosity, and the $n$ parameter of the soil moisture retention curves significantly influence hydrodynamics and solute transport. As a second step, the model is evaluated on data from a vinayard field hillslope (Beaujolais, France) for an intense rain event that induced significant surface-subsurface interactions. Several global sensitivity analyses are conducted with various sampling strategies and Sobol index computations. The analyses highlight the dominant role of the same parameters as in the Morris method analysis for the subsurface experiment. Interactions between parameters highly influence the variability of hydrodynamic and solute transfer outputs. Mass conservation is accurate on large samples despite the complexity of the processes involved. The CATHY-Pesticide model is evaluated at several scales, first in a subsurface context and then with surface-subsurface coupling, and using various assessment methods. It can be considered as a reliable tool for a fine process representation, and it can be used for example in the validation of more conceptual models. CATHY-Pesticide correctly reproduced observed data, but there are nontheless several areas requiring further study, for example: exetending the sensitive analyses to other contexts (climate and land use changes, etc.), larger time scale simulations, and representation of complementary processes such as sediment transport.
Diplôme
Doctorat, Spécialité : Sciences de la Terre et Univers, Environnement, Communauté Université Grenoble Alpes (France) et Institut National de Recherche Scientifique Québec (Canada)

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