Références Solenvie : Étude des déterminants de l’érosion sur parcelle agricole pour GRT gaz, Étude du ruissellement intense sur le bassin versant de la Dordogne pour EPIDOR, Étude hydrologique et proposition d’actions limitant le phénomène d’érosion diffuse sur le bassin versant de la Gandelée.

Les contextes

Quelque soit le relief, tous les sols sont naturellement soumis à l’érosion. L’érosion liée au ruissellement est phénomène éminemment spatial et multifactoriel. En agriculture, l’érosion hydrique du sol conduit à l’amincissement de la couche arable d’un champ sous l’effet de la force érosive de l’eau, lors du ruissellement, ou sous l’effet des activités agricoles, comme le travail du sol.

Lors de l’érosion, le sol se détache, se déplace, puis se dépose. La couche arable, fertile, vivante et riche en matière organique, est emportée ailleurs sur le terrain, où elle s’accumule avec le temps, ou hors du terrain, dans les réseaux de drainage. L’érosion du sol abaisse la productivité de la terre et contribue à la pollution des cours d’eau, des terres humides et des lacs adjacents.

Le phénomène peut être lent et passer relativement inaperçu ou se produire à un rythme alarmant.

Il cause des pertes de terre arable, mais aussi des coulées de boues, envaser les cours d’eau, découvrir les canalisations enterrées.

Le compactage du sol, l’appauvrissement du sol en matière organique, la dégradation de la structure du sol, un mauvais drainage interne, des problèmes de salinisation et d’acidification du sol sont d’autres causes de détérioration du sol qui en accélèrent l’érosion.

Notre méthodologie pour l’étude de l’érosion des sols et du ruissellement

Une approche multi-modèles

Notre approche est « multi-modèle » afin de croiser les résultats de différentes méthodes, de lisser les défauts spécifiques de chacune d’elle et de quantifier l’incertitude de la cartographie de l’aléa.

Les modèles utilisés se basent sur des combinaisons de facteurs topographiques, de couverture, de sol et d’hydrologie.
L’implémentation de ces modèles spatiaux visent à modéliser les 3 étapes du processus de
ruissellement et de l’érosion liée :

  1. la production du ruissellement et de l’érosion : la génération de la lame d’eau suite à l’événement pluvieux
  2. le transfert du ruissellement et des matières érodées par les chemins topographiques préférentiels : le parcours de cette lame d’eau sur le continuum amont-aval
  3. l’accumulation de la lame ruisselée et de la matière en aval, dans des secteurs favorables aux concentrations.

Selon le phénomène à modéliser, l’échelle de travail, les données disponibles ou possibles à acquérir, mais aussi selon les besoins d’une évaluation quantitative ou d’une évaluation de susceptibilité, nous utilisons différents modèles :

  • SCS-CN modifié
Une description complète de la méthode du SCS telle qu’élaborée par l’United States Department of Agriculture-Natural Ressources Conservative Service (USDA-NRCS (anciennement USDA-SCS)) est disponible dans le National Engineering Handbook Hydrology
  • STREAM (INRA)

Le logiciel STREAM a été développé par l’unité de recherche en Science du Sol de l’INRA d’Orléans. Une présentation est disponible sur leur site.

  • IRIP (IRSTEA)

Le modèle IRIP développé à l’IRSTEA (par exemple) est avant tout conçu pour évaluer la susceptibilité relative (ou la sensibilité) d’un pixel au ruissellement selon les 3 compartiments, l’aléa ne pouvant être évalué puisqu’il ne prend pas en compte les pluies entrantes. Un des principaux avantages de ce modèle est qu’il est souple et facile à implémenter dans tous les SIG courants.

  • RUSLE

RUSLE est un modèle déterministe empirique formalisé par Renard et al. (1997), qui prend ses sources dans les travaux plus anciens qui avaient élaborés le modèle USLE aux Etats-Unis. Ce modèle est une équation qui prend la forme suivante :

E = R x K x C x LS x P

E : perte en terres (t/ha/an)
R : facteur d’agressivité des pluies (mm/ha/h/an)
K : érodibilité des sols
C : couvert végétal
LS : facteur de pente et de longueur de versant
P : pratiques culturales

Toutes ces valeurs sont obtenues à partir de matrice et d’une évaluation experte. Certaines de ces valeurs (comme l’agressivité des pluies) nécessitent des calculs en amont. Ce modèle est « simple » mais considéré robuste, et est utilisé depuis plus de 30 ans dans le monde entier.

  • SAGA-MMF

Ce modèle est plus expérimental et beaucoup plus complexe car il nécessite beaucoup de données de base :

Des mises au point méthodologiques pédologiques propres à chaque contexte et modèles

Exemple SCS-CN

La méthodologie SCS-CN requiert de classer les sols en quatre groupes hydrologiques (GHS) A, B, C et D – caractéristiques respectivement de vitesses limites d’infiltration des plus élevées aux plus faibles – en fonction de leur taux d’infiltration minimum. Ces 4 GHS sont un des paramètres utilisés pour déterminer les numéros de courbes de ruissellement.

Ci-dessous un exemple d’organigramme de classement des différentes Unités Cartographiques de Sols par combinaison fréquentielle des Unités Typologiques de Sols en fonction de leur horizonation et des caractéristiques des différents horizons.

Arbre de décision de la méthodologie SCS pour le calcul des VU des UTS et des GHS des UCS

 

Exemple IRIP

La méthode IRIP nécessite 3 paramètres liés au sol : la battance/érodibilité, la profondeur et la perméabilité.

Initialement, la méthode IRIP prévoit d’utiliser l’érodibilité du sol pour caractériser la stabilité du sol et sa sensibilité à l’érosion. Toutefois, si l’aptitude à l’érosion n’est pas l’objectif de la modélisation, l’utilisation de la battance est plus pertinente pour estimer le ruissellement (Casenave et al., 1989). Pour évaluer la battance à l’échelle du BV, nous
nous basons sur des règles de pédotransfert de Cerdan et al., 2006 et Anthoni et al. 2006, dont les seuils et l’impact des règles sont adaptés au contexte du bassin versant d’étude.

Pour le facteur IRIP de prédisposition au ruissellement lié à la perméabilité des sols PERM, il est nécessaire de calculer la conductivité hydraulique à saturation (Ks). Pour accéder à ce paramètre, de très nombreuses fonctions de pédotransfert (FPT) existent (i.e. Cosby, 1984 ; Brakensiek et al., 1984 ; Campbell, 1985 ; Rawsl et Brakensiek, 1985 ; Saxton et al., 1986 ; Vereeken et al, 1990 ; Wösten et al., 1997 ; Wösten et al., 1999 ; Ferrer-Juilà et al., 2004 : Saxton et al., 2006 ; Adhikary et al., 2008, etc.), reliant ce paramètre aux caractéristiques du sol (composition granulométrique, densité apparente, taux de matière organique…), ces caractéristiques pouvant être elles-mêmes issus de FPT, on parle alors de couplage de FPT. Les FPT sont des modèles empiriques décrivant un paramètre de façon continue et sont le plus souvent établies par régression multilinéaire. À côté de ces relations statistiques qui sont des FPT au sens strict, les classes de FPT permettent elles d’estimer un paramètre après avoir regroupé et classé les sols selon leur composition (Bruand et al., 2003 ; Bruand et al., 2004 ; Wösten et al., 1999). Notre choix de FPT s’effectue selon le contexte (afin d’éviter le biais lié à l’utilisation d’une FPT en-dehors de son domaine d’applicabilité) et par tests statistiques.

Ensuite, dans la méthode IRIP originelle, les 3 facteurs pédologiques évalués sont additionnés avec les 2 autres paramètres non pédologiques (i.e. Dehotin et Breil, 2011). Toutefois, cela peut résulter en une forte asymétrie lorsqu’une simple somme est utilisée et on perd de plus toute notion de progressivité dans l’évaluation du phénomène de ruissellement ou d’érosion. Ainsi, nous mettons au point et évaluons des méthodologies de pondération adéquates et propres au contexte, comme dans l’exemple ci-dessous.

Organigramme du principe de pondération des facteurs pédologiques battance, perméabilité et profondeur pour le calcul du facteur pédologique SOL

 

Des recommandations pour limiter les phénomènes de ruissellement et d’érosion

Les préconisations de lutte contre le ruissellement, proposées pour chacun des 3 compartiments, sont issues de la bibliographie scientifique, de revues d’ingénierie, de retours d’expérience et des guides institutionnels. Elles sont adaptées pour certains contextes d’érosion (type de couvert, pente, type de sol), permettant ainsi de spatialiser l’information. Dans la mesure du possible, nos préconisations tiennent aussi compte des pratiques déjà mises en place par des agriculteurs ou les collectivités et qui nous semblent efficaces d’après notre expertise de terrain et les retours d’expérience.

Nos préconisations seront aussi basées sur les résultats des analyses de sensibilité et de terrain, et selon les 3 compartiments responsables de l’érosion et de l’envasement. Cela nous permet de hiérarchiser les facteurs de contrôle, donc de proposer des actions d’aménagement ciblées sur ces facteurs majeurs et spécifiques aux ensembles morphopédologiques, le tout dans une logique de gestion intégrée de l’amont à l’aval : en d’autres termes nous chercherons en premier lieu à limiter la production de la lame ruisselante érosive et son transfert vers l’aval (principes du Ralentissement Dynamique), ce qui est le plus efficace et généralement le moins couteux face à de gros ouvrages de génie civil dans les zones d’accumulation ou de transfert.

L’intérêt des modèles quantitatifs est de prendre en compte des paramètres les plus fins possibles, et de réaliser des simulations selon plusieurs niveaux de pluies (ou irrigation), obtenant ainsi des résultats quantitatifs de pertes en terres en t/ha ou de lame d’eau ruisselée.

L’intérêt est aussi de pouvoir quantifier l’aléa selon des fréquences de niveaux de pluie : en effet un secteur peut être moyennement susceptible de produire du ruissellement et l’érosion qui en résulte, mais peut présenter un aléa fort selon l’évènement pluvieux. Le chiffrage des pertes liées est donc affiné.

L’intérêt est encore de simuler quantitativement les effets liés à la modification de la localisation des cultures, des façons culturales, de la disposition des parcelles, du sens de travail du sol ou pour tester l’impact d’aménagements destinés à lutter contre l’érosion (bandes enherbées, mares tampons…), et donc de tester l’efficacité des propositions d’action  et de dimensionner les actions d’aménagement en « dur » plus facilement.

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