thèse-UMRSAS-2009-haie-diffusion
Description
BOURSE DE THESE COFINANCEE INRA-ANR Systerra FICHE DESCRIPTIVE DU PROJET Unité : UMR SAS, INRA AGROCAMPUS Ouest, 65 rue de st brieuc, 35 042 Rennes cedex Responsables Scientifiques : Philippe MEROT (DR INRA) et Zahra THOMAS (MCF Agrocampus Ouest) La thèse se déroulera à l’UMR SAS (http://www.rennes.inra.fr/umrsas) , au centre INRA de Rennes. Les sites d’étude seront sur la Bretagne. L’étudiant sera rattaché à l’ED Science de la matière. Les conditions statutaires et financières sont celles en vigueur à l’INRA. Personnes à contacter : Zahra THOMAS, Zahra.Thomas@agrocampus-rennes.fr ou Philippe Merot Philippe.Merot@rennes.inra.fr La thèse comportera un volet terrain et un volet modélisation hydrologique distribué. Sera cependant tout particulièrement considéré l’intérêt et les capacités de l’étudiant(e) vis-à-vis de la modélisation. Titre du Projet : Intégration des principales fonctions hydrologiques des haies dans un modèle agro-hydrologique 1/ Introduction : Situation du projet et état de l’art synthétique Ce projet de recherche s’intègre dans l’une des thématiques de l’UMR portant sur l’influence du milieu physique sur les processus de transfert dans les bassins versants à nappe superficielle. Le travail de thèse que nous proposons de développer participera à l’axe 1 (tâche 2) du projet Acassya (ANR SYSTERRA) dont l’objectif est de mener des actions destinées à améliorer les connaissances sur certains aspects clés du ...
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| Publié par | Hamoh |
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| Langue | Français |
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thèse-UMRSAS-2009-haie-diffusion
BOURSE DE THESE COFINANCEE INRA-ANR Systerra
FICHE DESCRIPTIVE DU PROJET
Unité
: UMR SAS, INRA AGROCAMPUS Ouest, 65 rue de st brieuc, 35 042 Rennes cedex
Responsables Scientifiques :
Philippe MEROT (DR INRA) et Zahra THOMAS (MCF Agrocampus
Ouest)
La thèse se déroulera à l’UMR SAS (
http://www.rennes.inra.fr/umrsas
) , au centre INRA de Rennes. Les
sites d’étude seront sur la Bretagne.
L’étudiant sera rattaché à l’ED Science de la matière.
Les conditions statutaires et financières sont celles en vigueur à l’INRA.
Personnes à contacter : Zahra THOMAS,
Zahra.Thomas@agrocampus-rennes.fr
ou Philippe Merot
Philippe.Merot@rennes.inra.fr
La thèse comportera un volet terrain et un volet modélisation hydrologique distribué.
Sera cependant tout
particulièrement considéré l’intérêt et les capacités de l’étudiant(e) vis-à-vis de la modélisation.
Titre du Projet : Intégration des principales fonctions hydrologiques des haies dans un modèle
agro-hydrologique
1/ Introduction : Situation du projet
et état de l’art synthétique
Ce projet de recherche s’intègre dans l’une des thématiques de l’UMR portant sur l’influence du milieu
physique sur les processus de transfert dans les bassins versants à nappe superficielle. Le travail de thèse
que nous proposons de développer participera à l’axe 1 (tâche 2) du projet Acassya (ANR SYSTERRA)
dont l’objectif est de mener des actions destinées à améliorer les connaissances sur certains aspects clés
du fonctionnement des agro-écosystèmes.
Nous nous intéressons en particulier au rôle des structures linéaires boisées du paysage sur les transferts
d’eau et de solutés. Les principaux processus étudiés sont (1) les transferts d’eau et solutés dans la zone
non saturée, (2) le devenir des solutés dans la rhizosphère et dans la nappe (3) la transpiration, (4) la
recharge de la nappe, (5) la distribution spatiale de la pluie, (6) la modification des propriétés physiques et
chimiques des sols au voisinage des haies. Les travaux en cours et à venir consistent à
développer des
approches alliant à la fois l’expérimentation et la modélisation.
L’étude du rôle des structures linéaires boisées du paysage revêt des enjeux sociétaux et scientifiques
majeurs. En agroforesterie, de nombreux travaux ont montré la complémentarité écologique entre les
arbres et les cultures agricoles (Droppelmann
et al.
, 2000 ; Palma
et al.
, 2007). Dans le nord de l’Europe,
le bocage a longtemps joué un rôle paysager et écologique (Baudry et Jouin, 2003). Les travaux menés,
en France, sur l’interaction entre les arbres et la nappe superficielle montrent l’importance des haies sur
les processus hydrologiques (Merot, 1999 ; Caubel
et al.
, 2003 ; Thomas
et al.
, 2008 ; Ghazavi
et al
.,
2008 ; Ghazavi
et al
., 200# ) et géochimiques (Caubel-Forget
et al.
, 2001, Grimaldi
et al
., 200#). Dans
d’autres régions du monde (Grande Bretagne, Espagne, Hollande, USA, Kenya), la mise en place de
cultures agro-forestières
a permis de mettre en évidence le rôle bénéfique de l’arbre sur la production de
la biomasse, l’amélioration des propriétés physiques des sols et la diminution de l’érosion (Kiepe, 1995,
Palma
et al
., 2007, Herbst
et al
., 2007). En Australie, le mélange d’arbres et de cultures est souvent utilisé
pour lutter contre les problèmes de salinité via le rabattement artificiel de la nappe créé par les racines
profondes des arbres (Heupermann, 1999).
thèse-UMRSAS-2009-haie-diffusion
La quantification du rôle des haies sur les transferts d’eau et de solutés constitue un enjeu majeur pour
l’aménagement de l’espace. D’une part, la détermination des fonctions hydrologiques et géochimiques
associées aux structures boisées permettrait une meilleure paramétrisation des modèles agro-
hydrologiques dans le but de tester des scénarios d’aménagement. D’autre part, la restauration du milieu,
notamment le reboisement (haies, ripisylves et arbres isolés, agro-foresterie) devrait tenir compte du rôle
de l’arbre en s’appuyant sur les fonctions spécifiques selon sa localisation dans le paysage.
A l’échelle locale (arbre-sol-nappe), le rôle de la haie sur les transferts d’eau a surtout été étudié dans des
situations de bas de versant où la nappe est proche de la rhizophère pendant la plus grande partie de
l’année. On observe alors une forte transpiration des arbres au printemps et en été, entraînant un
dessèchement particulièrement important du sol sous la haie, à l’origine de la rupture des transferts
latéraux dans la nappe, de la diminution du drainage vertical et de l’augmentation des remontées
capillaires. Ces processus s’ajoutent à l’augmentation de l’interception de la pluie (Ghazavi
et al
., 2008 ;
Herbst
et al
., 2006) pour modifier le bilan de l’eau et constituent des fonctions intéressantes à déterminer
pour d’autres typologies de haies.
2/ Objectifs scientifiques
L’objectif scientifique général auquel va concourir cette thèse est d’intégrer dans les modèles
agro-
hydrologiques distribués, les fonctions hydrologiques spécifiques des réseaux de haies boisées en paysage
agricole. Il s’agira in fine d’affecter aux différentes haies sur un bassin versant des fonctions spécifiées
selon les localisations et les caractéristiques intrinsèques des haies considérées. Ces fonctions pourront
être ainsi modélisées.
Jusqu’ici, c’est la haie de bas de versant qui a été essentiellement étudiée avec un certain nombre
d’avancées basées sur des observations,
des mesures et de la modélisation à l’échelle locale (échelle de la
haie). Dans ce projet, trois situations, très fréquemment rencontrées sur les versants des régions
bocagères, seront explorées. Il s’agit du haut de versant, du bas de versant et de la bordure immédiate du
cours d’eau. Ces trois situations constituent une séquence de base pour définir une typologie vis-à-vis du
fonctionnement hydrologique des haies. Le travail à l’échelle du versant permettra une première
agrégation des processus locaux afin d’envisager le passage à l’échelle supérieure (bassin versant). Le
travail sera mené sur les 3 types de haies pour permettre la typologie, mais l’accent notamment en terme
de mesure, sera mis sur la haie de haut de versant, la moins connue. L’acquisition de données à haute
fréquence spatiale et temporelle permettra de mieux comprendre les relations entre les variations des
processus hydrologiques et les variables climatiques. Les variations temporelles seront étudiées en allant
de l’échelle de l’averse à l’échelle annuelle.
L’hypothèse que l’on fait est que le fonctionnement évaporatoire de la haie du haut de versant dépend des
réserves hydriques du sol, contrairement à l’évaporation d’une haie située en bas de versant ou encore
plus nettement à proximité immédiate du cours d’eau, qui du fait de sa proximité avec la nappe d’eau,
répond directement à la demande évaporatoire. On peut supposer que le bulbe sec développé à la base de
la haie de versant sera plus prononcé, plus étendu -notamment verticalement, plus symétrique, mais
correspondra à un bilan évaporatoire moins important que pour la haie de bas de versant et ne devrait pas
influencer la dynamique de la nappe profonde.
En parallèle, l’influence des structures linéaires boisées sur les solutés (nitrate, chlorure) sera étudiée en
profitant du dispositif expérimental mis en place et en s’appuyant sur la connaissance des transferts
hydriques. Cependant, pour des raisons de cohérence et de réalisme, cette partie du travail ne sera pas
réalisée dans la thèse mais avec d’autres moyens humains (en particulier stage master2 prévu en année 2
du projet Acassya).
3/ Programme de recherches
thèse-UMRSAS-2009-haie-diffusion
Dans le cadre de la thèse, le doctorant se consacrera à l’étude (suivi et modélisation)
de la dynamique de
l’eau à l’échelle du versant intégrant différents types de haies.
Le programme de recherche du doctorant couvrira trois volets.
1- Pour la partie expérimentale, la méthodologie sera directement dérivée de la méthodologie développée
dans la thèse de Ghazavi (2008). La mise en place d’un site expérimental sera réalisée début 2009 dans le
cadre du projet Acassya, ainsi le doctorant disposera d’un jeu de données dès le démarrage de la thèse.
Afin d’appréhender l’ensemble d’un versant, le dispositif sera constitué d’un transect allant du haut de
versant jusqu’au cours d’eau et recoupant les trois types de haies précitées. Différents suivis seront
réalisés pour aborder les écoulements de l’eau dans le sol, il s’agit d’une part de la teneur en eau du sol,
du potentiel matriciel et des variations du toit de la nappe ; d’autre part la description de l’organisation
spatiale des horizons, , du système racinaire des arbres et des prélèvements d’échantillons seront effectués
à partir de fosses pédologiques et de sondages à la tarière pour caractériser, au laboratoire, les courbes de
rétention (marmite de Richards, Wind). Toutes ces mesures sont envisagées de part et d’autre des trois
haies étudiées, la densité des points diminuant en s’éloignant de la haie. Une station micro-
météorologique permettra de disposer des principales variables climatiques pour aborder le bilan
d’énergie (Température de l’air, température du sol à trois profondeurs, rayonnement global, humidité de
l’air, vitesse et direction du vent).
Le site sera choisi sur un site d’observation long terme du CAREN (ORE AgrHyS). Une réflexion sur les
indicateurs pertinents susceptibles de caractériser le type de fonctionnement hydrologique de différentes
haies, au-delà des trois situations explorées, sera engagée.
2- Pour la partie modélisation à l’échelle locale, deux modèles ont déjà été testés et validés : SiSPAT-1D
(Gonzalez-Sosa
et al
., 1999) et Hydrus-2D (Simunek
et al
., 1999). En plus du transfert d’eau, le modèle
SiSPAT permet de quantifier les échanges d’énergie entre le sol, la plante et l’atmosphère. C’est un
modèle appartenant à la catégorie des SVAT (
soil–vegetation–atmosphere transfer
). Ces deux modèles
seront mis en oeuvre pour comparer le fonctionnement local des trois types de haies explorés et
déterminer la meilleure représentation des fonctions élaborées selon la typologie des haies. Le passage du
1D au 2D, permet d’élargir l’échelle spatiale dans le but de délimiter la zone d’influence de la haie en
fonction des différentes situations. Concernant la haie de bas fond, nous connaissons déjà la variabilité
spatiale des différents termes du bilan hydrique (stock d’eau, drainage remontée capillaire, interception et
ETP). Les travaux menés nous permettent de délimiter une zone d’influence allant de 9 m à l’amont de la
haie à 6 m à l’aval, avec un desséchement fort du sol sous la, haie, une augmentation de l’interception de
la pluie et des remontées capillaires et une diminution du drainage en allant vers la haie. La thèse devrait
nous permettre de connaitre la variabilité spatiale et temporelle des différents termes du bilan hydrique
pour la haie de versant et la haie de bordure de cours d’eau. A partir de ces travaux ne pourrions élaborer
des schémas de fonctionnements pour les différentes typologies de haies. La modélisation à l’échelle
locale permettrait de comparer les trois situations entre elles et déterminer la taille de la maille spatiale
nécessaire pour intégrer les fonctions considérées en fonction de la typologie de la haie. Les résultats
obtenus à ce stade vont alimenter la réflexion sur la paramétrisation du modèle agro-hydrologique utilisé
dans le cadre du projet Acassya.
3- Pour la modélisation à l’échelle du bassin versant, l’implémentation d’un module haie se fera sur la
base des hypothèses retenues suite au volet 2 de la thèse. Il s’agira à ce stade d’engager une réflexion sur
le modèle à utiliser. Le choix du modèle dépendra des capacités des différents modèles et plateformes qui
seront disponibles à ce stade. La mise en place d’un module haie dans TNT2 requiert l’implémentation
d’un maillage à taille variable. Le doctorant bénéficiera de l’aide d’un ingénieur informaticien pour la
réalisation de cette partie numérique en articulation avec le projet Acassya (Axe 2, tâche 4). La validation
du modèle sera envisagée sur un bassin versant parmi les sites d’observation à long terme du CAREN. La
simulation du comportement hydrologique d’un bassin ayant une densité de bocage importante (>150
mètres linéaires par hectare) permettra de tester le réalisme des fonctions affectées aux différentes
typologies et d’évaluer leur impact sur les flux d’eau.
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Les attendus de ce travail constitueront une avancée complémentaire importante pour l’unité dans la
mesure où nous disposons aujourd’hui d’un certain nombre de connaissances sur le fonctionnement des
haies. Ces connaissances seront finalisées et intégrées dans un modèle hydrologique spatialisé.
4/ Calendrier prévisionnel
Année 1 :
-
Analyse des données déjà disponibles sur le site d’étude ;
-
Réalisation du suivi de terrain en relation avec les techniciens de l’équipe ;
-
Bilan des différentes modélisations et choix d’une stratégie ;
Année 2 :
-
Modélisation des flux d’eau en fonction des conditions climatiques, des caractéristiques des haies
et de l’état hydrique du sol. Le but de cette modélisation est
d’identifier les processus et les
paramètres pertinents en fonction des échelles (du profil du sol au bassin versant) ;
-
Elaboration d’une typologie des haies à construire à partir de la bibliographie et des observations
complémentaires
de terrain ;
-
Poursuite du suivi des sites en relation avec les techniciens de l’équipe ;
Année 3 :
-
Implémentation d’un module haie dans le modèle hydrologique distribué sur la base des
hypothèses retenues suite au travail effectué en année 2 ;
-
Validation de cette nouvelle version du modèle sur un bassin versant agricole.
5/ Bibliographie
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Grimaldi C, Thomas Z, Fossey M, Fauvel Y, Merot P.
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Herbst, M, Roberts, JM, Rosier, PTW, David J, Gowing DJ. 2006. Measuring and modelling the rainfall
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transpiration of a hedgerow in southern England.Tree Physiology
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thèse-UMRSAS-2009-haie-diffusion
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Two-dimensional Movement of Water, Heat, and Multiple Solutes in Variably Saturated Medai,
Version 2.0. IGWMC-TPS-70, International Ground Water Modeling Center, Colorado School of
Mines, Golden Colorado.
Liste de 5 publications récentes en rapport avec le projet proposé :
Caubel V, Grimaldi C, Merot P,
Grimaldi M. 2003. Influence of a hedge surrounding bottomland on
seasonal soil-water movement. Hydrological Processes 17: 1811-1821.
Ghazavi G, Thomas Z., Hamon H, Marie, JC, Corson M, Merot P.
2008. Hedgerow impacts on soil-
water transfer due to rainfall interception and root-water uptake. Hydrological Processes 22, 4723-
4735.
Ghazavi G, Thomas Z., Hamon H, Merot P.
200#. Relationship between climatic variability and soil-
water movement in a hillslope crossed by a hedgerow. Soumis au Journal of Hydrology.
Grimaldi C, Thomas Z, Fossey M, Fauvel Y, Merot P.
200# High chloride concentrations in the soil
and groundwater under an oak hedge: an indicator of evapotranspiration and water movement.
Accepté à Hydrological Processes.
Thomas Z, Molénat J, Caubel V, Grimaldi C, Merot P.
2008. Simulating soil-water movement under a
hedgerow surrounding a bottomland reveals the importance of transpiration in water balance.
Hydrological Processes 22 : 577-585.
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