Spatialisation de modèles de fonctionnement hydromécanique des sols appliquée à la prévision des risques de tassement à l'échelle de la France, Use of soil hydraulic and mechanical models for mapping compaction risks to the scale of France

Marie-Pierre Lefebvre

Description

Sous la direction de Guy Richard
Thèse soutenue le 29 janvier 2010: Orléans
Le tassement des sols est l'un des principaux processus de dégradation des sols en Europe. Il est principalement dû à la mécanisation des activités agricoles et forestières qui se traduit par des passages d’engins de plus en plus lourds, très souvent en conditions climatiques défavorables. La directive cadre pour la protection des sols en préparation envisage de demander aux Etats membres de l’Union Européenne de recenser les zones les plus sensibles au tassement en vue d’appliquer des mesures de prévention ou de réhabilitation. Le but de notre étude est de développer une méthode d’estimation des risques de tassement des sols et de l’appliquer à l’échelle de la France métropolitaine. La sensibilité des sols au tassement dépend du type de sol et augmente avec la teneur en eau. L’intensité du tassement dépend de la charge appliquée à la surface du sol. L’estimation des risques de tassement repose sur la fréquence d’occurrence d’une teneur en eau critique qui engendre une intensité de tassement pénalisant le fonctionnement des sols et des cultures. Elle fait appel à deux modèles : le modèle de culture STICS pour le calcul de l’évolution journalière de la teneur en eau des sols, le modèle de déformation COMPSOIL pour le calcul des teneurs en eau critiques en fonction des engins utilisés. Ces deux modèles sont appliqués sur la Base de Données Géographique des Sols de France au 1/1 000 000ème. Une amélioration du paramétrage du module hydrique de STICS adapté à cette base de données est proposée. Les risques de tassement des sols sont estimés pour trois périodes d’intervention au cours d’une culture de blé d’hiver ou de maïs : le semis, la fertilisation azotée et la récolte, en fonction de scénarios climatiques actuels et futurs. Plusieurs critères de définition d’un sol tassé et d’un risque de tassement ont été utilisés. La cartographie des risques de tassement (1) s’avère très sensible au choix de ces critères, (2) résulte de la combinaison des trois facteurs : type de sol, climat et système de culture, sans facteur prédominant. La méthodologie proposée, basée sur l’utilisation de modèles de fonctionnement hydromécanique, est bien adaptée à l’estimation des risques de tassement des horizons de surface des sols cultivés. Une caractérisation plus précise des propriétés mécaniques des sols français est à envisager pour réduire les incertitudes sur la cartographie des risques.
-Propriétés hydrodynamiques
Soil compaction is one of the major processes of soil degradation in Europe. Compaction is mainly due to the mechanization ofagricultural and forest activities which involve use of increasingly heavy machines, even when the weather conditions may beunfavourable. The European Union Directive for soil protection in preparation will require for the Member States to zone soilcompaction risk for determining priority areas for soil prevention or soil improvement. In this context, the aim of this study is tobuild a methodology to soil compaction risk at national scale. The susceptibility of soil to compaction increases with the soil watercontent. The soil compaction risks are deduced from frequency of appearance of critical water content which implies systematiccompaction. Soil water content is estimated with the crop model STICS for 30 years on the whole French soils. Before simulations,we must (1) estimate critical water content as a function of soil and applied stress; (2) parameterize the hydraulic module of STICSso that it is adapted to the whole French soils; (3) parameterize the mechanical functioning of French soils. The results are mappedwith the Soil geographical data base of France at 1/1 000 000. The compaction risks are thus estimated for three periods of farmingoperation during winter wheat and maize cultivation: soil conditioning/sowing, nitrogenous fertilising and harvest for present andfuture climates. These three operations are characterized by the applied stress and the climatic conditions. Several criteria definingcompacted soil and compaction risk were used. Maps of soil compaction risk appeared sensitive to these criteria and also showed that compaction risk is resulting from the interaction of three factors: soil types, climate and farming systems without any dominating.The proposed methodology based on use of hydraulic and mechanical models is well adapted to the estimation of compaction risk for cultivated topsoil. But, mechanical properties for French soils must be characterised more precisely in future to limit uncertainties in the mapping of soil compaction risk.
-Hydraulic properties
Source: http://www.theses.fr/2010ORLE2003/document

Informations

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Extrait

UNIVERSITÉ D’ORLÉANS



ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES

Unités Science du Sol et Infosol de l'INRA d'Orléans

Thèse présentée par

Marie-Pierre LEFEBVRE

Soutenue le : 29 janvier 2010

pour obtenir le grade de : Docteur de l’Université d’Orléans
Discipline : Sciences de l'Univers

Spatialisation de modèles de fonctionnement
hydromécanique des sols appliquée à la prévision
des risques de tassement à l'échelle de la France




THÈSE dirigée par :
Guy RICHARD Directeur de Recherche, INRA Orléans, UR SOLS

RAPPORTEURS :
Yves COQUET Professeur, AgroParisTech, UMR EGC
Martine GUERIF Directrice de Recherche, INRA Avignon, UMR EMMAH


JURY :
Ary BRUAND Professeur, Université d'Orléans, UMR ISTO - Président de jury
Yves COQUET Professeur, AgroParisTech, UMR EGC
Martine GUERIF Directrice de Recherche, INRA Avignon, UMR EMMAH
Philippe LAGACHERIE Ingénieur de Recherche, INRA Montpellier, UMR LISAH
Christine LE BAS Ingénieur de Recherche, INRA Orléans, US Infosol
Guy RICHARD Directeur de Recherche, INRA Orléans, UR SOLS
Peter WEISSKOPF Directeur de Recherche, Agroscope ART Reckenholz, Suisse

tel-00553390, version 1 - 7 Jan 20112
tel-00553390, version 1 - 7 Jan 2011REMERCIEMENTS

Si une thèse honore le travail de son signataire, elle ne peut être réduite à un travail personnel.
C'est, en l'occurrence, le fruit de la convergence de deux Unités, l'Unité de recherche de Science du
Sol et l'Unité de service Infosol de l'INRA d'Orléans, le résultat d'une intégration au sein d'une équipe
au savoir-faire pluridisciplinaire et d'un encadrement de qualité. C'est aussi l'histoire de rencontres
inédites avec des collègues devenus des amis.

Je tiens donc à remercier celles et ceux qui, d'une façon ou d'une autre, ont été présents tout au
long de cette période et ont contribué au succès de ce travail :
Tout d'abord mes rapporteurs de thèse, Yves Coquet et Martine Guérif, les examinateurs de ce
travail, Philippe Lagacherie et Peter Weisskopf, ainsi que Ary Bruand, le président du jury de cette
thèse. Je les remercie d'avoir consacré une part importante de leur temps à la lecture et à l'analyse
minutieuse de ce manuscrit.
Au cours de ce travail, je me suis appuyée essentiellement sur trois personnes. Tout d'abord
Guy Richard qui m'a permis de travailler sur un projet dont il avait été l'initiateur. J'ai beaucoup appris
à ses côtés et je tiens à le remercier pour son soutien et sa présence à chaque événement important de
ma thèse. C'est notamment sa grande disponibilité qui m'a incitée à positiver les difficultés rencontrées
dans ce travail.
Je dois également beaucoup à Christine Le Bas d'avoir secondé Guy dans son encadrement.
J'ai apprécié son investissement et je n'aurais jamais pu atteindre un travail de cette qualité sans ses
conseils sur le traitement des données et sa rigueur rédactionnelle.
Cette thèse présente un gros travail de cartographie qui n'aurait jamais pu voir le jour sans la
participation d'Alain Couturier qui a réalisé l'ensemble des travaux de programmation nécessaires à la
spatialisation des modèles. Je tiens à le remercier d'avoir été aussi avenant avec moi, son efficacité m'a
souvent boostée dans mon travail.
Merci de votre investissement à tous les trois (parfois même les week-ends). J'ai énormément
apprécié de travailler avec vous. J'espère retrouver, dans mes futures activités professionnelles, des
collaborations aussi riches.

Je souhaite remercier Isabelle Cousin de s'être investie dans ma thèse alors qu'elle était déjà
bien occupée par ses propres étudiants, notamment lors de la préparation de mes présentations orales
et de la rédaction de la thèse et des articles. Ses conseils ont été très précieux pour améliorer la
présentation de mes résultats scientifiques.
Au cours de ces trois années, j'ai été amenée à travailler avec des scientifiques de l'INRA
d'Avignon, notamment avec Nadine Brisson sur le paramétrage du modèle STICS. J'ai apprécié ses
3
tel-00553390, version 1 - 7 Jan 2011conseils au cours des multiples réunions DST et des comités de pilotage et son soutien à ma
soutenance de thèse. Merci également à André Chanzy de m'avoir apporté ses connaissances sur
l'estimation des paramètres d'un modèle, à Dominique Ripoche de m'avoir aidée tout au long de la
thèse sur la prise en main de STICS et à Frédéric Huard pour avoir trouvé réponses à mes questions au
sujet des données météorologiques utilisées.
J'ai également travaillé en collaboration avec des scientifiques de l'INRA de Laon et Mons :
merci à Bruno Mary de m'avoir aidée sur le paramétrage de STICS et sa validation, à Daniel Boitez
pour m'avoir formée à la mesure des courbes de retrait en laboratoire, à Frédéric Bornet pour m'avoir
présenté le fonctionnement du triaxial durant mon séjour à Laon, à Hubert Boizard pour son soutien
tout au long de ma thèse.
Cette thèse m'a permis de travailler avec Pauline Défossez et Kawtar Saffih-Hdadi à l'INRA de
Reims. Je les remercie toutes les deux de m'avoir permis de prendre en main rapidement le modèle
COMPSOIL et de m'avoir initiée à la mécanique des sols.
Je n'oublie pas Odile Duval qui a fait en sorte que ce temps passé à l'INRA d'Orléans soit aussi
efficace qu'agréable. Ses conseils et son aide m'ont permis de toujours faire face aux événements et sa
présence a contribué à rendre plus chaleureuse ma vie professionnelle.
Merci à Dominique Arrouays pour son investissement dans mon travail, notamment lors de
mes comités de pilotage, à Tony Dexter et Eva CzyŜ de leur aide au moment de communiquer mes
résultats de stage et de thèse en anglais aussi bien à l'écrit qu'à l'oral, à Bob Jones de l'Université de
Cranfield d'avoir suivi mon travail au cours d'un comité de pilotage et de ma soutenance de thèse, à
Bernard Nicoullaud de m'avoir fait partager ses connaissances en agronomie.
Merci à Guillaume Giot d'avoir été aussi efficace et disponible tout au long de cette thèse pour
m'initier au terrain et au labo (prélèvement de cylindres, application de la méthode de Wind, utilisation
du perméamètre, mise en place des sondes TDR et des centrales d'acquisition…), sans oublier son
investissement dans la vérification de la base de données "Wind" pour que je puisse écrire mon article.
Merci à Hocine Bourennane pour ses multiples conseils en statistiques et son soutien moral
afin que je relativise les événements effrayants d'une thèse, à Denis Baize pour m'avoir aidée au
moment de mes recherches bibliographiques, à Hervé Gaillard de m'avoir fait participer à ses travaux
de laboratoire, à Manuel Martin, Nicolas Saby, Sacha Desbourdes (dont l'aide a été bénéfique pour que
je puisse envoyer ma thèse en temps et en heure), Pierre Courtemanche et Catherine Pasquier pour leur
aide occasionnelle pendant ces trois ans.
Merci à Frédéric Darboux d'avoir répondu avec beaucoup de pédagogie à toutes mes questions
et à Didier Chauveau du MAPMO d'Orléans de m'avoir éclairée sur l'utilisation des statistiques.

J'ai eu la chance de rencontrer des amis de bureau et de soirée à l'Inra. Le temps passé à leurs
côtés m'a donné l'impression de ne pas avoir vu passer ces trois années. Merci à Hao Hongtao (j'ai
beaucoup apprécié de partager le bureau avec toi. "Xiexie" pour ton amitié, ton aide et ton soutien
4
tel-00553390, version 1 - 7 Jan 2011dans cette aventure), à Marion Tétégan (je ne me lasserai jamais de nos interminables discussions.
D'ailleurs, dans un an je m'initie à Skype!), à Laurence Quenard (je mets un peu d'eau dans mon vin
grâce à toi), à Maud Seger (je suis ravie d'avoir fait ta connaissance une seconde fois. Tu m'as fait
décompresser plus d'une fois pendant ces trois