SWAT, un modèle agro-hydrologique semi-distribué

1. SWAT, un modèle agro-hydrologique semi-distribué SWAT (Soil and Water Assessment Tool) conceptuel à bases physiques, semi distribué http://swatmodel.tamu.edu/ J. G. Arnold, R. Srinivasan, R. S. Muttiah, and J. R. Williams. Large area hydrologic modeling and assessment - part 1 : Model development. Journal Of The American Water Resources Association, 34(1) :7389, February 1998.

2. Differences between modeling approach

3. Inputs : Itinéraires techniques Données climatique - % occ. surface - distance au nœud Outputs : Hydrologie MES Nitrates Pesticides … Pente

4. Couplage du modèle sol/nappe et du modèle rivière Evaporation Transpiration Précipitations Processus - Hydrologie Zone racinaire Ruiss. de surface Infiltration Prélèvement par les plantes Ecoulement de sub-surf. Zone non saturée Pas de Rétroaction riv.->HRU Evap. depuis aq. superf. Percolation vers aq. superf. Décharge de la nappe Aq. superf. Couche imperm. Aq. profond Flux sortant du BV Percolation vers aq. profond

5. SWAT Hydrologie

8. Pesticides : Phase dissoute et phase particulaire Précipitations Zone non saturée Nappe rivière Ruissellement de surface Ecoulements de subsurface Décharge de la nappe

10. Présentation de la construction d’un projet de modélisation utilisant l’interface ArcSwat : schémas fonctionnel. Données d’entrée et variables de forçage MNT, carte des sols, occupation du sol, Données météo, itinéraire technique … Access SWAT.exe ArcSwat Interface Fichiers_In.txt Variables de sortie: Concentrations de N, P, MES, Pesticides en tout point du cours d’eau principal de chaque sous-bassin

11. Zone d’étude et mesures Gascogne area Located in the area of Coteaux Gascogne Area: 1110 km2 Annual precipitation: 700-900 mm Annual evaporation : 500-600 mm

12. Amont : prairies (63%) Aval : blé et tournesol (34%) Hydrologie : Q° moyen annuel : 4,7 m3.s-1 Q° en crue : 25 m3.s-1 Q° à l’étiage : 3 m3.s-1 Neste : 1,5 m3.s-1 Larra Occ. du sol majoritaire S. Ferrant Zone d’étude : BV de la Save

13. Landuse and soil types in the catchment Pasture (33%), Sunflower (19%) winter wheat (18%) Forest (9%) Others (21%) 14 landuse classes 29 Soil classes

14. Dominant Landuse and soil classification in SWAT 91 subcatchments

15. Calibration Hydro Calibration MES Calibration élément dissous Calibration pesticides

17. HRU : MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation – Williams, 1995) d’après USLE (Wischmeier et Smith, 1965, 1978) Sed : charge en sédiments Qsurf : volume ruisselé Qpeak : peak runoff rate C : coef. de ruissellement i : intensité des précipitations USLE_K : coef. d’érodabilité du sol USLE_C : coef. du couvert végétal USLE_P : coef. des pratiques culturales (labour, etc.) LSusle : coef. topographique CFRG : coef. lié à la pierrosité Légende : Paramètres demandés par le modèle Processus – Erosion (HRU)

18. Si Si En sortie du tronçon : Légende : Paramètres demandés par le modèle Processus – Erosion (Rivière)

19. Processus de transport et transformation : 2 phases porteuses : Phase dissoute (d) Phase particulaire (p) Processus - Pesticides HRU Rivière -> Pas de transferts par la nappe

20. Légende : Paramètres pesticides demandés par le modèle Autres paramètres Pour les 10 premiers mm Pour les horizons inf. Équations - HRU • Air/plante • Efficacité de l’application • Lessivage • Dégradation • Sol • Dégradation (d,p) • Partition • Phase soluble (WSOL) • Infiltration (d) • Ecoulements de subsurface (d) • Ruissellement de surface (d) • Phase particulaire • Ruissellement de surface (p) • Coefficient d’enrichissement : entré ou calculé

21. Eau Dégradation (d,p) Partition: Fp = 1-Fd -> f(CHPST_KOC) Volatilisation (d) Déposition (p) Lit sédimentaire Dégradation (d,p) Partition: Fp,sed = 1-Fd,sed -> f(CHPST_KOC) Remise en suspension (d,p) Diffusion (d) Enfouissement (p) Légende : Paramètres pesticides demandés par le modèle Équations - Rivière

22. Pesticides : jeu de données observées • Choix de trois molécules • Solubilité dans l’eau : Métolachlore > Aclonifène > Trifluraline > 3 herbicides sur tournesol épandus début avril (sol nu)

23. Première approche : ‘dominant land use’ (1 ss-bassin = 1 HRU) -> 91 sous-bassins 24 ss-bassins en tournesol/blé ou blé/tournesol (37552 ha ~ 34% du BV) Itinéraire technique : ITK moyens Métolachlore, Aclonifène, Trifluraline = trois herbicides appliqués sur Tournesol uniquement (rien sur les autres cultures) 3 pesticides concernent : Appliqués sur 10 j 1/3 du BV 1 année sur 2 Paramétrage dans ‘land area’ + ‘in-stream’ d’après Neitsch et al. (2002) ITK Tournesol 15 avril 0.977 kg/ha Aclonifène 1.12 kg/ha Métolachlore 5 avril 0.874 kg/ha Trifluraline 1er octobre récolte 10 avril semi 1er janvier 31 décembre Données ITK et approche simplifiée

24. Model calibration • 10 years of calibration period (01/07/1998 to 30/03/2009) • Manual calibration for both flow and sediment based on physical catchment understanding

25. Coeff. - Paramétrage (Neitsch et al., 2002)

26. Water balance Simulated precipitation : 726 mm ET: 580.7 mm (78.3%) Percolation: 83.22 (14.1%) Transmission loss: 3.26 mm (0.5%) Surface runoff: 49.63 mm (7.1%) Total water yield: 138 mm (observed 136mm) Simulation hydrologique (Juil1998 - Mars 2009) Nash= 0.53 R2= 0.56 9.20%

27. Simulated daily sediment vs observed daily sediment at Larra station (01/01/2007 to 30/03/2009)

28. Identifier l’origines des COP Oeurng et al. (en cours). Sera soumis à Hydrological Processes

29. Simulation long terme de MES et COP Relation (Sediment-water yield) 48 t km-2 Identifier les zones d’érosion 1.2 t km-2 Oeurng et al. (en cours). Sera soumis à Journal of Hydrology

30. 70 ha Sous-bassin m3.s-1 20 mg.l-1 14,5 mg.l-1

31. Métolachlore Trifluraline Aclonifène Premiers résultats (µg/L) Calage Chantha hydro/MES Données: Lobat et Thierry du 26/03/08 au 27/03/09 Ruissellement de surface (Métolachlore 99% Trifluraline 99.9%) Phase dissoute (Métolachlore 88% Trifluraline 17%) Phase particulaire (Métolachlore 12% Trifluraline 83%)

33. Outputs

34. Pesticides - Fonction de la couverture végétale

35. Phase particulaire/phase dissoute • Sédiments (MUSLE - Williams, 1995): • Transports phase dissoute / particulaire (sol)

37. Transport des sédiments Concmax=f(vitesse du cours d’eau) • Si Concsed>Concmax • Si Concsed<Concmax

38. Pesticides