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Irrigation gravitaire traditionnelle - Agronomie
Introduction L'irrigation gravitaire regroupe l'ensemble des techniques d'arrosage dans lesquelles la distribution de l'eau à la parcelle se fait
C'est quoi l'irrigation gravitaire ?
L'irrigation par écoulement de surface, aussi appelée irrigation gravitaire, consiste à distribuer l'eau par le biais de canaux et de rigoles sous l'effet de la gravité : Les canaux distribuent l'eau à des canaux secondaires jusqu'aux parcelles.Quel sont les avantages de l'irrigation par gravité ?
Les systèmes d'irrigation par aspersion offrent également la possibilité d'optimiser l'utilisation de l'eau. Ainsi, avec eux, nous contribuons non seulement au développement durable, mais nous économisons également sur les ressources de production.Quels sont les inconvénients de l'irrigation par gravité ?
L'arrosage non suffisant et l'arrosage excessif entraînent des problèmes de sol, des maladies des racines et du gazon, des carences nutritionnelles et une diminution du rendement des plantes.Quelles sont les différentes méthodes d'irrigation ?
Irrigation par ruissellement. Irrigation par planche. Irrigation à la raie. Irrigation par bassins. Irrigation par rampes fixes : Irrigation par rampes mobiles : Irrigation par rampes frontales : Irrigation par micro-asperseurs.
Présentée publiquement
parMohamed ALKASSEM ALOSMAN
Soutenue le 30 / 09 / 2016, devant le jury composé de :1- R. ANGULO- JARAMILLO HDR, CNRS ENTPE UCB-Lyon Rapporteur
2- G. BELAUD Professeur, SupAgro Montpellier Rapporteur
3- V. VALLES Professeur, Université d'Avignon Président du jury
4- A. MÉROT Chercheuse, INRA Montpellier Examinateur
5- A. OLIOSO HDR, INRA Avignon Directeur de thèse
6- S. RUY Chercheur, INRA Avignon Examinateur -
encadrant 1Remerciements
Je tiens à remercier mes encadrants, Stéphane Ruy et Albert Olioso, qui m'ont permis d'avancer et
construire mon travail dans les meilleures conditions grâce à leur expérience et à leur
accompagnement. Je n'oublie pas également le soutien qu'ils ont su me témoigner au cours de ces
trois années.Un grand merci aussi à Samuel Buis et Patrice Lecharpentier pour m'avoir fait découvrir et apprécier
le monde de la modélisation.Je remercie également l'ensemble de l'unité EMMAH, et notamment Fabrice Flamain, Bernard Bès,
Micheline Debroux, Arnaud Chapelet et Dominique Renard, qui m'ont accompagné lors de mes
nombreuses expérimentations sur le terrain.Je tiens à remercier aussi François Charron, Directeur adjoint du Domaine du Merle et Didier Tronc,
directeur du Comité de foin de la Crau, pour leur connaissance du territoire de la Crau et de sesacteurs, qui m'a permis d'identifier les agriculteurs contributeurs à mon travail au travers des sites
expérimentaux.Et bien sûr, un grand merci à l'ensemble des agriculteurs et leur arroseur, pour leur accueil
chaleureux, la mise à disposition de parcelles expérimentales et à l'intérêt qu'ils ont montré à mes
travaux. Je pense en particulier à messieurs Jacques Bellone, Frédéric Blanc, Benoit Cauvin, Jean-
Marie Dardar, Jean Jarrige, David Laforest, Jean-Louis Martel, Pascal Mille, Didier Poujol et Maurice
Tricon.
2 3Table des matières
Table des illustrations
.............................................................................................................................. 5
Introduction générale .............................................................................................................................. 7
1 Partie I : Introduction .................................................................................................................... 13
Chapitre 1 : Description générale du site d'étude, la plaine de la Crau ................................ 15
Climatologie, pédologie et hydrogéologie de la Crau : ................................................. 15Usage des sols, agronomie et irrigation sur la Crau ...................................................... 33
Les changements globaux sur le territoire de la Crau ................................................... 48
Travaux réalisés dans l'UMR EMMAH sur le système Crau et points de blocage ......... 52Chapitre 2 : représentation et modélisation de l'infiltration gravitaire ................................ 59
Introduction du Chapitre 2 ............................................................................................ 59
Équations macroscopiques utilisées pour décrire l'irrigation par submersion ............. 59
Les différentes lois d'infiltration .................................................................................... 65
Présentation de différentes modèles opérationnels .................................................... 69
Utilisation des modèles opérationnels en mode inverse : estimation des propriétés dessols et des doses appliquées ......................................................................................................... 73
Conclusion ..................................................................................................................... 74
Chapitre 3 : Démarche globale (organisation du travail) ...................................................... 77
2 Partie 2 : Matériels et Méthodes .................................................................................................. 79
Chapitre 1 : Le modèle d'irrigation gravitaire CALHY ............................................................81
Présentation du modèle ................................................................................................ 81
Critique des hypothèses du modèle de Green et Ampt ................................................ 84
Signification et estimation des paramètres hydrauliques et hydrodynamiques dumodèle Calhy. ................................................................................................................................ 86
Détermination par modélisation d'une configuration expérimentale permettantl'estimation des paramètres hydrauliques et hydrodynamiques du modèle Calhy. .................... 88
Les sites expérimentaux et les protocoles expérimentaux ................................................... 93
Suivi de l'évolution de la hauteur de la lame d'eau ...................................................... 95
Suivi de l'avancement de la lame d'eau au cours de l'irrigation ................................... 99
Mesures de débit ......................................................................................................... 100
Mesures des géométries des parcelles et de l'épaisseur du sol ................................. 101
La teneur en eau du sol ............................................................................................... 102
Les enquêtes menées chez les exploitants agricoles .......................................................... 103
Outils numériques utilisés avec le modèles Calhy : analyse de sensibilité par la méthode
FAST et méthode inverse du SIMPLEX ............................................................................................ 105
4 Analyse de sensibilité du modèle Calhy par la méthode FAST .................................. 106 La méthode SIMPLEX (multi-start bound-constrained simplex) et l'inversion du modèle Calhy............................................................................................................................... 109
3 Partie 3 : Résultats et Discussions............................................................................................... 115
Chapitre 1 : Caractérisation du modèle CALHY ; ................................................................. 117
"Global sensitivity analysis for identification the key estimation of Calhy's parameters usingaccessible operational outputs" ...................................................................................................... 117
Inversion du modèle Calhy : "Estimation Of Soil Hydrodynamic Parameters And SoilHydraulic Roughness Through Inverse Modelling And Flooding Irrigation Experiments" .............. 153
Chapitre 3 : Utilisation D'un Modèle A Base Physique Pour L'Optimisation Multicritères DeL'irrigation Des Prairies Par Submersion ......................................................................................... 191
Chapitre 4 : Caractérisation empirique de l'irrigationEstimating irrigation dose over
grassland borders using regression models with field dimensions and inflow rate ......................... 2074 Partie 4 : Discussion générale et conclusion ............................................................................... 241
Discussion générale ............................................................................................................. 241
Conclusion ........................................................................................................................... 253
Références : ......................................................................................................................................... 257
Annexes ............................................................................................................................................... 267
Annexe (1). Analyse de sensibilité préalable des proxys variables de modèle Calhy aux cinqparamètres d'entrée. ...................................................................................................................... 269
Annexe (2). L'ajustement des paramètres de modèle Calhy par l'inversion du modèle et avec des
data synthétiques des proxys variables proposé. ........................................................................... 273
Annexe (3). Etalonnage des sondes CS616...................................................................................... 275
Annexe (4) Les enquêtes ont été réalisées à l'aide d'un entretien direct avec les exploitants à la
Crau : ............................................................................................................................................... 281
Résumé ................................................................................................................................................ 295
5Table des illustrations
Figure i-1 : La disponibilité des ressources en eau dans les bassins méditerranéens. ...................................
9Figure i-2 : Schéma de la démarche générale de la thèse. ...........................................................................
11Figure 1-1: La plaine de Crau et sa nappe superficielle (délimité en rouge) qui s'étend entre Arles, Fos
et Salon de Provence. Les différentes communes sont présentées. Source SymCrau, (2012). ............. 15Figure 1-2: Diagrammes des précipitations en mm (axes de gauche), températures en °C (axes de
droite) dans trois stations de Crau durant la période de 1997 à 2006: Salon de Provence (Le Merle),
Saint-Martin de Crau (Grand Carton) et Port-Saint-Louis. Source Wolff, (2010). ............................... 17Figure 1-3: Données des précipitations mensuelles (cumul mensuel, hauteur maximum sur 24 heure et
cumul sur toute l'année) pour 2012 une année particulièrement sèche ; a) à Salon de Provence (nord de
la Crau), b) à Istres (sud de la Crau). Source SymCrau, (2012) ............................................................ 17Figure 1-4 : Évapotranspiration potentielle calculée selon la méthode Penman (moyenne 1981-1990).
Source Bessonnet, (2002).
..................................................................................................................... 19
Figure 1-5: Données climatiques journalières au Domaine du Merle (Salon de Provence) pendant la
saison d'irrigation en 2003, incluant l'évapotranspiration de référence calculée avec la formule de
Penman ETP
Penman, les températures maximale, minimale et moyenne ainsi que la vitesse du vent.Source Saos, (2003).
.............................................................................................................................. 19
Figure 1-6 : La carte géologique de la Crau et les différentes zones géologique. 1 : Seuil de St Pierre-
de-Vence, 2 : Seuil d'Eyguières, 3 : Seuil de Lamanon, 4 : Marais des baux, 5 : Chateau deBeauregard, 6 : source de Mouriès, 7 : Le grand Brahis, 8 : le Merle, 9 : Le Luquier, 10 : Terrusse, 11 :
Etang d'Entressen, 12 : Etang des Aulnes, 13 : Vergières, 14 : Le Tubé, aérodrome et 15 : Marais de
vigueirat................................................................................................................................................. 21
Figure 1-7: Échelle des temps géologiques montrant les étapes successives de la formation de la Crau.
Source Wolff, (2010)
............................................................................................................................. 23
Figure 1-8: Carte de l'épaisseur des sols en fonction de la mise en place de l'irrigation. Source Trolard
et al., (2012)........................................................................................................................................... 24
Figure 1-9: Profils types des sols. Source d'après Wolff, (2010). ......................................................... 25Figure 1-10 : Hauteurs piézométriques de la nappe dans une zone irriguée et une zone non irriguée
exprimées par différence à la moyenne sur la période. Le piézomètre 1JS est localisé au Domaine du
Merle, quelques kilomètres à l'ouest de Salon-de-Provence. Le piézomètre P29B (hors zone irriguée)
est situé dans les Coussouls en bordure nord-ouest de l'aéroport d'Istres - Le Tubé. Sont aussi
représentés le drainage (journalier simulé au moyen du simulateur Crau décrit plus bas) sous une
parcelle de prairie irriguée et la pluviométrie mensuelle au Domaine du Merle. Source : Olioso et al.
(2013b).................................................................................................................................................. 27
Figure 1-11 : Les écoulements et les conditions aux limites de la nappe de la Crau. Source (SymCrau,
2014).
..................................................................................................................................................... 29
Figure 1-12: Principales plantes présentes dans le foin de Crau AOC. D'après Comité de foin de Crau.
............................................................................................................................................................... 37
Figure 1-13, Carte d'occupation du sol de la plaine de Crau. Source : SymCrau, (2014) .................... 38 Figure 1-14: Visualisation des différentes branches du canal de Craponne sur la carte de Cassini (XVIIIème siècle).................................................................................................................................. 40
Figure 1-15 : Evolution du débit maximum prélevable en Durance par le canal de Craponne, d'après
Michel (2011). Le dernier point (1963) correspond à la mise en service de l'aménagement hydroélectrique de la Durance et à un prélèvement dans le canal usinier EDF. ................................... 41 6Figure 1-16: Les différents Associations syndicales d'Arrosant à la Crau. Source " Contrat de canal
Crau sud Alpilles »
................................................................................................................................ 46
Figure 1-17: Développement des surfaces irriguées à partir de la construction de l'oeuvre de Craponne
au XVIe siècle. Source (Wolff, 2010)................................................................................................... 48
Figure 1-18 : Architecture de la chaine de modélisation de l'agro-hydrosystème de la Crau (Baillieux
et al., 2015)............................................................................................................................................ 53
Figure 1-19. Colonne de gauche : cartographie du rendement, du drainage et du niveau de l'aquifère en
situation actuelle ; Colonne de droite : différence par rapport à la situation présente d'une situation
future qui considère les changements climatiques en 2030, une baisse de la disponibilité de l'eau de la
Durance pour l'irrigation de 30% et une urbanisation ayant consommé près de 12 % des prairies irriguées (pour l'essentiel autour des grands centres urbains). D'après Olioso et al. (2013a). ............. 56Figure 1-20 : Relation empirique calculant la dose d'irrigation apportée en fonction de la longueur de
la parcelle (Tourmetz, 2010)................................................................................................................. 57
Figure 2-1: Résultats des essais d'infiltration à charge constante de type "Porchet" réalisé sur le
poudingue induré ("taparas") de la Crau de Miramas au Nord de Fos sur Mer. D'après la figure 12 de
(ICF Environnement, 2009).................................................................................................................. 85
Figure 2-2, Évolution de la lame d'eau en trois points de la parcelle et caractéristiques étudiées de ces
évolutions.
............................................................................................................................................. 90
Figure 2-3 : la distribution des expérimentations parcellaires de suivis d'irrigation sur la plaine de la
Crau....................................................................................................................................................... 95
Figure 2-4: Schèma de l'implantation des sondes capacitives en amont et en aval de la parcelle. ...... 96Figure 2-5: Dispositif d'étalonnage des sondes capacitives CS616. (a) Pour étudier la sensibilité des
signaux délivrés par les sondes aux différentes températures et niveaux de salinité de l'eau. (b) pour
calibrer les signaux délivrés par rapport aux hauteurs d'eau observées. ............................................... 98Figure 2-6: les courbes d'étalonnage après la compagne de suivi pour chaque sonde correspondant à
une profondeur d'enfoncement des électrodes de 10 cm dans le sol. .................................................... 99 Figure 2-7: Schéma du suivi de l'avancement de la lame d'eau, .......................................................... 100Figure 2-8: Schéma d'implantation des points de mesure de la vitesse d'écoulement dans une section
transversale du canal d'amenée de l'eau. ............................................................................................ 101Figure 2-9 :
Répartition des caractéristiques des parcelles et des débits d'irrigation obtenues à partir
des enquêtes chez les exploitants de foin de Crau : (a) la longueur de la parcelle, (b) le débit théorique
alloué par l'ASA, (c) la surface parcellaire et (d) la largeur de la parcelle. ........................................ 103 7Introduction générale
Les surfaces irriguées représentent 20% de la totalité des surfaces cultivées (FAO, 2011),
mais elles représentent près de 70% des prélèvements d'eau douce et 90% des quantités d'eau
consommées effectivement (Siebert et al., 2010). Au niveau planétaire, environ 42% de la production agricole est obtenue par des cultures irriguées, ce pourcentage passe à 47% dansles région développées (Bruinsma, 2009). Satisfaire les besoins alimentaires mondiaux à
l'horizon 2050 nécessite d'augmenter de 70 % la production agricole, ce qui passe, en
particulier, par une agriculture plus productive et le développement des surfaces irriguées (Bruinsma, 2009). Ceci va conduire à une augmentation de la demande en eau pour l'irrigation dans le futur proche alors que de nombreuses régions souffrent actuellement dedéficit hydrique et que les ressources en eau ne sont pas réparties uniformément. C'est le cas
en particulier dans les régions du pourtour méditerranéen.En effet, dans le bassin méditerranéen, les ressources en eau représentent 1,2 % des réserves
mondiales alors qu'il regroupe 6 % de la population mondiale. Au sein de cette région, lesressources en eau sont réparties de façon hétérogène : elles sont essentiellement concentrées
dans les bassins méditerranéens de France, d'Italie, de Grèce et de Turquie, alors que les pays
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