[PDF] AppROCHE GÉOMATIQUE POUR SIMULER LÉROSION

View - Download AppROCHE GÉOMATIQUE POUR SIMULER LÉROSION

Previous PDF

Next PDF

UNIVERSITÉ DU AUÉBEC

INRS-Eau

AppROCHE GÉOMATIQUE POUR SIMULER L'ÉROSION HYDRIQUE

ET LE TRANSPORT DES SÉUMENTS

À u'ÉCNELLE DES PETITS BASSINS VERSANTS AGRICOLES Par

MARC DUCHEMIN

M. Sc. Environnement

Thèse Présentéepour I'obtention

du grade de Philosophiae doctorat (Ph.D.) en Sciences de l'eau

Président du jury

examinateur interne et codirecteur de recherche

Fxaminateur externe

Examinateur externe

Examinateur interne et

codirecteur de recherche

Directeur de recherche

Jury d'évalualion

Guy Modn

INR$Eau

Univercité du Québec

Claude Bernard

Institr.rt de recherche et de développement en

agroenvironnement (IRDA) MAPAQ

Ferdinand Bonn

Département de Géographie et TélédétecÛon

Univetsité de Sherbrooke

Robert Lagacé

DéPartement de génie rural

Université Laval

MaduE Lachance

lNR$Eau iversité du Québec

Thèse soutenue le 20 avril2000

o dro'rts réserves de Marc Duchemin, 2000

AVANT-PROPOS ET REMERCIEMENTS

Cette thèse se veut une contribution scientifique au vaste domaine de recherche portant sur t'érosion hydrique et le transport des sédiments. Ce projet de nature multidisciplinaire est

presenté dans une optique de conservation de I'eau et du sol à l'échelle du bassin versant. Son

originalité réside dans le développement et la composition d'une approche géomatique de simulation faisant intervenir l'utilisation conjointe d'un modèle hydrologique et d'un système

d'information géographique. L'élaboration d'un modèle d'érosion hydrique et de transport des

solides en suspension contribue également à rehausser I'originalité de l'approche proposée.

Celle-cise veut simple et accessible tout en foumissant aux gestionnaires de I'environnement, un outilcomplémentaire d'évaluation de la pollution diffuse en milieu rural. Mes prcmiers remerciements vont à mon directeur de thèse M. Marius Lachance ainsi qu'à mes co-directeurs, M. Guy Morin et M. Robert Lagacé pour leurs commentalres concemant les

différenls aspec{s de la modélisation hydrologique et de l'érosion hydrique des sols. Ma gratitude

va également à M. Ferdinand Bonn et M. Claude Bernard, pour la révision des textes. Je tiens

aussià soutigner la collaboration du personnel de la station expérimentale d'Agriculture Canada

à Lennoxville qui m'ont permis I'accès au bassin versant sur lequel a été testé l'approche

géomatique de simulation proposée dans cette thèse. Un merci tout spécial va à l'équipe du Service de la documentation de l'INRS-Eau pour le

professionnalisme et l'efficacité démontrés dans la recherche des articles scientifiques et des

documents reliés au sujet de ma thèse ainsi qu'aux confrères et consoeurs de travail qui ont

contribué, d'une façon personnelle, à soutenir ma motivation. Finalement je ne pounais passersous silence le soutien inconditionnel de mes parents, qui m'ont

toujours encouragé à pounsuivre mes études, et ce, malgré les différents soucis matériels et

financiers auxquels j'ai eu à faire face au cours de ces dernières années.

Marc Duchemin

Sainte-Foy

avril2000 ill nÉsutulÉ

L'érosion hydrique est un phénomène naturel qui peut s'aggraver sous I'action combinée de

conditions climatiques et anthropiques particulières. L'importance de cette forme de pollution

diffuse est souvent mesurée par les quantités de sédiments exportés à l'exutoire des bassins

versants. De façon générale, l'érosion hydrique dépendra de l'importance et de la fréquence des

agents d'érosion (pluie et ruissellement), des types de sols, de la topographie et de I'occupation

du tenitoire. L'utilisation des modèles mathématiques permet de tenir compte de ces paramètres.

Plusieurc travaux effectués sur l'érosion et le transport des sédiments portent sur des parcelles

ou des ctramps. Des efforts restent cependant à être déployés en ce quiconcerne les études de

modélisation à l'échelle des bassins versants compte tenu des masses d'informations

hétérogènes qu'il faut alors manipuler. L'évaluation de l'érosion hydrique et du transport des

sédiments à l'écfrelle d'un bassin versant demande donc d'investir dans des études de simulation

qui tiennent davantage compte de la dimension spatiale et temporelle. Pour effectuer ces études,

on se doit de quantifier le mouvement de l'eau et des sédiments à travers le bassin versant. Une

telte investigation nécessite le développement d'une approche analytique multidisciplinaire qui

vise à simulerla production et le cheminement de I'eau (débit et ruissellement) et des sédiments

(érosion et solides en suspension) de l'amont vers I'aval d'un bassin versant. Cette procédure exige I'emploi d'outils d'analyse de plus en plus sophistiqués. Le recours aux modèles

hydrologiques à distribution spatiale et aux systèmes d'information géographique (SlG) est alors

de mise. Par futilisation conjointe de ces outils, il devient possible d'analyser une grande quantité

de données susceptibles de définir l'environnement physique d'un bassin versant. L'objectif principal de ce projet de recherche consiste à développer et appliquer une approche

géomatique de simulation qui vise à évaluer, dans le temps et I'espace, I'impact du climat et

de l'occupation du tenitoire sur l'érosion hydrique et le transport des sédiments vers I'exutoire

d'un petit bassin versant agricole. Elle rend également possible l'identification des secteurs du

bassin versant les plus touchés par le problème d'érosion/sédimentation et où un effort local

d'évaluation et d'intervention poumait éventuellement être porté afin de réduire les pertes de sols.

Un modèle d'érosion hydrique et de transport des solides en suspension (MODÉnOSS1 a ete

développé et couplé au modèle hydrologique CEQUEAU. Le modèle MODEROSS a été construit

à partir d'algorithmes provenent de différents modèles d'érosion hydrique déjà existants. Le

produit finatàe ce couptage (progiciel CEAÉROSS) simule la production et le transfert de l'eau

et des sédiments, de l'amont vers l'aval d'un bassin versant. Un effort a été prodigué afin

d'automatiser I'acquisition et la gestion des données utiles au fonctionnement de CEQEROSS. Les macro-commandes du système d'information géographique lDRlSl ainsi que son système de gestion de données ont été largement utilisés à cette fin. Les principales étapes de la démarche géomatique de simulation sont: segmentation du bassin versant en unités spatiales de ealcul relativement homogènes (i.e. USC); détermination des caractéristiques climatiques, hydrologiques, topographiques, pédologiques et d'occupation du

tenitoire des USC; définition du réseau de drainage; évaluation de la production de sédiments

au sol et en rivière; estimation de la capacité de transport de l'écoulement; estimation de la

charge et de la concentration des solides en suspension et transfert des sédiments vers I'aval

du bàssin versant. Les calculs s'effectuent au niveau de I'USC et de la joumée. La procédure

proposée nécessite le catage de paramètres de façon à reproduire le mieux possible les débits,

ies'charges et tes concentrations de solides en suspension mesurées quotidiennement.

La démarctre méthodologique proposée a été appliquée sur un p_etit.bassin versant agricole de

7g ha locatisé à Lennoxiitte, danà la région de Sherbrooke, au Québec (Canada). Les valeurs

âl"ufe"i ii.e simulation) des débits, deé concentrations et des charges solides en suspension

ont etg coàparées, grajhiquement et statistiquement, aux valeurs mesurées (i.e. observation)

à l,exutoire du bassin versant au cours des années hydrologiques d'octobre -1.991 à septembre

igg2 iperiàoe de catage) et d'oc{obre 1992 à septembre 1993 (période.de- validation). L'examen

des nydrogrammes "tîét sédimentogrammes jôumaliers pour ces périodes révèle un excellent

ài*térn"it àes débits et des charges sotides simutés et observés. La comparaison 9e:

éncentmtions journatières de solides en suspension observées et simulées montre cepgndalt

des écarts coniiOeraUles dûs à la grande varia'bnité naturelte du transport sédimentaire à l'échelle

àei petits bassins vepants. Ces éârts sont toutefois réduits si on ramène la comparaison à une

ecnàlte temporelle (i.e. mensuelle, annuelle) mieux adaptée au contexte d'une gestion de la pottution diffuse à l'échelle des bassins versants agricoles'

L,approche géomatique de simulation proposée dans cette tËse peut donc Être utilisée polr

éuâù"r fimpàa du climat et de l'occupaiiori du tenitoirc sur l'élosion hydrique et le transport de

solides en iuspensiôn à un petit bassià vesant. Locatement, cette approche pernet de cibler les

secteurs d'un bassin versani les plus touchés par ces phénonÈnes et où une intervention à court

ou moyen terme peut s'avérer ad'équate pourréduire les problèrnes de pollution diffuse. & plus,

le modèle d'âosion hydrique et de transport de solides en susPension développrÉ dT: le cedre

ae ce projet reproAuit convenablément le comportement seisorurierde l'âosion hydrique et du

tr:anspàrt éeOim'entaire à I'embouchure du bassin versant étudié. Finalement, nous cloyons qus

""ttàâppr"*re s,inscrit favorablement à l'intérieur d'un ensemble d'outils d'analyses destinés à

gérer jtbuatement les ressources eau et sol à l'échelle des petits bassins versants ruraux. vi

TABLE DES MAilÈRES

AVANT.PROPOS ET REMERCIEMENTS ii'

RÉSUMÉ ... v

LISTEDESFIGURES.. ...... xi

LISTEDESTABLEAUX ...... xv

I |NTRODUCTION... ....1

1.1 Contexte ..... .. 1

1.2 Problématique. .......1

1.3 Objectifsderecherche... ....4

2 Énoslotrt HYDRTQUEETQUALITÉoet'Eau ........5

2.1 Formes et processus de l'érosion hydrique . . . . . . 5

2.1.1 Actioncombinéedelapluieetduruissellement ....... I

2.1.2 Capacitédetransport... ....9

2.1.3 Sélectivitéetenrichissement ......9

2..1.4 Apportsédimentaire... ....10

2.1.5 Tauxd'érosion ......10

2.2 Érosion accéléréed'origineanthropique.... ....11

2.2.1 Érosion hyddque en milieu agricole . . . . . 11

2.2.2 Conséquencesenvironnementales.... .......13

3 ÉrrRI.uInoN DE L,ÉRosIoN HYDRIQUE ET DU TRANSPORT DES SÉoIMENTS

3.1 La modélisation mathématique . . . .17

3.2 Lesmodèlesclassiques... .......18

3.2.1 Constats concemant les courbes d'apport sédimentaire . . . . . 19

3.2.2 Constats eoncemant l'Équation universelle de perte de sol(USLE)

et les indices d'apport sédimentaire . . . . .20

3.3 Modèles informatiques spécialisés d'érosion hydrique et de pollution diffuse

. ...: .. .21

3.3.1 Constats concemant les modèles RUSLE, WEPP et EUROSEM . . . 23

3.3.2 Constats concemant les modèles AGNPS, ANSWERS et SWRRB .25

3.4 Utilisation des modèles hydrologiques et des systèmes d'information

géographique(SlG) .......27

3.5 SituationauQuébec .......30

3.5.1 Contextegéographique ....30

3.5.2 Étudesd'érosion ....32

UAPPROCHEMÉTHODOLOGIQUEPROPOSÉE .....39

4.1 Présentationdel'approcheproposée.. ...39

4.2 Lesystèmed'informationgéographiquelDRlSl .... ...42

4.2.1 Composantesd'lDRlSl .... .--...42

4.2.2 Applications d'lDRlSl au domaine de l'érosion . . . . . . .44

17 4

4.3Le modèle hydrologique CEQUEAU . . .

4.3.1 La composante hydrologique

45
45
50
50
52
53
53
54
54
54
57
59
6060
60
62
63
65
7A

4.3.1.1

4.3.1.2

4.5.1.1

4.5.1.2

Calage du modèle CEOUEAU

Applications du modèle CEQUEAU . . .

4.4 4.5

4.3.2 La composante des solides en suspension .

4.3.3 Modifications apportées à CEQUEAU .

Les objectifs spécifiques de programmation '

Le bassin versant étudié

4.5.1 Caractéristiques générales

4.6

Localisation . . .

Géologie et climatologie

4.5.2 Données disponibles et période d'étude

Les analyses statistiques .

4.6.1 Âna$ses de ierformance de cEAÉRoSs

4.6.1.1Critères de performance .

5

4.6.1.2 Propagation d'enêurs

4.6.2 Analyse de sensibilité du modèle MODÉROSS . ' .

4.6.3 Variabitité spatiale et temporelle de l'érosion/sédimentation . . . ' . .

4.6.4 Représentations graphiques

LEMODÈLEMODÉROSS.. .---..71

5.1 Processus et concepts de MODÉROSS 71

5.2 Les composantes oà naooÉnoss . 76

5.2.1 Les facteurs de l'érosion hydrique des sols 76

5.2.1.1 Le facteur d'érosivité (R) . . 77

5.2.1.2 Le facteur d'érodabilité (K) . . 89

5.2.1.3 Le fac{eur topographique (LS) 101

5.2.1.4 Le fac.teur Aé Ëvé-getàtion (G) 1ae

5.2.1.5 Le facteur du contrôle de l'éroéion (P) . . 116

5.2.2 Production des sédiments au sol et en rivière t ' ' ' ' ' 117

5.2.2.1 Production de sédiments au sol 117

5.2.2.2 La capacité de transport - . . 117

quotesdbs_dbs23.pdfusesText_29

[PDF] Etude des facteurs biomécaniques de non performance au saut en

[PDF] ANALYSE PHYSICO-CHIMIQUE

[PDF] Apprendre ? enseigner : Analyse Cognitive des Représentations

[PDF] Aux frontières de l 'action publique Ce que les politiques du - Hal

[PDF] Analyse combinatoire et probabilités - Exercices et corrigés - Free

[PDF] Analyse combinatoire

[PDF] Probabilité et dénombrement - Exo7 - Emathfr

[PDF] Abrégé d 'Analyse combinatoire - Jean VAILLANT

[PDF] Chapitre 1 Définition et méthodologie de l analyse comparative

[PDF] Bouchard, Durkheim et la méthode comparative positive - Érudit

[PDF] Analyse complexe - Département de mathématiques et de statistique

[PDF] Analyse complexe - Département de mathématiques et de statistique

[PDF] Analyse Complexe 2005-2006 - Exo7

[PDF] Analyse complexe Cours de L3, ENS Lyon, automne 2014

[PDF] Analyse Complexe S´eries de Fourier