Literatura científica selecionada sobre o tema "Petits bassins versants"

Cet article traite de la représentativité des prélèvements d'eau effectués dans le cadre de suivis de bassins versants ou de rivières. Les réflexions proposées sont en premier lieu basées sur des expérimentations de laboratoire et de terrain destinées à comparer divers systèmes et modalités de prélèvements. Les résultats obtenus montrent en particulier que les prélèvements de matières en suspension de dimensions > 100 µm sont peu fiables alors que ce type de particules présente, dans certain cas, une contribution non négligeable aux flux de phosphore total. Les suivis réalisés en divers points représentatifs de petits bassins expérimentaux fournissent des éléments de discussion complémentaires sur le choix des sites des prélèvements et sur les pas de temps de ceux-ci. Nous montrons entre autre, toute l'importance de saisir le début des crues dans les bassins à forte pollution ponctuelle et de considérer des suivis des périodes suffisamment longues pour intégrer les divers fonctionnements hydrochimiques du bassin versant étudié.

Bien que la préservation et la restauration des têtes de bassins versants soient décrites depuis de nombreuses années comme essentielles à la reconquête de la qualité de l’eau, il existe peu d’outils opérationnels permettant de comprendre ces hydrosystèmes complexes. En effet, les stations officielles de mesure de la qualité de l’eau drainent généralement des bassins versants dont la surface dépasse 10 km2. Cet article présente l’intérêt de la mesure de qualité des cours d’eau à haute résolution spatiale pour une meilleure gestion des bassins versants, à travers l’application d’un service innovant sur un territoire impliqué dans le plan de lutte contre les algues vertes 2 (PLAV2). Ce service implique l’utilisation d’un système de mesure portable, développé spécialement pour le suivi longitudinal de la qualité des eaux de petits cours d’eau en tête de bassin versant, et validé via la comparaison avec des analyses en laboratoire. Une cinquantaine de points de mesure ont été réalisés en avril, juin et septembre 2018 le long d’un linéaire de 8 km sur une des têtes de bassin versant du Frémur, contributeur majeur de la baie de la Fresnaye (22) en débit et flux de nitrates. Les résultats montrent tout l’intérêt de la mesure à haute résolution spatiale pour mieux comprendre l’hydrosystème, identifier facilement des sources ponctuelles ou diffuses le long du cours d’eau et calculer la contribution relative de chaque source au débit et au flux de polluant du cours d’eau. La méthode permet également des comparaisons qualitatives avant/après travaux de restauration de cours d’eau.

Les régions tropicales subissent une déforestation importante. En Amérique du Sud,la forêt est généralement remplacée par une prairie, C'est pourquoi nous avons étudié le comportement hydrologique de 2 petits (1,5 ha) bassins versants. Un bassin (bassin B) est recouvert par une forêt primaire, tandis que le second (bassin A) a été défriché et transformé en prairie (Digitaria swazilandensis, programme ÉCÉREX, ORSTOM/CTFT). Ces bassins, situés en Guyane Française, sont proches (500 m), escarpés et principalement constitués par des sols à drainage vertical ralenti. Le climat est de type tmpical humide avec une température moyenne (26 °C) et des précipitations moyennes annuelles (3500 à 3900 mm/an) élevées. L'évapotranspiration réelle et potentielle de la forêt primaire sont respectivement égales à 1470 mm/an et 1565 mm/an, En période d'étiage, nous avons observé un écoulement permanent à l'exutoire du bassin A, alors que le bassin B en est dépourvu. Deux crues (24 mai 1992 et 15 mai 1993) ont été étudiées, simultanément sur les 2 bassins. Pendant les crues, nous avons prélevé des échantillons d'eau des précipitations (pluie et pluviolessivat), des ruisseaux et du sol. Sur ces sites, l'eau circulant dans les couches peu profondes du sol présente une concentration élevée en K+ et faible en Cl-. Une signature opposée caractérise l'eau des couches pmfondes du sol. L'analyse des relations existant entre les traceurs chimiques (K+, Cl-) et isotopique l80) ainsi l'étude des propriétés hydrodynamiques du sol permet de décomposer qualitativement l'hydrogramme de crue en 3 réservoirs: sol superficiel (écoulement hypodermique), sol intermédiaire (de 0 à - 0,4 m), sol profond (bassin B) ou nappe (bassin A). Une décomposition quantitative a été effectuée en utilisant des traceurs chimique (Cl-) et isotopique l80). Nous avons ainsi montré que les crues sur les 2 bassins sont dominées par l'écoulement issu des couches intermédiaires du sol qui représente environ la moitié de l'écoulement total de crue. Cependant,les mécanismes de génération des crues diffèrent sur les 2 bassins. Sur le bassin A, les couches profondes du sol sont saturées avant la crue et participent donc à la totalité de la crue. Au contraire, sur le bassin B, les couches profondes de sol atteignent la saturation peu de temps avant le pic de crue et participent donc essentiellement aux écoulement pendant la décrue. Ces résultats confirment les études hydrologiques réalisées précédemment (FRITSCH, 199Ù) et permettent d'identifier les mécanismes de genèse des crues et ainsi de mettre en évidence l'effet de la déforestation.

Les théories classiques concernant les processus générateurs des écoulements rapides permettent mal d'expliquer la soudaineté de la montée de crue dans des petits bassins versants élémentaires, situés sur le versant sud du Mont Lozère (sud du Massif Central, France). Des études portant sur les conditions de genèse de ces crues « cévenoles » ont montré les conditions particulières d'apparition de tels événements: dans ces milieux de moyenne montagne granitique méditerranéenne, les formations superficielles sont peu épaisses et très filtrantes et les abats d'eau considérables; les surfaces saturées, seules capables de générer un ruissellement important, progressent, contrairement à ce qui s'observe habituellement, d'amont en aval des versants; ce type de fonctionnement empêche dans un premier temps toute arrivée d'eau jusqu'au drain principal et ce n'est que lorsque, de proche en proche, l'ensemble du bassin est quasi saturé que la crue se déclenche, entraînant immédiatement des débits importants. Ce modèle de fonctionnement hydrologique se vérifie bien lors de la crue du 22 septembre 1992, responsable de nombreux dégâts et de pertes en vies humaines dans le sud de la France.

Abstract L'existence de problèmes d'érosion hydrique à différents endroits d'un bassin versant se manifeste souvent par la présence d'une quantité excessive de sédiments en suspension dans les cours d'eau. L'évaluation indirecte de l'érosion par la mesure des sédiments en suspension transportés à l'exutoire des bassins versants permet ainsi d'avoir une bonne idée de l'impact environnemental des activités agricoles. Il s'avère toutefois essentiel, dans une perspective de gestion de la qualité de l'eau à l'échelle d'un bassin versant, de pouvoir estimer l'érosion hydrique et le transport des sédiments en suspension afin d'identifier les zones problématiques. Cette estimation implique la manipulation d'une somme considérable d'informations pour décrire l'environnement du bassin versant et l'emploi de modèles mathématiques complexes pour simuler les processus hydrologiques et sédimentologiques en jeu. Le recours aux modèles informatiques d'érosion hydrique et aux systèmes d'information géographique (SIG) est alors de mise. Cet article présente le développement et l'application d'une approche géomatique de simulation qui implique l'utilisation conjointe du modèle hydrologique CEQUEAU, du modèle d'érosion MODÉROSS et du système d'information géographique IDRISI. Plus précisément, cet article présente de quelle façon le progiciel CEQÉROSS a été utilisé pour prédire le comportement hydrosédimentologique d'un petit bassin versant agricole du Québec. Les charges sédimentaires totales simulées à l'exutoire du bassin versant de Lennoxville s'élevaient à 27,5 tonnes et 54,1 tonnes pour les années hydrologiques 1991–1992 et 1992–1993 respectivement. Ces valeurs se comparent avantageusement aux charges sédimentaires totales de 30,3 tonnes et 51,3 tonnes observées durant ces mêmes périodes. Les résultats obtenus montrent également que la nature épisodique du transport des sédiments en suspension à l'exutoire du bassin versant de Lennoxville pendant la période 1991–1993 a été bien reproduite par CEQÉROSS. L'approche géomatique proposée est suffisamment conviviale et fiable pour s'inscrire à l'intérieur d'un ensemble d'outils de gestion agroenvironnementale.

RÉSUMÉLe drainage agricole souterrain a des effets sur l'hydrologie des bassins versants, ce qui, selon toute vraisemblance, se répercute sur la morphologie des cours d'eau. Cette note montre que, pour une même superficie de drainage, les petits cours d'eau des bassins versants où il y a drainage souterrain sont plus larges et de plus grande dimension que ceux sans drainage souterrain. Bien que le lien entre cet effet et les changements du régime hydrologique n'ait pu être établi directement, les résultats laissent croire à une augmentation des débits de pointe par suite de l'implantation des drains souterrains.

La première des deux parties de cette synthèse bibliographique sur la genèse des débits montre que la complexité et la diversité des organisations et fonctionnements hydrologiques constatées dans les petits bassins versants ruraux peuvent s'analyser et s'interpréter à l'aide de "clés de lecture" simples, issues d'une approche systémique et dynamique, et utiles aussi pour les modéliser (cf. Partie 2). Elle présente les différents processus tant superficiels que souterrains pouvant contribuer à cette genèse, ainsi que les facteurs du milieu qui les contrôlent: forçages atmosphériques aux limites, conditions hydriques et hydrologiques initiales, propriétés hydrodynamiques des milieux et interfaces traversés, topographie et morphométrie en 3-D du bassin. Elle rappelle ou introduit plusieurs concepts utiles pour caractériser dans chaque cas les combinaisons de processus et facteurs en jeu et leurs effets hydrologiques: seuils fonctionnels et grandeurs caractéristiques contrôlant la forme et la non-linéarité de la réponse du bassin, concepts de "zone ou période active variable" pour un processus donné et de "zone ou période contributive variable" pour un flux aux limites donné décrivant son organisation interne. Elle discute les avantages et limites des différentes méthodes (graphiques, isotopiques, géochimiques) de décomposition des hydrogrammes de crue ainsi que leur complémentarité dans l'étude du système bassin versant.

L'évolution de la chimie des sols et des eaux dans trois petits bassins-versants subméditerranéens granitiques recevant d'importants apports atmosphériques de S04 et de poussières sahariennes a été simulée, de 1845 à 2125, en utilisant le modèle MAGIC. Ce modèle biogéochimique global comporte une série de relations d'équilibre entre les phases gazeuse, liquide et solide (adsorption de soufre, solubilité de l'aluminium, échanges cationiques, système C02/carbonates, dissociation des acides organiques) et une comptabilisation des flux d'éléments (entrées atmosphériques, sorties hydrologiques, immobilisation biologique, altération). Les bassins versants diffèrent par l'historique récente de leur utilisation par l'homme : la pelouse pâturée qui les recouvraient en 1845 n'a subsisté que dans un bassin : elle a été remplacée vers 1930 par une pessière dans l'un des bassins, et colonisée, après abandon, par une hêtraie dans l'autre. Les simulations montrent que le bassin couvert de pelouse a peu souffert de l'augmentation de l'acidité des pluies au cours du XXe siècle, et pourrait subir les apports actuels pendant plus de 100 ans sans dommage. Les deux bassins forestiers s'acidifient fortement depuis 1970 par les effets combinés de la pollution et des reboisements. Pour la pessière, seule une réduction d'au moins 60 % des apports soufrés permettrait d'inverser le processus. Le vieillissement naturel de la hêtraie produirait une amélioration même sans réduction des dépôts acides, en diminuant le taux d'assimilation de cations. Les deux facteurs acidifiants agissent donc en synergie, mais dans le cas de la pessière l'augmentation des apports acides due à l'effet filtrant des frondaisons est prépondérant, alors que dans la hêtraie, la forte immobilisation cationique dans la biomasse perenne jolie un plus grand rôle.

Résumé La présente étude a pour objectif de suivre et de simuler les apports en eau et en sédiments dans un barrage collinaire, en utilisant un modèle hydrologique de type physique distribué permettant le calcul de l’écoulement et de l’érosion des petits bassins versants marneux. Le modèle utilisé est le modèle « Mina », transposé dans cette étude au bassin versant marneux de Saboun situé au nord-ouest du Maroc, équipé d’un petit barrage en son exutoire et d’un très petit lac collinaire dans sa partie amont. La simulation est basée sur un découpage du bassin versant en unités hydrologiques homogènes dont les valeurs des paramètres de l’infiltration sont déduites d’expérimentations de simulation de pluies à l’échelle du mètre carré. Le calage et la validation du modèle sont effectués par confrontation des sorties du modèle aux mesures hydrologiques et bathymétriques réalisées au niveau de la retenue aval entre 1997 et 1999. Cette confrontation a montré que le modèle « Mina » sous-estime l’écoulement pour des sols très humides et le surestime pour des sols secs. Cette surestimation est expliquée par la fissuration des sols marneux à l’état sec. La sous-estimation s’explique par le colmatage rapide des sols marneux à l’état humide. Pour réduire ce biais, une augmentation de la perméabilité initiale doit être appliquée pour les sols secs à faible indice d’humidité IK et une diminution de la perméabilité finale doit être appliquée pour les sols humides à fort indice d’humidité IK. Ces rectifications ont permis l’amélioration de l’estimation des volumes simulés et une meilleure estimation de l’envasement de la retenue du barrage Saboun.

Les méthodes de prédétermination de débits de crues proposées par le Ministère de l'Agriculture (Socose et Crupedix) ainsi que celle de la Sogreah ont été établies à partir de synthèse à l'échelle nationale. Dans cette étude, nous avons été amenés à aborder le problème par une approche régionale dans le but d'améliorer la précision des résultats ou d'en faciliter l'évaluation. En premier lieu, une analyse statistique a permis d'estimer les débits de crues de période de retour 2, 5, 10 et 20 ans d'après les observations. Ensuite, un essai de synthèse régionale est propose dans la deuxième partie. Des modèles inspires des notions de l'hydrologie analytique du type Socose et des modèles à base de régression du type Crupedix ont été successivement testes. Les modèles proposés dans cette étude n'ont pas apporté d'amélioration sensible au niveau de la précision des résultats. Cependant, ils présentent l'avantage d'une manipulation plus simple avec pourtant un même ordre de précision

Les fortes crues des petits bassins saheliens se caracterisent par une preponderance du ruissellement superficiel par rapport aux autres types d'ecoulements (ecoulement retarde, ecoulement de base). Cette caracteristique peut s'expliquer par l'homogeneite des formes des fortes pluies, mais aussi par l'absence de nappe souterraine proche de la surface et par les particularites des organisations pelliculaires de l'horizon superficiel du sol. Ces differents facteurs font du sahel une region ideale pour l'application du concept d'hydrogramme unitaire, avec comme objectif l'analyse et la predetermination des fortes crues. Plusieurs modeles fondes sur la technique de l'hydrogramme unitaire sont presentes. Ils se differencient par l'expression analytique de la fonction de production et par la methode d'identification de la fonction de transfert. Ces modeles sont appliques aux donnees de huit petits bassins versants de superficie inferieure a 100 km#2. Cette application permet de delimiter le domaine de validite de ce type de modelisation. Une methode de predetermination de crues sur des bassins non jauges est proposee. Les hypotheses de base de cette methode sont confirmees par des resultats de la modelisation

Le design des ouvrages hydroagricoles nécessite la détermination des débits de crue et des volumes de ruissellement. Les méthodes d'estimation utilisées au Québec n'ont pas été validées sur des petits bassins versants agricoles. Cette étude avait pour objectif de proposer et de valider une méthode d'estimation des débits de crue et des volumes de ruissellement adaptée aux conditions agro-climatiques québécoises. Elle s’est appuyée sur l’analyse, réalisée à l’aide du logiciel VisuHydro (Lagacé, 2012b), de plus de 700 hydrogrammes provenant de douze petits bassins versants (3 à 30 km2). Les propriétés des hydrogrammes telles que la hauteur de ruissellement, les paramètres de forme de l'hydrogramme, le temps de montée et les débits de pointe ont été déterminées et comparées aux estimations des modèles utilisés présentement au Québec. Les méthodes d'estimation des temps de concentration (Kirpich, SCS Lag, Mockus, Bansby-Williams) et de la hauteur de ruissellement (SCS) se sont montrées non valides.

Pour lutter contre la pollution issue du milieu agricole, il importe de bien la connaître et quantifier, mais surtout d’aider les agriculteurs à adopter des techniques de gestion du territoire appropriées et de bonnes pratiques agricoles. L’utilisation d’un modèle permettant de simuler l’impact des pratiques de gestion sur la qualité des eaux des cours d’eau constituerait un outil d’aide à la décision très important, notamment avec la problématique spécifique aux petits bassins versants ruraux. En effet, les petits bassins sont difficiles à modéliser, faisant souvent l’objet de peu, voire d’aucun suivi au niveau des débits et de la qualité de l’eau. Le modèle utilisé dans cette étude, qui commence à être appliqué au Québec, s’appelle Soil and Water Assessment Tool (SWAT), un modèle fortement paramétré. Mais la modélisation à l’échelle de bassin versant est entravée par beaucoup d’incertitude comme des processus inconnus du modélisateur, des processus non pris en compte par le modèle et des simplifications de processus par le modèle. Le défi est d’autant plus grand dans le cas d’une évaluation journalière de la performance du modèle: les bonnes performances journalières de SWAT avec peu de données sont rares. Or, dans un petit bassin versant où la réponse aux événements est très rapide, un pas de temps plus petit, notamment journalier, est plus adéquat pour préserver le comportement hydrologique du bassin et la variance des données et observer les effets produits sur la qualité de l’eau. Par ailleurs, la méthode de conversion des données journalières en données mensuelles ou annuelles modifie énormément le caractère des données et par conséquent les résultats d’interprétation malgré l’obtention de bonnes performances. Pour relever ce défi, la présente étude se fixe pour but d’améliorer la performance journalière en modélisation de la qualité de l’eau dans les petits bassins agricoles avec peu de données avec un modèle fortement paramétré. Ainsi, nos objectifs sont articulés autour des deux points suivants : 1) proposer une nouvelle méthodologie de calage, optimisant à la fois les débits (Q) et les charges de Matières En Suspension (MES) et du Phosphore Total (PT), sur de petits bassins versants avec peu de données, afin d’obtenir une meilleure performance journalière et 2) appliquer notre méthodologie à un petit bassin agricole avec peu de données et proposer des scénarios agricoles réalistes. La nouvelle méthodologie de modélisation proposée est issue de l’évaluation des deux approches de calage avec SWAT, uni-objective et multi-objective, ainsi que de la résolution des problèmes tout au long des calages, dont une biomasse mal représentée, une absence d’eau dans les drains, un ruissellement de surface trop élevé, un bilan de masses déséquilibré et une perte de performance des débits. Même si la performance journalière de modélisation des MES et du P total obtenue n’est pas encore optimale, elle a pu être améliorée grâce à notre méthodologie. Les résultats produits sont aussi réalistes que possible et montrent que (i) la performance du modèle dépend non seulement du choix de l’approche de calage, mais essentiellement des paramètres influents; (ii) le calage multi-objectif en considérant tous les paramètres influant sur les variables considérées est la meilleure approche pour modéliser Q, MES et PT; (iii) le changement de poids affectés aux fonctions-objectif n’a pas amélioré la performance du modèle, (iv) avec une optimisation uni-objective, une excellente performance du modèle en qualité de l’eau peut cacher une grande détérioration de la performance des débits et des composantes hydrologiques internes déséquilibrées; (v) malgré un bon pré-ajustement du bilan hydrologique annuel, le bilan de masses à l’intérieur des URH peut être complètement débalancé; (vi) et les ajustements manuels après calage de certains paramètres et la modification de certaines routines dans l’exécutable du modèle ont pu rehausser énormément la performance en qualité de l’eau. Notre nouvelle méthodologie a été appliquée sur le bassin versant Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Québec, Canada. Par la suite, de meilleures pratiques agricoles visant l’objectif de réduction du P total dans le site étudié ont été simulées (modalités d’épandage des engrais, travail du sol, conversion de cultures…).
Pour lutter contre la pollution issue du milieu agricole, il importe de bien la connaître et quantifier, mais surtout d’aider les agriculteurs à adopter des techniques de gestion du territoire appropriées et de bonnes pratiques agricoles. L’utilisation d’un modèle permettant de simuler l’impact des pratiques de gestion sur la qualité des eaux des cours d’eau constituerait un outil d’aide à la décision très important, notamment avec la problématique spécifique aux petits bassins versants ruraux. En effet, les petits bassins sont difficiles à modéliser, faisant souvent l’objet de peu, voire d’aucun suivi au niveau des débits et de la qualité de l’eau. Le modèle utilisé dans cette étude, qui commence à être appliqué au Québec, s’appelle Soil and Water Assessment Tool (SWAT), un modèle fortement paramétré. Mais la modélisation à l’échelle de bassin versant est entravée par beaucoup d’incertitude comme des processus inconnus du modélisateur, des processus non pris en compte par le modèle et des simplifications de processus par le modèle. Le défi est d’autant plus grand dans le cas d’une évaluation journalière de la performance du modèle: les bonnes performances journalières de SWAT avec peu de données sont rares. Or, dans un petit bassin versant où la réponse aux événements est très rapide, un pas de temps plus petit, notamment journalier, est plus adéquat pour préserver le comportement hydrologique du bassin et la variance des données et observer les effets produits sur la qualité de l’eau. Par ailleurs, la méthode de conversion des données journalières en données mensuelles ou annuelles modifie énormément le caractère des données et par conséquent les résultats d’interprétation malgré l’obtention de bonnes performances. Pour relever ce défi, la présente étude se fixe pour but d’améliorer la performance journalière en modélisation de la qualité de l’eau dans les petits bassins agricoles avec peu de données avec un modèle fortement paramétré. Ainsi, nos objectifs sont articulés autour des deux points suivants : 1) proposer une nouvelle méthodologie de calage, optimisant à la fois les débits (Q) et les charges de Matières En Suspension (MES) et du Phosphore Total (PT), sur de petits bassins versants avec peu de données, afin d’obtenir une meilleure performance journalière et 2) appliquer notre méthodologie à un petit bassin agricole avec peu de données et proposer des scénarios agricoles réalistes. La nouvelle méthodologie de modélisation proposée est issue de l’évaluation des deux approches de calage avec SWAT, uni-objective et multi-objective, ainsi que de la résolution des problèmes tout au long des calages, dont une biomasse mal représentée, une absence d’eau dans les drains, un ruissellement de surface trop élevé, un bilan de masses déséquilibré et une perte de performance des débits. Même si la performance journalière de modélisation des MES et du P total obtenue n’est pas encore optimale, elle a pu être améliorée grâce à notre méthodologie. Les résultats produits sont aussi réalistes que possible et montrent que (i) la performance du modèle dépend non seulement du choix de l’approche de calage, mais essentiellement des paramètres influents; (ii) le calage multi-objectif en considérant tous les paramètres influant sur les variables considérées est la meilleure approche pour modéliser Q, MES et PT; (iii) le changement de poids affectés aux fonctions-objectif n’a pas amélioré la performance du modèle, (iv) avec une optimisation uni-objective, une excellente performance du modèle en qualité de l’eau peut cacher une grande détérioration de la performance des débits et des composantes hydrologiques internes déséquilibrées; (v) malgré un bon pré-ajustement du bilan hydrologique annuel, le bilan de masses à l’intérieur des URH peut être complètement débalancé; (vi) et les ajustements manuels après calage de certains paramètres et la modification de certaines routines dans l’exécutable du modèle ont pu rehausser énormément la performance en qualité de l’eau. Notre nouvelle méthodologie a été appliquée sur le bassin versant Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Québec, Canada. Par la suite, de meilleures pratiques agricoles visant l’objectif de réduction du P total dans le site étudié ont été simulées (modalités d’épandage des engrais, travail du sol, conversion de cultures…).
It is important to know and quantify diffuse pollution, and especially to help farmers to adopt best management practices. In order to control river pollution, a model simulating the fate of pollutants and identifying the best management practices can be of a great help, especially for small rural watersheds, which are increasingly polluted but rarely or not monitored. The model in this study, which begins to be used in Quebec, is the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a highly parameterized model. Calibration of models at the watershed scale is challenging because of the possible uncertainties that may exist in the form of process simplification, processes not accounted for by the model, and processes in the watershed that are unknown to the modeller. The challenge is even greater in the case of a daily evaluation of model performance on small agricultural watersheds with limited data. With SWAT, only few case studies have been conducted on small agricultural watersheds with limited data. The time step in water quality modelling is usually monthly or annual and good fits are rarely obtained using a daily time step, given the scarcity of data. However, a daily time step better represents the dynamics of pollutants in the river especially for the fast reacting small watersheds and provides more realistic simulation results. So, to improve daily performance in modelling water quality in small agricultural basins with limited data with a highly parameterized model, our objective is twofold: 1) to propose a methodology to obtain better daily performance in modelling flow (Q), Suspended Solids (SS) and total phosphorus (TP) in small watersheds with little data and 2) to apply the methodology to a case study for a small agricultural catchment with limited data. The proposed modelling methodology is based on the evaluation of the two calibration approaches with SWAT, single-objective and multi-objective, and the resolution of the problems encountered (misrepresented biomass, absence of water in the drains, too high surface runoff, unbalanced internal model components and a loss of performance of predicting flows). Although the daily model performance in terms of suspended solids and total P is still not optimal, it has been improved thanks to the new methodology. The results showed that (i) the model performance depends not only on the choice of calibration approach, but essentially on the selection of influential parameters; (ii) the multi-objective calibration estimating all parameters related to all measured variables at once is the best approach to model Q, TSS and TP; (iii) changing weights does not improve model performance; (iv) with a single-objective optimization, an excellent water quality modelling performance may hide a loss of performance of predicting flows and unbalanced internal model components; and (v) manual adjustments after calibration of some parameters and modifications of some software routines can greatly enhance performance in water quality. After application of the new methodology on the study area, the watershed Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Quebec, Canada, best management practices for the purpose of reduction of TP were simulated with SWAT (fertilizer application, tillage, crop conversion).
It is important to know and quantify diffuse pollution, and especially to help farmers to adopt best management practices. In order to control river pollution, a model simulating the fate of pollutants and identifying the best management practices can be of a great help, especially for small rural watersheds, which are increasingly polluted but rarely or not monitored. The model in this study, which begins to be used in Quebec, is the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a highly parameterized model. Calibration of models at the watershed scale is challenging because of the possible uncertainties that may exist in the form of process simplification, processes not accounted for by the model, and processes in the watershed that are unknown to the modeller. The challenge is even greater in the case of a daily evaluation of model performance on small agricultural watersheds with limited data. With SWAT, only few case studies have been conducted on small agricultural watersheds with limited data. The time step in water quality modelling is usually monthly or annual and good fits are rarely obtained using a daily time step, given the scarcity of data. However, a daily time step better represents the dynamics of pollutants in the river especially for the fast reacting small watersheds and provides more realistic simulation results. So, to improve daily performance in modelling water quality in small agricultural basins with limited data with a highly parameterized model, our objective is twofold: 1) to propose a methodology to obtain better daily performance in modelling flow (Q), Suspended Solids (SS) and total phosphorus (TP) in small watersheds with little data and 2) to apply the methodology to a case study for a small agricultural catchment with limited data. The proposed modelling methodology is based on the evaluation of the two calibration approaches with SWAT, single-objective and multi-objective, and the resolution of the problems encountered (misrepresented biomass, absence of water in the drains, too high surface runoff, unbalanced internal model components and a loss of performance of predicting flows). Although the daily model performance in terms of suspended solids and total P is still not optimal, it has been improved thanks to the new methodology. The results showed that (i) the model performance depends not only on the choice of calibration approach, but essentially on the selection of influential parameters; (ii) the multi-objective calibration estimating all parameters related to all measured variables at once is the best approach to model Q, TSS and TP; (iii) changing weights does not improve model performance; (iv) with a single-objective optimization, an excellent water quality modelling performance may hide a loss of performance of predicting flows and unbalanced internal model components; and (v) manual adjustments after calibration of some parameters and modifications of some software routines can greatly enhance performance in water quality. After application of the new methodology on the study area, the watershed Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Quebec, Canada, best management practices for the purpose of reduction of TP were simulated with SWAT (fertilizer application, tillage, crop conversion).

Un modèle d'exportation d'azote a été développé pour fournir un outil opérationnel d'estimation des masses produite en contexte méditerranéen. Le modèle, dénommé POL, est de type conceptuel distribué. Il repose sur un découpage du bassin en unités de production (les sous-bassins versants) dont le flux est contrôlé par un paramètre F et en unités de transport (les biefs de rivières) qui véhiculent les flux produits sur les sous-bassins. La dynamique des flux d'azote dans les biefs est contrôlée par un paramètre T. Les 2 paramètres F et T du modèle POL sont définis globalement sur le bassin. Les flux générés sur les sous-bassins versants dépendent également du stock d'azote potentiellement mobilisable lors d'un épisode de pluie. On suppose que cette grandeur conceptuelle est liée à l'occupation du sol et aux pratiques culturales. Le modèle peut être utilisé en mode événementiel ou en mode continu.
La sensibilité des réponses du modèle événementiel aux valeurs des paramètres est tout d'abord analysée sur un bassin élémentaire. Le modèle POL est ensuite appliqué sur 4 bassins versants d'une cinquantaine de km² situés dans l'Hérault (France).
Les résultats obtenus après la phase de calage et de vérification montrent la capacité du modèle événementiel à reproduire les flux d'azote générés lors des épisodes de crue. Le modèle utilisé en continu fournit une estimation des exportations d'azote avec un degré d'incertitude acceptable pour un premier diagnostic des apports annuels des bassins.

Pour lutter contre la pollution issue du milieu agricole, il importe de bien la connaître et quantifier, mais surtout d’aider les agriculteurs à adopter des techniques de gestion du territoire appropriées et de bonnes pratiques agricoles. L’utilisation d’un modèle permettant de simuler l’impact des pratiques de gestion sur la qualité des eaux des cours d’eau constituerait un outil d’aide à la décision très important, notamment avec la problématique spécifique aux petits bassins versants ruraux. En effet, les petits bassins sont difficiles à modéliser, faisant souvent l’objet de peu, voire d’aucun suivi au niveau des débits et de la qualité de l’eau. Le modèle utilisé dans cette étude, qui commence à être appliqué au Québec, s’appelle Soil and Water Assessment Tool (SWAT), un modèle fortement paramétré. Mais la modélisation à l’échelle de bassin versant est entravée par beaucoup d’incertitude comme des processus inconnus du modélisateur, des processus non pris en compte par le modèle et des simplifications de processus par le modèle. Le défi est d’autant plus grand dans le cas d’une évaluation journalière de la performance du modèle: les bonnes performances journalières de SWAT avec peu de données sont rares. Or, dans un petit bassin versant où la réponse aux événements est très rapide, un pas de temps plus petit, notamment journalier, est plus adéquat pour préserver le comportement hydrologique du bassin et la variance des données et observer les effets produits sur la qualité de l’eau. Par ailleurs, la méthode de conversion des données journalières en données mensuelles ou annuelles modifie énormément le caractère des données et par conséquent les résultats d’interprétation malgré l’obtention de bonnes performances. Pour relever ce défi, la présente étude se fixe pour but d’améliorer la performance journalière en modélisation de la qualité de l’eau dans les petits bassins agricoles avec peu de données avec un modèle fortement paramétré. Ainsi, nos objectifs sont articulés autour des deux points suivants : 1) proposer une nouvelle méthodologie de calage, optimisant à la fois les débits (Q) et les charges de Matières En Suspension (MES) et du Phosphore Total (PT), sur de petits bassins versants avec peu de données, afin d’obtenir une meilleure performance journalière et 2) appliquer notre méthodologie à un petit bassin agricole avec peu de données et proposer des scénarios agricoles réalistes. La nouvelle méthodologie de modélisation proposée est issue de l’évaluation des deux approches de calage avec SWAT, uni-objective et multi-objective, ainsi que de la résolution des problèmes tout au long des calages, dont une biomasse mal représentée, une absence d’eau dans les drains, un ruissellement de surface trop élevé, un bilan de masses déséquilibré et une perte de performance des débits. Même si la performance journalière de modélisation des MES et du P total obtenue n’est pas encore optimale, elle a pu être améliorée grâce à notre méthodologie. Les résultats produits sont aussi réalistes que possible et montrent que (i) la performance du modèle dépend non seulement du choix de l’approche de calage, mais essentiellement des paramètres influents; (ii) le calage multi-objectif en considérant tous les paramètres influant sur les variables considérées est la meilleure approche pour modéliser Q, MES et PT; (iii) le changement de poids affectés aux fonctions-objectif n’a pas amélioré la performance du modèle, (iv) avec une optimisation uni-objective, une excellente performance du modèle en qualité de l’eau peut cacher une grande détérioration de la performance des débits et des composantes hydrologiques internes déséquilibrées; (v) malgré un bon pré-ajustement du bilan hydrologique annuel, le bilan de masses à l’intérieur des URH peut être complètement débalancé; (vi) et les ajustements manuels après calage de certains paramètres et la modification de certaines routines dans l’exécutable du modèle ont pu rehausser énormément la performance en qualité de l’eau. Notre nouvelle méthodologie a été appliquée sur le bassin versant Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Québec, Canada. Par la suite, de meilleures pratiques agricoles visant l’objectif de réduction du P total dans le site étudié ont été simulées (modalités d’épandage des engrais, travail du sol, conversion de cultures…).
It is important to know and quantify diffuse pollution, and especially to help farmers to adopt best management practices. In order to control river pollution, a model simulating the fate of pollutants and identifying the best management practices can be of a great help, especially for small rural watersheds, which are increasingly polluted but rarely or not monitored. The model in this study, which begins to be used in Quebec, is the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), a highly parameterized model. Calibration of models at the watershed scale is challenging because of the possible uncertainties that may exist in the form of process simplification, processes not accounted for by the model, and processes in the watershed that are unknown to the modeller. The challenge is even greater in the case of a daily evaluation of model performance on small agricultural watersheds with limited data. With SWAT, only few case studies have been conducted on small agricultural watersheds with limited data. The time step in water quality modelling is usually monthly or annual and good fits are rarely obtained using a daily time step, given the scarcity of data. However, a daily time step better represents the dynamics of pollutants in the river especially for the fast reacting small watersheds and provides more realistic simulation results. So, to improve daily performance in modelling water quality in small agricultural basins with limited data with a highly parameterized model, our objective is twofold: 1) to propose a methodology to obtain better daily performance in modelling flow (Q), Suspended Solids (SS) and total phosphorus (TP) in small watersheds with little data and 2) to apply the methodology to a case study for a small agricultural catchment with limited data. The proposed modelling methodology is based on the evaluation of the two calibration approaches with SWAT, single-objective and multi-objective, and the resolution of the problems encountered (misrepresented biomass, absence of water in the drains, too high surface runoff, unbalanced internal model components and a loss of performance of predicting flows). Although the daily model performance in terms of suspended solids and total P is still not optimal, it has been improved thanks to the new methodology. The results showed that (i) the model performance depends not only on the choice of calibration approach, but essentially on the selection of influential parameters; (ii) the multi-objective calibration estimating all parameters related to all measured variables at once is the best approach to model Q, TSS and TP; (iii) changing weights does not improve model performance; (iv) with a single-objective optimization, an excellent water quality modelling performance may hide a loss of performance of predicting flows and unbalanced internal model components; and (v) manual adjustments after calibration of some parameters and modifications of some software routines can greatly enhance performance in water quality. After application of the new methodology on the study area, the watershed Ruisseau du Portage, 21.41 km2, Quebec, Canada, best management practices for the purpose of reduction of TP were simulated with SWAT (fertilizer application, tillage, crop conversion).

Le sud de la France est soumis à des crues éclair engendrées par de fortes précipitations automnales. L'évolution de ces événements avec le changement climatique est un enjeu clef pour cette région à forte dynamique démographique. L'étude de ces évolutions est freinée par la différence d'échelle entre les modélisations hydrologique et climatique. L'objectif de cette thèse est de proposer une méthodologie capable de réaliser ce changement d'échelles et adaptée aux crues éclair des petits bassins versants au sud de la France. Le bassin versant du Lez est le bassin d'étude. Un modèle climatique régional à haute résolution fournit les précipitations futures sur le bassin d'étude. Les premiers résultats sur la période future suggèrent que l'intensité des crues éclair du bassin versant du Lez est susceptible d'augmenter. Cependant, ces résultats dépendent fortement du choix du modèle climatique et de l'état hydrique du bassin dont les évolutions sont méconnues
The Mediterranean region of southern France experiences extreme autumn rainfall, sometimes leading to violent flash floods. The evolution of these floods under the influence of climate change is a key question for the Mediterranean region, where a rapidly growing population puts human lives at stake. The difference in scale between the resolution of climate model outputs and hydrological impacts is a challenge for the study of flash floods in a future climate. The goal of this doctoral thesis is to propose a methodology adapted to the study of climate change impacts on flash floods in the small Mediterranean catchments of southern France. The Lez catchment near Montpellier was selected for a case study. Early results suggest that the intensity of flash floods may increase in the Lez catchment in a future climate. However these results are heavily dependent on the choice of the climate model used to simulate changes in precipitation and the evolution of future soil conditions, which were not taken into account in this study

Les objectifs principaux de ce travail étaient d'évaluer l'export de carbone d'une petite île volcanique sous climat tropical humide (Guadeloupe, Petites Antilles), d'estimer l'impact des événements météorologiques extrêmes sur cette exportation, et de déterminer les sources de carbone organique en étiage et crue de ces petites rivières. L'étude s'est portée sur des échantillons d'eau de rivière, de sols et de solutions de sols. Il a été déterminé les concentrations (COD, COP, CID), les compositions isotopiques en carbone (δ¹³C), et caractérisé la matière organique dissoute par spectrométrie UV-Vis dans ces différents compartiments. Les résultats ont montré que les flux spécifiques annuels de 5. 4 et 7. 8 tC. Km⁻². An⁻¹ respectivement pour le COD et le COI sont comparables aux flux spécifiques des grands fleuves. Pour les petites rivières de Guadeloupe, l'export de carbone organique total est plus important que celui de carbone inorganique (12. 4 t. Km⁻². An⁻¹), montrant ainsi l'importance du carbone organique dans le cycle global du carbone. L'export de carbone durant les événements météorologiques extrême représente environ 15% de Pexport de COD, 20% de l'export de COP et 5% de Pexport de CID. Les sources principales de COP sont la litière et les horizons superficiels des sols. Les sources de COD dépendent de l'état hydrologique de la rivière. En étiage le COD vient essentiellement des écoulements de nappe des sols (identification grâce aux solutions de sol collectées par les lysimètres). En crues le COD vient du ruissellement et des écoulements hypodermiques des couches superficielles du sol (identification par les solutions de sol obtenues par extraction en laboratoire)
The main purposes of this work were to evaluate the carbon export of small mountainous rivers from tropical volcanic island (Guadeloupe, French West Indies), and to estimate the impact of extreme meteorological events on this export, and to identify the sources of organic carbon during the different hydrological stages of the rivers (low water level and floods). We carried out a detail study on stream waters, soils and soil solutions. We have analyzed the concentrations of carbon (DOC, POC, DIC) and the carbon isotopic composition (δ¹³C), as well as the spectroscopic (UV-Vis) characteristics of dissolved organic matter. The results have shown that the specific annual fluxes of DOC, POC and DIC were respectively of 5. 4, 7. 8 and 12. 4 tC km⁻². An⁻¹. The organic carbon fluxes of Guadeloupean rivers are similar to the reported export from large rivers. The export of total organic carbon from Guadeloupean rivers is more important than the export of inorganic carbon, indicating the major implication of organic carbon to the global carbon cycle. The carbon export during extreme meteorological events (instantaneous discharge more than 30 m³ s⁻¹) represents 15%, 20% and 5% of the annual export of DOC, POC an DIC, respectively. The main sources of POC are litter and soil surface layers. The sources of DOC vary with the hydrological stages (low water level and floods). During low water level, the rivers are mainly fed by the groundwater (identified by soil solution collected by lysimeters). During floods, the DOC mainly comes from the quick flow and hypodermic flow of soil surface layers (identified by soil solution obtained by extraction in laboratory)