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jeudi 26 avril 2012

Le modèle agro-écologique SWAT pour la gestion des ressources en eau

L'eau est une ressource essentielle dont la gestion est liée à celle des autres ressources telles que l'énergie, les sols, la biodiversité ... La croissance démographique, l'urbanisation et les progrès de l'agriculture ont multiplié la demande en eau par sept depuis le début du XXe siècle, rendant la quantité moyenne d'eau douce disponible par personne à 6 800m3 alors qu'elle était de 12 900m3 en 1970. Cependant, cette ressource est menacée et souvent polluée. Selon les données de l'Organisation des Nations Unies (ONU), 884 millions de personnes dans le monde n'ont toujours pas accès à l'eau potable [1]. Afin de prévoir l'évolution de l'état des ressources en eau dans les années à venir, différents modèles agro-écologiques ont été mis en place tel que le modèle SWAT.
Le modèle SWAT (Soil and Water Assessment Tool) est un outil créé en 1993 par l'équipe de Jeff Arnold. Cet outil fut développé par le service de recherches agricoles (ARS) et le service de conservation des ressources naturelles du département de l'agriculture américain (USDA) en collaboration avec le centre de recherche AgriLife basé à l'université du Texas. SWAT est un modèle mathématique, essentiellement physique, conçu pour l'étude des bassins versants (de quelques centaines à plusieurs milliers de kilomètres carrés) qui permet une compréhension locale des interactions entre les phénomènes climatiques, la végétation, les sols, la topographie et les activités agricoles sur les eaux de ruissellement. Le modèle SWAT intègre également une base de données des ressources naturelles internationales ainsi qu'un système d'information géographique (GIS) qui permet l'accès aux différentes variables.


Le modèle SWAT permet notamment de tester différents scénarios d'approche agro-écologique afin d'évaluer leur impact sur la qualité de l'eau des bassins versants et de déterminer si leur mise en place apporte un bénéfice sur les ressources en eau étudiées.

Il est à souligner que SWAT est un modèle déterministe, issu d'une série de modèles développés antérieurement : SWRRB (WILLIAMS et al. 1985), EPIC (WILLIAMS et al. 1984), CREAMS (Knisel, 1980) et GLEAMS (Leonard et al., 1987). Il existe plusieurs versions de SWAT dont la dernière date de 2009.

Optimisation du modèle SWAT

Ce modèle est largement utilisé dans les régions développées comme les Etats-Unis et l'Europe mais également en Asie et en Afrique (notamment en partenariat avec des équipes de recherche françaises).

En Californie, une étude basée sur le modèle SWAT, publiée en février 2012 dans le magazine Hydrological Processes [2], a été réalisée sur le bassin versant de la Sacramento River. Les eaux de ruissellement issues de l'agriculture, et donc généralement concentrées en polluants, se déversent dans ce bassin. L'étude porte sur l'hydrologie, les sédiments, les nitrates et les pesticides. Le modèle a été amélioré par la mise en oeuvre d'un algorithme simulant les phénomènes d'inondation. Les données intégrées au logiciel ont été relevées entre 1992 et 2008, et les résultats ont montré que les charges en sédiments sont fortement liées au débit de l'eau alors que la présence de nitrate et de pesticides ne l'est pas. Les résultats indiquent qu'une gestion plus précise des opérations agricoles permettrait d'améliorer l'état des ressources en eau, par exemple la limitation de l'usage des pesticides quel que soit la saison (sèche ou humide).

SWAT est un logiciel dans lequel on peut intégrer de nombreux types de paramètres. Néanmoins, il s'agit de paramètres optimisés pour des conditions d'études aux Etats-Unis qui sont parfois difficilement transposables pour les conditions observées en France, ce qui rend l'utilisation et la fiabilité du logiciel incertaines. Une étude a été menée sur le bassin versant du Mercube, en France [3]. Elle portait sur la modélisation du transfert du phosphore, responsable du développement des algues. Les paramètres intégrés dans le modèle n'ont pas permis de valider le modèle pour les prévisions des valeurs de ruissellement. De nouveaux essais sont donc à mener en parallèle à l'optimisation des paramètres afin de simuler le transport des sédiments et du phosphore.

Le modèle est en continuelle amélioration afin de se rapprocher au plus près des conditions réelles et donc d'affiner au mieux les prédictions du modèle.

Modèles et partage de données

Le service de recherche agricole de l'USDA et l'université du Texas organisent chaque année une conférence internationale sur la thématique de l'eau et le modèle d'étude agro-écologique SWAT afin de promouvoir et d'étendre les connaissances et les travaux de recherche sur ce modèle. Ces symposiums se déroulent une année sur deux en Asie puis en Europe, et regroupent des chercheurs de tous les pays (Etats-Unis, Kenya, Suisse, ...).

La mission scientifique du consulat de Chicago a organisé, en mai 2010, un colloque à l'université de Purdue qui avait pour objectif de faire émerger des propositions conjointes d'action pour répondre à l'urgence de l'enjeu global qu'est la gestion de l'eau. Plusieurs modèles ont été présentés lors de ce colloque dont le modèle SWAT mais également TNT2 (modèle intégré français de transfert et de transformation d'azote [4]), SACADEAU (Système d'Acquisition de Connaissances pour l'Aide à la Décision pour la qualité de l'EAU - modèle français pour le transfert des pesticides [5]) et MHYDAS (modèle américain pour l'étude des interactions entre les eaux de pluies, les eaux de ruissellements et l'érosion des sols [6]).

Un second évènement, organisé à Montpellier en juillet 2011, portait sur le développement de partenariats pour la gestion des ressources en eaux agricoles dans un contexte de changement climatique. Cet événement a permis de créer des rapprochements franco-américains pour la mise en oeuvre de projets relatifs à la gestion des ressources en eau tel que le projet intitulé "FALOAWnet: Observation franco-américaine à long terme du réseau des bassins versants agricoles pour évaluer l'impact du changement climatique sur l'agriculture et vice-versa" mené en collaboration entre l'Ecole Nationale Supérieure Agronomique de Toulouse-Institut National Polytechnique de Toulouse et l'université d'état de Caroline du Nord ainsi que l'USDA. L'objectif de cette collaboration est de créer une base de données avec les observations réalisées dans chacun des pays concernant les sols, la terre et la qualité des eaux de surface. Il s'agit des premiers rapprochements entre les Etats-Unis et la France dans ce domaine.

Suite aux discussions émanant des événements cités ci-dessus, les experts mobilisés sur cette approche ont exprimé leur volonté d'organiser un symposium à Toulouse en 2013 afin de présenter les avancées du modèle SWAT et de créer des collaborations sur de nouveaux projets menés conjointement. Une session lors de cette rencontre sera également consacrée aux modèles développés en France et en Europe.

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/69833.htm
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