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1. dh Le c C Y m S 2 O 3 3 Lo 3 ke e O O S E 2 2 3 2 8 Y t9 D D o BL mal 5 2 2 aa O 19 lt M N ca EON NO3 Lessivage des nitrates Conc NO3 O NN O BB OOD J Lessivage des nitrates 300 550 800 1050 Jours NO3 Ruissellement des nitrates 0 14 0 12 0 1 0 08 0 06 0 04 300 550 800 1050 Jours Conc NO3 Ruissellement des nitrates g alnbiy G 1 yg ajjesJed ej inod sayesjiu ap Bw suolenuasuos je ey nBx xn sajeluidead ua sapionsed 39 aJ0Ze p sauad y d podde ne3 SyNI Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 48 CHAPITRE 4 D VELOPPEMENT DE LA PARTIE PESTICIDE DU LOGICIEL SYLVIE 4 1 PERTES ENVIRONNEMENTALES DE PESTICIDES ET HERBICIDES L utilisation des herbicides et pesticides en agriculture comme dans d autres syst mes de cultures p pini res foresti res parcs terrains de golf lignes lectriques entra ne des impacts environnementaux importants Les concentrations retrouv es dans les eaux de surface et souterraines pr sentent des risques pour la sant des cosyst mes et de l homme en particulier Dans le cas de l eau souterraine celle ci repr sente au Qu bec la principale source d approvisionnement pour 78 de la population situ e en r gion rurale Cette eau est tr s vuln rable aux contaminations par des sou
2. cm r plicat cm s g cm3 cm3 cm3 cm3 cm3 cm3 cm3 1 5 15 1 0 0019060 6 2628 1 0548 0 4777 0 04215 0 4355 5 7773 25 35 1 0 0012981 6 6469 1 3593 0 4348 0 06521 0 3696 3 2066 55 65 1 0 0041230 5 4912 1 5215 0 4082 0 05393 0 3543 1 1415 5 15 2 0 0008814 7 0339 0 9893 0 4975 0 05448 0 4430 10 3345 25 35 2 0 0007022 7 2614 1 3823 0 4489 0 05315 0 3958 4 0323 55 65 2 0 0044969 5 4044 1 6451 0 2274 0 06712 0 1603 1 3888 5 15 3 0 0004682 7 6665 1 0761 0 5312 0 06070 0 4705 7 2421 25 35 3 0 0011856 6 7375 1 3344 0 3789 0 05225 0 3267 2 3557 55 65 3 0 0071390 4 9422 1 4425 0 4224 0 06721 0 3551 1 5480 tourbe 5 15 4 0 0022940 6 0774 1 1558 0 4101 0 05726 0 3528 3 4168 25 35 4 0 0010493 6 8596 1 0974 0 5415 0 00948 0 5320 3 4706 55 65 4 0 0069092 4 9749 1 4825 0 4645 0 04994 0 4145 1 1913 515 5 0 0021979 6 1202 1 0939 0 5433 0 05455 0 4888 4 8952 25 35 5 0 0006378 7 3575 1 3787 0 3916 0 06283 0 3288 2 1017 55 65 5 0 0086911 4 7455 1 4747 0 3838 0 07112 0 3127 0 7220 5 15 0 0016534 6 4049 0 8779 0 9076 0 07585 0 8318 7 7152 25 35 0 0004159 7 7850 1 2565 0 5018 0 04879 0 4530 5 4319 55 65 0 0043829 5 4300 1 5790 0 3623 0 05169 0 3106 0 9143 5 15 1 0 0033167 5 7088 0 8432 0 6457 0 05158 0 5941 7 0552 25 35 1 0 0007181 7 2389 1 3333 0 4002 0 03908 0 3611 3 3953 55 65 1 0 0026715 5 9251 1 1988 0 5818 0 03261 0 5492 2 1801 5 15 2 0 0019833 6 2230 1 3388 0 42
3. l outil para t bien trop complexe en regard du caract re sommaire de l information obtenue D autre part la relative difficult d obtention des informations demand es entrave son utilisation comme outil de gestion facilement applicable L outil NLEAP est notre connaissance le seul outil de ce type actuellement existant et publi Il para t tre un hybride entre un outil global d valuation pr liminaire et un mod le d valuation bas e sur la repr sentation des processus Il semble malheureusement pr senter dans cette configuration les inconv nients des deux approches savoir des r sultats souvent difficilement interpr tables et typiques des valuations sommaires par indices et des besoins en donn es d entr e non toujours faciles obtenir comme en n cessitent les mod les math matiques plus sophistiqu s Ce type d outil ne peut donc convenir aux objectifs vis s pour la r alisation d un bilan environnemental agronomique et conomique fiable mais facile r aliser pour des conditions qu b coises et pour l pandage de fumiers et lisiers L existence d un tel outil pr sente cependant des int r ts Premi rement son existence d montre l int r t pour ce genre d outil de gestion et son tr s r cent d veloppement confirme l actualit d une telle d marche Deuxi mement sa publication par la soci t am ricaine d agronomie atteste de la prise de conscience de la profession agricole aux probl mes envir
4. p 61 les pesticides Manuel d utilisateur Universit du Qu bec INRS Eau Rapport scientifique n 234 Travaux effectu s pour Environnement Canada Wagenet R J et J L Hutson 1989 LEACHM Leaching Estimation and Chemistry Model A process based model of water and solute movement transformations plant uptake and chemical reactions in the unsaturated zone Continuum vol 2 vertion 2 Water Res Inst Cornell Univ Ithaca NY Wagenet R J 1980 Simulation of soil water and nitrogen movement In M J FRISSEL et J A VAN VEEN eds Simulation of nitrogen behaviour of soil plant systems PUDOC Wageningen pp 67 80 White R E 1987 Prediction of nitrate leaching from a structured clay soil using transfer functions derived from externally applied or indigenous solute fluxes Hydrol 107 31 42 White R E 1987 Leaching In J R Wilson Ed Advances un nitrogen cycling in agricultural ecosystems C A B International Oxon U K pp 193 211 White R E 1987 Prediction of nitrate leaching from a structured clay soil using transfer functions derived from externally applied or indigenous solute fluxes Hydrol 107 31 42 Williams J R 1985 The physical components of the EPIC model Soil Erosion and Conservation dit par El Swaify S A Moldenhauer W C et Andrew Lo Ankeny lowa Soil Conservation Society of America pp 272 284 Williams J R et Berndt H D 1977 Sediment Yield Prediction Based on Watershed
5. complexe du fait du nombre lev de param tres requis L outil SYLVIE permettra donc cette gestion tout en tant plus facile d application Pour le d veloppement de cet outil nous conserverons les r sultats de flux et de concentrations tels qu obtenus avec AgriFlux Les r sultats pr sent s obtenus avec AgriFlux sont les flux et les concentrations pour chaque jour Dans SYLVIE ces informations seront fournies sur une base annuelle ce qui est tr s largement suffisant et plus pratique pour la gestion environnementale Lessivage des nitrates Conc NO3 Lessivage des nitrates 60 50 40 30 20 300 550 800 1050 Jours m O z 300 550 800 1050 Jours Ruissellement des nitrates m O z 300 550 800 1050 Jours Conc NO3 Ruissellement des nitrates 120 100 80 60 300 550 800 1050 9 a1n61y z Ovg 8ll891ed e nod sajexyu ap Bw suonenusouos je ey nBx xn seJaluidad ue Seplonsod ja ajoze p saya dy Gp d uoddei ne3 SyNI Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 46 Figure 7 Flux kgN ha et concentrations mg l de nitrates pour la parcelle B40 3 l o LO N D Y D S 8 T m e Y r A d ei 3 2 T e O O E o G A O a L D Y aL md 5 o o 3 cc al 9 o 09 O So lt A CON 9u0 EON 9U09 0 0 D 2 D
6. cosyst mes tait inconnu Il en est par Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 49 ailleurs de m me pour l ensemble des pesticides Les pertes environnementales de pesticides sont de plus en plus constat es au Qu bec depuis une vingtaine d ann es comme par exemple la d tection d atrazine dans les eaux de drainage Muir et Baker 1976 ou dans l eau interstitielle de la zone non satur e Banton et al 1992 ou m me dans les eaux d approvisionnement de municipalit s Ayotte 1987 Il est aussi reconnu que les quantit s importantes de pesticides utilis s dans la gestion et le contr le des syst mes de culture particuliers p pini res foresti res parcs terrains de goff lignes lectriques etc peuvent g n rer des pertes environnementales importantes d autant plus que le suivi des impacts ne peut pas toujours tre r alis Il est reconnu que les pertes de pesticides sont principalement fonction 1 de la distribution du pesticide entre l eau et les diff rentes fractions granulom triques du sol capacit d adsorption 2 de la composition et des propri t s des diff rentes fractions de sol 3 de la susceptibilit l exportation de ces diff rentes fractions de sol et 4 de la persistance de ces produits dans le milieu Dans le premier cas et pour des pesticides tr s solubles plusieurs dizaines de mg L il est reconnu que la forme dissoute de pesticide constitue la plus grande fr
7. 4 0 0043472 5 4382 0 8612 0 6218 0 05828 0 5635 9 0513 25 35 4 0 0004723 7 6580 1 3268 0 4665 0 04533 0 4212 4 5877 55 65 4 0 0023512 6 0528 1 4944 0 4441 0 07453 0 3696 1 2030 5 15 5 0 0020353 6 1971 1 1044 0 4821 0 09318 0 3890 5 3274 25 35 5 0 0019659 6 2318 1 4132 0 3616 0 05609 0 3055 2 3377 55 65 5 0 0037201 5 5940 1 5703 0 3924 0 08987 0 3026 0 9823 5 15 0 0022285 6 1064 1 0438 0 5136 0 05455 0 4591 7 3490 25 35 0 001 1355 6 7807 1 2660 0 4627 0 09066 0 3720 5 1493 55 65 0 0017339 6 3574 1 6400 0 4029 0 05532 0 3476 0 8109 Tableau A2 R sultats complets de la granulom trie PAPA A a Poids de sol retenu sur les tamis g ch parcelle g _ 2mm 0 425mm _ 0 250 mm 0 053 mm 5 15 1 43 77 5 234 15 734 15 034 5 934 25 35 1 135 825 24 625 49 625 44 225 13 625 55 65 1 166 535 58 667 53 667 41 667 9 967 5 15 2 91 965 22 993 35 193 22 593 9 593 25 35 2 148 29 28 158 67 358 36 458 12 758 55 65 2 145 88 76 416 40 016 20 616 6 316 5 15 3 120 5 13 26 52 56 36 76 13 86 25 35 3 120 815 13 683 48 983 44 883 10 183 B40 3 55 65 3 162 4 19 66 73 56 56 56 10 56 tourbe 5 15 4 117 47 6 434 50 834 44 734 12 834 25 35 4 129 94 14 048 57 548 42 548 12 648 55 65 4 161 135 15 547 58 447 68 647 16 347 5 15 5 119 005 8 981 50 181 42 581 13 781 25 35 5 132 9 15 86 53 66 45 96 13 56 55 65 5 127 75 35 69 30 19 45 59 14 59 5 15 92 535 14 647 39 047 29 147 6 647 25 35 134 69 25 438 52 038 37 938 15 438 55 65 159 245 54 7
8. Catchment Experiments in fluvial Geomorphology Geo Books pp 21 34 Ayotte P 1987 Micropolluants organiques Campagnes d chantillonnage 1986 Direction des eaux souterraines et de consommation juillet 1987 MENVIQ 144 p Band L E 1985 Simulation of slope development and the magnitude and frequency of overland flow erosion in an abandoned hydraulic mine pit In Woldenberg M J d Models in Geomorphology George Allen et Unwin pp 191 211 Banton O M Larocque F Surateau et J P Villeneuve 1993 AgriFlux Logiciel d valuation des pertes environnementales de contaminants agricoles Manuel d usager Rapport scientifique INRS Eau no R 380 Ste Foy Qc Banton O Lafrance P Camara O et J P Villeneuve 1991 Evaluation des pertes en compos s azot s dans les eaux souterraines lors de l pandage des fumiers et lisiers D veloppement d un outil d valuation Revue bibliographique Rapport d tape No 1 Rapport scientifique INRS Eau 309 INRS Eau Sainte Foy Qu bec Banton O P Lafrance R Martel et J P Villeneuve 1992 Planning of soil pore water sampling campaigns using pesticide transport modeling Ground Water Monit Rev 12 3 195 202 Bhat Z K S T H Flowers J R O Callaghan 1980 A model for the simulation of the fate of nitrogen in farm wastes on land application J Agric Sci Camb 94 183 193 Bear J 1988 Dynamics of fluids in porous media Dover Publications Inc New York NY Beasley
9. D B Huggins L F et Monke E J 1980 ANSWERS Model for Watershed Planning American Society of Agricultural Engineers Transactions of the ASAE pp 938 944 Bingner R L 1990 Comparison of the Components Used in Several Sediment Yield Models Transactions of the ASAE vol 33 no 4 pp 1229 1238 Bollinne A Hanotiaux G et Pissart A 1978 L rosion en milieu agricole Introduction la journ e d tude de la Soci t Belge de P dologie du 28 octobre 1977 Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 56 P dologie XXVIII pp 141 144 Brooks R H et AT Corey 1964 Hydraulic properties of porous media Hydrology Paper No 3 Colorado State University Fort Collins Colorado Carsel R F C N Smith L A Mulkey J D Dean et P Jowise 1984 User s manual for the pesticide root zone model PRZM U S EPA Athens GA Chisci G 1981 Upland Erosion Evaluation and Measurement Erosion and Sediment Transport Measurement Proceeding of the Florence Symposium IAHS no 133 pp 331 349 CPVQ Conseil des Productions V g tales du Qu bec 1990 Colloque sur la conservation de l eau en milieu agricole F v 1990 Minist re de l agriculture des p cheries et de l alimentation Qu bec 334p Donigian A S et al 1977 Agricultural runoff management ARM modelversion II Refinement and testing US Environ Protection Agency EPA 600 3 77 098 Athens GA Douglas l 1976 Erosion rat
10. D autres nutriments comme le N NH et le N organique sont adsorb s aux particules de sol et vont tre entra n s par l interm diaire de l rosion du sol Dans SYLVIE la fraction des Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 29 fertilisants appliqu s ainsi perdue est fonction de l eau ruissel e de la date de fertilisation du d lai d incorporation et des quantit s apport es des diff rents nutriments La volatilisation est la perte de N NH des engrais de ferme ayant lieu lors de l pandage Dans SYLVIE la volatilisation est fonction du d lai d incorporation et de la quantit de N NH pr sente dans l amendement La min ralisation est la transformation de la forme organique la forme inorganique directement assimilable par les plantes Ce processus est fonction dans SYLVIE de la date de fertilisation qui d termine la fraction de l apport pouvant se min raliser dans l ann e de la classe texturale qui influence l humidit et la temp rature du sol et de la pr sence des l ments min ralisables Il est noter que la nitrification n est pas repr sent e a cause de sa grande vitesse de r action Le N NH apport par les fertilisants ainsi que celui produit par min ralisation sont consid r s imm diatement transform s en N NO et incorpor s dans le r servoir N inorganique La d nitrification est la voie principale par laquelle le N inorganique retourne l atmosph re Elle e
11. INRS Eau rapport 1 p 1 INTRODUCTION Le pr sent rapport rapport d activit s de l ann e 94 95 fait tat des r sultats obtenus ce jour concernant le d veloppement d un outil d valuation des pertes environnementales d azote et de pesticides en p pini res foresti res Ce rapport est constitu de quatre chapitres pr sentant 1 les approches existantes d valuation quantitative des pertes environnementales d azote dans les cultures 2 la structure et les objectifs de d veloppement de l outil 3 le principe des calculs des flux d eau et d azote pour le d veloppement du logiciel et 4 le principe de d veloppement de la partie du logiciel concernant les pesticides L outil sera d velopp sous l environnement Windows permettant une utilisation tr s conviviale Il permettra l valuation des flux annuels de nitrates et pesticides susceptibles de ruisseler en surface et de lessiver vers la nappe d eau souterraine Il fournira aussi les concentrations moyennes annuelles en nitrates et pesticides dans les eaux de ruissellement et de lessivage Cet outil permettra ainsi d valuer de fa on pr liminaire les risques de contamination des eaux reli s la fertilisation des cultures en p pini res et aux traitements phytosanitaires et herbicides qui leur sont associ s Cet outil d nomm SYLVIE est d velopp l aide des r sultats obtenus des simulations r alis es avec un logiciel tr s performant AgriFlux AgriFlux
12. a permis dans notre cas de ne consid rer que cinq cultures types pour les simulations avec HydriFlux Toutes les valeurs de flux lessiv s et ruissel s pour chacune de ces cultures types sont conserv es aucune relation simple n ayant pu tre mise en vidence Finalement les simulations ont t r alis es avec deux conditions de pente 0 et 5 Les flux d eau lessiv e et ruissel e correspondant une pente diff rente sont consid r s comme variant lin airement entre ces deux valeurs de pente et sont donc valu s dans l outil de gestion partir des flux simul s pour ces deux pentes limites L influence des travaux de sol a aussi t incorpor e dans l outil en tenant compte de la profondeur de remaniement et de la date de r alisation des travaux Pour cela un syst me de modification par pond ration a t labor sur la base des influences reconnues dans la litt rature Mwendera et Feyen 1993 Thibodeau et M nard 1993 Il est reconnu que le flux lessiv est en g n ral plus important et le flux ruissel plus faible dans le cas d un travail du sol augmentant la structure du sol et facilitant donc l infiltration Dans l outil de gestion les propri t s physiques du sol sont implicitement reli es sa texture et seule cette derni re caract ristique globale doit tre d clar e par l usager Ainsi et selon que la pratique culturale augmente ou diminue la structure du sol et les propri t s qui en d pendent la tex
13. ammonium est donc la forme d azote la plus souvent retrouv e au niveau des pertes d azote par ruissellement de surface et constitue une source de pollution importante pour les eaux de surface Dans le cas du ruissellement de subsurface les nitrates N NO3 constituent la forme d azote la plus transport e par ce type d coulement et peuvent entra ner un impact important sur la qualit de l eau souterraine et sur celle des eaux de surface par la reprise des eaux souterraines par les r seaux de drainage agricole Nous pr sentons ci apr s une revue des processus impliqu s dans les pertes d azote ainsi que des m thodes actuelles pour r aliser le bilan de ces pertes Ceci est d abord r alis pour les pertes par ruissellement rosion puis pour les pertes par infiltration 1 1 VALUATION DES PERTES DE NUTRIMENTS PAR RUISSELLEMENT ET ROSION 1 1 1 Processus impliqu s dans les pertes par ruissellement et rosion Le ruissellement est reconnu comme un ph nom ne important pouvant g n rer des pertes de compos s azot s et phosphor s directement vers les syst mes d eau superficielle Ce processus d pend par ailleurs d un grand nombre de facteurs dont l influence peut consid rablement affecter la proportion de nutriments entra n s Ces facteurs tels la pente l tat de la surface du sol son degr d humidit le couvert v g tal ont un r le qu il est g n ralement difficile de quantifier et ce d autant plus du fait de leurs in
14. attention Les r sultats d valuation doivent tre critiqu s la lumi re de la qualit des valeurs de param tres d clar s Par ailleurs la n cessit d un certain nombre de param tres ne permet pas une utilisation extensive de ces outils sur des sites ou pour des situations non caract ris s lls ne peuvent donc pas tre appliqu s comme premier outil d valuation puisque la grande incertitude entr e au niveau des param tres sommairement valu s peut grandement affecter le r sultat de cette valuation m me si celle ci ne doit tre que sommaire 1 3 L MENTS D UN BILAN ENVIRONNEMENTAL AGRO SYLVICOLE 1 3 1 Notions et approches pour un bilan environnemental et agro sylvicole La gestion de l azote en regard de la qualit des eaux superficielles et souterraines et du rendement agro sylvicole concerne de plus en plus la fois le public et la profession L objectif visant la qualit des eaux potables doit aussi tre accompagn du maintien d une activit conomique viable Le but d une gestion environnementale doit optimiser les actions focalis es vers la minimisation des pertes de nutriments et d am liorer l efficacit de l azote dans les syst mes de culture Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 21 Le co t relatif des engrais azot s a diminu pour la plupart des cultures L azote est un des nutriments les plus importants et les cultivateurs en appliquant plus d azote ont peu
15. cin tique de d gradation physico chimique par hydrolyse et photolyse cin tique de biod gradation reli e la bioactivit microbienne effet de la temp rature sur les diff rents processus effet du contenu en eau sur les diff rents processus Les processus non directement pris en compte sont les suivants volatilisation car tr s peu connu ou document et pris en compte par la d gradation pr l vement par la plante car tr s peu connu et repr sentant des fractions faibles interactions chimiques entre pesticides car tr s limit es en cas et en importance La non prise en compte de ces derniers processus rel ve la fois de leur faible importance et r le dans le destin des pesticides et du peu de connaissance leur sujet Ainsi les param tres de ces processus sont tr s peu connus et document s Eu gard la faible importance de ces processus pour les types de pesticides utilis s au Qu bec leur non prise en compte n entra nera aucune perte de fiabilit de l outil Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 54 De plus le module PestiFlux permettra la prise en compte de la variabilit spatiale et temporelle des param tres ceci en regard de l importance de celle ci et de son influence sur les r sultats de l valuation des pertes En effet nous avons pu constater que les param tres de ces processus varient grandement la fois dans le temps et dans l espace et que l
16. concentrations moyenneset moyennes carts types Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 53 4 3 DESCRIPTION DES PROCESSUS ET PARAM TRES Un tr s grand nombre de param tres et processus sont impliqu s dans le destin des pesticides dans les agrosyst mes La prise en compte de tous ces param tres et processus est contraignante puisqu elle conduit d velopper des mod les d une extr me complexit dont l application est difficile acquisition difficile des param tres longue param trisation et temps de calcul et incertaine sources d erreur multiples valuation peu fiable de nombreux param tres Pour cela il est pr f rable de limiter les processus repr sent s ceux dont l influence est dominante et contr le la grandeur de l valuation Les processus qui seront pris en compte par PestiFlux sont les suivants convection i e le transfert des pesticides avec le d placement de l eau dispersion hydrodynamique au travers de l approche stochastique adsorption instantan e r versible i e le terme retard cin tique d adsorption et cin tique de d sorption i e adsorption non instantan e complexation en solution avec la mati re organique dissoute MOD naturelle i e substances humiques adsorption du complexe pesticide MOD migration du complexe pesticide MOD transformation en sous produits ex atrazine en d thylatrazine ou en d isopropylatrazine
17. de mod les soit les mod les empiriques m canistes et conceptuels r servoirs Banton et al 1991 Nous pr sentons ci apr s les deux derni res cat gories les seules aptes repr senter ad quatement la r alit Les mod les m canistes Une mod lisation fid le du devenir des formes azot es dans le sol et l eau souterraine n cessite que l on d crive pr cis ment les processus physiques thermiques et chimiques affectant l azote dans le milieu poreux dans des conditions g n ralement non satur es Ceci est g n ralement r alis pour les mod les m canistes ou ph nom nologiques par l utilisation des quations diff rentielles qui contr lent le flux de l eau le transport de la chaleur et des solut s L coulement de l eau dans le sol est repr sent par l quation diff rentielle de Richards qui d crit l coulement transitoire dans un milieu poreux non satur o satur De m me il est possible d exprimer le transport de solut s ou de chaleur dans un milieu poreux satur ou partiellement satur par une quation diff rentielle de convection dispersion Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 16 coupl e avec des quations d crivant les r actions du solut ou les changes de chaleur Le syst me d quations y compris les quations secondaires doit alors tre r solu num riquement par une m thode math matique telle celle des diff rences finies ou celle
18. des l ments finis Ce sont des m thodes tr s puissantes mais n cessitant des techniques math matiques sophistiqu es des algorithmes puissants et des temps de calculs tr s longs Ces mod les sont donc g n ralement d velopp s pour r pondre des besoins de recherche et se pr tent tr s difficilement un usage de gestion Les mod les conceptuels r servoirs Consid rant la difficult de repr senter ad quatement et dans tous les cas les processus impliqu s dans le devenir de l azote des approches de mod lisation conceptuelle r servoirs ont t d velopp es r sultant d un compromis entre une repr sentation pr cise de certains processus et une repr sentation plus empirique pour d autres tant au niveau du cycle de l eau que pour celui de l azote Un mod le r servoirs ne permet donc pas de simuler pr cis ment le profil en azote dans le sol mais plut t de calculer une sortie partir des entr es Le contenu en azote peut cependant tre connu sous ses diff rentes formes chimiques volution des mod les Du fait de l volution rapide des connaissances et des techniques de simulation ainsi que de la poursuite de finalit s diff rentes de nombreux mod les ont t d velopp s depuis 1980 Tillotson et al 1980 couplent un mod le d coulement de l eau un mod le de transformation de l azote incluant les principaux processus et cin tiques d change Bhat et al 1980 proposent un mod l
19. et al 1976 in Williams et al 1984 a et modifi e par Williams et Hann 1978 in Williams et al 1984 a permettant d estimer la perte d azote organique pour un v nement de ruissellement YNO 0 001 Y CND ER avec YNO azote organique perdu par ruissellement CND concentration d azote organique du niveau sup rieur du sol Y apport de s diments ER rapport d enrichissement exprim par la concentration de l azote organique au niveau du s diment divis e par celle au niveau du sol 1 1 4 Exemple du mod le CREAMS Le mod le CREAMS a t d velopp pour le minist re de l Agriculture des USA Son objectif est de pr voir l impact des changements de pratiques culturales sur la perte de sol d azote de phosphore et de pesticides dissous et particulaires l chelle du champ Knissel 1980 USDA 1984 Il est constitu de trois sous mod les hydrologique d rosion et de transport de solut s Le bassin est consid r comme homog ne avec un seul type de culture de sol et de pratique agricole Toutefois le mod le d rosion prend en compte les diff rences de topographie de type de culture de pratiques agricoles et d tat de la surface du sol CREAMS consid re le ruissellement l infiltration l vaporation et la percolation avec un pas de temps journalier Les calculs hydrologiques peuvent tre r alis s par l approche des curve numbers si l on dispose de donn es de pluie journali res ou selon le mod
20. et forme de la mati re organique du sol ou son transport coulement pr f rentiel par la macroporosit ou par complexation avec la mati re organique soluble Finalement les l ments qui jouent un r le important dans le devenir des pesticides et qui doivent donc tre pris en compte sont trop nombreux et inter agissent trop les uns sur les autres pour qu une valuation simple et empirique des risques de contamination puisse tre r alis e facilement Pour cela seuls les mod les math matiques peuvent permettre une valuation qui soit la fois fiable et repr sentative de la r alit Les outils informatiques de gestion environnementale apportent ainsi une aide pr cieuse pour l valuation des risques puisqu ils permettent de synth tiser un nombre important d informations en fournissant une valuation globale des risques potentiels de contamination Utilis s de pair avec des investigations de terrain et de laboratoire ces outils permettent de r aliser rapidement l tude environnementale de diff rents syst mes Khakural et Robert 1993 De nombreux mod les existent permettant de repr senter la dynamique environnementale des syst mes agricoles On peut classer les mod les d velopp s dans la derni re d cennie en deux cat gories selon la complexit de leur repr sentation de la r alit Addiscott et Wagenet 1985 D une part des mod les de recherche ont t d velopp s en mettant l emphase sur une repr senta
21. inorganique la parcelle 3 avait re u une fertilisation inorganique compl t e d un apport de tourbe et la parcelle 5 avait re u une fertilisation inorganique compl t e d un apport de compost Les chantillons de sol ont t pr lev s 3 profondeurs soit 5 15 cm 25 35 cm et 55 65 cm en 6 points sur chaque parcelle Les param tres suivants ont t mesur s au laboratoire l INRS Eau la conductivit hydraulique saturation la densit apparente s che la porosit la porosit de drainage la capacit au champ le contenu en mati re organique et la granulom trie Afin d optimiser le temps n cessaire ces mesures on d bute les manipulations avec la d termination des conductivit s hydrauliques pour les poursuivre avec la densit la porosit la porosit de drainage et la capacit au champ Cette suite logique de mesures conduit suivre l volution de la teneur en eau des chantillons de la saturation jusqu au s chage Lorsque les chantillons ont t s ch s au four 105 C pendant 24 heures on les conserve au cong lateur 10 C jusqu la d termination du contenu en mati re organique Les mesures reli es la granulom trie sont les derni res tre effectu es Les six mesures prises chaque profondeur sur chaque parcelle permettent d valuer la variabilit spatiale des param tres G n ralement on consid re que la densit apparente s che la porosit la porosit de drainage la ca
22. l analyse d taill e les bilans sont calcul s mensuellement ou pour chaque v nement Pour le calcul mensuel le pas de temps de calcul est mensuel et les r sultats du mois pr c dent sont les donn es de d part pour le mois suivant Pour le calcul v nement par v nement le pas de temps est la dur e comprise entre deux v nements individuels Dans les deux cas les r sultats donn es par le logiciel sont annuels Pour l analyse mensuelle les premi res donn es saisir concernent le sol et la gestion agricole comme pour l analyse annuelle Le rendement de la plante n est pas simul et doit tre entr par l utilisateur L exactitude des r sultats d pend directement de la pr cision de l estimation du rendement Les donn es suivantes concernent l irrigation et la gestion de l azote les donn es mensuelles de pluie la temp rature de l air l vaporation sur bac et le nombre de jours humides Finalement sont saisies les donn es qualitatives caract risant l aquif re Les param tres calcul s la fin de l ann e sont similaires l analyse annuelle volume d eau infiltr e bilan d azote azote lessiv profondeur atteinte par le front de nitrates ainsi que qualitativement et en fonction de l aquif re le risque de mouvement des solut s le risque potentiel de lessivage annuel et la classe de risque de l aquif re L indice du risque de mobilisation des nitrates est une mesure de la gestion de l eau Il ne renseigne pa
23. le de Green et Ampt 1991 si l on dispose des intensit s de pluies Le mod le d rosion consid re les processus de d tachement de transport et de s dimentation Le d tachement est repr sent par l quation universelle de perte de sol La capacit de transport de s diments est estim e par l quation de transport de Yalin 1963 modifi e pour des s diments de taille et de densit h t rog nes La s dimentation a lieu quand la capacit de transport est inf rieure la charge de s diments Le mod le comporte deux sous mod les ind pendants pour les nutriments et les pesticides Celui pour les nutriments pr voit les pertes d azote et de phosphore sous formes dissoutes ou particulaires Les pertes sous formes particulaires sont fonction de la Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 12 perte de s diments de la concentration des nutriments dans le sol et du taux d enrichissement Le mod le suppose que seule la tranche sup rieure du sol de 1 cm est active dans le transport de polluants dissous par ruissellement Les nutriments dissous extraits de cette couche sont fonction d un coefficient empirique d extraction La perte d azote par lessivage uniquement sous forme de nitrates est fonction de la quantit d eau percol e et de la concentration en nitrates dans l eau du sol Le mod le tient compte des transformations de l azote de min ralisation et d nitrification et du pr l vement par les p
24. lessiv e fournis par l outil de gestion sont Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 37 le r sultat de simulations complexes effectu es en prenant en compte plus d une dizaine de processus repr sent s par des algorithmes math matiques complexes et faisant appel plus d une trentaine de param tres physiques diff rents correspondant des r alit s mesurables Ceci d montre la possibilit et l int r t de mettre en oeuvre une telle m thode pour le d veloppement des outils de gestion L exemple pr sent montre le gain important r alisable au niveau de la simplification de l information n cessaire pour l utilisation de l outil tout en conservant les qualit s globales des outils de simulation plus complexes pour l obtention de r sultats fiables Cette approche allie les principales qualit s des mod les m canistes de simulation et des outils de gestion classiques Elle utilise d une part un mod le m caniste pour simuler un ensemble de sc narios probables ou du moins un grand nombre d entre eux et d autre part une rationalisation de l information obtenue de ces simulations principalement par le biais d tudes de r gression Les calculs r sultant de cette d marche tant tr s rapidement effectu s et tr s facilement programmables un tel outil peut tre facilement d velopp et implant sur un simple chiffrier informatique L outil de gestion r sultant pr sentera la fois les qual
25. ments impliqu s sont les m mes que pour le pr l vement et le processus d pend du type de culture et du pr l vement effectif durant la p riode de croissance 2 3 DONN ES D ENTR E ET CRANS DE SAISIE L outil sera b ti de fa on faciliter l intervention de l utilisateur En g n ral les donn es saisir sont simples et connues Certains choix ont d tre faits par rapport aux unit s des param tres requis mais des facteurs de conversion d unit s sont alors sugg r s Le menu principal de SYLVIE permettra de choisir d abord la parcelle et ensuite l ann e de travail que ce soit pour r aliser un nouveau calcul pour une nouvelle parcelle ou pour une nouvelle ann e refaire un calcul d j r alis ou encore pour visualiser les r sultats qui viennent d tre calcul s Chaque parcelle repr sente un fichier de donn es diff rent Le menu suivant sera le menu Site permettant de saisir les caract ristiques physiques de la parcelle ainsi que la teneur initiale du sol en nutriments Une texture repr sentant la texture moyenne du profil de sol doit tre choisie parmi la liste fournie De la m me fa on la parcelle doit tre associ e une r gion g ographique ou climatique La pente moyenne de la parcelle doit tre saisie en Pour plusieurs ann es successives sur une m me parcelle les r sidus organiques de N sont utilis s pour le calcul de l ann e suivante avec intervention possible de l utilisateur item au
26. menu Il n y a pas de r sidus inorganiques de N car ceux ci sont consid r s comme enti rement entra n s dans l eau de drainage et de lessivage chaque ann e Pour le menu des pratiques culturales deux listes de culture seront fournies Un item doit obligatoirement tre choisi dans chacune des deux listes La premi re liste proposera une essence v g tale alors que la seconde pr cisera l ann e de croissance de cette culture Le menu permet de saisir le rendement attendu pour une parcelle qui peut varier selon la r gion climatique et la texture du sol pour une culture donn e Il s agit de la production de mati re s che MS en tonnes par hectare Le rendement saisi est consid r comme le Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 31 rendement maximum Des valeurs types de rendement pour les diff rentes cultures seront incluses dans le logiciel L utilisateur doit ensuite choisir entre diff rents travaux de sol Ce choix influence l infiltrabilit du sol et donc les calculs du bilan hydrique L utilisateur indique le nombre de fertilisations qu il veut simuler pour cette parcelle Une liste d roulante permet de choisir parmi les engrais propos s Des analyses moyennes sont utilis es par d faut si l utilisateur ne conna t pas la composition de l engrais Dans le cas contraire composition de l engrais inorganique normalement connue l utilisateur doit entrer la composition de l engrais Les u
27. par l coulement de subsurface Une tude r alis e par Hubbard et Sheridan 1983 pour une petite surface 0 34 ha et sous l effet de diff rentes pratiques culturales et de diff rents syst mes de gestion a montr que les pertes de nitrates taient galement plus lev es pour le ruissellement de subsurface que pour celui de surface Pour les concentrations en nitrates dans le ruissellement de surface et de subsurface elles taient respectivement de 0 47 mg l et 8 75 mg l soit pr s de 20 fois plus pour le ruissellement de subsurface Legg et Meisinger 1982 in Schepers et Fox 1989 ont par ailleurs montr que les pertes de nitrates sont souvent inf rieures 4 kg ha ann e alors que Owens et al 1982 in Owens et al 1983 ont valu le transport annuel d azote entre 0 2 et 2 9 kg N ha Afin de pr dire les pertes mensuelles de nitrates par ruissellement de surface et de subsurface des quations bas es sur des r gressions lin aires ont t tablies par Hubbard et Sheridan 1983 SRO a1 a2 Wm a3 Ep SSF b1 b2 Wm b3 Wm 1 Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 3 avec SRO ruissellement de surface mensuel Wm terme mensuel de balance eau Ep vaporation mensuelle SSF coulement mensuel de subsurface Wm 1 terme de balance eau pour le mois pr c dent a1 a2 a3 b1 b2 et b3 des coefficients de r gression Dunigan et Dick 1980 ont montr que des facteurs imp
28. pendamment sous un environnement Windows soit sous un environnement EXCEL 5 0 pour Windows Comme la plupart des chiffriers EXCEL offre la possibilit de b tir un programme l aide de macro commandes directement reli es aux pages de calcul L avantage principal de cette option est son fonctionnement sous l environnement Windows tout en permettant l application des fonctions sp cifiques de EXCEL L environnement EXCEL Windows permet une grande flexibilit dans l laboration des diff rentes parties dont l interface usager et une grande convivialit avec l utilisateur L option du chiffrier permet aussi l utilisateur d diter lui m me les r sultats g n r s et de les exploiter sa guise dans le m me environnement La caract ristique principale du logiciel SYLVIE est de ne n cessiter qu un nombre limit de donn es et param tres d entr e ce qui en facilite l emploi Toutefois l utilisateur doit tre conscient des approximations apport es par cette approche et utiliser en cons quence les r sultats g n r s par l outil titre indicateur des impacts de diff rentes pratiques agricoles et non comme des valeurs absolues des grandeurs de ces impacts SYLVIE effectuera le calcul du bilan environnemental des fertilisants et pesticides La base temporelle de ce calcul est annuelle c est dire que l utilisateur peut simuler des sc narios couvrant une ann e Si les tendances long terme l int ressent il peut simuler plus
29. rentes divisions peuvent tre retenues en fonction des objectifs et de la disponibilit des informations caract risant les aspects physiques et biologiques L coulement non satur est repr sent dans le mod le par l quation de Richard 1931 laquelle est ajout e un terme source repr sentant l eau puis e par les plantes Cette quation n glige les ph nom nes d hyst r se engendr s par les cycles de mouillage s chage et suppose un coulement essentiellement unidimensionnel Cette quation est r solue connaissant le potentiel de succion et la conductivit hydraulique non satur e tous Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 18 deux par ailleurs reli s la teneur en eau volum trique selon l quation de Brooks et Corey 1964 Le transport de la chaleur est simul dans le sol par conduction et convection La partie convection est particuli rement importante lors des grandes infiltrations d eau alors que c est g n ralement le processus de conduction qui domine le flux thermique A l int rieur de chaque couche du sol on retrouve des r servoirs contenant les formes organiques liti re fumier f ces et humus et inorganiques ammonium et nitrates de l azote Des r servoirs de carbone sont aussi pr sents pour la liti re et le fumier afin de contr ler la min ralisation et l immobilisation La nitrification et la d nitrification sont aussi simul es La d composition la min ralis
30. sent s aux figures 6 8 Comme l indique les figures de flux de nitrates ruissel s et lessiv s les pertes sont plus importantes pour la parcelle B40 3 qui a re u l amendement total le plus lev Le flux de nitrates est environ 50 plus lev pour B40 3 que pour B40 2 Les deux parcelles ayant re u le m me amendement min ral la diff rence est attribu e la min ralisation de la tourbe appliqu e Les concentrations obtenues pour les deux parcelles pr sentent le m me rapport Pour la parcelle B41 5 les Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 44 pertes sont beaucoup plus faibles soit environ dix fois moindres que pour la B40 2 Ceci refl te la plus faible dose de fertilisant min ral appliqu sur cette parcelle Dans les trois cas toutefois on remarque que les flux et les concentrations croissent dans le temps d montrant que les fertilisations sont tr s largement sup rieures aux besoins et que le r gime d quilibre n est pas atteint au bout de trois ann es Dans ce cas une diminution importante de la fertilisation peut doit tre appliqu e pour rencontrer les objectifs environnementaux Il est noter que les concentrations en N NO d passent largement la norme de 10 mg l dans le cas des deux premi res parcelles Cette application montre l int r t que pr sente la mod lisation pour la gestion environnementale des fertilisations en p pini res L application d AgriFlux est cependant
31. 274 43 79 55 65 0 05278 0 015305 29 00 B40 3 5 15 0 05750 0 010958 19 06 tourbe 25 35 0 04862 0 020213 41 58 55 65 0 06017 _ 0 009310 15 47 B41 5 5 15 0 06177 0 015464 25 04 compost 25 35 0 05115 0 020710 40 49 55 65 0 06785 0 017713 Tableau 4 Porosit de drainage cm cm CAPACITES au CHAMP cm3 cm3 traitement profondeur cm moy et cv B40 2 5 15 0 4811 0 08943 18 59 t moin 25 35 0 4013 0 09442 23 53 55 65 0 3766 0 08659 22 99 B40 3 5 15 0 5037 0 16735 33 22 tourbe 25 35 0 4010 0 07954 19 84 55 65 0 3179 0 08600 27 05 B41 5 5 15 0 4747 0 05750 12 11 compost 25 35 0 3844 0 04283 11 14 55 65 0 3249 0 04519 13 91 Tableau 5 Capacit au champ cm cm CONTENUS en MATI RE ORGANIQUE profondeur cm moy et c v B40 2 5 15 6 4494 1 5353 23 81 25 35 3 3122 0 2812 8 49 55 65 1 5457 0 3517 22 75 B40 3 5 15 6 5635 2 4212 36 89 25 35 3 4331 1 2117 35 29 55 65 1 1510 0 3020 26 23 B41 5 5 15 6 8553 1 2745 18 59 compost 25 35 4 9373 2 8682 58 09 55 65 0 9890 0 1740 Tableau 6 Mati re organique Pertes d azote et pesticides en n peplnieres INRS Eau rapport 1 p 42 E 5 15 cm F 25 35 cm 100 90 80 70 60 1 50 40 30 20 10 O 0 00001 0 000 0 001 0 01 Diam tre des grains m 55 65 cm Pourcentage passant Figure 3 Gra
32. 32 18 56 18 30 58 11 08 55 65 177 88 52 156 89 656 26 556 8 156
33. 49 66 049 27 149 8 549 5 15 1 83 235 9 587 36 487 25 287 10 587 25 35 1 132 16 10 692 59 692 43 692 15 492 55 65 1 139 49 26 938 55 338 42 738 12 638 5 15 2 111 89 8 698 47 098 39 598 14 098 25 35 2 156 245 15 949 61 749 56 349 17 649 55 65 2 136 245 16 569 56 469 52 669 9 369 5 15 3 115 84 13 848 41 648 40 848 15 748 25 35 3 166 25 15 57 70 67 56 87 18 67 B40 2 55 65 3 164 49 35 598 59 998 54 698 11 698 t moin 5 15 4 93 39 6 038 38 738 32 538 13 738 25 35 4 106 885 4 697 40 697 41 797 16 197 55 65 4 140 595 15 279 60 579 50 679 12 379 5 15 5 116 775 7 835 46 635 40 535 18 035 25 35 5 157 56 10 632 64 532 55 332 22 532 55 65 5 167 905 14 481 64 381 64 581 22 581 5 15 74 32 6 624 31 824 23 724 10 524 25 35 172 75 18 13 69 23 57 93 21 83 55 65 122 175 20 475 49 675 40 575 8 775 5 15 1 121 225 10 545 58 845 34 645 13 545 25 35 1 153 055 9 351 84 851 39 151 14 851 55 65 1 136 95 6 89 83 89 39 49 5 49 5 15 2 113 4 7 08 63 98 27 68 11 48 25 35 2 154 985 8 677 89 377 42 477 11 277 55 65 2 139 25 40 79 56 89 31 69 8 39 5 15 3 123 07 16 774 58 174 32 574 12 274 25 35 3 121 6 11 84 65 74 31 64 10 64 55 65 3 164 175 18 855 77 955 50 355 13 255 compost 5 15 ES 96 25 8 59 44 49 26 59 12 59 25 35 141 72 14 584 75 484 34 584 13 384 55 65 159 19 34 498 83 598 29 998 9 298 5 15 5 93 625 15 765 35 065 27 965 11 265 25 35 5 141 59 24 838 56 738 44 738 12 538 55 65 5 175 075 42 455 70 155 46 255 12 855 5 15 115 75 19 15 49 35 31 85 12 25 25 35 132
34. 683 687 Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 57 Freeze R A 1978 Mathematical models of hillslope hydrology In Kirkby M J d Hillslope hydrology John Wiley and Sons pp 177 225 Frere M H Ross J D et L J Lane 1980 The nutrient submodel In Knissel 1980 p 65 87 Frissel M J J A Van Veen 1981 Simulation model for nitrogen immobilization et mineralization In K Iskandar Eds Modeling waste water renovation by land disposal John Willey and Sons NY p 359 381 FSAA Facult des sciences de l agriculture et de l alimentation Universit Laval 1988 Vers une utilisation raisonn e des ressources 22 23 f vrier 1988 Univ Laval Qu bec 307 pp Germain M 1986 Essais et analyse d un mod le de pr vision de l rosion des sols M moire de ma trise Institut national de la recherche scientifique INRS 118 p Gregory K J et Walling D E 1973 Drainage Basin Form and Processes A geomorphological approach John Wiley et Sons New York 458 p Green W A et G A Ampt 1911 Studies in soil physics 1 The flow of air and water through soils J Agric Science 4 1 44 Green R E and Karickhoff S W 1990 Soil Sci Soc Am Book Ser no 2 pp 79 101 Hubbard R K et Sheridan J M 1983 Water and Nitrate Nitrogen Losses From a Small Upland Coastal Plain Watershed J Environ Qual vol 12 no 2 pp 291 295 Johnsson H Bergstr m L Jansson P E e
35. 83 0 04064 0 3877 3 4325 25 35 2 0 0012417 6 6913 1 4343 0 3941 0 06203 0 3320 3 5502 55 65 2 0 0058830 5 1357 1 3902 0 3646 0 04698 0 3176 1 3910 5 15 3 0 001 1861 6 7370 1 1290 0 5613 0 04533 0 5159 7 5601 25 35 3 0 0009938 6 9140 1 4942 0 4251 0 04840 0 3767 2 8536 B40 2 55 65 3 0 0024244 6 0222 1 5412 0 4234 0 05378 0 3696 1 4451 t moin 5 15 4 0 0028319 5 8668 0 9141 0 5413 0 05726 0 4840 6 8383 25 35 4 0 0002322 8 3678 1 3162 0 4295 0 07396 0 3555 3 5721 55 65 0 0034544 5 6681 1 4739 0 4033 0 04938 0 3539 1 5116 5 15 5 0 0007103 7 2498 1 2312 0 4171 0 05315 0 3639 6 3965 25 35 5 0 0010916 6 8201 1 2771 0 6054 0 01591 0 5894 3 4033 55 65 5 0 0048288 5 3332 1 5506 0 4224 0 07953 0 3429 1 1269 5 15 0 0031248 5 7684 0 9990 0 5829 0 04220 0 5407 7 4138 25 35 0 0003839 7 8651 1 5676 0 4316 0 03842 0 3931 3 0988 55 65 0 0029122 5 8388 1 5452 0 3810 0 05440 0 3266 1 6193 5 15 1 0 0029365 5 8305 1 1029 0 5498 0 05378 0 4960 6 8880 25 35 0 0006603 7 3228 1 4780 0 4314 0 03817 0 3933 10 3788 55 65 1 0 0091017 4 6993 1 5224 0 4338 0 08285 0 3510 0 8143 5 15 2 0 0017957 6 3224 1 0917 0 5426 0 05549 0 4871 6 2001 25 35 2 0 0011803 6 7420 1 4455 0 4365 0 04209 0 3944 2 8986 55 65 2 0 0028878 5 8473 1 5223 0 3063 0 06158 0 2447 0 9340 515 3 0 0012549 6 6807 1 1146 0 5088 0 05532 0 4535 6 3158 25 35 3 0 0005478 7 5096 1 3372 0 4545 0 03457 0 4200 4 2715 55 65 3 0 0031694 5 7542 1 5698 0 3771 0 04299 0 3341 1 1897 compost 515
36. G R et Freeze R A 1974 Mathematical simulation of subsurface flow contributions to snowmelt runoff Reynolds Creek Watershed Idaho Water Ressources Research vol 10 pp 284 294 Sundburg A et White W R 1986 Probl mes d rosion transport solide et s dimentation dans les bassins versants UNESCO Paris 161 p Tanji K K M Mehran S K Gupta 1981 Water and nitrogen fluxes in the root zone of irrigated maize In Frissel et van Veen Eds Simulation of nitrogen behaviour of soil plant systems Centre for Agric Publ and Doc Wageningen The Netherlands p 51 66 Thibodeau S et O M nard 1993 Pratiques agricoles de conservation ce qu elles sont ce qu elles font ce qu elles valent Colloque sur la gestion de l eau CPVQ 20 21 avril 1993 St Hyacinthe Canada Thi ry D 1983 Description du mod le CREACHIM Note technique SGN EAU 83 15 Bureau de Recherches G ologiques et Mini res Orl ans France 53p Tillotson W R C W Robbins R J Wagenet R J Hanks 1980 Soil water solute and plant growth simulation Utah Agric Exp Stn Bull 502 Utah State Univ USDA 1984 User s Guide for the CREAMS computer model U S Dep Agric SCS Technical Release 72 Washington DC Villeneuve J P Banton O Lafrance P Blanchette C et S Deschenes 1987 VULPEST logiciel d valuation de la vuln rabilit des eaux souterraines la contamination par Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1
37. Hydrology Transactions of the ASAE vol 20 no 6 pp 1100 1104 Williams J R Jones C A et Dyke P T 1984 a A modeling Approach to Determining the Relationship Betwen Erosion and Soil Productivity TRANSACTIONS of the ASAE vol 27 no 1 pp 129 144 Williams J R Jones C A et Dyke PT 1990 The EPIC model In EPIC Erosion Productivity Impact Calculator Model Documentation dit par Sharpley A N et Williams J R United States Department of Agriculture Agricultural Research Service USDA ARS 235 p Williams J R Putman J W et Dyke P T 1984 b Assessing the effect of soil erosion on productivity with EPIC In Erosion and Soil Productivity Proceedings of the National Symposium on Erosion and Soil Productivity dit par American Society of Agricultural Engineers St Joseph Michigan pp 215 225 Williams J R et Renard K G 1985 Assessments of Soil Erosion and Crop Productivity dit par Follett R F et Stewart B A American Society of Agronomy Inc Madison Wisconsin USA pp 67 103 Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 62 Wischmeier W H et Smith D D 1962 Soil loss estimation as a tool in soil water management planning Int Assoc Scient Hydrol Pub 59 pp 148 159 Yalin M S 1963 An expression for bed load transportation J Hydraulics Division ASCE 89 HY3 221 250 Tableau A1 R sultats complets de la caract risation ch pa prof
38. Record Number 12450 Author Monographic Banton O Marquis F Author Role Title Monographic D veloppement d un outil informatique d valuation des pertes environnementales de fertilisants et de produits phytosanitaires utilis s dans le contexte des cultures en p pini res Rapport d tape no 1 Translated Title Reprint Status Edition Author Subsidiary Author Role Place of Publication Qu bec Publisher Name INRS Eau Date of Publication 1995 Original Publication Date Avril 1995 Volume Identification Extent of Work ii 66 Packaging Method pages Series Editor Series Editor Role Series Title INRS Eau rapport de recherche Series Volume ID 442 el Location URL ISBN 2 89146 462 1 Notes Rapport annuel 1994 1995 Abstract Rapport r alis pour le minist re des Ressources naturelles du Qu bec secteur For ts Projet 03266S Call Number R000442 e1 Keywords rapport ok di Logiciel d valuation des pertes d azote et pesticides en p pini res Rapport d tape No 1 Banton INRS Eau Avril 1995 D VELOPPEMENT D UN OUTIL INFORMATIQUE D VALUATION DES PERTES ENVIRONNEMENTALES DE FERTILISANTS ET DE PRODUITS PHYTOSANITAIRES UTILIS S DANS LE CONTEXTE DES CULTURES EN P PINI RES Rapport No 1 par Olivier Banton INRS Eau Travaux r alis s dans le cadre d une subvention du minist re des Ressources naturelles du Qu bec secteur For ts Projet 032668 Avril 1995 Rappo
39. SA o elle a t tablie Pour Drolet 1989 qui l a utilis pour valuer les risques d rosion dans une r gion du Qu bec cette quation est peu adapt e l valuation de certains facteurs pour le type de climat de cette r gion Parmi ses faiblesses Foster 1983 in Drolet 1989 trouve que 1 cette quation n estime pas avec pr cision l rosion pour des v nements ponctuels 2 n value pas les pertes par ravinement 3 ni les processus de s dimentation 4 ni la concentration en s diments du Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 8 ruissellement et 5 ne tient pas compte d informations sur la dimension la densit la surface et d autres caract ristiques des s diments qui sont pourtant importantes pour valuer la s dimentation potentielle et le transport des produits chimiques adsorb s On peut donc dire qu au Canada et dans d autres pays l estimation des pertes de nutriments par l rosion des sols partir de cette quation reste probl matique Selon Richards 1982 l quation universelle d rosion sous sa forme originale est le reflet des donn es am ricaines Elle n est donc pas applicable universellement puisqu elle ne tient pas compte de certains facteurs d terminants de l rosion dans certaines conditions climatiques et dans des chelles de r f rence spatio temporelle diff rentes L utilisation de l EUPS dans d autres r gions demande donc plus d investissement pou
40. action de pesticide export Wauchope 1978 On conna t la relation directe entre le contenu en mati re organique du sol et l adsorption des pesticides hydrophobes c est dire peu solubles Koskinen et Harper 1990 Green et Karickhoff 1990 Au Qu bec on a montr l impact du contenu en mati re organique du sol ou dissous dans l eau sur la r tention et le transport dans le sol de pesticides de diff rentes solubilit s tels que l atrazine Lafrance et al 1992 l aldicarbe Lafrance et al 1988 et le pentachloroph nol Marineau et al 1991a 1991b L coulement de l eau est aussi reconnue comme le principal processus contr lant le devenir des pesticides utilis s dans la r gie des cultures La r partition des eaux de pr cipitation et d irrigation en infiltration et en ruissellement est fonction de la texture des sols 4 2 VALUATION DES RISQUES DE CONTAMINATION Ces diff rents l ments font ressortir plusieurs constats relativement aux risques de contamination des eaux superficielles et souterraines Premi rement les caract ristiques physico chimiques du pesticide influence tr s grandement sa migration dans le milieu en Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 50 fonction de son adsorption ainsi que sa persistance fonction de sa d gradabilit En deuxi me lieu les caract ristiques du sol jouent aussi un r le tr s important relativement la r tention du pesticide contenu
41. ation et la nitrification sont influenc es par la temp rature et l humidit du sol Les nitrates sont consid r s comme tant enti rement en solution et se d placent entre les couches de sol en suivant l coulement de l eau Le flux de nitrates est donc calcul pour chaque couche de sol en multipliant le flux d eau par la concentration en nitrates L ammonium est consid r comme immobile fortement fix sur le sol et n est donc pas influenc par l coulement de l eau Le mod le SOIL SOILN permet ainsi de calculer le lessivage de nitrates quittant la zone racinaire et l ensemble du profil de sol simul Trois ensembles de donn es sont n cessaires au fonctionnement du mod le Un premier correspond aux param tres caract risant le site au niveau de la v g tation du sol des apports externes des transformations et des pertes en azote Les param tres requis sont nombreux et certains sont tr s difficiles obtenir que ce soit par mesure ou par valuation Un deuxi me fichier d finit les conditions initiales de la simulation o l on retrouve les formes et les quantit s d azote pr sentes au d part dans chaque couche de sol Un troisi me fichier fournit au mod le les variables motrices du syst me tablies l aide de la partie SOIL telles la temp rature l humidit et l coulement qui sont les causes des transformations et du transport de l azote Ces variables d environnement sont fournies pour chaque couche de sol s
42. aux souterraines la contamination par les pesticides il rassemblait l ensemble des connaissances disponibles l poque Appliqu avec succ s de nombreux cas tant au Qu bec qu ailleurs il a d montr l int r t pour un tel outil orient vers la gestion Depuis 1987 les connaissances ont rapidement augment dans le domaine de la probl matique environnementale des pesticides et le logiciel VulPest n cessite des am liorations importantes telles et par ailleurs la prise en compte des pertes vers les eaux superficielles qu elles justifient le d veloppement d un nouvel outil b n ficiant des progr s scientifiques acquis tant au niveau de la connaissance du devenir des pesticides que du d veloppement des outils de gestion Dans le domaine de la contamination par les compos s azot s le mod le AgriFlux Banton et al 1993 a t r cemment d velopp dans le but de r pondre aux crit res des outils de gestion en incorporant la fiabilit et la repr sentation ad quate des processus avec la facilit d utilisation et un nombre limit de param tres Cet outil a t d velopp gr ce une subvention de RD du minist re de l Environnement du Qu bec Selon la cat gorisation de Addiscott et Wagenet 1985 AgriFlux est un mod le m caniste puisqu il utilise une repr sentation physique des m canismes et stochastique car il incorpore la variabilit spatiale des processus et param tres Il vise la gestion environnementale d
43. bilisation la nitrification et la d nitrification sont simul es La d composition la min ralisation et la nitrification sont influenc es par la temp rature et l humidit du sol Les nitrates sont consid r s comme tant enti rement en solution et se d placent entre les couches de sol en suivant l coulement de l eau alors que l ammonium est consid r comme tr s fortement adsorb et donc non mobile Le flux de nitrates est calcul pour chaque couche de sol en multipliant le flux d eau par la concentration en nitrates Le mod le calcule les pertes de nitrates vers la nappe ainsi que celles par ruissellement et par drainage Un ensemble de fichiers de donn es sont n cessaires au fonctionnement du mod le portant sur les caract ristiques du sol des cultures du climat et des pratiques culturales Bien que fonctionnant sur une base de calcul journali re HydriFlux ne n cessite que les valeurs climatiques mensuelles moyennes rendant son usage tr s ais en gestion AgriFlux permet l valuation de diff rents sc narios de culture et pratiques culturales des tendances long terme concernant le devenir de l azote et les impacts sur l environnement AgriF lux utilise par ailleurs une d marche de mod lisation stochastique Cette d marche permet la prise en compte de la variabilit spatiale et temporelle des param tres Les r sultats calcul s par ce mod le sont donc repr sentatifs de l ensemble des conditions locales pouva
44. d un outil doit donc tre r alis en prenant en compte certaines conditions et contraintes Premi rement l outil doit tre facile d utilisation doit pouvoir tre appliqu intensivement et pour des situations non toujours parfaitement param tris es Deuxi mement il est destin r aliser des valuations pr liminaires dont on accepte qu elles soient globales simplifi es et sommaires Pour cela on attend que les param tres requis soient peu nombreux et faciles d obtention obtenables si possible partir de l information d j existante Troisi mement les r sultats de cette valuation doivent tre Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 26 obtenus par une m thode rigoureuse et le plus fiable possible Pour cela l approche devrait r sulter d une repr sentation m me globale des processus impliqu s quantification du risque et non d une valuation de type m thode indice qualification du risque Finalement l outil devrait pr senter certaines facilit s d utilisation relatif l interface avec l usager l quipement requis machine logiciel et au temps de calcul r ponse quasi instantan e Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 27 CHAPITRE 2 STRUCTURE ET D VELOPPEMENT DE L OUTIL 2 1 STRUCTURE G N RALE DE L OUTIL Pour le d veloppement du pr sent outil SYLVIE deux alternatives sont offertes Soit l outil est d velopp ind
45. de bassin versant Ainsi EPIC est utilis pour la simulation d un versant de faible taille 1 ha CREAMS pour simuler des bassins versants d une grandeur de plusieurs centaines d hectares SWRRB pour des bassins versants d une taille de plusieurs milliers d hectares alors que les deux derniers mod les ANSWERS et AGNPS peuvent simuler des bassins versants de plusieurs milliers d hectares Marsalek 1989 a sp cifi les diff rents domaines d utilit de chaque mod le tels que le niveau d analyse planification design l utilisation en hydrologie simulation du ruissellement de surface ou souterrain ou de fonte de neige le potentiel de suivi de la qualit de l eau apport de s diments d l ments nutritifs de pesticides l chelle temporelle mois saison ann e et spatiale champ petit ou grand bassin versant Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 7 Les mod les param triques Les mod les param triques sont bas es sur les relations statistiques existant entre les principales variables relations tablies partir d un grand nombre de donn es Gregory et Walling 1973 Morgan 1979 D apr s Morgan 1979 le mod le le plus simple reliant l rosion au ruissellement ou aux pr cipitations est de type bo te noire qui peut tre crit comme suit Qs a Qw o Qs d bit solide Qw d bit liquide a indice relatif au processus d rosion b valeur qui varie g n ralement e
46. diminue Williams et Berndt 1977 Julien et Simons 1985 ont propos l quation param trique suivante Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 9 Qs k Q S P o Qs d bit solide unitaire Q d bit liquide unitaire S tangente de l angle de pente du versant intensit des pr cipitations k m n p constantes pour un contexte donn Cette quation a t tudi e par Mathier et al 1989 1991a qui a remarqu une forte relation entre le d bit solide le d bit liquide et l intensit des pr cipitations L effet de la pente semble peu affecter les d bits sur la parcelle conduisant l auteur ne pas l utiliser dans l quation de transport des s diments soit n 0 L auteur a par ailleurs montr que pendant la saison le changement du couvert v g tal et de l tat de la surface rugosit microtopographie compactage encro tement perturbations biologiques influencent beaucoup ces ph nom nes Les mod les stochastiques statistiques Les mod les stochastiques statistiques sont utilis s pour g n rer des s quences synth tiques de donn es partir des caract ristiques statistiques des donn es existantes Gregory et Walling 1973 Morgan 1979 Ces mod les peuvent par exemple calculer des moyennes tablir des corr lations des s ries historiques de donn es et autres op rations En g n ral les mod les stochastiques sont tr s utiles aux mod les d ter
47. e ceux ci et pour n importe quel site ou n importe qu elle situation pour lesquels les param tres peuvent tre quantifi s ou valu s Le troisi me type d outils utilise g n ralement une approche plus globale d valuation bas e sur la r alisation de bilans plus ou moins sommaires Ces outils ont souvent une approche plus empirique que ph nom nologique et n cessitent que peu de param tres g n ralement tr s bien connus et tr s facilement valuables lls se pr tent donc tr s bien aux valuations multiples surtout si celles ci peuvent n tre que pr liminaires et approximatives comme par exemple dans le cas de comparaison entre des sc narios d intervention Le d veloppement d un outil d valuation pr liminaire globale ne doit donc pas tre approch dans l optique d un mod le d valuation des risques bas sur la simulation du devenir de l azote dans le sol mod le qui serait forc ment simplifi et dont les r sultats seraient donc peu fiables Un outil bas sur la repr sentation des processus a t d velopp au Qu bec NitriF lux pour r pondre une valuation pr cise des pertes d azote par lessivage et ruissellement L outil NLEAP ne r pond pas non plus aux crit res d un outil d valuation pr liminaire puisque les r sultats obtenus sont non interpr tables directement et que certaines des donn es n cessaires son fonctionnement sont difficiles obtenir dans la plupart des cas Le d veloppement
48. e sp cifiquement destin au devenir de l azote des fumiers appliqu s au champ en utilisant cependant un simple bilan en eau pour la partie hydrique Le mod le CSMP Frissel et van Veen 1981 semble tre le premier mod le tenant compte de la d composition de la mati re organique du sol incluant fumier et paille Il prend en compte les principaux processus du cycle de l azote La mati re organique comporte diff rents compartiments carbohydrates cellulose prot ines sucres Le transport des formes azot es dans le sol est cependant peu consid r sauf au niveau d une fonction de lessivage Le mod le de Tanji et al 1981 couple l coulement de l eau avec le transport et la transformation de l azote Les principaux processus sont pris en compte dans ce Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 17 mod le Le mod le de Rao et al 1981 permet la prise en compte des r sidus de culture et des fumiers La mati re organique est subdivis e en fractions lentement ou rapidement min ralisables Le mod le de Thi ry 1983 est de type r servoirs et couple le transport dans la zone non satur e avec celui dans la nappe Les r actions et transformations qu il prend en compte sont relativement limit es Ce mod le est un mod le de gestion destin r aliser le bilan en nitrates la sortie du bassin versant ou en un point de captage de la nappe Les mod les continuent de se perfectionner et d
49. es contaminants d origine agricole l chelle du champ Deux modules sont actuellement disponibles soit le module de calcul du bilan hydrique HydriFlux et le module de calcul du bilan de l azote NitriFlux D autres modules peuvent tre greff s cette structure afin d offrir un bilan global du potentiel de contamination des pratiques agricoles ou autres sur un champ donn Ainsi le logiciel AgriFlux 2 0 r sultera de l int gration d un module PestiFlux l actuelle version AgriFlux 1 1 comprenant les modules HydriFlux et NitriFlux Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 52 Comparaison des logiciels VulPest et PestiFlux Pas de temps de par v nement calcul i M thode de calcul solution analytique i Mod lisation de coulement moyen coulement commun l coulement constant transitoire H Pr cipitations moyennes mois stochastiques commun m thode des commun degr s jours i Temp ratures du pron simul es i commun sol i Fonte de la neige Macroporosit oui nouveau dans HydriFlux Pesticides Pesticides la fois un seul la fois plusieurs la fois Adsorption instantan e et 1 instantan e et r versible r versible 2 cin tique lente D gradation constante dans variable dans temps et espace temps et espace Bioactivit simul e _____ R le du carbone complexation et organique dissous adsorption Filiation simule temp rature R sultats
50. es and climate geomorphological implications In Derbyshire d Geomorphology and climate John Wiley et Sons pp 269 287 Drolet J Y 1989 Cartographie d taill e des sols de la municipalit de Bic Comt de Rimouski et estimation des pertes potentielles de sol l aide de l quation universelle de perte de sol EUPS M moire de ma trise Universit Laval 122 p Dub A 1975 L eau et l rosion des sols Ressources vol VI no 4 pp 8 15 Dunigan E P et Dick R P 1980 Nutrient and Coliform Losses in Runoff from Fertilized and Sewage Sludge Treated Soil J Environ Qual vol 9 no 2 pp 2434 250 Environnement Canada 1984 Normales climatiques au Canada jours de 1951 1980 Service de l environnement atmosph rique Publication du programme climatologique canadien Environnement Canada 1985 Protocol development and study of pesticides in groundwater Contaminant Hydrogeology section NHRI Ottawa 8 p Environnement Canada 1986 Les pesticides dans l industrie de la protection pr servation du bois au Qu bec en 1983 Environnement Ontario 1985 Alachlor monitoring of Ontario drinking water May Nov 1985 Environnement Qu bec 1987 Evaluation des cons quences de l utilisation de l aldicarbe campagne 1986 Rapport no 1330 mai 1987 Foster G R Meyer L D et Onstad C A 1977 A Runoff Erosivity Factor and Variable Slope Lenght Exponents for Soil Loss Estimates Transactions of the ASAE pp
51. es applications orient es vers la gestion commencent tre r alis es Rolston et al 1984 et Rao et al 1984 appliquent leurs mod lisations aux pertes de nitrates provenant des applications de fertilisants et fumiers sur des sols cultiv s et non cultiv s Martin et al 1988 d montrent par mod lisation l influence de l irrigation sur le devenir de l azote dans le sol White 1989 applique la mod lisation au lessivage des nitrates dans les sols argileux structur s en utilisant un coulement par fonction transfert 1 2 3 Exemple d un mod le de recherche de type m caniste le mod le SOIL SOILN Uppsala Su de Le mod le SOIL SOILN Johnsson et al 1987 simule le devenir de l eau de la temp rature et de l azote dans les sols II s agit d un mod le de recherche unidimensionnel bas sur des processus physiques La partie hydrodynamique et thermique SOIL a t d velopp e la fin des ann es 70 A l origine SOIL a t d velopp pour repr senter les processus hydrologiques et thermiques relatifs aux sols forestiers l a par la suite t adapt au milieu agricole La partie SOILN d velopp e en 1986 permet de simuler la min ralisation de l azote et le lessivage des nitrates partir des temp ratures des taux d humidit et des flux d eau fournis par la partie SOIL La structure verticale commune aux deux parties du mod le facilite la division du profil p dologique en un certain nombre de couches Diff
52. es concentrations observ es dans l eau et dans le sol en sont grandement affect es Les r sultats fournis par PestiFlux seront les masses et les concentrations des diff rents pesticides sous leurs diff rentes formes qui passent une certaine profondeur qui parviennent la nappe et qui ruissellent en surface Le d veloppement de la partie du logiciel SYLVIE ayant trait aux pesticides sera r alis l aide du module PestiFlux Tel que pour les nitrates c est en effet l utilisation d AgriFlux qui fournira les r sultats qui seront int gr s dans le logiciel SYLVIE Cette tape visera aussi la synth se des donn es existantes concernant les param tres qui seront requis pour l utilisation de l outil d velopp Cette synth se conduira fournir des tableaux des valeurs de chacun des param tres pour l ensemble des pesticides utilis s commun ment au Qu bec en p pini res foresti res Ceci garantira le d veloppement d un outil de gestion la fois fiable et pratique d utilisation Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 55 R F RENCES BIBLIOGRAPHIQUES Addiscott T M et R J Wagenet 1985 J Soil Sci 36 411 42 Ahuja L R et O R Lehman 1983 The extent and nature of rainfall soil interaction in release of soluble chemicals to runoff J Environ Qual 12 1 34 40 Anderson M G Bosworth D et Kneale P E 1981 Controls of overland flow generation In Burt T P et Walling D E d
53. es en eaux et des sols Steiner et al 1977 Jones et al 1985 Putman et al 1988 EPIC peut estimer les impacts du processus d rosion sur la productivit agricole pour une p riode de temps assez longue Williams et al 1984a Williams 1985 en utilisant un pas de temps journalier La superficie de drainage consid r e par ce mod le est g n ralement petite d environ 1 ha Williams et al 1984 a Williams 1985 Jones et al 1985 Bingner 1990 Williams et al 1990 Ceci est justifi parce que d apr s ces auteurs le sol et ses am nagements peuvent alors y tre assum s comme spatialement homog nes EPIC est compos de divers sous mod les Putman et al 1988 pour la simulation du volume et du d bit du ruissellement l rosion par l eau qui utilise l quation universelle de perte de sol modifi e la croissance des plantes les changements des propri t s du sol la fertilisation etc En plus des composantes physiques sur lesquelles est bas EPIC existent aussi des composantes conomiques permettant d valuer les co ts de l rosion la d termination des strat gies de gestion optimale etc Williams 1985 La partie d EPIC concernant les nutriments traite de la fertilisation du sol des transformations de N et P et de la demande en N et P des cultures Williams et al 1984a et Williams 1985 ont mentionn que la quantit des nitrates retrouv s au niveau du ruissellement de surface peut tre estim e en co
54. est actuellement constitu des modules HydriFlux et NitriFlux permettant respectivement le calcul des flux journaliers d eau et de nitrates Un troisi me module PestiFlux est en d veloppement visant l valuation des flux de pesticides Le logiciel SYLVIE sera donc d velopp l aide d un outil tr s performant et la fine pointe des connaissances actuelles Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 2 CHAPITRE 1 APPROCHES D VALUATION QUANTITATIVE DES PERTES ENVIRONNEMENTALES D AZOTE DANS LES CULTURES D apr s Lowrence 1992 les pertes de nutriments N par ruissellement de surface et de subsurface sont consid rer comme des sources potentielles de pollution d origine diffuse On doit aussi consid rer les pertes d azote associ es aux pertes des s diments Owens et al 1983 Schepers et Fox 1989 D autres facteurs peuvent modifier les pertes d azote par ruissellement rosion tels que le taux de croissance des v g taux le lessivage l immobilisation des nutriments par les complexes chimiques et organiques et la saison a laquelle les nutriments ont t appliqu s Dunigan et Dick 1980 ll est g n ralement observ que les pertes de nitrates par ruissellement de surface sont inf rieures celles par coulement de subsurface Jackson et al 1973 Owens et al 1982 in Owens et al 1983 Selon ces derniers auteurs Owens et al 1983 plus de 75 de l azote total perdu est transport
55. gestion SYLVIE les flux correspondant aux climats r els seront interpol s lin airement entre ceux fournis par ces climats extr mes D autre part les simulations r alis es avec HydriFlux ont montr que les volumes d eau ruissel e et lessiv e sont aussi corr l s avec le logarithme de la conductivit hydraulique satur e pour un climat et une culture donn s La conductivit hydraulique satur e est par ailleurs troitement reli e log lin airement avec la texture du sol i e sa composition granulom trique Comme le montre la figure 2 les volumes d eau varient lin airement selon une premi re droite pour des textures comprises entre l argile et le loam limon plus ou moins argileux et selon une autre droite pour des textures entre le loam et le sable Ceci permet de ne retenir que l information relative trois textures Les valeurs des flux pour les textures interm diaires seront alors interpol es dans l outil de gestion SYLVIE directement entre les flux lessiv s et ruissel s provenant des simulations correspondant ces trois textures caract ristiques De plus plusieurs des cultures auront des besoins et des courbes de pr l vement en eau similaires Ces cultures de comportement hydrique similaire pourront donc tre regroup es dans l algorithme de calcul en consid rant leur influence sur le bilan hydrique comme Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 36 identique Cette consid ration
56. gricultural field Hydrological processes John Wiley et Sons d Chichester Mathier L et Roy A G 1992 Hydrogrammes de ruissellement superficiel et transport des s diments en milieu agricole Revue des sciences de l eau vol 5 pp 1 21 Mettauer H El Ghossain T S et Vogt H 1979 M thodologie d approche de l rosion bas e sur des m thodes statistiques Colloque sur l rosion agricole des sols en milieu temp r non m diterran en Strasbourg pp 203 209 Moore I D et Burch G J 1986 Modelling erosion and deposition topographic effects Transactions of the ASAE vol 19 pp 1624 1630 Morgan R P C 1979 Soil erosion In Topic in applied geography Donald D et Dawson J d Longman Inc New York 113 p Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 59 Muir D C and Baker B E 1976 Agric Food Chem 1 122 125 Mwendera E J et J Feyen 1993 Predicting tillage effects on infiltration Soil Sci 155 229 235 Nielsen E C and Lee L K 1987 Magnitude and costs of groundwater contamination from agricultural chemicals Staff rept US Dep of Agric Ec Res Ser Washington DC June 87 61 p Nortcliff S 1986 Soil loss estimation Progress in physical Geography vol 10 no 2 pp 249 255 Onstad C A 1984 Sediment yield modelling In Erosion and sediment yield some methods of measurement and modelling Hadley R f et Walling D E d Geo Books E
57. ieurs ann es successives et SYLVIE utilisera les r sultats de la premi re ann e comme point de d part pour l ann e suivante Le bilan environnemental est bas sur le calcul d un bilan hydrique auquel est combin le bilan de l azote et des pesticides Le calcul du bilan hydrique est r alis par une m thode d interpolation effectu e sur un ensemble de sc narios de sols climats et pratiques culturales simul es au pr alable Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 28 l aide du logiciel HydriFlux Banton et al 1993 HydriFlux est un mod le de repr sentation des processus relativement complexe simulant le transport de l eau dans le sol Sans faire une description exhaustive du logiciel mentionnons simplement qu il consid re les processus de ruissellement d infiltration d vaporation de pr l vement par les plantes de percolation de drainage et de lessivage II requiert un grand nombre de donn es et param tres et effectue les calculs sur une base journali re A l aide d HydriFlux un grand nombre de sc narios ont t simul s Des r gressions ont ensuite t calcul es afin de relier quantitativement l influence de diff rents param tres sur le ruissellement le lessivage et le drainage constituant les trois flux d eau n cessaires au calcul du bilan environnemental Cette approche permet d int grer la pr cision des r sultats obtenables avec un mod le complexe fonctionnant sur base jou
58. ire et de voir l effet de diff rentes pratiques agricoles sur ce potentiel Le potentiel de risque de lessivage d pend de la quantit de nitrates lessiv s de la zone racinaire de la position de l aquif re du temps de transit avant d atteindre l aquif re et de la vuln rabilit de ce dernier Cette proc dure d valuation quantitative est cependant limit e cause de la complexit des processus impliqu s dans le mouvement de l eau et le cycle de l azote et aussi de l impr cision des donn es disponibles Par ailleurs le manque de donn es rend souvent difficile une telle tude quantitative 1 3 2 Exemple de NLEAP logiciel d analyse environnementale lessivage des nitrates Le logiciel NLEAP Shaffer et al 1991 a t d velopp pour valuer le potentiel de lessivage des nitrates de la zone racinaire ainsi que l impact conomique et les effets potentiels de ce lessivage Il utilise trois niveaux d approximation l analyse globale annuelle l analyse mensuelle et l analyse v nement par v nement Dans ces trois niveaux le pas de temps et la m thode de calcul peuvent changer mais les r sultats sont toujours annuels L utilisateur doit fournir l outil des renseignements concernant les pratiques agricoles le sol le climat et l conomie Dans l analyse globale la partie hydrologique consiste calculer un indice de lessivage annuel Cet indice combin avec le r sultat du bilan d azote azote disponible pour le les
59. it s de rapidit de calcul de param trisation simple de fiabilit de l valuation h rit e du mod le m caniste et de transf rabilit de nombreuses situations existantes ou probables Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 38 0 3 0 25 o D 0 15 FLUX D EAU m 2 0 05 0 8 0 85 0 9 0 95 1 1 05 1 1 1 15 1 2 PR CIPITATIONS m Figure 1 Volumes d eau ruissel e et lessiv e pour diff rentes pr cipitations annuelles R 0 91 0 25 E z 0 2 m Lessivage S o Ruissellement x 0 15 5 z t 0 1 0 05 0 4 argile loam sable 2 5 2 1 5 1 0 5 0 0 5 LOG KSAT Figure 2 Volumes d eau ruissel e et lessiv e pour diff rentes textures de sol Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 39 3 2 CALCULS DES FLUX D AZOTE 3 2 1 Acquisition de param tres de sol caract ristique de p pini re Pour tre appliqu au contexte agro sylvicole le d veloppement du logiciel n cessite la connaissance d un certain nombre de param tres Une campagne d chantillonnage a donc t r alis e afin de d terminer les caract ristiques physiques d un site repr sentatif Cette section pr sente les r sultats obtenus pour un chantillonnage r alis la p pini re Ste Luce Les parcelles chantillonn es sont situ es sur les blocs 40 parcelles 2 et 3 et 41 parcelle 5 La parcelle 2 avait re u uniquement une fertilisation
60. lantes Les quations r gissant le bilan hydrique journalier de l azote sont Ahuja et Lehman 1983 Donigian et al 1977 Frere et al 1980 C NO3 ST P QN C Q EXQ ON C O EXO o C concentration en nitrates dans la zone racinaire NO3 stock d azote nitrique dans la zone racinaire au d but de la journ e ST stock d eau dans cette zone P la pluie journali re tomb e pendant la journ e QN flux journalier d azote de la zone racinaire transport par coulement rapide ruissellement de surface Q coulement rapide journalier EXQ coefficient d extraction pour l coulement rapide ON flux journalier d azote de la zone racinaire transport par percolation lessivage O percolation journali re travers la zone racinaire EXO coefficient d extraction pour la percolation 1 1 5 Discussion Au niveau d une grande ou d une petite surface les param tres utilis s pour une simulation math matique de ruissellement et d rosion peuvent varier consid rablement cause de la variation des caract ristiques du bassin versant Par exemple Stephenson et Freeze 1974 en tudiant l coulement au niveau du sol pour un petit bassin versant ont trouv que certains param tres consid r s comme constants dans le mod le taient en fait Variables sur le terrain Ceci indique que lorsqu on veut utiliser un mod le math matique pour valuer les processus de pertes par ruissellement et rosion une tude d
61. les variations spatio temporelles du ruissellement et de l rosion sont g n ralement influenc es par le manque de connaissances sur les interactions entre les principaux facteurs tat du couvert v g tal compaction et encro tement de la surface du sol capacit de stockage de l eau et des s diments dans les d pressions topographie et superficie de drainage La complexit des mod les n cessite une adaptation des donn es disponibles sur le milieu tudi G n ralement des moyens indirects permettent d estimer d une fa on approximative certains param tres Germain 1986 En prenant l exemple du mod le ANSWERS utilis par cet auteur on remarque que ces contraintes sont plus accentu es au Qu bec du fait que les mod les sont souvent d velopp s initialement pour des environnements plus temp r s USA D autre part les processus changeant avec la taille des l ments g omorphologiques tudi s la notion d chelle demeure tr s importante prendre en consid ration Ceci indique que les variations d chelle influencent beaucoup les facteurs et les types d interactions entre les diff rents param tres d un processus donn comme ceux de ruissellement et d rosion Mathier 1989 1991a et b 1992 a montr l influence du changement d chelle spatio temporelle sur les param tres tudi s pour le ruissellement et l rosion En fait le passage de petits versants exp rimentaux des parcelles agricoles de plus grande
62. lon les besoins de celles ci Si la plante ne parvient pas pr lever toute l azote Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 32 dont elle a besoin le rendement est r duit proportionnellement au d ficit encouru La quantit de nutriments des r sidus v g taux restant au champ est calcul e Le N inorganique n ayant pas t d nitrifi ou pr lev par les plantes est enti rement entra n hors du champ via le lessivage Les r sidus v g taux N organique sont ajout s aux stocks de nutriments organiques qui serviront pour l ann e subs quente Les pertes provenant de chaque fertilisation sont additionn es pour produire le bilan annuel ruissellement d eau et de nutriments volatilisation de N NH d nitrification de N inorganique lessivage d eau et de nitrates Les concentrations en nutriments des pertes via l eau sont calcul es ruissellement et lessivage 2 5 R SULTATS Les r sultats annuels se pr senteront sous la forme de tableaux o seront affich s les caract ristiques de la parcelle l ann e en cours la variation des stocks de nutriments les flux pour chacun des nutriments les flux d eau ainsi que les concentrations en nutriments de ces flux d eau Les rendements se retrouvent aussi dans l ent te de chaque tableau Un menu options sera propos Celui ci permettra d imprimer le tableau de r sultats annuels de visualiser un graphique en histogramme de flux annuel de n
63. ment et de l rosion En milieu agricole le d veloppement de mod les de ruissellement rosion est g n ralement bas sur la variabilit des caract ristiques du champ et sur l chelle des observations Mathier 1991a Des progr s ont t r alis s concernant la mod lisation de l rosion et du ruissellement depuis les mod les de la premi re g n ration bas s sur l analyse des donn es des parcelles jusqu aux mod les de la seconde g n ration utilisant la param trisation et le contr le par l exp rimentation Chisci 1981 Diverses approches peuvent tre utilis es pour la simulation des processus de ruissellement et d rosion et donc pour l valuation des pertes d azote qui y sont associ es Les mod les math matiques correspondant peuvent tre class s en trois cat gories soit les mod les d terministes stochastiques et param triques Gregory et Walling 1973 A ces trois classes se rajoutent les mod les distribu s de conception r cente Les mod les d terministes Les mod les d terministes sont bas s sur les quations math matiques d crivant les processus et reposant sur les lois de continuit et de conservation de la masse et de Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 6 l nergie Gregory et Walling 1973 Morgan 1979 Ils utilisent des param tres pour quantifier les facteurs affectant certains ph nom nes comme l rosion le transport et la s dimentation On
64. ministes et param triques pour g n rer leurs entr es lorsque les donn es disponibles sont repr sent es seulement par une courte p riode d observation Gregory et Walling 1973 Les mod les distribu s Les mod les distribu s ont t r cemment d velopp s en hydrologie comme par exemple le Syst me Hydrologique Europ en SHE Rohdenburg et al 1986 Ils permettent d int grer la variabilit spatiale des param tres contr lant le cheminement de l eau au niveau d un petit bassin versant Mathier et al 1991a 1992 Consid rant le raffinement des unit s spatiales et temporelles donn es par ces mod les l estimation du d bit liquide peut tre faite en tout point sur Une surface et tout moment pendant une pr cipitation Mathier 1991a Selon Moore et Burch 1986 pour que l utilisation des mod les distribu s en milieu agricole soit efficace il est important de leur rajouter une composante permettant de d crire le transport des s diments la surface du champ En tudiant les relations liant le ruissellement au transport des s diments sur une surface il est alors possible d int grer le processus d rosion au sein de ces mod les hydrologiques Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 10 1 1 3 Exemple du mod le EPIC Le mod le EPIC Erosion Productivity Impact Calculator a t d velopp par le service de conservation des sols des tats Unis pour estimer l tat des ressourc
65. n and Co 358 p Richards L A 1931 Capillary conduction of liquids in porous mediums Physics 1 318 333 Rohdenburg H Diekkruger B et Bork H R 1986 Deterministic hydrological site and catchment models for the analysis for agro ecoystems Catena vol 13 pp 119 Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 60 137 Rolston D E P S C Rao J M Davidson R E Jessup 1984 Simulation of denitrification losses of nitrate fertilizer applied to uncropped cropped and manure amended field plots Soil Sci 137 270 279 Roose E 1977 Erosion et ruissellement en Afrique de l ouest vingt ann es de mesures en petites parcelles exp rimentales O R S T O M no 78 Paris 108 p Schepers J S et Fox R H 1989 Estimation of N budgets for crops In Nitrogen management and ground waster protection dit par Follett R f Elsevier Science Publishers B V Netherlands 395 p Shaffer M J Halvorson A D et F J Pierce 1991 Nitrate leaching and economic analysis package NLEAP model description and application In Follett et al Eds Managing Nitrogen for Groundwater Quality and Farm Profitability Soil Science Society of America Inc Madison WI Steiner J L Williams J R et Jones O R 1987 Evaluation of the EPIC simulation model using a dryland Wheat Sorghom Follow Crop Rotation Agron J Madison Wis American Society of Agronomy vol 79 no 4 pp 732 738 Stephenson
66. naissances actuelles sur certains ph nom nes et du manque de donn es pour leur prise en compte dans une mod lisation certaines simplifications sont g n ralement apport es pour la mod lisation Banton et al 1992 Ne disposant g n ralement pas de donn es sur la composition de l azote organique du sol de nombreux mod les la consid re comme homog ne et pr sente sous une forme unique dont la composition moyenne refl te la partie min ralisable sur l chelle de temps consid r e par la simulation L tat des connaissances et la disponibilit des donn es ne permettent pas toujours la prise en compte des ph nom nes d change sol atmosph re Il est ainsi souvent suppos que les termes d entr e pr cipitation et fixation biologique et les termes de sortie d nitrification et volatilisation se compensent globalement Du fait de la rapidit de la nitratation vis vis de la nitratation il est par ailleurs consid r que la nitrification se fait en une seule tape gouvern e par la vitesse la plus lente celle de la nitratation En d autres termes la forme nitreuse NO est alors n glig e dans la repr sentation du cycle de l azote Enfin est pos e l hypoth se que les processus de pr l vement par les plantes et de lessivage par l eau ne concernent que les nitrates 1 2 2 Revue des mod les math matiques de simulation du lessivage Parmi les mod les existants il est possible de distinguer trois principales cat gories
67. ngland pp 71 89 Owens L B Van Keuren R W et Edwards W M 1983 Nitrogen Loss From a High Fertility Rotational Pasture Program J Environ Qual vol 12 no 3 pp 346 350 Putman J Williams J et Sawyer D 1988 Using the erosion productivity impact calculator EPIC model to estimste the impact of soil erosion for the 1985 RCA appraisal J Soil Water Conservation Ankey lwoa Soil Conservationof America vol 43 no 4 pp 321 326 Rao P S C Davidson J M R E Jessup 1984 Simulation of nitrogen behaviour in the root zone of cropped land areas receiving organic wastes In Frissel et van Veen Eds Simulation of nitrogen behaviour of soil plant systems Centre for Agric Publ and Doc Wageningen The Netherlands p 81 95 Rao P S C R E Jessup K R Reddy 1984 Simulation of nitrogen dynamics in flooded soils Soil Sci 138 54 62 Rawls W J et D L Brakensiek 1989 Estimation of soil water retention and hydraulic properties Dans Unsaturated flow in hydrologic modeling theory and practice H J Morel Seytoux ed Kluwer Academic Publ Pays Bas Reddy k R 1980 Land areas receiving organic wastes Transformations and transport in relation to nonpoint source pollution In Environmental impact of nonpoint source pollution dit par Overcash M R et Davidson J M Ann Arbor Science Publishers Inc Michigan 449 p Richards K S 1982 Rivers Form and process in alluvial channels London Methue
68. nit s sont des kg par tonne de dose brute Le fait de mettre tout le N inorganique sous forme de N NO permet d viter la volatilisation du N NH comme dans le cas d application de fertilisant sous forme de granules Pour chaque fertilisation il faut choisir une date d application et un d lai d incorporation du fertilisant au sol 2 4 ALGORITHMES DE CALCUL L ex cution du programme d bute par la saisie des donn es Si l utilisateur s lectionne une parcelle et une ann e pour laquelle il y a une ann e pr c dente SYLVIE va utiliser les donn es d j calcul es pour les contenus initiaux en nutriments Chaque fertilisation est trait e comme un v nement et tous les processus sont calcul s pour chaque amendement L volution des stocks initiaux en nutriments du sol est trait e part au m me titre qu une fertilisation Apr s chaque fertilisation les apports des diff rents nutriments sont r duits proportionnellement aux pertes par ruissellement et volatilisation L apport net en N organique N NH et N NO est ensuite incorpor aux r servoirs proportionnellement la composition de l amendement Il y a ensuite transformation de l azote organique en nutriments inorganiques par l interm diaire de la min ralisation Le N inorganique est ensuite d nitrifi affectant le contenu de ce r servoir de nutriments inorganiques Pour chaque culture les nutriments inorganiques restant peuvent tre pr lev s par les plantes se
69. nombre de cas r els ou th oriques en utilisant les donn es multiples et d taill es n cessaires son fonctionnement puis exploiter les r sultats ainsi obtenus pour construire un mod le semi empirique de la m me fa on qu avec des donn es d observations r elles Cette approche pr sente l avantage de pouvoir prendre en compte un tr s grand nombre de cas incluant des sc narios rarement ou difficilement observables dans la r alit et d tre applicable rapidement sur des contextes pour lesquels peu d informations pr liminaires sont disponibles ou m me aucune Dans l outil semi empirique de gestion SYLVIE le r le de la partie hydrique est d valuer les flux d eau ruissel e la surface du champ et lessiv e vers la nappe d eau souterraine L outil sera d velopp en utilisant le module hydrique d un mod le m caniste complexe ayant des objectifs similaires le logiciel AgriFlux Banton et a 1993 AgriFlux comporte pour la r alisation du bilan en eau le module HydriFlux qui simule les flux hydriques de surface infiltration ruissellement le flux vertical travers la zone non satur e du sol Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 34 percolation vaporation transpiration lessivage vers la nappe ainsi que la reprise d eau par les drains souterrains HydriFlux est un mod le m caniste stochastique de simulation c est dire qu il est bas sur une repr sentation conceptuelle des
70. nsid rant seulement la tranche sup rieure du sol de 1 cm d paisseur D apr s Williams et al 1984 a la diminution de la concentration des nitrates due l coulement de l eau travers les niveaux du sol peut tre d duite d une mani re satisfaisante en utilisant une fonction exponentielle La concentration moyenne journali re est obtenue en int grant la fonction exponentielle pour avoir l apport des nitrates et en divisant par le volume d eau contenu au niveau du sol VNO3 WNO3 1 exp QT UL CNO3 VNO3 QT avec VNO3 masse de nitrates perdus du premier niveau WNO3 masse de nitrates contenus par le premier niveau au d but de la p riode QT volume d eau perdu du premier niveau UL limite sup rieure d eau emmagasin e par le niveau consid r ou porosit du niveau CNO3 concentration en nitrates du premier niveau La masse totale de nitrates dans le ruissellement l coulement lat ral et la percolation peut tre estim e par le produit du volume d eau et de la concentration moyenne Williams et Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 11 al 1984 a et 1984 b Williams 1985 Selon ces auteurs le lessivage des nitrates d l coulement lat ral de subsurface pour des niveaux bas peut tre trait par la m me approche utilis e pour les niveaux sup rieurs l exception du ruissellement de surface qui n est plus consid r Une fonction a t d velopp e par McElroy
71. nt tre rencontr es sur le site tudi Ces r sultats sont alors repr sent s par une moyenne et un cart type pour chaque type de pertes ruissellement nappe drain et pour chaque jour Le risque de contamination peut ainsi tre valu sur une base statistique Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 20 1 2 5 Discussion La quantification pr cise des pertes d azote par lessivage n cessite la prise en compte des processus de l coulement de l eau et du cycle de l azote dans le sol Les mod les d velopp s sont donc g n ralement complexes et les param tres n cessaires sont nombreux et parfois difficiles obtenir Ces mod les conduisent cependant une valuation pr cise des pertes dont la comparaison avec la r alit est bonne Certains nouveaux mod les ont t d velopp s sp cifiquement pour une application dans un contexte de gestion Les param tres requis et l utilisation du mod le ont alors t rendus plus simples Leur emploi ne n cessite plus n cessairement des sp cialistes de la mod lisation mais des intervenants ayant une bonne connaissance du milieu d intervention L l ment majeur de l valuation demeurant la qualit des param tres fournis aux mod les ces outils ne devraient tre utilis s qu avec une grande rigueur et un souci de la justesse Bien que fournissant des valuations de risques fiables l utilisation de ces outils doit tre men e avec s rieux et
72. nt_ profondeur em moy _ et c v B40 2 5 15 0 002316 0 0015787 68 18 t moin 25 35 0 0006185 74 59 55 65 0 003726 0 0013481 36 18 B40 3 5 15 0 001668 0 0011628 69 72 tourbe 25 35 0 000901 0 0004133 45 89 55 65 0 006005 _0 0019388 32 28 0 B41 5 5 15 002466 0 0010994 44 59 compost 25 35 0 001016 0 0005992 58 96 55 65 0 003855 0 0023608 Tableau 1 Conductivit hydraulique saturation cm s DENSIT S g cm3 profondeur cm moy et _ c v B40 2 5 15 1 0759 0 19095 17 75 t moin 25 35 1 4038 0 11370 8 10 55 65 1 4500 0 13767 9 49 B40 3 5 15 1 0413 0 09664 9 28 tourbe 25 35 1 3014 0 11008 8 46 55 65 1 5242 0 07551 4 95 B41 5 5 15 1 0531 0 09726 9 24 25 35 1 3778 0 08079 5 86 55 65 1 5532 0 05190 Tableau 2 Densit apparente s che g cm Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 41 POROSIT S cm3 cm3 profondeur cm moy et c v B40 2 5 15 0 5294 0 08985 16 97 t moin 25 35 0 4476 0 07885 17 61 55 65 0 4294 0 07817 18 20 B40 3 5 15 0 5612 0 17612 31 38 tourbe 25 35 0 4496 0 06286 13 98 55 65 0 3781 0 08164 21 59 B41 5 5 15 0 5364 0 04843 9 03 compost 25 35 0 4355 0 03884 8 92 55 65 0 3928 0 04930 Tableau 3 Porosit cm cm POROSIT S de DRAINAGE cm3 cm3 traitement profondeur cm moy et c v B40 2 5 15 0 04836 0 006620 13 69 t moin 25 35 0 04630 0 020
73. ntre 2 et 3 En milieu agricole l estimation de l rosion totale sur une parcelle est g n ralement faite partir de mod les empiriques gr ce l utilisation d une approche globale tablie sur une base annuelle Mathier 1991a L quation param trique la plus connue de cette approche est l quation universelle de pertes de sol Universal Soil Loss Equation USLE d velopp e par Wischmeier et Smith 1962 Cette quation est bas e sur l analyse des r gressions r alis es sur plus de 10 000 r sultats annuels observ s sur des parcelles et des petits bassins versants dans 45 stations de recherches aux USA Roose 1977 Cette quation vise relier les transports solides aux diff rents facteurs mesurables C est un outil principalement utilis pour la pr dictions des pertes de sol par rosion en nappe ou en rigole Foster et al 1977 Sundburg et White 1986 Son expression math matique est la suivante A R K LS C P avec A perte annuelle moyenne de sol R facteur d rosivit de la pluie K facteur d rodabilit du sol LS facteur topographique ajustant l quation selon la longueur de la pente et son gradient C facteur agricole reli la couverture du sol et aux techniques culturales utilis es P facteur de protection prenant en compte les pratiques anti rosives classiques Des chercheurs Drolet 1989 Roose 1977 ont r alis des applications de cette quation des r gions autres que celles des U
74. nulom trie parcelle B40 2 t moin 100 90 80 70 7 E 5 15 cm 5 25 35 cm _ 55 65 cm Pourcentage passant 67 O 0 00001 0 0001 0 001 0 01 diam tre des grains m Figure 4 Granulom trie parcelle B40 3 tourbe 100 90 i 80 70 60 50 40 30 20 10 0 mz 0 00001 0 0001 0 001 0 01 Diam tre des grains m Y 4 5 15 cm H 25 35 cm 55 65 cm Pourcentage passant AA TAN NN E RE O IA PE IS A NE tT Figure 5 Granulom trie parcelle B41 5 compost Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 43 Du point de vue de la variabilit spatiale horizontale le coefficient de variation repr sente bien cette variabilit On remarque que certains param tres sont peu variables avec des cv faibles de l ordre de 10 alors que d autres sont moyennement variables cv d environ 20 30 et que la conductivit hydraulique est tr s variable avec des cv de l ordre de 50 100 La relative stabilit des cv pour un m me param tre et pour les deux sites et les trois profondeurs confirme d une part que le nombre d chantillons tait suffisant pour caract riser ad quatement la variabilit spatiale des param tres et que d autre part les techniques de mesure en laboratoire n ont pas induit de biais dans les
75. onnementaux et la recherche de solutions Troisi mement l existence de cet outil permet de pr ciser certains objectifs sp cifiques que doivent rencontrer de tels outils ainsi que de pr voir et corriger les imperfections qu ils peuvent pr senter 1 4 DISCUSSION G N RALE SUR LES MOD LES D VALUATION La revue des mod les r alis e a montr que trois grands types d outils existent permettant l valuation des risques d impacts environnementaux des fertilisations Premi rement des Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 25 mod les math matiques tr s sophistiqu s ont t d velopp s mais dont la finalit premi re est la recherche fondamentale portant sur les processus impliqu s dans le devenir de l azote De ce fait ces mod les sont tr s pr cis mais d une tr s faible applicabilit dans un cadre d utilisation intensive et d valuation routini re A leur suite des mod les ont t d velopp s sp cifiquement pour r aliser ce type d valuation orient e vers une approche de gestion et pouvant tre utilis s par des intervenants non n cessairement sp cialistes des mod les Certains de ces mod les sont quand m me tr s bien repr sentatifs de la r alit et bas s sur les processus contr lant le devenir de l azote lls n cessitent cependant des param tres moins nombreux ou moins inabordables que les mod les de recherche En ce sens ils peuvent tre utilis s plus ais ment qu
76. ortants peuvent tre reli s aux pertes des nutriments par ruissellement tels que le volume des pr cipitations leur intensit et leurs contributions aux changes de nutriments Ces auteurs utilisant de l azote marqu 15N ont montr l existence d changes d ammonium entre les pr cipitations et le sol Les pr cipitations contribuent donc pour une certaine part la quantit d ammonium observable au niveau du ruissellement de surface Selon les m mes auteurs l apport annuel en azote des pr cipitations tait environ de 5 20 kg d azote ha comparable celui estim par Owens et al 1983 d environ 22 kg d azote ha an Cet apport repr sente environ trois fois les pertes d azote total par ruissellement de surface Schepers et Fox 1989 ont galement mentionn que les pertes annuelles d azote inorganique au niveau du ruissellement sont dans plusieurs cas inf rieures celles de l azote apport par les pr cipitations L azote transport par ruissellement se trouve sous diff rentes formes dont principalement l azote organique dissous l ammonium en solution l azote organique sous forme particulaire et l ammonium adsorb aux s diments Reddy 1980 L azote inorganique transport par ruissellement est souvent inf rieur aux pertes d azote associ es aux pertes de s diments Schepers et Fox 1989 Schepers et Fox 1989 mentionnent que les plus faibles pertes d azote par rosion des s diments peuvent tre associ es aux p
77. pacit au champ le contenu en mati re organique et la granulom trie suivent une normale sym trique Dans ces cas on peut estimer le param tre tudi et sa variabilit en calculant sa moyenne son cart type et son coefficient de variation sur chaque parcelle Dans tous les travaux de ce genre les valeurs de conductivit hydraulique mesur es au laboratoire sont tr s variables repr sentant la grande variabilit spatiale naturelle de ce param tre Il est g n ralement reconnu que la Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 40 conductivit hydraulique suit une distribution lognormale distribution asym trique vers la gauche c est dire que les logarithmes de ce param tre suivent une distribution normale Les tableaux 1 6 d crivent les param tres mesur s au laboratoire Les figures 3 5 illustrent la variation de la granulom trie d une parcelle l autre et pour chaque profondeur Les donn es compl tes sont pr sent es en annexe Les param tres obtenus sont conformes aux sites chantillonn s On remarque en effet que le sol pr sente une distribution verticale de ses param tres en relation avec les pratiques culturales En surface la porosit et la conductivit hydraulique sont plus lev es alors que la densit est plus faible qu en profondeur Ceci est tr s bien caract ris par les valeurs obtenues CONDUCTIVITES HYDRAULIQUES cm s dist lognormale ftraiteme
78. perdre et beaucoup gagner Les recommandations environnementales de fertilisation entrent ainsi en conflit avec les d cisions culturales Les recommandations se font g n ralement en fonction de diverses donn es comme le rendement le mode de gestion de l azote des r sidus du sol et des plantes Souvent le rendement potentiel est largement surestim entra nant un exc s de fertilisation Pour un champ un climat et une ann e donn s la relation rendement v g tal azote appliqu est une courbe que l on peut consid rer comme unique L augmentation du rendement v g tal par unit d azote apport d cro t jusqu tre nul puis n gatif Le rendement maximal est ainsi unique Par ailleurs la relation rendement v g tal azote pr lev est une relation lin aire jusqu atteindre un plateau Des objectifs r alistes de rendement doivent aussi tre fix s comme la moyenne des rendements des 5 derni res ann es plus 5 Le potentiel de nitrates lessivables augmente proportionnellement la non utilisation de l azote par la plante Un exc dent de nitrates dans la zone racinaire doit tre vit quand le sol est vuln rable au lessivage par un exc s de pluie ou d irrigation Toutes les sources d azote utilisables par les plantes doivent tre prises en compte Il est aussi tr s difficile de donner une efficacit maximale l azote sans avoir des pertes de nitrates Cependant il est r aliste de penser qu une fertilisation e
79. pour l ensemble des sols chaque pas de temps journ e la teneur en eau de chaque couche d termine ainsi les processus hydriques pouvant y avoir lieu et leur importance respective HydriFlux prend en compte les pr cipitations la fonte de la neige l infiltration le ruissellement le pr l vement d eau par la culture l vaporation la percolation le lessivage vers la nappe souterraine et le drainage artificiel Au choix de l usager HydriFlux utilise les valeurs de pr cipitations journali res r elles ou peut en g n rer stochastiquement partir des donn es moyennes mensuelles L outil semi empirique de gestion Sylvie est d velopp sp cifiquement pour le contexte sylvicole qu b cois Pour cela des sc narios types ont t s lectionn s puis simul s l aide d HydriFlux Ces sc narios ont pris en compte les diff rents climats et sols typiques du Qu bec ainsi que les caract ristiques des cultures et les pratiques culturales les plus fr quentes Pour le fonctionnement d HydriFlux trois groupes de param tres sont requis concernant des caract ristiques climatiques p dologiques et culturales Ainsi dix climats Environnement Canada 1984 neuf textures de sol Rawls et Brakensiek 1989 et cinq cultures types ont t s lectionn s et param tris s Les combinaisons de toutes ces Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 35 caract ristiques repr sentent 900 situations types en incl
80. processus m canismes tout en incorporant la variabilit spatiale des param tres contr lant ces processus L approche stochastique utilis e dans AgriFlux permet d inclure la variabilit spatiale r elle mesurable des param tres et de prendre en compte l incertitude existant pour les param tres difficilement mesurables ou dont l valuation est incertaine Chaque param tre est d fini au moyen de sa distribution statistique mesur e ou estim e distributions discr te uniforme normale lognormale ou asym trique L approche Monte Carlo est utilis e pour g n rer un grand nombre de simulations d un m me sc nario statistique en s lectionnant une nouvelle combinaison des diff rents param tres chaque simulation AgriF lux repr sente les ph nom nes l chelle de la parcelle Il permet la d finition d un profil de sol pr sentant diff rents horizons ou couches de caract ristiques diff rentes Le pas de temps utilis dans tous les calculs est la journ e Les processus hydriques sont g r s dans les diff rentes couches du sol r servoirs en utilisant une repr sentation de l coulement non satur bas e sur l quation de Richards 1931 et sur l approximation de la conductivit hydraulique non satur e par la fonction cubique de Irmay 1957 cit e par Bear 1972 Cette fonction qui ne n cessite que la connaissance des valeurs de capacit au champ et de point de fl trissement est reconnue comme tant assez fiable
81. r les exp rimentations au champ et pour analyser les facteurs Nortcliff 1986 Cette quation EUPS a subi quelques modifications par Williams 1975 in Williams et Berndt 1977 qui remplace le facteur d nergie de pluie par celui de ruissellement Ainsi sa nouvelle expression est la suivante Y 118 Q qp K C P LS o Y s diments apport s lors d un v nement individuel Q volume de ruissellement lors de cet v nement qp taux de ruissellement K facteur d rodabilit du sol C facteur agricole pour les couvertures du sol et les r coltes P facteur des pratiques anti rosives LS facteur de pente concernant son gradient et sa longueur Comme il a t signal par Williams et Berndt 1977 le volume du ruissellement peut tre d termin par un mod le bas sur la technique des num ros de courbe Curve number d velopp e aux tats Unis par le service de conservation des sols SCS USDA et tenant compte de l indice d humidit du sol L expression du volume de ruissellement journalier peut tre d crite ainsi Q R 0 2s R 0 8s o Q ruissellement journalier R pluie journali re s param tre de r tention L application de cette quation universelle modifi e certains bassins versants aux USA a permis de conclure que la pr cision des pr dictions augmente g n ralement avec la diminution de la surface du bassin puisqu une pluie en un certain lieu est plus repr sentative quand la surface
82. ratiques culturales o il y a maintien de couvert v g tal et une plus grande stabilit structurale du sol Selon Schepers et Fox 1989 les pertes environnementales d azote par les s diments transport s par ruissellement peuvent avoir lieu sur une longue p riode expliquant leur important r le nutritionnel pour la croissance des algues qui m ne g n ralement l eutrophisation des eaux de surface Lowrence 1992 indique que suite un ruissellement important en surface et en subsurface hiver et printemps les pertes d azote par l coulement de subsurface taient domin es par les nitrates 97 et le reste constitu par l azote organique et l ammonium Pour le ruissellement de surface ces pertes taient constitu es de 29 de nitrates 11 d ammonium et 60 d azote organique D autres auteurs Jackson et al 1970 Dunigan et al 1976 in Dunigan et Dick 1980 ont indiqu que l ammonium constitue la premi re forme de l azote pouvant tre perdue par ruissellement de surface Dunigan et Dick 1980 Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 4 expliquent que les pertes de nitrates par ruissellement de surface sont inf rieures celles d ammonium car les nitrates peuvent migrer facilement dans le sol avec l infiltration des eaux de pluie Ainsi d s les premiers instants les nitrates s infiltrent et seule une faible quantit restera en surface et pourra g n rer une perte par ruissellement L
83. rces diffuses qui proviennent de l pandage des pesticides Les cas de contamination des eaux souterraines par les pesticides se sont multipli s au Canada durant cette derni re d cade Environnement Canada 1985 Environnement Ontario 1985 Au Qu bec des cas ont pos des probl mes conomiques et soulev des questions de sant importantes Environnement Qu bec 1987 Environnement Canada 1986 Dans le cas du r seau hydrographique de surface on a d cel des concentrations en herbicides dans les eaux d approvisionnement de plusieurs municipalit s Ayotte 1987 Ces d gradations de la qualit de l eau sont de plus en plus per ues comme une priorit au Canada et les actions de conservation deviennent une pr occupation importante FSAA 1988 CPVQ 1990 L volution des syst mes de culture au Qu bec a t caract ris e durant les trente derni res ann es par l intensification de la productivit agricole Parall lement une conscience de plus en plus importante de la n cessit de pr server la qualit du milieu s est manifest e tant chez les gestionnaires que chez les consommateurs Cette gestion de la qualit des ressources sol eau plante est particuli rement complexe lorsqu elle est associ e aux objectifs de maintien du rendement des cultures Dans les ann es 60 80 les pratiques intensives de monoculture continue ont favoris l emploi massif d herbicides dont l impact r el sur les divers l ments des agro
84. rnali re dans l valuation du bilan hydrique effectu avec un chiffrier de conception plus simple fonctionnant sur une base annuelle Le bilan des nutriments est calcul dans le chiffrier partir de l information entr e par l utilisateur La repr sentation adopt e dans SYLVIE pour les transformations de l azote est bas e sur les connaissances actuelles dans le domaine mais comporte un certain nombre de simplifications ayant pour but de limiter les donn es d entr e n cessaire au fonctionnement du mod le Dans SYLVIE l azote est pr sent dans un ou plusieurs r servoirs reli s entre eux par des processus de transformations Le calcul du bilan des nutriments est effectu sur une base annuelle de m me que celui des pesticides 2 2 CHOIX DES PROCESSUS POUR LE BILAN DE L AZOTE Chacun des processus impliqu s dans le cycle de l azote repr sente un ph nom ne complexe dans lequel de nombreux facteurs interviennent Pour int grer le plus de processus possible dans SYLVIE il a faut simplifier les facteurs pris en compte Les facteurs retenus sont le reflet de l information disponible l utilisateur Les paragraphes suivants d crivent les processus et les facteurs consid r s Le ruissellement de nutriments est la perte des fertilisants la surface du sol caus e par le ruissellement de l eau Les nitrates sont tr s solubles dans l eau et peuvent tre entra n s hors du champ sous forme de solut s dans l eau de ruissellement
85. rt scientifique INRS Eau 442 Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p i TABLE DES MATI RES INTRODUCTION ss RS ce es td Bee oO e ee 1 CHAPITRE 1 APPROCHES D VALUATION QUANTITATIVE DES PERTES ENVIRONNEMENTALES D AZOTE DANS LES CULTURES 2 1 1 EVALUATION DES PERTES DE NUTRIMENTS PAR RUISSELLEMENT ET EROSION a dl AR La e 4 1 1 1 Processus impliqu s dans les pertes par ruissellement et rosion 4 1 1 2 Revue des mod les math matiques de simulation du ruissellement et de l roSION 52 2 saubi da Len Rana R aria Rd 26 4 5 1 1 3 Exemple du mod le EPIC 3 shine nee bs 10 1 1 4 Exemple du mod le CREAMS 11 11 5 DISCUSSION i MR NE an O ERR aan ae sae eine 12 1 2 VALUATION DES PERTES D AZOTE PAR LESSIVAGE 14 1 2 1 Processus impliqu s dans les pertes par lessivage 14 1 2 2 Revue des mod les math matiques de simulation du lessivage 15 1 2 3 Exemple d un mod le de recherche de type m caniste le mod le SOIL SOILN Uppsala Su de 17 1 2 4 Exemple d un mod le de gestion de type m caniste conceptuel le mod le HydriFlux NitriFlux AgriFlux INRS Eau Qu bec 18 125 DISCUSSION Sieh eso a PE A NAAA ATA NTI dos 20 1 3 L MENTS D UN BILAN ENVIRONNEMENTAL AGRO SYLVICOLE 20 1 3 1 Notions et approches pour un bilan environnemental et agro s
86. s hypoth ses concernant les processus ils privil gient la pr cision le r alisme et la fiabilit mais au prix d une complexit extr me d un nombre important de param tres et de temps de calcul souvent consid rables m me avec des machines puissantes Ainsi leur utilisation dans un contexte de gestion est elle compromise si ce n est impossible cause de ces temps lev s de calcul et du nombre important de param tres n cessaires pour la mod lisation et qui sont rarement mesur s au champ A l oppos les mod les de gestion se veulent des outils destin s tre utilis s par des intervenants non n cessairement sp cialistes de la mod lisation Les mod les existants sont cependant principalement destin s l optimisation fertilisation rendement des cultures Aucun n a t sp cifiquement d velopp dans un objectif environnemental c est dire pour minimiser l impact de la fertilisation sur le sol et l eau souterraine G n ralement leur traitement math matique est simple et souvent bas sur les r gressions de comportements observ s durant les ann es pr c dentes Souvent destin s un type de culture et sp cifiques un site ces mod les sont peu exigeants en donn es d entr e et s av rent pratiques dans un cadre d application sp cifique Le cycle de l azote est d une extr me complexit Compte tenu de l insuffisance des Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 15 con
87. s sur la pr sence ou le lessivage des nitrates mais indique quand les nitrates peuvent tre mobilis s s il y en a et quelle est la profondeur qu ils peuvent atteindre La diff rence de l analyse v nement par v nement avec l analyse mensuelle est le pas de temps de calcul Les calculs des bilans d eau et d azote se font avec les m mes formules mais avec des pas de temps variables Les param tres calcul s sont les m mes que pour l analyse mensuelle et les r sultats sont aussi annuels Ce troisi me niveau d analyse accepte la possibilit de la saisie de certaines donn es climatiques journali res pluie irrigation les autres param tres climatiques demeurant mensuels De plus cette analyse accepte des donn es concernant les conditions ant rieures de l aquif re et des Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 24 cultures pour tablir le bilan environnemental Cet outil est essentiellement qualitatif Dans l analyse annuelle il ne fournit pas de valeur quantitative interpr table mais seulement des indices de risques Ces indices sont difficilement interpr tables et peuvent dans de nombreux cas rendre inutile l valuation puisqu il est impossible de comparer ces r sultats soit des valeurs r elles mesur es au champ soit des normes pour statuer du niveau r el des risques de contamination Pour les analyses mensuelles ou par v nements l information n cessaire devant tre fournie
88. sivage permet de trouver un indice de l azote lessiv En faisant intervenir les principales caract ristiques de l aquif re impliqu on trouve qualitativement un indice de risque potentiel de lessivage annuel L indice de lessivage est calcul en fonction de la pluie totale annuelle de la pluie des mois d octobre mars et du groupe hydrologique du sol Pour le calcul de l azote disponible pour lessivage deux m thodes sont propos es partir du calcul de l azote pr lev par la plante Dans la premi re m thode l azote pr lev par la plante est fonction des apports de chaque source et des coefficients d utilisation suppos s connus de l utilisateur La deuxi me m thode utilise des donn es de gestion agricole type de culture apport Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 23 d engrais rendement et des caract ristiques du sol pour calculer ce pr l vement d azote par la plante Les valeurs obtenues pour l azote disponible pour lessivage sont modifi es qualitativement pour tenir compte de la d nitrification de la volatilisation et du ruissellement Ensuite la quantit d azote lessiv e est calcul e qualitativement Enfin avec les r sultats obtenus et les donn es concernant l aquif re NLEAP calcule qualitativement l indice de risque potentiel de lessivage annuel Les calculs peuvent tre r alis s en m me temps pour une ann e normale relativement s che ou relativement humide Dans
89. st fonction de la date de fertilisation de la classe texturale et la quantit de N inorganique pr sente dans le sol Le pr l vement est l absorption de N inorganique contenu dans le sol par les plantes pour satisfaire leurs besoins nutritionnels Les facteurs pris en compte dans SYLVIE sont la date de fertilisation le type de culture besoins sp cifiques des plantes et l abondance relative du nutriment La fixation est l absorption de N atmosph rique par les racines des plantes pour combler leurs besoins nutritionnels Seul le type de culture intervient dans ce processus le N atmosph rique tant consid r comme non limitant Le lessivage est la perte de nutriments vers la nappe phr atique Seuls les nitrates solubles dans l eau peuvent tre affect s par ce processus Cette perte de nutriments est fonction du volume d eau lessiv e et de la solubilit relative des l ments lessivables La r colte est la fraction de nutriments pr lev s par les plantes qui est export e du champ La r colte est fonction du type de culture et donc des l ments pr lev s durant la p riode de croissance Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 30 Dans SYLVIE l incorporation des r sidus v g taux est la seule voie par laquelle les nutriments organiques sont r incorpor s au sol Les r sidus v g taux comprennent les restes de culture laiss s au champ ou les apports de mati res v g tales Les l
90. stad 1984 Des r sultats satisfaisants ont t obtenus concernant la simulation par ces mod les de l rosion et du ruissellement Freeze 1978 Band 1985 Cependant comme l ont indiqu certains auteurs Stephenson et Freeze 1974 Betson et Ardis 1978 Julien et Simons 1985 in Mathier 1991a du fait de l insuffisance des donn es pour le calage de ces mod les du manque de connaissances li es la variabilit spatiale des param tres et l identification des quations de transport des s diments l utilisation de ces mod les reste encore limit e Plusieurs mod les d terministes ont t labor s par des chercheurs dans divers domaines pour pr dire le ruissellement et l rosion Les plus connus sont CREAMS Chemicals Runoff and Erosion from Agricultural Management Knissel 1980 ANSWERS Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation Beasley et al 1980 EPIC Erosion Productivity Impact Calculator Williams et al 1984 SWRRB Simulator for Water Resources in Rural Basins Williams et al 1985 AGNPS AGricultural NonPoint Source Young et al 1989 Ces mod les ont t d velopp s pour la repr sentation du ruissellement et de l rosion en milieu agricole ou pour r soudre diff rents probl mes sp cifiques Bingner 1990 Selon cet auteur chacun de ces mod les est plus sp cifiquement destin la simulation des ph nom nes pour une certaine grandeur de surface
91. t Paustrian K 1987 Simulation of nitrogen dynamics and losses in a layered agricultural soil Agriculture Ecosystems 8 Environment 18 333 356 Jones C A Cole C V et Sharpley A N 1985 Simulation of nitrogen and phosphorus fertility in the EPIC model Soil Erosion and Conservation dit par El Swaify S A Moldenhauer et Andrew Lo Ankey lwoa Soil Conservation Society of America pp 307 315 Julien P Y et Simons D B 1985 Sediment transport capacity of overland flow American Society of Agricultural Engineers vol 28 pp 755 762 Jury W A W R Gardner P G Saffigna C B Tanner 1976 Model for predicting simultaneous movement of nitrate and water through a loamy sand Soil Sci 122 36 43 Khakural B R et P C Robert 1993 Soil nitrate leaching potential indices using a simulation model as a screening system J Environ Qual 22 839 845 Knissel W G Ed 1980 CREAMS A field scale model for chemicals runoff and erosion from agricultural management system Conservation Research report 26 US Dep Agric Washington DC Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 58 Koskinen W C and Harper S S 1990 Soil Sci Soc Am Book Series no 2 pp 51 77 Lafrance P Ait ssi L Banton O Campbell P G C and Villeneuve J P 1988 Water Pollut Res J Canada 23 2 253 269 Lafrance P Banton O Mazet M Ayele J and Delage L 1992 Int Conf on Organic S
92. t une culture appropri es donneront des pertes minimales et une production optimale Le but de la gestion de l azote est d une part de minimiser les pertes par lessivage protection de l environnement et d autre part de maximiser l efficacit des engrais rendement agricole De nombreux l ments doivent tre pris en compte pour l valuation du potentiel de lessivage reli la dynamique de l eau Les donn es n cessaires une m thode de bilan doivent par ailleurs tre simples pluie moyenne annuelle caract ristiques principales du sol et des cultures Le r sultat est alors la percolation moyenne annuelle potentielle pour un site particulier On doit r aliser l valuation du bilan de l azote dans le sol et de son volution dans le temps en rapport avec la dynamique du cycle de l azote dans le syst me sol plante Dans l valuation du bilan de l azote du sol les entr es d azote par les fumiers sont souvent difficiles estimer cause de leur composition variable de la m connaissance des doses Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 22 d apports de la variabilit spatiale et de la variation de leur teneur en nutriments volatilisation d nitrification Il faut id alement analyser les fumiers juste avant l application afin que la quantit appliqu e soit homog ne et connue L objectif de l analyse du risque de lessivage est de quantifier le potentiel de lessivage sous la zone racina
93. taill e sur les diff rents param tres et leur interactions est pr alablement n cessaire tout en tenant compte de la variation de ces param tres en fonction de l chelle spatiale et temporelle Les difficult s associ es l application des approches globales qui sont g n ralement utilis es pour des parcelles agricoles telles que l quation universelle de pertes ont fait Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 13 que des quations math matiques am lior es ont t d velopp es Celles ci sont bas es sur des principes fondamentaux concernant la m canique de l rosion le transport des s diments et l coulement des fluides Ainsi plusieurs mod les ont t con us sur ces principes permettant de r aliser des simulations pour le ruissellement et l rosion diff rentes chelles de mesure spatiales et temporelles Cependant ces diff rents mod les exigent l acquisition de nombreuses donn es qui sont rarement disponibles et souvent difficiles valuer ou mesurer L utilisation d un mod le pour pr dire les pertes associ es au ruissellement et l rosion devrait aussi tenir compte des variations spatiales et temporelles de ces processus ainsi que des caract ristiques du bassin versant Mathier 1991a a signal que les donn es n cessaires pour caler une quation du transport des s diments qui soit facile utiliser dans les mod les hydrologiques sont insuffisantes Aussi
94. taille a montr que les variations temporelles du ruissellement et de l rosion sont dues aux variations simultan es entre l tat du couvert v g tal et l tat du sol et que les principaux facteurs des variations spatiales sont la taille et la forme des versants D autres auteurs ont mentionn aussi la relation importante qui lie ces variations d chelle spatio temporelle aux param tres influen ant le taux de ruissellement et d rosion Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 14 Douglas 1976 Anderson et al 1981 1 2 VALUATION DES PERTES D AZOTE PAR LESSIVAGE 1 2 1 Processus impliqu s dans les pertes par lessivage Les principaux processus affectant le transport et le destin des esp ces azot es dans la zone non satur e du sol sont l advection la dispersion la r tention et les transformations du cycle de l azote Ces processus ont fait l objet d intenses efforts de mod lisation num rique pour la pr vision du mouvement des nitrates dans la zone non satur e et celle de leur lessivage vers les nappes phr atiques Jury et al 1976 Wagenet 1980 Rao et al 1984 White 1987 Les mod les de recherche d velopp s sont nombreux et sont utilis s par des scientifiques pour des fins de recherche plus fondamentales qu appliqu es lls sont bas s sur les connaissances les plus pr cises et actuelles concernant les processus de transport et de transformation de l azote Destin s v rifier le
95. teractions parfois synergiques _ Le ph nom ne d rosion en culture r sulte de l entra nement des particules de sol par le ruissellement des eaux de pluie le long des pentes Mettauer et al 1979 Dub 1975 Ceci peut se faire soit d une mani re diffuse appel e rosion en nappe soit sous formes d rosion en rigoles ou en ravins D autre part les activit s humaines tendent acc l rer le ph nom ne d rosion des sols entre autres par certaines pratiques culturales Sundburg Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 5 et White 1986 Selon Bolline et al 1978 les principaux facteurs responsables du ph nom ne rosif sont les suivants l rosivit des pr cipitations r sultant de l effet combin de l impact des gouttes de pluie et du ruissellement les pentes intervenant par leur indice d inclinaison le couvert v g tal repr sent par les cultures utilis es le type de sol L interaction de ces facteurs peut expliquer leur r le important dans les variations spatiales et temporelles du ruissellement et de l rosion observ es Mathier 1991a Parmi les effets de l rosion hydrique Dub 1975 on peut consid rer la perte de sol arable la perte d infiltration cause de la r duction de la perm abilit du sol ou de la capacit de r tention la s dimentation et la perte d l ments nutritifs 1 1 2 Revue des mod les math matiques de simulation du ruisselle
96. tion la plus compl te et exacte possible de la r alit Les mod les PRZM Carsel et al 1984 et LEACHM Wagenet et Hutson 1989 en sont des exemples Ces mod les qui sont g n ralement tr s performants et r alistes ont cependant le d faut de n cessiter beaucoup de param tres dont plusieurs sont difficiles voire pratiquement impossibles mesurer Ces param tres repr sentent par ailleurs des processus bien souvent plus th oriques que physiques pour lesquels la recherche n en est qu ses d buts l oppos des mod les empiriques ont t labor s visant plut t int grer de fa on simplifi e un ensemble de processus sans les diff rencier Ils sont souvent d velopp s pour r pondre des besoins tr s sp cifiques et chaque nouvelle application leurs param tres qui ne repr sentent pas une r alit physique et mesurable doivent tre ajust s par calage chaque nouvelle r alit repr senter Selon Carsel et al 1984 afin d tre utilis en gestion environnementale un mod le devrait tre bas le plus possible sur la repr sentation de processus reconnus dans la litt rature repr senter le plus efficacement possible la r alit et utiliser un minimum de param tres Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 51 Dans cette optique le logiciel VulPest Villeneuve et al 1987 avait t d velopp INRS Eau Destin l valuation de la vuln rabilit des e
97. ture de base de celui ci texture initiale r elle est d cal e vers une texture plus grossi re ou plus fine texture apparente de calcul Cette d marche de simplification rationalisation a permis de r duire 60 2 climats x 3 textures x 5 cultures x 2 pentes le nombre de sc narios de base simul s avec HydriFlux dont l information doit tre conserv e dans l outil de gestion SYLVIE Cette information consistant en flux d eau lessiv e et ruissel e pour chacun des sc narios est stock e sous forme de tableaux l int rieur desquels sont effectu es de simples interpolations pour l valuation des flux sp cifiques un quelconque sc nario Les informations demand es par SYLVIE en regard du bilan en eau se limitent ainsi au choix de l un des dix climats propos s de l une des neufs textures de sol et de l une des cultures propos es l identification des travaux de sol parmi une liste de travaux potentiels et la d claration de la pente du sol Cette information est donc tr s simple et constitue dans tous les cas l information minimale toujours connue pour le sc nario hydro p dologique valuer Une telle simplicit de l information requise convient bien un outil de gestion visant entre autres une valuation rapide et parfois pr liminaire de sc narios pour lesquels l information d taill e n est pas toujours disponible ou facile obtenir Malgr le peu d informations demand es les flux annuels d eau ruissel e et
98. uant 2 valeurs de pentes Par ailleurs il est n cessaire de prendre en compte l effet des pratiques de travail du sol sur le bilan en eau du sol Le nombre d informations r sultant des simulations d HydriFlux et devant tre potentiellement conserv es et g r es par l outil de gestion SYLVIE appara t donc tr s lev et prohibitif pour un outil de gestion Il est donc n cessaire de limiter les r sultats des sc narios tout en conservant l essentiel de l information Afin de r aliser cette rationalisation de l information une tude des r sultats obtenus l aide d HydriFlux a t r alis e Des simulations pr alables l aide d HydriFlux ont montr que les flux d eau ruissel s la surface du sol et lessiv s vers la nappe varient globalement de fa on lin aire avec la pluie totale annuelle pour une paire de texture et de culture donn e fig 1 L obtention d un tel r sultat variation globalement lin aire est en grande partie attribuable la relative homog n it climatique de l ensemble des r gions du Qu bec simul es Pour chaque couple de texture et de culture une droite de r gression est ainsi obtenue repr sentant le volume annuel d eau ruissel e en fonction de celui pr cipit et de m me pour celui lessiv Ces droites de r gression peuvent tre d finies l aide d une quation math matique ou par une interpolation entre deux climats fictifs situ s aux extr mit s de ces droites Dans l outil de
99. ubstances in Soil and Water September 14 17 Lancaster U K Lowrence R 1992 Nitrogen Outputs from a Field Size Agricultural watershed J Environ Qual vol 21 pp 602 607 Marineau L Lafrance P and Villeneuve J P 1991a First Int Conf on Water Pollution Modeling Measuring and Prediction Wrobel amp Brebbia eds Comput Mech Pub Elsevier Appl Sci 413 426 Marineau L Lafrance P Villeneuve J P Fabre B Ayele J et Mazet M 1991b 7 Congr s r gional de l Est Ass Can Rech Poll Eau et Ma trise 16 sept 1991 Rimouski Qu bec Marsalek J 1989 Modelling agricultural runoff Overview Sediment and the Environment Proceeedings of the Baltimore Symposium IAHS no 184 pp 201 209 Martin D G Jennings J Schepers 1988 Modeling irrigation and nitrogen management In D R Hay Ed Planning now for irrigation and drainage in the 21st century Irrigation and Drainage Div of ASCE NY Mathier L Roy A G et Par J P 1989 The effect of gradient and length of the parameters of a sediment transport equation for Sheetwash Catena vol 16 pp 545 558 Mathier L 1991a Variations spatiales et temporelles des param tres d une quation de transport des s diments par le ruissellement de surface du versant exp rimental au champ agricole Th se de doctorat Universit de Montr al Mathier L et Roy A G 1991b Temporal and spatial variations of runoff and rainwash erosion on an a
100. ur une base journali re Leur calcul par la partie SOIL n cessite la d claration de nombreuses variables dont certaines sont aussi tr s difficiles obtenir 1 2 4 Exemple d un mod le de gestion de type m caniste conceptuel le mod le HydriFlux NitriFlux AgriFlux INRS Eau Qu bec De conception tout fait diff rente le mod le HydriFlux NitriFlux logiciel AgriFlux Banton et al 1993 a t sp cifiquement d velopp pour des fins de gestion pour le b n fice du minist re de l Environnement du Qu bec Cet outil destin une utilisation pratique en Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 19 intervention environnementale ou agronomique r pond des crit res de d veloppement sp cifiques Ce mod le est fiable et bas sur la repr sentation physique et bio chimique des ph nom nes II requiert un nombre de param tres raisonnable et d obtention facile mesure ou valuation malgr le fait qu il prenne en compte la majorit des processus contr lant le devenir de l azote dans le sol Son interface usager conviviale en permette une utilisation ais e AgriFlux permet la d finition d un profil de sol pr sentant diff rents horizons ou couches de sol de caract ristiques diff rentes A l int rieur de chaque couche du sol on retrouve les r servoirs de formes organiques liti re fumier f ces et humus et inorganiques ammonium et nitrates de l azote La min ralisation l immo
101. utriments d imprimer un tableau avec tous les r sultats de toutes les ann es calcul es avec des flux cumul s de visualiser les graphiques de flux cumul s et de revenir au menu principal Avec la touche des graphiques de flux cumul s un menu est propos sur lequel il faut choisir la derni re ann e utiliser pour les graphiques et les nutriments repr senter Chaque graphique peut tre imprim apr s avoir fait une mise en page personnalis e Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p 33 CHAPITRE 3 CALCULS DES FLUX D EAU ET D AZOTE POUR LE D VELOPPEMENT DU LOGICIEL SYLVIE Les flux d eau et d azote sont calcul s pr alablement l aide du logiciel AgriFlux modules HydriFlux et NitriFlux Un grand nombre de sc narios repr sentant l ensemble des conditions possibles est r alis L information est ensuite agr g e et trait e statistiquement Les r sultats obtenus et les relations statistiques d crites sont alors int gr es dans l outil SYLVIE pour la r alisation du bilan environnemental 3 1 CALCULS DES FLUX D EAU Afin de limiter le plus possible le nombre de param tres requis par l outil de gestion tout en exploitant au mieux les principes th oriques utilis s dans les mod les de simulation plus complexes une approche particuli re de simplification et de rationalisation peut tre r alis e Cette approche consiste appliquer un outil de simulation complexe sur un tr s grand
102. valeurs Les cv obtenus sont par ailleurs conformes aux valeurs rapport es dans des tudes similaires et dans la litt rature 3 2 2 Calcul des flux de nitrates par ruissellement et lessivage Les flux de nitrates par lessivage et ruissellement et des concentrations correspondantes ont t simul s par AgriFlux pour les trois parcelles tudi es Les diff rences entre les parcelles se situent principalement au niveau de la fertilisation puisque l une des trois a re u un amendement de tourbe et l autre de compost Les contenus initiaux en humus ont t d clar s 62000 2610 et 870 kgN ha respectivement pour les trois horizons du sol de la parcelle B40 2 t moin et de la B40 3 tourbe et 7500 2610 et 870 kgN ha pour la parcelle B41 5 compost Les contenus initiaux en N NH ont t respectivement fix s 2 8 kgN ha pour les trois horizons des deux premi res parcelles et 8 3 kgN ha pour la troisi me les contenus initiaux en N NO tant respectivement 2 9 et 2 0 kgN ha pour ces cas Les fertilisations annuelles appliqu es ont fourni des doses de N NH et de N NO respectivement de 104 3 et 88 6 kgN ha en 15 applications pour les parcelles B40 2 et B40 3 et de seulement 25 9 et 10 1 kgN ha en deux applications pour la parcelle B41 5 Pour la parcelle B40 3 un apport de 130 m ha de tourbe a fourni 655 kgN ha de liti re Pour la parcelle B41 5 l apport de compost a fourni 461 kgN ha de liti re Les r sultats sont pr
103. ylvicole 20 1 3 2 Exemple de NLEAP logiciel d analyse environnementale lessivage des nitrates 22 1 4 DISCUSSION GENERALE SUR LES MOD LES D VALUATION 24 Pertes d azote et pesticides en p pini res INRS Eau rapport 1 p ii CHAPITRE 2 STRUCTURE ET DEVELOPPEMENT DE L OUTIL 27 2 1 STRUCTURE G N RALE DE L OUTIL 27 2 2 CHOIX DES PROCESSUS POUR LE BILAN DE L AZOTE 28 2 3 DONN ES D ENTR E ET CRANS DE SAISIE 30 2 4 ALGORITHMES DE CALCUL 0 0 0 31 257 R SULTATS a a a bso 32 CHAPITRE 3 CALCULS DES FLUX D EAU ET D AZOTE POUR LE D VELOPPEMENT DU LOGICIEL SYLVIE 33 3 1 CALCULS DES FLUX D EAU v s 3 or 33 3 2 CALCULSDESFLUXD AZOTE ceros d s ant td been 39 3 2 1 Acquisition de param tres de sol caract ristique de p pini re 39 3 2 2 Calcul des flux de nitrates par ruissellement et lessivage 44 CHAPITRE 4 D VELOPPEMENT DE LA PARTIE PESTICIDE DU LOGICIEL SYLVIE ore lie RE B esa o sd 48 4 1 PERTES ENVIRONNEMENTALES DE PESTICIDES ET HERBICIDES 48 4 2 VALUATION DES RISQUES DE CONTAMINATION 49 4 3 DESCRIPTION DES PROCESSUS ET PARAM TRES 53 R F RENCES BIBLIOGRAPHIQUES 55 Pertes d azote et pesticides en p pini res

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