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Modélisation hydrologique d’un micro-bassin agricole drainé : analyse des performances de modèles couplant eaux de surface et eaux souterraines.

Muma, Mushombe (2015). Modélisation hydrologique d’un micro-bassin agricole drainé : analyse des performances de modèles couplant eaux de surface et eaux souterraines. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 289 p.

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Résumé

Dans leur forte connexion à l’eau, les humains ne cessent d’améliorer leur compréhension des processus hydrologiques afin de mieux planifier, développer et gérer les ressources en eau. L’atteinte de ces objectifs nécessite une bonne compréhension du fonctionnement des systèmes hydrologiques. Le but ultime de cette recherche était d’analyser l’impact des drains souterrains agricoles sur le fonctionnement hydrologique d’un petit bassin versant au moyen d’une modélisation hydrologique tridimensionnelle (3D) sous deux aspects. Le premier aspect a concerné la modélisation des processus hydrologiques à l’échelle du micro-bassin et le second a été celui de simuler les débits écoulés à la sortie d’un système de drainage souterrain artificiel à l’échelle d’une parcelle. Étant donné que le modèle tridimensionnel est complexe (caractérisé par plusieurs paramètres), une analyse de sensibilité globale du modèle hydrologique CATHY a été réalisée afin d’identifier les propriétés hydrodynamiques (paramètres) du sol qui influencent le plus l’écoulement aux systèmes de drainage souterrain agricole et celui sortant du micro-bassin. Cette analyse, constituant le premier objectif de la thèse, a été menée avant la modélisation des processus hydrologiques du micro-bassin (deuxième objectif). Afin d’atteindre le premier objectif, deux méthodes d’analyse de sensibilité globale fondées sur le principe de décomposition de la variance, à savoir les méthodes FAST99 et Sobol2002, ont été utilisées. Les résultats obtenus ont permis d’observer que la conductivité hydraulique horizontale à saturation dans les couches sous les drains était la propriété hydrodynamique la plus influente sur les variables de sortie. Cette étude a ainsi démontré que des efforts devraient être mis sur la caractérisation de l’anisotropie du sol, car celle-ci n’est pas à négliger lors d’une modélisation hydrologique tridimensionnelle. Le deuxième objectif, qui abordait les processus hydrologiques à l’échelle du micro-bassin au moyen du modèle CATHY, a permis de vérifier si ce modèle pouvait reproduire les effets du drainage souterrain sur les écoulements et d’utiliser le modèle pour mieux comprendre l’impact des propriétés hydrodynamiques des sols sur l’hydrologie du micro-bassin du Bras d’Henri (Québec). Les écoulements simulés par CATHY corroboraient bien les approches traditionnelles de design du drainage souterrain. Ils étaient aussi fidèles aux écoulements mesurés à l’exutoire du micro-bassin pour des années aux précipitations élevées. Du fait que dans la version originale du modèle CATHY, le prélèvement de l’eau du sol par l’évapotranspiration se fait uniquement à la surface du milieu poreux, avant d’aborder le second aspect de cette thèse qui consiste à comparer la simulation des débits écoulés à un système de drainage par les modèles CATHY et DRAINMOD (modèle à base physique unidimensionnel largement utilisé à travers le monde pour simuler l’hydrologie des sols artificiellement drainés, équipé du processus d’évapotranspiration), un module racinaire d’extraction de l’eau dans le modèle CATHY a été introduit afin d’y améliorer la représentation du processus d’évapotranspiration (troisième objectif). Pour ce faire, quatre modèles empiriques verticaux de distribution de densité racinaire, appliqués à deux cultures annuelles (maïs, Zea mays, et soja, Glycine max) très souvent en alternance sur un champ sélectionné dans le micro-bassin, ont été étudiés. Ceci a permis d’évaluer l’effet d’extraction de l’eau du sol par des cultures sur la variation du volume emmagasiné cumulé, le volume net cumulé à la limite du domaine d’écoulement et aux systèmes de drainage souterrain. Les résultats ont révélé que le module racinaire d’extraction de l’eau du sol induisait entre autres la réduction de la quantité d’eau sortant à la limite du domaine d’écoulement et de celle aux réseaux de drainage, et l’augmentation de celle sortant du milieu poreux. Enfin, le quatrième objectif de la thèse visait à évaluer la capacité du modèle CATHY à simuler les écoulements mesurés à la sortie d’un réseau de drainage agricole d’une parcelle du micro-bassin. Ce modèle a été évalué et comparé au modèle DRAINMOD. Les résultats ont montré que les performances de deux modèles étaient faibles au cours des périodes aux écoulements mesurés faibles. Une bonne performance a été observée pour des périodes aux écoulements mesurés plus élevés, et sans nul doute, DRAINMOD a produit des meilleurs résultats. L’analyse de l’impact de la conductivité hydraulique à saturation latérale de chaque couche sur l’écoulement sortant du système de drainage a montré que la couche de sol sous les drains souterrains était la plus influente aux deux modèles.

Abstract

In their strong connection to water, humans continue to improve their understanding of hydrological processes to better plan, develop and manage water resources. Achieving these goals requires a good understanding of hydrological systems dynamic. The ultimate goal of this research was to analyze the impact of agricultural tile drainage on the hydrological functioning of a small watershed using a three-dimensional hydrologic modeling (3D) in two aspects. The first one concerned the hydrological processes modeling at the micro-watershed scale and the second one was to simulate the tile-drain flows at a plot scale. Given that the 3D model is complex (involvement of several parameters), a global sensitivity analysis of CATHY hydrological model was conducted to identify soil hydrodynamic properties (parameters) that influence mostly: the tile-drain flows from agricultural subsurface drainage systems and the edge-of-micro-watershed flows. As first objective of the thesis, this analysis was done prior to micro-watershed hydrological processes modeling (second objective). To achieve the first objective, two global sensitivity analysis variance-based methods, namely FAST99 Sobol2002, were used. The results indicated that the lateral saturated hydraulic conductivity of the layers underlying the tile drainage systems was the most influential parameter with respect to output variables. Thus, characterization of soil anisotropy should not be neglected when applying a three-dimensional hydrological model. The second objective which got into the micro-watershed hydrological processes using CATHY model allowed checking whether the model could reproduce the effects of the subsurface agricultural drainage on streamflows and further to use the model for a better understand of the impact of soil hydrodynamic properties on the micro-watershed hydrology. Streamflows simulated by CATHY were consistent with the traditional subsurface drainage approaches. They corroborated as well as with the measured streamflows at the edge-of-micro-watershed. Due to the fact that in its original form, the process of evapotranspiration in CATHY model is represented as a boundary condition at the soil surface, before embarking into the second aspect of this thesis, which consisted to compare CATHY and DRAINMOD (one-dimensional physically-based model widely used around the world to simulate the hydrology of artificially drained soils, equipped with the evapotranspiration process) to simulate tile-drain flows of a plot within the micro-watershed, the approach was to introduce a root water uptake module in the CATHY model to improve the representation of evapotranspiration process (third objective) . To accomplish this objective, four empirical vertical root density distribution models, applied to two common annual crops very often alternately on a selected field in the micro-watershed (corn, Zea mays and soybean, Glycine max) were used. This allowed the evaluation of the effect of soil water uptake by crops on the cumulative volume of storage change, and the cumulative net flow volume at the flow domain boundary and to the tile-drain systems. The results revealed that the root water uptake module decreased the amount of water at the flow domain boundary and to the tile-drain systems, and increased the amount of water leaving the porous media among others. Finally, the fourth objective of the thesis was to evaluate the ability of CATHY to simulate tile-drain flows of a plot in the agricultural micro-watershed. This hydrological model was evaluated and compared to DRAINMOD. The results showed that the performances of both models were low during periods with low measured tile-drain flows. A good performance was observed for periods of higher measured tile-drain flows, and undoubtedly DRAINMOD produced better results. The analysis of the impact of the lateral saturated hydraulic conductivity of each soil layer on the tile-drain system flow confirmed that the soil layer underlying the tile-drain system was the most influential for both models.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Rousseau, Alain N.
Co-directeurs de mémoire/thèse: Gumiere, Silvio J.
Mots-clés libres: modélisation hydrologique; modèle CATHY; analyse de sensibilité; FAST99; Sobol2002; drainage souterrain; couplage des eaux de surface et eaux souterraines; domaine d’écoulement; transpiration des cultures; modèle de distribution de densité racinaire; modèle DRAINMOD
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 13 nov. 2015 20:39
Dernière modification: 25 nov. 2015 14:46
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2794

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