Le modèle WaterSed

Objectif

Modélisation du ruissellement et de l’érosion des sols
Simulation de modifications passées ou futures de l’occupation des sols ou des pluies
Evaluer l’impact d’actions de lutte contre le ruissellement et l’érosion des sols (aménagements d’hydraulique douce, mares)

Concept

Ruissellement hortonien et par saturation et érosion en nappe et concentrée
Sensibilité au ruissellement en lien avec la dégradation structurale de la surface du sol, sous l’action des pluies, de l’usage des sols et de la texture des sols
Système « expert » pour déduire les propriétés hydrodynamiques et érosive des paysages cultivés et naturels

Fonctionnement

Modèle distribué multi-échelle pour un évènement de pluie donné ou une séquence de pluie
Cartographie du volume de ruissellement, de la masse de terre érodée, hauteur de pluie nette, hauteur de pluie infiltrée, etc.

Données

Topographie (BD ALTI IGN, LIDAR, etc.) + modification anthropique des axes de ruissellement
Occupation des sols (RPG, BD TOPO, Corine Land Cover, etc.) + Pratiques culturales
Propriétés des sols (IGCS, BDAT, etc.)
Pluies observées / statistiques ; Pluies distribuées ou homogènes

Echelle de restitution

Maille du MNT (0,5m à 25m) adaptée en fonction de la surface du bassin versant et des objectifs de la modélisation

Principales limites

Modèle non hydraulique
Bilan hydrologique et sédimentaire à l’échelle de l’évènement
Vitesse approximée suivant les équations de Manning (approximation de la dimension temporelle)

Mise en oeuvre

Plugin dans SAGA GIS
Plugin additionnels de pré et post traitement dans SAGA GIS
Exécution en batch depuis R ou CMD

Les objectifs du modèle

Le modèle WaterSed (detaillé dans Landemaine et al., In press) est conçu pour modéliser le ruissellement, l’érosion et les coulées de boue à l’échelle du bassin versant, de l’épisode pluvieux à l’échelle annuelle.
L’une des originalités du modèle est qu’il peut être utilisé pour modéliser simultanément le ruissellement par excès d’infiltration et par excès de saturation, ainsi que l’érosion et les transferts de sédiments qui y sont associés.
Il comprend des « règles d’expert » qui tiennent compte de la dégradation progressive de la surface du sol sous l’effet des précipitations.,(voir Grangeon et al., 2022 pour plus de détails), en fonction de l’utilisation et de la couverture des sols et de la texture du sol.
Il peut être utilisé pour modéliser les changements actuels ou futurs de l’utilisation des sols et de la couverture végétale ou les changements des régimes pluviométriques.
Les derniers développements incluent la possibilité de modéliser des solutions naturelles pour l’atténuation du ruissellement et de l’érosion (par exemple, les bordures, les étangs, les bandes herbeuses).

Applications du modèle

Le modèle a été appliqué à la modélisation du ruissellement et de l’érosion dans les bassins versants agricoles, (Landemaine et al., In press), analyse de la connectivité de l’eau et des sédiments (Baartman et al., 2020), analyse de scénarios dans le cas d’incendies de forêt (Grangeon et al., 2021) et la modélisation des cascades (Patault et al., 2021).

Connectivité de l’eau et des sédiments (Baartman et al., 2020)

Dans un exercice de comparaison de modèles réalisé avec des partenaires européens, il a été démontré que les aspects fonctionnels de la connectivité, plus particulièrement la pluviométrie, étaient plus importants que la connectivité structurelle. Plus important encore, les résultats globalement disparates des modèles concernant l’organisation du paysage (par exemple, la taille des champs, les modèles de répartition des cultures, les mesures de conservation) ont souligné l’importance primordiale d’une paramétrisation adéquate du ruissellement et de la production de sédiments, ainsi que des schémas de routage dans les modèles.

Analyse de scénario – Le cas des feux de forêt (Grangeon et al., 2021)

Le modèle WaterSed a été utilisé pour caractériser l’impact des incendies de forêt sur les transferts de sédiments. Plus généralement, les effets des « points chauds » de l’érosion sur la dynamique globale des bassins versants ont été analysés. Il a été démontré qu’ils peuvent contribuer de manière significative à la dynamique des bassins versants, soulignant l’importance d’une paramétrisation adéquate du modèle et d’une description correcte des sources de sédiments dans la modélisation à l’échelle du bassin versant. Nous avons également utilisé le modèle pour proposer et quantifier des scénarios de gestion des terres afin d’atténuer les effets délétères des incendies de forêt sur les transferts de sédiments.

Modélisation des cascades et analyse des scénarios – Gestion de l’utilisation des terres (Patault et al., 2021)

Le modèle WaterSed a été utilisé dans une approche de modélisation en cascade avec des réseaux neuronaux pour modéliser le ruissellement et les transferts de sédiments dans un bassin versant karstique, avec des résultats prometteurs. Une analyse de scénarios incluant des changements dans les pratiques agricoles et la mise en œuvre de solutions naturelles pour réduire le ruissellement et l’érosion a également été réalisée. Les résultats ont démontré l’efficacité du couplage de l’éco-ingénierie et des meilleures pratiques de gestion dans la réduction des transferts de sédiments.

Modélisation du ruissellement et de l’érosion dans les bassins versants agricoles (Landemaine et al., In press)

Dans cet article, le ruissellement et l’érosion ont été analysés sur 12 ans dans un bassin versant situé dans la ceinture de loess européenne. L’une des spécificités du modèle WaterSed est qu’il inclut à la fois le ruissellement par infiltration et le ruissellement par saturation. Nous avons utilisé cette spécificité pour démontrer l’importance de la prise en compte de ces deux processus, même dans les bassins versants généralement étudiés à l’aide d’approches basées sur le ruissellement par infiltration et par excès. Cela a mis en évidence l’importance de la simulation continue pour comprendre la dynamique hydrologique des bassins versants.