Modélisation hydrologique distribuée des écoulements surface souterrain à l'échelle d'un bassin versant bananier en milieu tropical volcanique (Guadeloupe, France)

Pak Lai-Ting. 2013. Modélisation hydrologique distribuée des écoulements surface souterrain à l'échelle d'un bassin versant bananier en milieu tropical volcanique (Guadeloupe, France). Montpellier : Montpellier SupAgro, 228 p. Thèse de doctorat : Systèmes intégrés en biologie, agronomie, géosciences, hydrosciences et environnement. Eaux continentales et société : Montpellier SupAgro Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques

Encadrement : Voltz, Marc ; Cattan, Philippe ; Colin, François

Résumé : Aux Antilles, la disponibilité limitée des ressources en contexte insulaire et l'activité agricole à hauts niveaux d'intrants fragilisent les ressources en eau. Dans les zones bananières à forts niveaux d'intrants, des phénomènes de pollution des eaux sont particulièrement marqués, notamment du fait de l'usage d'un pesticide, la chlordécone. La connaissance du fonctionnement des systèmes hydrologiques à l'échelle du bassin versant représente un enjeu primordial pour pouvoir estimer l'exposition de l'écosystème aux pollutions et pour prévoir l'évolution des contaminations dans le temps. L'objectif de la thèse a été de développer une modélisation mécaniste représentant les processus hydrologiques de surface et souterrains à l'échelle d'un bassin versant sur substrat volcanique, sous climat tropical humide, situé en zone bananière en Guadeloupe. En premier a été développé un modèle parcellaire de bilan hydrique adapté au cas des cultures bananières. Il a pour originalité de prendre en compte l'importante redistribution de pluie opérée par le couvert bananier et d'en simuler les effets en matière d'intensité et d'hétérogénéité intra-parcellaire sur les termes du bilan hydrique. Les résultats d'analyse de sensibilité montrent que la redistribution de la pluie augmente le ruissellement de surface ainsi que la percolation, en cohérence avec les observations de terrain, mais impacte peu ou temporairement l'évapotranspiration et l'humidité du sol. Le calage du modèle sur des données expérimentales indique une performance améliorée de la simulation du ruissellement par rapport à un modèle ignorant le mécanisme de redistribution. En second, le bassin versant expérimental de Féfé (17.8 ha) a fait l'objet d'une approche de modélisation intégrant processus hydrologiques de surface et souterrains basée sur un chaînage itératif des modèles MHYDAS et MODFLOW. Confrontée à une année hydrologique de mesures de débits à l'exutoire et de piézométries, l'approche de chaînage de modèles de surface et souterrain apparaît pertinente. Une limite majeure est toutefois la non prise en compte de la zone non saturée dans le processus de recharge des aquifères. L'analyse des simulations et de leurs écarts avec les données observées conforte plusieurs hypothèses issues des analyses expérimentales : un ruissellement de surface fortement hortonien, une contribution majeure des écoulements souterrains au débit à l'exutoire. Elle indique toutefois également une indétermination des processus majeurs lors des périodes de fortes pluies. Différentes hypothèses sont proposées qu'il conviendra d'évaluer dans des travaux futurs. Ce travail constitue une première étape pour évaluer les chemins d'écoulement majeurs et les dynamiques des contaminations par les produits phytosanitaires dans un milieu volcanique tropical sous culture bananière.

Résumé (autre langue) : In the French West Indies (FWI), limited resources supply on island and farming with extensive uses of pesticides have damaged water resources. In environments under intensive banana production, water pollution can be of particular concern, with regards to the use of chlordecone, an insecticide to control the banana weevil. Understanding the hydrological behaviour of a catchment is a challenge in assessing the exposure of the ecosystem to pollutions and in predicting the long-term contamination dynamics. This thesis aimed at developing a model to simulate surface and underground hydrological processes at the catchment scale on volcanic deposits in a humid tropical area covered by banana plantations in Guadeloupe. First, we developed an original water budget model at the plot scale, adapted to the banana canopy. It takes into account the high rainfall redistribution by banana cover and simulates the effects of modified rainfall intensities and within-plot heterogeneities on the water balance components. The sensitivity analysis showed that rainfall redistribution promotes surface runoff and percolation, in accordance with the field observations, but influences little or only temporarily the average field evapotranspiration and soil moisture. The model calibration tested on experimental data improved runoff production performances compared to a model without rainfall redistribution. Secondly, the Féfé experimental catchment (17.8 ha) was studied with a linked iterative modelling approach (of MHYDAS and MODFLOW) that includes surface and underground hydrological processes. Tested against a year of outlet discharge and water table depth measurements, the linked modelling approach seems appropriate. However, the main limit of this approach was the absence of transfer through the unsaturated zone when simulating the aquifers' recharge. The analysis of the results and of the differences between measured and simulated variables supported the hypothesis, from experimental analyses, that: the surface runoff is mainly Hortonian, groundwater flow is the main contributor to runoff at the catchment outlet. However, there was still uncertainty concerning the main processes during wet periods. Various hypotheses were suggested and should be investigated in future studies. This work represents a first step towards the evaluation of the major flow paths and contamination dynamics of pesticides on volcanic deposits in a humid tropical area covered by banana plantations.

Mots-clés Agrovoc : Musa, hydrologie, modèle de simulation, modélisation environnementale, écoulement de fluide, ruissellement, eau superficielle, ruissellement souterrain, distribution spatiale, bilan hydrique, pluie, bassin versant, zone volcanique, climat tropical, modèle mathématique

Mots-clés géographiques Agrovoc : Guadeloupe, France

Classification Agris : P10 - Ressources en eau et leur gestion
F01 - Culture des plantes
U10 - Informatique, mathématiques et statistiques

Champ stratégique Cirad : Axe 1 (2005-2013) - Intensification écologique

Auteurs et affiliations

• Pak Lai-Ting, CIRAD-PERSYST-UPR Systèmes bananes et ananas (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/577809/)

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