Une hydrologie des versants à nappes superficielles drainées

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Une hydrologie des versants nappes superficiellesdraines : approches multi-processus et multi-chelles

Cyril Kao

To cite this version:Cyril Kao. Une hydrologie des versants nappes superficielles draines : approches multi-processuset multi-chelles. Hydrologie. Universit Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2008.

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Mmoire tabli pour lUniversit Pierre et Marie Curie

UFR Sciences de la Terre et Evolution des Milieux Naturels

en vue de lobtention du diplme d HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES

Spcialit Sciences de la Terre

par Cyril KAO

Ingnieur du Gnie Rural, des Eaux et des Forts

Unit de Recherche Hydrosystmes et Bioprocds (HBAN) Cemagref, groupement dAntony

Une hydrologie des versants nappes superficielles draines : approches multi-processus et multi-chelles

Soutenue le 29 fvrier 2008 devant la Commission dExamen compose de Messieurs : - Pr. L. Abbadie, Universit P. & M. Curie, Prsident - Pr. A. Mermoud, Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne, Suisse, Rapporteur - Dr. P. Ackerer, Directeur de Recherche CNRS, IMFS de Strasbourg, Rapporteur - Dr. M. Estves, Directeur de Recherche IRD, LTHE Grenoble, Rapporteur - Pr. G. de Marsily, Acadmie des Sciences, Universit P. & M. Curie, Examinateur - Dr. P. Mrot, Directeur de Recherche INRA, SAS Rennes, Examinateur

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A. Rsum...................................................................................................................................................................5

B. Titres et Travaux...................................................................................................................................................7 B.1. Curriculum Vitae ...........................................................................................................................................7 B.2. Participation des instances, valuations, jurys, activits dexpertise .................................................................8 B.3. Publications et communications ......................................................................................................................10

C. Activits dencadrement ....................................................................................................................................15

C.1. Encadrement de thses de doctorat..................................................................................................................15 C.2. Encadrement de stage post-doctoral ................................................................................................................15 C.3. Comits de pilotage de thse. ..........................................................................................................................15 C.4. Encadrement de travaux de troisime cycle .....................................................................................................16 C.5. Encadrement de travaux de second cycle .........................................................................................................17

D. Activits denseignement...................................................................................................................................18

E. Participations des Projets de Recherche ......................................................................................................19

F. Synthse des travaux de recherche et perspectives .................................................................................23-98

G. Annexes : une slection de publications..99

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A. Rsum

Une hydrologie des versants nappes superficielles draines : approches multi-processus et multi-chelles Le prsent mmoire propose une synthse de prs de 12 annes de recherche et dexpertise au Cemagref, successivement au sein des Units de Recherche Ouvrages pour le Drainage et lEtanchit (DEAN) et, depuis 2005, Hydrosystmes et Bioprocds (HBAN). Sur le plan disciplinaire, les recherches menes se situent linterface entre lhydrologie base physique et le gnie rural. Cette dualit sest impose par lobjet mme support des travaux : les hydrosystmes nappes superficielles draines. Les hydrosystmes nappes superficielles sont relativement ubiquistes. Les petits bassins versants agricoles (ordre 1 3) du nord et de l'ouest de lEurope comportent souvent des zones hydromorphes d'extension plus ou moins importante. Ces zones se situent soit dans les fonds de valles, soit sur les plateaux o elles font alors le plus souvent l'objet de drainage agricole. Le drainage des terres agricoles a t (et continue dtre) un acte majeur de matrise de la contrainte en eau pour de nombreux bassins versants dominante agricole. On estime en effet 10% de la Surface Agricole Utile (SAU) la surface draine artificiellement en France, 25% aux USA, 30% en Allemagne, voire plus de 50% au Royaume Uni Des superficies tout fait considrables, souvent le produit dune longue histoire, et dont les rcentes volutions ont accompagn lintensification de lagriculture. Au niveau hydrologique, le caractre hydromorphe se caractrise par la prsence d'une nappe temporaire ou permanente, perche ou non, trs proche de la surface du sol en priode humide. La connexion de ces nappes avec le rseau hydrographique naturel (ru, rivire) ou anthropique (drainage, fosss d'assainissement) dtermine alors fortement le transfert des coulements souterrains et de surface (ruissellement) vers le rseau. La dynamique de la nappe superficielle est dans ce contexte un lment cl de comprhension des processus liant hydrologie des versants et hydraulique du rseau. La connaissance des processus contrlant le fonctionnement hydrologique des systmes nappes superficielles draines est ainsi dterminante afin : (i) de comprendre leur rle vis vis des fonctions de stockage et de transfert dans les bassins versants ; (ii) d'valuer l'impact des amnagements hydro-agricoles sur le rgime et la qualit des eaux, et en particulier des pratiques de dimensionnement de ces amnagements ; (iii) de proposer terme des critres de choix, de dimensionnement et de localisation dactions de rhabilitation de ces zones, dans une perspective de restauration/utilisation de leurs capacits tampons. Le mmoire prsente un tat des lieux des travaux et des collaborations mens par lauteur et son quipe sur lensemble de ces questions et propose un ensemble de pistes de recherches. Les travaux mens touchent : (1) la connaissance et la modlisation des processus de transfert deau et de soluts lchelle parcellaire ; (2) lanalyse et le reprsentation dune hirarchie des processus lchelle du petit bassin versant drain (1 50 km) ; (3) une rflexion sur les pistes de modlisation visant intgrer efficacement les amnagements hydro-agricoles dans les modles hydrologiques spatialiss. Le document dtaille par ailleurs les titres et travaux de lauteur ainsi que ses contributions des actions denseignement, dencadrement et dexpertise.

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B. Titres et Travaux

B.1. Curriculum Vitae

Cyril KAO N le 10/07/1970 Marseille. Mari, 4 enfants

UR HBAN

Cemagref Parc de Tourvoie, BP 44 92163 ANTONY cedex

01 40 96 62 23 [email protected]

Direction Scientifique

AgroParisTech 19, av. du Maine

F-75732 PARIS Cedex 15 01 45 49 88 61

[email protected]

Parcours Professionnel Sept. 2006 Directeur Scientifique adjoint dAgroParisTech (www.agroparistech.fr)

Ingnieur-Chercheur (50%), Unit de Recherche Hydrosystmes et Bioprocds (HBAN),

groupement dAntony, Cemagref 1996-2006

Ingnieur-Chercheur au Cemagref, UR HBAN. Recherches dans le domaine du fonctionnement hydrologique des bassins versants amnags nappes superficielles. 2004- 2006 Chef de lquipe Transferts dans les Agro-Hydrosystmes (10 agents) pour

lUnit HBAN (Animation scientifique, gestion budgtaire et humaine). 2000- 2004 Responsable de lquipe Hydro-Agro (5 agents). Unit Ouvrages pour le

Drainage et lEtanchit (DEAN). 06/1996- 1999 : Ingnieur-Chercheur dans lUnit DEAN, quipe Hydraulique Agricole Charg denseignements (de 20 50 h/an) lINA-PG, lENGREF et lUniversit Paris VI Depuis 2002 : membre du conseil pdagogique du parcours Biosphre Continentale du Master Environnements Continentaux et Hydrosciences (Univ. PVI, INA-PG, ENS)

1995 juin 1996 :

Cooprant Service National, Service Culturel et de Coopration Scientifique et Technique de lAmbassade de France en R. A dEgypte. Adjoint de lAttach Scientifique, charg de la coopration agricole. Adjoint du Chef du Bureau de Liaison Agricole Franco-gyptien (BLAFE, gestion du fonds

de contrepartie de laide alimentaire franaise)

Formation

2002 : Docteur de lENGREF, spcialit Sciences de lEau , sous la direction du Pr. G. de Marsily (Univ. P6), Ecole Doctorale Gosciences et Ressources Naturelles (GRN). Mention Trs Honorable avec les Flicitations du Jury.

1994 : Ingnieur du Gnie Rural, des Eaux et des Forts DEA National dHydrologie, Spcialit Hydrologie et Hydrogologie quantitatives (Universit Paris VI, ENSMP, ENGREF), mention Bien.

mailto:[email protected]:[email protected]://www.agroparistech.fr/

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1993 : Ingnieur Agronome de lInstitut National Agronomique de Paris-Grignon. 1988/90 : Classes prparatoires aux Grandes Ecoles, Ecole Ste Genevive, Versailles.

Langues Anglais : lu, crit, parl courant et scientifique. Allemand : scolaire Chinois et Arabe (dialectal gyptien) : notions

B.2. Participation des instances, valuations, jurys, activits dexpertise

B.2.1. Instances, valuations et Expertises 2007

- Membre (reprsentant ENGREF-AgroParisTech) de la commission de Spcialistes du Conseil Gnral de lAgriculture, de lAlimentation et de lEspace Rural, Ministre de lAgriculture.

- depuis 2006 Membre du Conseil de lEcole Doctorale Gosciences et Ressources Naturelles (UPMC, ENSMP, ENGREF-AgroParisTech).

- depuis 2002 - Membre du conseil pdagogique du Parcours Biosphre Continentale du Master SDUEE/ECH (INA-PG, Univ. Paris VI), (http://www.master-biospherecontinentale.fr/)

- depuis 2005- Reprsentant du Cemagref dans la Fdration Ile de France de Recherche sur lEnvironnement ( FIRE , Cemagref, CNRS, INRA, IRD, MNHM, UPMC) (http://www.fire.upmc.fr/).

2006

- Membre du comit scientifique du colloque GAIE : Ingnierie des cosystmes (ENS, MNHN, PXI), 13-14/12/2006 Paris (http://www.ese.u-psud.fr/gaie_2006/).

- Membre du comit scientifique de la Confrence ADEME / DIFPOLMINE (www.difpolmine.org), Chairman lors du colloque (12-14/12/2006 Montpellier).

2005

- Prsident du comit dvaluation de lUMR 5564 LTHE (Grenoble). - Membre du comit dvaluation de lObservatoire des Sciences de lUnivers de Grenoble - Evaluation dun dossier de pr-qualification au grade de Professeur de lINA-PG

2004 - Expert externe Programme INSU/ECCO/PNRH : 1 projet audit 2003

- Participation lexpertise collective organise par G. Brugnot (CGGREF-Cemagref) dans le cadre du rapport de lInspection Gnrale de lEnvironnement sur le Drainage dans le Marais Poitevin (P. Huet, X. Martin). (http://www.ecologie.gouv.fr/IMG/pdf/Rapport_Drainage_Marais_poitevin.pdf)

- Expert externe Programme INSU/ECCO/PNRH : 2 projets audits 2001-2004 : Reprsentant de lUnit DEAN Cemagref dans lInstitut Fdratif de Recherche Environnement et Gestion de lEspace Rgional (IFR EGER, Dir. A. Mariotti. Cemagref, CNRS, INRA, IRD, UPMC)

http://www.master-biospherecontinentale.fr/http://www.fire.upmc.fr/http://www.ese.u-psud.fr/gaie_2006/www.difpolmine.org

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B.2.2. Jurys de concours 2002-2006 : Membre de Jurys des Concours du Ministre de lAgriculture :

- Concours externe Technicien Suprieur des Services (option Gnie Rural) - Concours par examen professionnel pour laccs au corps des Ingnieur des Travaux Ruraux (option

Amnagement des eaux)

B.2.3. Jurys de Thse MADIER S., 2007. De la mesure la modlisation de transferts de produits phytosanitaires lchelle du bassin versant : quantification des incertitudes et dfinition de stratgies dchantillonnage. AgroParisTech. CEVH (ENGEES/ULP Strasbourg). Dir. : C. Grgoire, T. Leviandier. WEILL S., 2007. Modlisation des changes surface/subsurface lchelle de la parcelle par une approche darcen multidomaine. ENSMP/LSCE/CEA. Dir : E. Ledoux, E. Mouche. WU JingWei, 2007. Long-term soil salinity evolution in the Hetao Irrigation Scheme. Cemagref / ENGREF / Universit de Wuhan. Dir : A. Vidal, J. Yang. PAYAN Jean-Luc, 2007. Prise en compte de barrages-rservoirs dans un modle global pluie-dbit. Cemagref / ENGREF. Dir : C. Michel, C. Perrin SANSOULET Julie, 2007. Transferts deau et des ions potassium et nitrate dans un sol charges variables sous un couvert redistributeur de la pluie : Etude exprimentale et modlisation dans une bananeraie fertilise sur andosol. INA-PG/INRA . Dir : A. Perrier, Y. M. Cabidoche BELFORT Benjamin, 2006. Modlisation des coulements en milieux poreux non saturs par la mthode des lments finis mixtes hybrides. CNRS IMFS/ ULP Strasbourg. Dir : P. Ackerer AUGEARD Bndicte, 2006. Dterminisme des processus de gense et de transfert du ruissellement : interactions entre l'volution des tats de surface et le fonctionnement hydrique des sols cultivs nappes superficielles draines. Cemagref / ENGREF. Dir : M. Vauclin, C. Kao NEDELEC Yves, 2005. Interaction en crue entre drainage souterrain et assainissement agricole. Cemagref / ENGREF. Dir : B. Gay PARIS ANGUELA Thais, 2005. Etude du transport de soluts dans un sol nappe superficielle draine artificiellement. Cemagref / ENGREF. Dir : D. Zimmer, C. Kao VARADO Nomie, 2004. Contribution la mise en uvre et au dveloppement dune modlisation hydrologique distribue base physique. LTHE Grenoble. Dir : I. Braud, S. Galle

B.2.4. Reviewing 2007 Physics and Chemistry of the Earth 2006 Comptes Rendus de lAcadmie des Sciences (Gosciences) 2005 Canadian Journal of Soil Science

Comptes Rendus de lAcadmie des Sciences (Gosciences) 2004 Journal of Hydrology 2003 Water Research 2002 - Irrigation and Drainage, ICID Journal

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B.3. Publications et communications

(en italique, co-auteurs ayant fait lobjet dun encadrement, en soulign les co-auteurs membres de lUnit de Recherche HBAN)

B.3.1. Thse de Doctorat et Mmoire de DEA

[THES] KAO C., 2002. Fonctionnement hydraulique des nappes superficielles de fonds de valles en interaction avec le rseau hydrographique . Thse de Doctorat de lENGREF, Ecole Doctorale Gosciences et Ressources Naturelles (UPMC, ENGREF, ENSMP), 266 p. + annexes. (http://pastel.paristech.org/61/)

[M2] KAO C., 1994. Le ruissellement en parcelle agricole en situation hivernale. Mcanismes de gense et

modlisation. Parcelles draines et non draines, site exprimental de la Jaillire (Maine et Loire). Mmoire de Stage de Recherche. DEA National dHydrologie, UPMC, ENSMP, ENGREF.

B.3.2. Revues scientifiques internationales comit de lecture

[INT1] AUGEARD B., NEDELEC Y., BIRGAND F., CHAUMONT C., ANSART P., KAO C., 2008. Effect of the non-linearity in the runoff response on the flood statistical properties. The case of a tile drained watershed. In Revision, IAHS Publ. Red Books Series. Special Issue Surface Water-Ground Water Interactions: Process, Understanding Conceptualization and Modelling.

[INT2] BILLY C., BIRGAND F., SEBILO M., TOURNEBIZE J., BILLEN G., KAO C., 2008. Nitrate

dynamics in artificially nested drained watersheds. In Revision, Physics and Chemistry of the Earth1 Special Issue Man and River Systems.

[INT3] BRANGER F., TOURNEBIZE J., CARLUER N., KAO C., VAUCLIN M., 2008. A conceptual

modelling approach for pesticide transport in a subsurface drained field. Submitted to Agricultural Water Management

[INT4] AUGEARD B, BRESSON L.M., ASSOULINE S, KAO C., VAUCLIN, M. 2008. Dynamics of Soil

Surface Bulk Density: Role of Water Table Elevation and Rainfall Duration. Soil Science Society of America Journal.2, (72) 412-423. doi:10.3136/sssaj2006.0429

[INT5] CARLIER J. P., KAO C., GINZBURG I., 2007. Field scale modeling of subsurface drained soils by

an equivalent medium approach. J. Hydrol3., Vol. 341 (1-2), 105-115. doi:10.1016/j.jhydrol.2007.05.006

[INT6] AUGEARD B., ASSOULINE S., FONTY A. , KAO C., VAUCLIN M., 2007. Hydraulic properties of rainfall-induced soil surface seals: estimation from infiltration experiments and comparison with X-ray bulk density measurements. J. Hydrol., Vol. 341 (1-2), 12-26. doi:10.1016/j.jhydrol.2007.04.018

[INT7] BEAUGENDRE H., ERN A., ESCLAFFER T., GAUME E., GINZBURG I., KAO C., 2006. A

seepage face model for the interaction of shallow water-tables with ground surface: Application of the obstacle-type method. J. Hydrol., Volume 329, Issues 1-2, 258-273. doi:10.1016/j.jhydrol.2006.02.019.

[INT8] LAGACHERIE P., DIOT O., DOMANGE N., GOUY V., FLOURE C., KAO C., MOUSSA R.,.

ROBBEZ-MASSON J.M, SZLEPER V, 2005. An indicator approach for describing the spatial variability of artificial stream networks in regard with herbicide pollution in cultivated watersheds. Ecological Indicators, Volume 6, Issue 2, 265-279. doi:10.1016/j.ecolind.2005.02.003 .

1 Physics and Chemistry of the Earth : IF (2005) = 0.993 2 Soil Science Society of America Journal : IF (2006) = 1.869 3 Journal of Hydrology : IF (2006) = 2.117

http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2006.02.019http://www.sciencedirect.com/science?_ob=IssueURL&_tockey=%23TOC%236647%232006%23999939997%23618517%23FLA%23&_auth=y&view=c&_acct=C000037979&_version=1&_urlVersion=0&_userid=684641&md5=7ba0eabb205a829d0c0535e715a04222http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolind.2005.02.003

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[INT9] AUGEARD B., KAO C., CHAUMONT C., VAUCLIN M., 2005a. Mechanisms of surface runoff genesis on a subsurface drained soil affected by surface crusting: a field investigation. Physics and Chemistry of the Earth, 30, 598-610. doi:10.1016/j.pce.2005.07.014

[INT10] TOURNEBIZE J., KAO C., NIKOLIC N. , ZIMMER D., 2004. Adaptation of the STICS model to

subsurface drained soils . Agronomy for Sustainable Development (Agronomie4), 24, 305-313. doi: 10.1051/agro:2004030

[INT11] KAO C., BOUARFA S., ZIMMER D., 2001. Steady state analysis of unsaturated flow above a shallow

water-table aquifer drained by ditches. J. Hydrol., 250, 122-133. doi:10.1016/S0022-1694(01)00426-7.

[INT12] WENG P., COUDRAIN-RIBSTEIN A., KAO C., BENDJOUDI H., de MARSILY G., 1999. Demonstration of strong temporary vertical circulation between wetlands and alluvial and regional aquifers. C. R. Acad. Sci5. Paris, Vol 329, N4, pp. 257-263.

B.3.3. Chapitres douvrages collectifs

[CHAP1] MEROT P., KAO C., MOUSSA R., ARLOT M.P., NEDELEC Y., 2005. Amnagement rural et gestion des excs deau. Chapitre 34 (p. 756-778), in Sols et Environnement. Cours et tudes de cas . Girard M-C, Rmy J-C, Morel J-L, Berthelin J., Walter C. (Coord.), Editions Dunod, Collection Sciences Sup - 832 pages (ISBN 2100055208).

[CHAP2] CARLUER, N., MOUSSA, R., ACKERER, P., ADAMIADE, V., ANDRIEUX, P., BARRIER, R.,

BARRIUSO, E., BENOIT, P., BOURRIE, G., CHARNAY, M.P., CHAUMONT, C., COQUET, Y., DUTERTRE, A., FABRE, J.C., GILLET, J.P., GOUY, V., GRIL, J.J., HERMITTE, D., HUTTEL, O., KAO, C., LAGACHERIE, P., LE FORNER, S., LEHMANN, F., LOUCHART, X., MADRIGAL, I., MARGOUM, C., NEDELEC, Y., NEGRO, S., REAL, B., REVIL, A., ROBBEZ-MASSON, J.M., POT, V., SOUILLER, C., TROLARD, F., TROTOUX, G., VOLTZ, M. 2005. Rle des amnagements d'origine anthropique (dispositifs enherbs et fosss) dans le transfert et la rtention des produits phytosanitaires en bassin versant agricole. In: Pesticides : comment rduire les risques associs ? (ed Bastien Ventura, C.), Vol. 50, pp 27-34, Ministre de l'Ecologie et du Dveloppement Durable (ed), Paris.

[CHAP3] BEAUGENDRE H., ERN A., CARLIER J.P., GINZBURG I., KAO C., 2005. Finite element

modeling of variably saturated flows in hillslopes with shallow water table. Chap. II.6: Surface and Subsurface Hydrology, in Development in Water Science, vol. 55 (Eds. C.T. Miller, M.W. Farthing, W.G. Gray, G.F. Pinder)., Proceedings of the 15th. International Conference Computational Methods in Water Resources , June 2004, Chapel Hill, NC, USA. 12p (Elsevier Pub., ISBN-10: 0444517693)

[CHAP4] GINZBURG I., CARLIER J.P, KAO C., 2005. Lattice Boltzmann approach to Richards equation.

Chap. I.5: Unsaturated and Multiphase Flow, in Development in Water Science, vol. 55 (Eds. C.T. Miller, M.W. Farthing, W.G. Gray, G.F. Pinder)., Proceedings of the 15th. International Conference Computational Methods in Water Resources , June 2004, Chapel Hill, NC, USA. 13p (Elsevier Pub., ISBN-10: 0444517693)

B.3.4. Revues scientifiques et techniques nationales comit de lecture

[NAT1] AUGEARD B., KAO C., LEDUN J., CHAUMONT C., NEDELEC Y., 2005b. Le ruissellement sur sols drains : identification des mcanismes de gense. Ingnieries EAT. 43, 3-18.

4 Agronomie (Agronom. Sust. Dev.) : IF (2005) = 1.008 5 Comptes Rendus Acadmie des Sciences (Gosciences) : IF (2005) = 0.927

http://dx.doi.org/10.1016/j.pce.2005.07.014http://dx.doi.org/10.1051/agro:2004030http://dx.doi.org/10.1016/S0022-1694(01)00426-7

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[NAT2] PARIS T., TOURNEBIZE J, CHAUMONT C., KAO C., 2004. Etude des transferts de solut l'interface sol non satur / nappe superficielle. Bulletin du GFHN, n 50, 25-31.

[NAT3] NEDELEC Y., KAO C., CHAUMONT C., 2004. Rduction des transferts de crues dans les bassins

versants agricoles fortement drains : tat des connaissances et des recherches. Ingnieries - EAT, 37, 3-21.

[NAT4] KAO C., VERNET G., LE FILLEUL J.M., NEDELEC Y., CARLUER N., GOUY V., 2002.

Elaboration dune mthode de typologie des fosss dassainissement agricole et de leur comportement potentiel vis--vis des produits phytosanitaires . Ingnieries - EAT, 29, 49-65.

[NAT5] TURPIN N., CARLUER N., KAO C., PIET L., ARLOT M.P., BOERLEN P., BIOTEAU T.,

CHAUMONT C., GOUY V., SOUILLER C., VERNIER F., SAINT CAST P., 2000. Lutte contre les pollutions diffuses en milieu rural - dmarche de diagnostic de risques sur le bassin versant du Ctrais . Ingnieries EAT, 22, 3-16.

[NAT6] CARLUER N., GOUY V., KAO C., PIET L., TURPIN N., VERNIER F., ARLOT M.P., BIOTEAU

T., BOERLEN P., CHAUMONT C., SAINT CAST P., 2000. Dfinition et intgration lchelle dun territoire de scnarios daction pour lutter contre les pollutions diffuses en milieu rural . Ingnieries EAT, Spcial Agriculture et Environnement. 13-33.

[NAT7] DURAND P., GASCUEL-ODOUX C., KAO C., MEROT P., 2000. Une typologie hydrologique des

petites zones humides ripariennes. Etude et Gestion des Sols, 7, 3, 207-218.

[NAT8] KAO C., NEDELEC Y., ZIMMER D. 1998 .Mcanismes de gense et modlisation du ruissellement l'chelle de la parcelle agricole draine. Bulletin du GFHN, n 42, p. 84-88

B.3.5. Communications des colloques et congrs (avec actes).

Prsentations orales et actes

[COMo1] AUGEARD B., NEDELEC Y., BIRGAND F., KAO C., 2007. Why would a subsurface drained catchment export less or more water above a threshold flow rate? In Session HS1002 A New Focus on Integrated Analysis of Groundwater/Surface-Water Systems: Process Understanding, Conceptualisation and Modelling. IAHS / IUGG XXIV 2007, 2-13 July 2007, Perugia, Italy.

[COMo2] BILLY, B., KAO, C., BIRGAND, F., TOURNEBIZE, J., SEBILO M., 2006. Nitrate dynamics in a

sub-surface drained agricultural watershed. Man and Rivers II Symposium, 4-6th December 2006, Paris, France. Presses de lENPC (ISBN 10 : 2-85978-427-6). pp. 30-33.

[COMo3] BILLY, B., BIRGAND, F., KAO, C., TOURNEBIZE, J., 2006. Water and nitrate balance in a

poorly drained forested and agricultural watershed. Proceedings of the International Conference Hydrology and Management of Forested Wetlands, 8-12 Avril, 2006. New Bern NC, USA. Published by ASABE (ISBN 1-892769-53-0). pp. 245-252.

[COMo4] TOURNEBIZE J., KAO C., NIKOLIC N., de LOUVIGNY N., ZIMMER D., 2005. Adaptation

of the STICS crop model to subsurface drained soils. EGU General Assembly, Vienna, April 2005. Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 03545, 2005.

[COMo5] PARIS T., BARIAC T., BENEDETTI M., GAUDET J.P, CHAUMONT C., TOURNEBIZE J.,

KAO C., 2004. Experimental estimation of the solute transport parameters in unsaturated soil: from the soil column to the tank. EGS-AGU-EUG joint assembly, Nice, April 2004. Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, 03959, 2004.

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[COMo6] PARIS T., TOURNEBIZE J, CHAUMONT C., KAO C., 2004. Etude des transferts de solut l'interface sol non satur / nappe superficielle. 29mes Journes Scientifiques, GFHN, 24 - 25 novembre 2004, Milieux poreux, marqueurs et transferts , LTHE, Grenoble.

[COMo7] PARIS T., CHAUMONT C., KAO C., TOURNEBIZE J., 2003. Mise au point de sondes de

conductivit lectrique pour lestimation des transferts de soluts en milieux poreux. In : Actes du 4me colloque GEOFCAN : Gophysiques des sols et formations superficielles(A. Tabbagh, Coord.), 23-24 sept., 2003, Paris. Universit PVI, UMR Sisyphe. p74-77.

[COMo8] BENJOUDI H., WENG P., GUERIN R., KAO C., COUDRAIN-RIBSTEIN A., de MARSILY

G., TABBAGH A., GAILLARD S., GIRAUD F., BONTE P., 2001. Approche hydrologique du fonctionnement dune zone humide alluviale : la Seine moyenne. In Actes du colloque de restitution du Programme National de Recherche sur les Zones Humides (PNRZH). Toulouse, 22-24 octobre 2001. Barnaud G., Barre V. et Weng P (Eds.). BRGM, Agences de lEau, Ministre de lEcologie et du Dveloppement Durable. Pp. 108-117.

[COMo9] MEROT P., DURAND P., GASCUEL-ODOUX C., JAFFREZIC A., KAO C., PINAY G., 2001.

Construire une typologie des petites zones humides riveraines intgrant lhydrologie et la gochimie : les acquis du programme TY-FON . In Actes du colloque de restitution du Programme National de Recherche sur les Zones Humides (PNRZH). Toulouse, 22-24 octobre 2001. Barnaud G., Barre V. et Weng P. (Eds.). BRGM, Agences de lEau, Ministre de lEcologie et du Dveloppement Durable. Pp. 76-83.

[COMo10] VIDON P. ; ARLOT M.P. ; KAO C. ; ZIMMER D., 2000. Impact of the hydrological

functioning of a grass riparian zone on nitrate fate in French Brittany .Proceedings of the 8th CGU meeting (Canadian Geophysical Union - hydrology section). Banff (AB), 23 -29 mai 2000.

[COMo11] KAO C., NEDELEC Y., ZIMMER D, 1998, Surface runoff mechanisms and modeling in

subsurface drained fields, Proceedings of the 7th international drainage symposium Drainage in the 21st century : food production and the environment , Brown L. (Ed.), Orlando, USA, 8-10 March 1998, ASAE vol 7, 258-266 (ISBN 0-929355-90-3)

[COMo12] WARIN F., KAO C., HENDRICKX F., ZIMMER D, 1998, Surface and subsurface drainage functioning in Florida Flatwoods , Proceedings of the 7th international drainage symposium Drainage in the 21st century : food production and the environment , Orlando, USA, 8-10 March 1998, ASAE vol 7, 488-495 (ISBN 0-929355-90-3)

Posters + rsums

[COMp1] ESCLAFFER T., GAUME E., DANGLA P. , ERN A., KAO C, 2007. A 3-D coupled surface-

subsurface model to investigate the runoff dynamics on hillslopes. 1er Atelier Mditerrane-HyMeX, 9-11 janvier 2007, Centre International de Confrences de Mto-France, Toulouse.

[COMp2] C. BILLY, C. KAO, F. BIRGAND, J. TOURNEBIZE, M. SEBILO, 2007. Nitrate dynamics in a

sub-surface artificially drained watershed. EGU General Assembly, Vienna, April 2007. Geophysical Research Abstracts, Vol. 9, 11165, 2007

[COMp3] F. BRANGER, D. DE SESMAISONS, J. TOURNEBIZE, C. KAO, N. CARLUER, M.

VAUCLIN, 2006. Conceptual modelling of solute transport in a subsurface drained field using equivalent soil compartments. EGU General Assembly, Vienna, April 2006. Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 05958, 2006

[COMp4] F. BRANGER, D. DE SESMAISONS, J. TOURNEBIZE, C. KAO, N. CARLUER, M.

VAUCLIN, 2006. Improvement of a simplified subsurface drainage simulation model. EGU General Assembly, Vienna, April 2006. Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 01970, 2006.

14

[COMp5] M. RIFFARD, F. BIRGAND, C. LOUMAGNE, V. ANDRASSIAN, C. KAO, C.

CHAUMONT, P. ANSART, 2006. ORACLE: An experimental site since 1962 for the study of hydrological hazards and biogeochemical processes. EGU General Assembly, Vienna, April 2006. Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 02338, 2006

[COMp6] AUGEARD B., BRESSON L. M., KAO C., 2005. Does shallow water table depth influence

structural crust formation ? An analysis of bulk density profiles from X radiography of crusts generated under high water content conditions. EGU General Assembly, Vienna, April 2005. Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 07254, 2005.

[COMp7] TOURNEBIZE J., PARIS T., CHAUMONT C., KAO C., 2005. Solute transport in subsurface

drained soil: Numerical modelling and laboratory experimental approach comparison. EGU General Assembly, Vienna, April 2005. Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 03521, 2005.

[COMp8] AUGEARD B., , CHAUMONT C., KAO C. 2004. Mechanisms of surface runoff genesis on a

subsurface draines soil affected by surface crusting. EGS-AGU-EUG joint assembly, Nice, April 2004. Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, 03827, 2004.

[COMp9] PARIS T., CHAUMONT C., KAO C., TOURNEBIZE J., 2004. Four-electrode conductivity

probes for estimation of spatial distribution of solute transport in variably saturated soils. EGS-AGU-EUG joint assembly, Nice, April 2004. Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, 03938, 2004

[COMp10] RIFFARD M., TOURNEBIZE J., ANSART P., CHAUMONT C., ANDREASSIAN V., KAO C.,

2003. Le bassin de recherche exprimentale d'Orgeval : un outil d'analyse des comportements hydrologiques et l'impact des changements.. EGS-AGU-EUG joint assembly, Nice, 7-11 April 2003, Geophysical research abstracts, n 5, 01759.

[COMp11] AUGEARD B., MICHELIN J., KAO C., 2003. Evaluation of flowpaths and mean resident time of

water in a riparian wetland. EGS-AGU-EUG joint assembly, Nice, 7-11 April 2003, Geophysical research abstracts, n 5, 06070.

[COMp12] WENG P., BENJOUDI H., KAO C., GUERIN R., de MARSILY G., 2002. Hydrologic

Functioning of a Floodplain Wetland: Historical Development, Investigation and Influence of Reservoir-Dams. The River Seine Example (France). Wetland Restoration Conference, Nanjing (Chine), 8-13 September.

[COMp13] MEROT P., GASCUEL-ODOUX C., DURAND P., KAO C., 2000. A hydrological typology of

small riparian wetlands . Quebec 2000 : Millennium Wetland Event. 6th International Wetland Symposium, INTECOL. August 6-12, 2000. Quebec, Canada.

[COMp14] WENG P., BENJOUDI H., KAO C., COUDRAIN-RIBSTEIN A., GIRAUD F., 2000.

Hydrologic functioning of an alluvial wetland, relation with underlying groundwater and rivers. The Seine river example. 21st Annual Meeting of SWS (Society of Wetland Scientists) - 6th International Wetland Symposium of INTECOL (International Association of Ecology), Quebec, 5-12 aot.

[COMp15] KAO C. et col., 1999. Specific Objectives for Hydrology in the National Research Programme on

Wetlands in France. In: National Research Programme on Wetlands in France - Hydrology issue, European Geophysical Society, The Hague, 19-23 April 1999.

[COMp16] KAO C., NEDELEC Y., ZIMMER D, 1998, SIRUP : a field scale model for surface runoff in

subsurface drained fields , Proceedings of the 16th World Congress of Soil Science, Montpellier, France, 20-26 August 1998, Symposium 3, ISSS AFES.

15

[COMp17] WARIN F., KAO C., HENDRICKX F., ZIMMER D, 1997, Surface versus subsurface drainage improvements in humid tropical regions. Some lessons gained in citrus groves in Florida , Proceedings of the 7th ICID international drainage workshop, November 1997, Penang, MYS, ICID, 17-21.

C. Activits dencadrement

C.1. Encadrement de thses de doctorat HENINE H., 2006-2009 (25%). "Couplage des processus hydrologiques reliant parcelles agricoles draines, collecteurs enterrs et missaire surface libre : intgration lchelle du bassin versant". Directeur de Thse : P. Ribstein. Univ. Paris VI, ED Geosciences et Ressources Naturelles. BILLY C., 2005-2008 (50%). Analyse des processus hydrologiques et biogochimiques contrlant les transferts dazote dans un bassin versant agricole partiellement drain . Directeur de Thse : G. Billen. Univ. Paris VI, ED Geosciences et Ressources Naturelles. AUGEARD B., 2002-2006 (50%). Dterminisme des processus de gense et de transfert du ruissellement : interactions entre l'volution des tats de surface et le fonctionnement hydrique des sols cultivs nappes superficielles draines . Directeur de Thse : M. Vauclin. ENGREF, ED Geosciences et Ressources Naturelles. (http://www-rides.u-strasbg.fr/theses/augeard.html) PARIS Thais., 2001-2004 (50%). Etude du transfert d'eau et de soluts dans un sol nappe superficielle draine artificiellement . Directeur de Thse : D. Zimmer. ENGREF, ED Geosciences et Ressources Naturelles. (http://pastel.paristech.org/1043/)

C.2. Encadrement de stage post-doctoral CARLIER J.P, 2004-2005. Identification et mise en uvre dune stratgie dintgration des systmes drains dans des modles numriques de type variablement satur.

C.3. Comits de pilotage de thse. Rza GAZAVI (2005-2008) , INRA de Rennes. Mesure et modlisation des fonctions dinfiltration et dvaporation de la haie. Impact sur le bilan hydrique lchelle dun bassin versant . ENSAR/INRA. Dir. P. Mrot, Z. Thomas. MOUNIER E. (2004-2007). Dnitrification et missions de N2O: organismes et fonction. UMR Sisyphe / Univ. Paris 6. Dir. J. Garnier. WEIL S. (2003-2007). Approche Darcenne multi-domaines pour la modlisation des changes surface/subsurface lchelle de la parcelle. LSCE, Univ. Paris 6. Dir : E. Ledoux, E. Mouche. Thomas ESCLAFFER (2003-2007),. Dynamique du ruissellement sur les versants au cours dvnements pluvieux intenses . Cereve, ENPC/ ENGREF. Dir. : E. Gaume Christelle DERE (2001-2006). Mobilit et redistribution long terme des lments traces mtalliques exognes dans les sols : Application des luvisols pollus par 100 ans dpandage deaux uses brutes dans la plaine de Pierrelaye. INRA Versailles/ENGREF. Dir. I. Lamy Tristan TURLAN (2001-2004). Etude des processus dpuration dans un rseau de fosss dassainissement agricole . Cemagref de Rennes

16

Nomie VARADO (2001-2004). Contribution la mise en uvre et au dveloppement dune modlisation hydrologique distribue base physique . LTHE Grenoble. Dir : I. Braud, S. Galle Nolle GUIX (2001-2004). Prise en compte du relief, de lorganisation des sols et des pratiques culturales dans la spatialisation du bilan hydrique de la vigne lchelle micro-rgionale . INRA Montpellier/ENSAM. Dir. M. Voltz, P. Lagacherie Virginie CAUBEL-FORGET (1998-2001). Influence de la haie de ceinture de fonds de valle sur les transferts deau et de nitrate . INRA de Rennes/ ENSAR. Dir. P. Mrot,

C.4. Encadrement de travaux de troisime cycle WOUDSTRA A., 2006. Modlisation du ruissellement hivernal sur des sols agricoles drains. Application du modle STREAM sur le basin versant de Mlarchez. Stage de Master 2 Espaces, dynamique des milieux et risques (Univ. Paris I, Univ. Paris VII). 82 p. et annexes. VIRIOT D., 2006. Transferts deau et dazote dans un bassin versant agricole drain. Stage de fin dtude dingnieur. PolytechOrlans. 54 p. et annexes. PASSEPORT E., 2006. Pollution diffuse de la nappe des calcaires de Champigny : propositions damnagements hydro-agricoles. Stage de fin dtude dingnieur. INSA Toulouse. 46 p. et annexes. BILLY C., 2005. Caractrisation et quantification des transferts dazote de la parcelle draine au bassin versant agricole. Cas du bassin de lOrgeval. Stage de Master 2 Biosphre Continentale Univ. Paris VI INA-PG ENS. 35 p. + annexes. LEDUN J., 2004. Le dterminisme du ruissellement dans le bassin versant de Mlarchez. Rapport de stage de fin dtudes. DAA Agronomie et Environnement. INA-PG. 53 p. et annexes. FONTY A., 2004. Rpartition de linfiltration et du ruissellement lors dun pisode pluvieux sur des sols sensibles la battance : exprimentations et modlisations. Rapport de stage de fin dtudes. Diplme dIngnieur de lEcole Polytechnique de lUniversit dOrlans. 62 p. et annexes. MEJDOUB S, 2003. Etude des processus de transferts de crues l'chelle d'un bassin versant drain par tuyaux enterrs. DEA Biosphre continentale fonctionnement physique chimique et biologique, INAPG, Universit Pierre et Marie Curie, Ecole Normale Suprieure, 46 p. KARMA F, 2003. Etude des processus de transferts de soluts l'interface zone non sature-nappe superficielle : influence des proprits hydrodynamiques sur la localisation des transferts. DEA HHGG, Univ. Paris VI, ENSMP, ENGREF. 49 p AUGEARD B., 2002. Fonctionnement hydrologique dune zone humide : consquences sur son potentiel purateur. DEA HHGG, Univ. Paris VI, ENSMP, ENGREF. 54 p. + annexes. PARIS T., 2001. Dtermination exprimentale des proprits hydrodynamiques au voisinage de la saturation : incidence sur le fonctionnement hydrique dun sol nappe superficielle. DEA HHGG, Univ. Paris VI, ENSMP, ENGREF. 57 p. FASHI Y., 2000. Modlisation du fonctionnement hydrique du marais de Rochefort. DEA Biosphre Continentale. Univ. Paris VI, INA-PG, ENS Ulm. 42 p. DERE C., 2000. Dtermination de la position de la surface libre dune nappe superficielle draine par un foss paroi verticale : tude exprimentale du phnomne de suintement. DEA HHGG, Univ. Paris VI, ENSMP, ENGREF. 49 p.

17

BERTHE N., 2000. Modlisation de lquation de Laplace par la mthode des lments finis en rgime stationnaire et non stationnaire. Mmoire de DESS de Mathmatiques Appliques. Univ Paris VI. LE FILLEUL J. M., 2000. Typologie de fosss : analyse des processus de collecte, de transfert, et de rtention-dgradation des produits phytosanitaires. Application au sous bassin versant amont du Ctrais. DEA Gographie, Socits et Amnagement du Territoire, Univ. dAngers. 112 p. AIT SAADI L., 1998. Transfert de crues sur de petits bassins versants agricoles : valuation de la capacit de stockage dune zone humide de bas-fond. DEA HHGG, Univ. Paris VI, ENSMP, ENGREF. 49 p + annexes. POTIER C., 1998. Identification des zones de production, de transfert et dpuration des nitrates lchelle dun petit bassin versant agricole hydromorphe. Application au bassin versant du Ctrais. DEA HHGG, Univ. Paris VI, ENSMP, ENGREF. 60 p. DELAJON D., 1998. Bassin de Nozay : approche hydrologique quantitative. DEA de Gographie. Univ. dAngers. 100 p. REFES M., 1997. Le ruissellement lchelle de la parcelle agricole : influence de ltat hydrique et de ltat de surface. Parcelles draines et non draines, site exprimental de La Jaillire (49). DEA HHGG, Univ. Paris VI, ENSMP, ENGREF. 52 p. + annexes.

C.5. Encadrement de travaux de second cycle LEGRIS C., 2005. Les zones humides artificielles comme moyen de limiter les pollutions diffuses des bassins versants agricoles drains. Mmoire de stage de Master 1 Ecologie, Systmatique, Evolution . Universit dOrsay Paris Sud 11. DENIEPORT A., LETANG C., 2002. Modlisation des nappes superficielles soumises un processus de drainage en rgime transitoire. Rapport de stage FIUPSO Matriaux , Univ. Orsay Paris XI. 25p. JARRIN N., 2001. Modlisation des nappes superficielles soumises un processus de drainage : rsolution de lquation de Laplace en rgimes permanent et transitoire. Rapport dtude, 1re anne de lENPC Paris. 40p. MESTRES A., 2000. Analyse de sensibilit, calage et validation dun modle hydraulique de nappe superficielle (SIDRANew). Rapport de stage de 2me anne. INA-PG. 59 p. BOUGUEROUA H., 1999. Rsolution de lquation de Laplace en rgime permanent par la mthode des diffrences finies. Application un systme drain par foss. Matrise dIngnierie Mathmatique, Univ. Orsay Paris XI. 61p. TANG S., 1999. Automatisation du pilotage dune maquette de recherche sur lhydraulique du drainage. Logiciel PIMH. Mmoire dingnieur-matre en Gnie lectrique et informatique industrielle, IUP Cachan. 64 p. + annexes. MALVEZIN C., 1998. Analyse exprimentale des gammes de conductivit hydraulique dans une zone de bas-fond hydromorphe. Rapport de stage de 1re anne. INA-PG. 26 p. + annexes. AGU V., 1997. Analyse des facteurs dont la modification influe lchelle du petit bassin versant sur le stockage et le transfert des eaux de surface : application au bassin versant du Ru de Ctrais (44). Rapport de stage de 2me anne. INA-PG. 55p + annexes.

18

D. Activits denseignement

Master UPMC SDUEE/ECH, Parcours Biosphre Continentale (Univ. Paris VI, AgroParisTech). http://www.master-biospherecontinentale.fr/

Membre du conseil pdagogique. Cours et TD Hydrologie de surface (6h) et Hydraulique des Milieux Poreux (9h) Responsable de lUE Milieux, Eau et Pressions Anthropiques (30h, 3 ECTS).

Institut National Agronomique Paris -Grignon (INA-PG) http://www.agroparistech.fr/

(depuis 2001), 1ere et 2eme anne : intervenant rgulier dans les UV Matrise de leau dans le champ cultiv et Gestion de lEau . Confrences sur lhydraulique agricole (6h/an).

(1997-2004), 2eme anne : responsable de lUV De la mcanique des liquides au projet dingnieur (5 semaines). Enseignements en hydraulique des milieux poreux, hydrologie et ingnierie du drainage agricole (de lordre de 30h Cours, TD)

2eme anne (2002) : animateur de latelier Hydrologie dans lINIP Bassins versants . Cours, TD et TP terrain.

Ecole Nationale du Gnie Rural, des Eaux et Forts (ENGREF) http://www.agroparistech.fr/

(1998- 2001) 1ere anne : responsable de lUV Initiation la mcanique des liquides et lhydraulique dingnieur . Enseignements en hydraulique des coulements en charge et des milieux poreux (1 semaine, Cours et TD).

(2000) Session de formation continue Gestion et amnagement de lespace rural pour lutter contre le transfert des pollutions dorigine agricole vers les eaux . Confrence sur les impacts du drainage agricole sur la qualit des eaux

http://www.inapg.inra.fr/spip/rubrique.php3?id_rubrique=332http://www.agroparistech.fr/http://www.agroparistech.fr/

E. Participations des Projets de Recherche Acronyme et Intitul

Projet Priode Appel dOffre Principaux

Partenaires Nature de laction mene Commentaires

Lutte contre les pollutions diffuses en milieu rural : dfinition et intgration l chelle d un territoire de scnarios d action

1997-2000

puis

2001-2004

AO Cemagref interne. Thme Mobilisateur

Concilier Agriculture et Environnement

Contrat Rgion et crdits

FEOGA

Cemagref UR DEAN, QELY, GERE, ADBX

Montage et suivi bassin versant exprimental du Ctrais (44) Modlisation hydrologique et hydraulique

Coord. : N. Carluer,

3 publis Ingnieries

TY-FON - Typologie fonctionnelle des zones humides de fonds de valles en vue de la rgulation de la pollution diffuse

1997-2001

Programme National de Recherche sur les Zones

Humides (PNRZH) Min. Environnement

Cemagref DEAN

INRA Rennes

Modlisation hydrologique et hydraulique, BV du Ctrais (44)

Coord. : P. Mrot

1 publi dans Etude et Gestion des Sols

Ouvrage de synthse PNRZH

http://www.ecologie.gouv.fr/Zones-humides-PNRZH.html

Fonctionnement des zones humides riveraines du cours moyen des rivires ; analyse et modlisation de la gense des htrognits structurales et fonctionnelles. Application la Seine moyenne

1997-2001

Programme National de Recherche sur les Zones

Humides (PNRZH) Min. Environnement

Cemagref DEAN

UMR Sisyphe Paris 6

Exprimentation et modlisation du fonctionnement hydrique de parcelles en zone humide alluviale

Coord. : H. Bendjoudi

1 publi dans CRAS Gosciences

Ouvrage de synthse PNRZH

http://www.ecologie.gouv.fr/Zones-humides-PNRZH.html

Agriculture et qualit des eaux

1998-2001

PIREN-Seine Phase III

Cemagref DEAN UMR Sisyphe Paris 6

Estimation des sources et puits d'eau et de polluants sur des bassins versants

lmentaires (BV de lOrgeval)

Coord. : G. Billen

1 publi Agronomie

http://www.sisyphe.jussieu.fr/internet/piren/

Rle des discontinuits hydrologiques dans le transfert et la dissipation des produits phytosanitaires dans des bassins versants agricoles

1999-2003

AQUAE = Action incitative

INRA-Cemagref Eau et Environnement

Cemagref DEAN et QELY

INRA de Montpellier

Modlisation hydrologique et hydraulique, BV du Ctrais (44) Mthode de typologie de fosss

Coord. : R. Moussa

Axe 1 : P. Lagacherie, C. Kao

1 publi dans Ecological Indicators

19

Acronyme et Intitul



DIES IRAE : DIagnostic des Effets d'une Stratgie Intgre de RAlentissement dynamique des coulements sur le rgime des crues.

2000-2002

Risques Innondation

(RIO 1)

Min. Environement

Cemagref DEAN et HHLY

IMF de Toulouse

Analyse de linfluence de lamnagement des bassins (drainage, fosss) sur les crues

Coord. : G. Oberlin

http://www.ecologie.gouv.fr/Risque-

inondation-RIO.html

Suivi de temprature et transferts hydriques en zone non sature

2001-2002

Programme National de

Recherche en Hydrologie (PNRH, INSU)

Cemagref DEAN

UMR Sisyphe Paris 6

Mise au point dune chane tensiomtrique de terrain et interprtation des donnes

Coord. : R. Gurin

Quantification des diffrents termes du bilan hydrique de parcelles agricoles dans le marais de Rochefort en conditions estivales

2001-2003

Programme National de Recherche en Hydrologie

(PNRH, INSU)

Cemagref DEAN INRA-INAPG EGC BRGM Montpellier

Exprimentation et modlisation du fonctionnement hydrique de parcelles draines (Marais de Rochefort)

Coord. : F. Giraud et P. Weng

Modlisation hydrologique distribue de limpact dactions anthropiques en milieu cultiv sur la gense de crues extrmes

2001-2003

ACI Catastrophes Naturelles

Min. Recherche


INRA de Montpellier LTHE Grenoble

Influence de lamnagement des bassins (drainage, fosss, tats de surface) sur les crues

Coord. : M. Voltz

http://www.recherche.gouv.fr/recherc

he/aci/catnat.htm

Rle des amnagements dorigine anthropique (dispositifs enherbs et fosss) dans le transfert et la dissipation des produits phytosanitaires en bassin versant agricole.

2001-2004

Programme Pesticides

Min. Environnement


INRA de Montpellier

Connaissance et modlisation de la mobilit des pesticides dans le ruissellement et le drainage

Coord. : N. Carluer

1 publi (F. Branger et al.. )

http://www.ecologie.gouv.fr/Pesticide

s.html

Ingnierie de la matrise des impacts de drainage agricole

Conventions

annuelles 2000-2005

Convention cadre

Cemagref- Ministre de lAgriculture

DERF (DGFAR)


Etablissement de rfrences dans le domaine des pollutions agricoles diffuses hirarchisation de scnarios damnagements correctifs

Coord. C. Kao et Y. Ndlec

3 publis dans Ingnieries

RIDES : Ruissellement, Infiltration, Dynamique des tats de Surface du sol et transfert des sdiments

2003-2006

Programme National de

Recherche en Hydrologie (PNRH, INSU)

Cemagref DEAN CNRS Strasbourg

INRA BRGM

volution des EDS et des proprits hydrodynamiques en condition de nappe superficielle (Thse de B. Augeard)

Coord. : A. V. Auzet

3 publis (B. Augeard et al.)

http://www-rides.u-strasbg.fr/index.html

20

Acronyme et Intitul



DYNAS : Dynamique des Nappes Superficielles

2004-2005

Action de recherche Collaborative (ARC)

INRIA

Cemagref DEAN

INRIA, Projet Estime ENPC CERMICS

Mise au point du cahier des charges des cas tests de benchmarking. Co-organisation du Wokshop international final.

Coord. : A. Ern

2 publis (Beaugendre et Carlier)

http://www-

rocq.inria.fr/estime/DYNAS/

Appui mise en place dactions sur projet pilote des gouffres de Rampillon (77)

2005-2006

Convention de collaboration

Association AQUIBrie

CG 77 INRA/INA-PG

Instrumentation du site et mise au point des premiers scnarios daction

Coord. : C. Kao, J. Tournebize et A.

Saizounou

ORACLE : Observatoire de Recherche sur les bassins versants ruraux Amnags, pour les Crues et Les tiages

Depuis 2005

Lancement dun

Groupement dIntrt Scientifique : vers un ORE ?

UMR Sysiphe +

INRA, Mto France,

Coordination de lAxe : Observation et modlisation des processus de transferts deau et de polluants diffrentes chelles; Hirarchisation des processus

Coord. : C. Kao, C. Loumagne puis F.

Birgand

http://www.antony.cemagref.fr/qhan/ORACLE/Index.htm

Carbone, Azote, Gaz effet de Serre

2007-2010

PIREN Seine Phase V

Fdration de Recherche

FIRE (FR 3020)

Cemagref HBAN

UMR Sisyphe UMR EGC (INRA-

AgroParisTech)

Analyse des processus hydrologiques et biogochimiques contrlant les transferts dazote lchelle dun bassin versant agricole partiellement drain (Thse Claire Billy)

Coord. JM. Mouchel

Axe coord. J. Garnier

1 publi soumise (C. Billy)

METHODE : Modlisation de l'Ecoulement sur une Topographie avec des Htrognits Orientes et des Diffrences d'Echelles

2007-2010

ANR Blanc 2007 Interdisciplinaire

Universit dOrlans

INRIA BANG CERMICS/ENPC

INRA Orlans

Intgration dans les modles hydrologiques des proprits mergentes de la propagation du ruissellement issues des exprimentations numriques.

Coord. S. Cordier

C. Kao, coordinationWP4

21

F. Synthse des travaux de recherche et perspectives

23

Avant propos : les principales tapes du parcours de recherche ................................................................25

Introduction gnrale : contexte, objectifs et dmarche suivie...................................................................29

Systmes drainants et transferts de polluants ................................................................................................33 1. Elments de contexte...........................................................................................................................33 2. Analyse des processus lchelle du profil de sol ...........................................................................35

2.a. Bref tat des connaissances et des controverses ....................................................................35 2.b. Exprimentations sur modle physique : objectifs et dmarche .........................................36 2.c. Principaux rsultats .....................................................................................................................38 2.d. Bilan et perspectives....................................................................................................................39

3. Transferts dazote lchelle de bassins versants partiellement drains ......................................42 3.a. Un outil dobservation mutualis : le dispositif ORACLE...................................................42 3.b. Bref tats des connaissances et controverses..........................................................................43 3.c. Travaux mens sur le BV de lOrgeval : objectifs et dmarche ...........................................45 3.d. Mthodologie ...............................................................................................................................46 3.e. Premiers rsultats ........................................................................................................................48 3.f. Bilan et perspectives....................................................................................................................50

Le partage des coulements dans les systmes drains ................................................................................53

1. Elments de contexte...........................................................................................................................53 2. Infiltration, ruissellementet drainage.............................................................................................53 3. Analyse des processus de gense du ruissellement : effets combins de la nappe et des tats de surface du sol ............................................................................................................................................56

3.a. Objectifs et dmarche.................................................................................................................56 3.b. Principaux rsultats .....................................................................................................................57

4. Bilan et perspectives.............................................................................................................................60

Lhydrologie des versants nappes superficielles draines : quels enjeux de modlisation ? ................63 1. Les enjeux en terme de modlisation ................................................................................................64 2. Comment reprsenter la parcelle draine ?.......................................................................................66

2.a. Elments de contexte : le modle SIDRA...............................................................................66 2.b. Les systmes drainants et modlisation variablement sature : objectifs viss..................68 2.c. Dmarche suivie ..........................................................................................................................69 2.d. Principaux rsultats .....................................................................................................................71 2.e. Bilan et perspectives....................................................................................................................72

3. Versants nappe superficielle et exprimentations numriques .............................................73 3.a. Linitiative DYNAS ...............................................................................................................73 3.b. Principaux rsultats .....................................................................................................................74 3.c. Bilan et perspectives....................................................................................................................75

Vers une ncessaire intgration des processus dinteractions diffrentes chelles ...............................77

1. De limportance du dimensionnement du rseau souterrain : rsultats exploratoires...............77 2. Comment intgrer mise en charge du rseau enterr et dynamique de la nappe .......................80 3. Spatialiser les processus de gense et de transfert du ruissellement.............................................83

Elments de conclusion et de prospective .....................................................................................................87

Bibliographie .......................................................................................................................................................95

24

Avant propos : les principales tapes du parcours de recherche

LArt est long, la vie est brve

Le jugement malais, loccasion fugitive

Goethe, Wilhelm Meister

Comme cest souvent le cas, mon parcours de recherche a dbut au hasard de quelques rencontres.

Elve lINA-PG, je me laisse sduire lors dun court stage scientifique au Cemagref (1992) par les

problmes dhydraulique souterraine et damnagements associs, un moment o les pratiques hrites

du gnie rural taient au centre dune forte remise en question (nouvelle loi sur leau, mergence des

questions sur les fonctions des zones humides,)et le Cemagref dans la tourmente des dlocalisations !

Une fois lve-fonctionnaire de lENGREF, jengage alors le tour des diffrents centres du Cemagref.

Mon choix pour Antony fut rapidement confirm, victime consentante de quelques brillants esprits qui se

reconnatront, et sourd aux prophties qui prdisaient une fin aussi rapide quinluctable du drainage

Antony...

En tant quIGREF, mon arrive dans lquipe Drainage du Cemagref ne sest faite quen juin 1996 et a

fait suite une procdure de pr-affectation lors de mon passage lENGREF, valide ds 1993. Les

contours du poste alors envisag taient relativement larges, et mon retour de coopration en Egypte,

ma premire anne dactivit (96/97) a donc consist dfinir mon positionnement au sein des activits

de lquipe. LUnit "Ouvrages pour le Drainage et l'Etanchit" (DEAN) du Cemagref avait dvelopp

des outils de connaissance et de modlisation sur les systmes drainants lchelle de la parcelle agricole

depuis plus de 20 ans. Depuis la fin des annes 80, lUnit menait principalement des travaux sur le

fonctionnement hydraulique des nappes superficielles lchelle de parcelles agricoles draines par tuyaux

enterrs (Lesaffre, 1988 ; Zimmer, 1988). Le but tait la fois de mieux comprendre les processus

responsables de la gense des dbits de pointe et de renforcer les bases du calcul de dimensionnement des

rseaux. Par la suite, lexpertise acquise par lquipe a principalement t tendue au fonctionnement des

systmes irrigus-drains (Bouarfa, 1995), des centres de stockage de dchets (Bordier, 2001) et la

comprhension des transferts de polluants lchelle de la parcelle agricole draine (Arlot, 1999).

Linitiation de diffrents projets de recherche orients vers le fonctionnement des systmes humides (dans

le cadre du PNRZH en particulier et dont jai assur lanimation de deux projets pour lquipe), ma

conduit positionner mon activit scientifique sur le fonctionnement hydraulique des nappes

25

superficielles, et en particulier dans le contexte des systmes de fonds de valles. Ce positionnement sest

concrtis par une inscription en thse sous la direction de G. de Marsily (1997).

Les dparts successifs de MP Arlot en 1999 puis de Sami Bouarfa et Daniel Zimmer en 2000/2001 mont

amens rapidement prendre en charge lanimation de lquipe et contribuer partir de 2000 la

construction du nouveau plan quadriennal et du Thme de Recherche (TR) TRANSPOL . Associant

notre (petite, dsormais !) quipe des collgues de Lyon et Bordeaux, ce TR mettait fortement laccent

sur la question des pollutions diffuses ce qui ntait pas vritablement mon principal domaine de

comptence. Ce fut une priode de quelques annes dlicates , mlant la fin de thse, la reconstruction

dune quipe et les difficults dun positionnement thmatique personnel et collectif qui tait fortement

questionn, et ce sans lappui dun senior

Lappui du Dpartement Equipement pour lEau et lEnvironnement , dirig par Franois Lacroix, a t

ce stade dterminant pour la fois consolider notre groupe (arrives de Julien Tournebize, Bndicte

Augeard, Franois Birgand, Nomie Varado) et stimuler la maturation dun nouveau projet collectif.

Le questionnement scientifique qui a support les recherches de lex quipe drainage se

posait en effet sur de nouvelles bases. Une ambition tait clairement de raisonner une autre chelle

que celle de la parcelle, celle du petit bassin versant, et de pouvoir caractriser les impacts dun ensemble

plus ou moins complexe damnagements hydro-agricoles cette chelle.

Les travaux poursuivis depuis le dbut des annes 2000 peuvent tre globalement dfinis par une

thmatique assez large portant sur lvaluation de limpact des amnagements hydro-agricoles sur le

rgime et la qualit des eaux. Limportance de ces enjeux a t renforce par les demandes dappui ou

dexpertise quenregistrait rgulirement lquipe sur ce thme, manant des services dconcentrs de

lEtat (DDAF) ou des autres organismes chargs de la gestion des eaux en milieu agricole (chambres

dagriculture, collectivits territoriales, syndicats damnagement, etc.).

Sur le plan scientifique, des travaux ont ainsi t initis dans le but de faire le lien entre le

fonctionnement hydrologique des parcelles draines et des versants, le fonctionnement

hydraulique des rseaux de fosss et leurs consquences sur lhydrologie du petit bassin versant.

Les rsultats doivent permettre daboutir moyen terme un ensemble de connaissances et doutils de

modlisation dvelopps sur une base acadmique tout en essayant dans le mme temps de proposer des

prconisations et des rgles de dimensionnement en vue de limplantation douvrages correctifs ou

compensateurs dimpacts. Ce positionnement sest concrtis en 2004 par une reformulation du Thme de

Recherche dans le cadre du plan stratgique 2004-2008.

26

Le nouveau TR PHYLEAU 1 intgre dsormais mieux nos travaux sur la connaissance des processus,

sur la modlisation des transferts diffrentes chelles et sur les bases mthodologiques dune ingnierie

des amnagements compensateurs. Un des objectifs tait aussi de clairement renforcer la qualification et la

lisibilit scientifique de lquipe par la participation des programmes et rseaux de recherche nationaux et

par un renforcement de leffort de publication.

Un effort particulier a donc t men sur le partenariat recherche et lquipe travaille dsormais (ou a

rcemment travaill) avec la plupart des groupes sintressant, au niveau national, lhydrologie dite de

processus (INRA Montpellier, Rennes, Grignon ; LTHE Grenoble ; UMR Sisyphe Paris 6, IMFS

Strasbourg). Lquipe a particip aux principaux programmes de recherche nationaux (PNRZH, PNRH,

ACI Catastrophe Naturelle, Action conjointe INRA/Cemagref AQUAE,...) ou sur la base dun partenariat

plus rgional mais structurant (PIREN-Seine2, ARC INRIA Dynas3). Lquipe a fait partie des

membres fondateurs de lIFR Environnement et Gestion de lEspace Rgional (EGER) qui se

prolonge dsormais par la Fdration de Recherche FIRE 4 associant lUniversit Paris 6 aux principaux

organismes de recherche (CNRS, INRA, IRD). Elle est enfin pleinement engage dans le montage du GIS

ORACLE 5 qui vise rassembler autour de lobservation multi-variables et multi-chelles des bassins

embots de lOrgeval et des Morins, un large collectif de recherche, dans lesprit des ORE labelliss par

lINSU en 2002.

En matire denseignement, lquipe intervient depuis de nombreuses annes Paris 6, lINA-PG,

lENGREF, lENGEES et lESGT. Lquipe est par ailleurs principalement associe lEcole Doctorale

Gosciences et Ressources Naturelles 6 et au Master SDUEE/ECH7 travers les parcours

Hydrologie et Biosphre Continentale en tant ququipe associe et membre du conseil

pdagogique.

Cette volution, en cours, ne se ralise pas sans difficults dans la mesure o les sollicitations sur les

questions Ingnierie des amnagements hydro-agricoles , toujours prsentes, ne sont pas facilement

compatibles avec les objets de recherche acadmique . Dautre part, en terme disciplinaire, en quittant

progressivement la niche drainage agricole la parcelle (Gnie Rural), et en sintressant au (petit)

bassin versant, on sinscrit de fait dans un champ beaucoup plus large (Hydrologie des versants) et donc

au centre des proccupations de nombreuses autres quipes de recherche nationales et internationales de

grande qualit. La concurrence est donc rude mais, fort heureusement, les collaborations fertiles

1 www.cemagref.fr/Informations/viescientifique/program04/tr04phyleau.htm2 http://www.sisyphe.jussieu.fr/internet/piren/3 www-rocq.inria.fr/estime/DYNAS/4 http://www.fire.upmc.fr/5 www.antony.cemagref.fr/qhan/ORACLE/Index.htm6 http://www.ed398.upmc.fr/page_accueil/page_accueil.htm7 http://www.master.sduee.upmc.fr/

27

http:// www.cemagref.fr/Informations/viescientifique/program04/tr04phyleau.htmhttp://www.sisyphe.jussieu.fr/internet/piren/http://www-rocq.inria.fr/estime/DYNAS/http://www.fire.upmc.fr/http://www.antony.cemagref.fr/qhan/ORACLE/Index.htmhttp://www.ed398.upmc.fr/page_accueil/page_accueil.htmhttp://www.master.sduee.upmc.fr/

Dans ce contexte, le challenge acadmique a t double : (i) identifier et reformuler les questions de

recherche que posent les systmes drains en matire dhydrologie (ou passer de la drainologie

lhydrologie des systmes drainants) ; (ii) assurer la lgitimit de nos recherches au sein de la

communaut des hydrologues en visant, malgr la spcificit de nos systmes, une meilleure gnricit de

nos mthodes et outils (ou passer du drainage-objet au drainage-support de recherches).

Nous essaierons ainsi de montrer dans ce mmoire, travers quelques rsultats tirs de mon propre

parcours, dans quelle mesure les systmes drainants posent des questions complexes et lgitimes

lhydrologie et comment les dmarches ainsi induites peuvent aboutir des rsultats la fois originaux et

gnriques.

28

Introduction gnrale : contexte, objectifs et dmarche suivie

Elments de contexte

Quil sagisse de problmes de prvention des risques hydrologiques ou de gestion de la qualit des eaux, il

existe une demande croissante par les populations, les gestionnaires ou les responsables politiques d'une

meilleure matrise des coulements sur les terres agricoles. Il s'agit en effet danticiper et de mieux

rpondre aux dgts occasionns par les inondations, les scheresses ou les pollutions (politiques

d'amnagement du territoire et de gestion de la ressource), ou encore de restaurer un bon tat

cologique des diffrentes masses d'eau (objectif moyen terme impos par la rglementation

europenne). C'est dans ce contexte trs global, mais qui se rvle dsormais parfois critique, que les

diffrentes recherches sur le cycle de leau contribuent expliquer et/ou prvoir, les phnomnes mis en

jeu et leurs consquences dans les domaines climatique, hydrologique et hydraulique. On cherche ainsi

comprendre les processus physiques participant aux transferts des prcipitations travers les sols puis

travers le rseau hydrographique, afin de pouvoir identifier les zones risques ou enjeux et anticiper

les consquences ngatives des phnomnes naturels ou des activits humaines.

Lampleur des nuisances, occasionnes par les crues par exemple, fait rgulirement resurgir la polmique

sur les risques naturels, les possibilits de prvention de telles catastrophes et mettent en cause limpact

des pratiques agricoles. Cest en particulier vrai de la suppression des fosss de ceinture des parcelles,

des haies, et des prairies ou du drainage des sols.

Les actions de l'homme ont un impact certain sur le cycle hydrologique et les processus mis en jeu. Plus

particulirement en milieu agricole, elles gnrent de nombreuses singularits dans la gomtrie des

bassins versants et dans les proprits hydrologiques des sols. Ainsi, la succession des techniques

culturales dans les zones de grandes cultures conduit des modifications importantes et dynamiques de

linfiltrabilit et de la rugosit des couches de surface du sol (e.g. Ludwig, 1992 ; Martin, 1997 ; Augeard et

al., 20058). Le drainage des parcelles par drains enterrs cre des axes privilgis de capture des

coulements de surface et de propagation des coulements souterrains (e.g. Ritzema, 1994 ; Kao et al.,

1998 ; Skaggs, 1999). Les rseaux de fosss et de haies, les motifs linaires dorigine agraire (traces de

roues, drayures, fourrires), les fosss d'assainissement constituent autant de collecteurs de

ruissellement importants, qui modifient les temps de concentration des coulements de surface, leurs

directions et leurs changes avec les coulements souterrains (Ndlec, 2005). Au total, les activits

agricoles influent tant sur le partage des flux deau entre ruissellement de surface et infiltration dans le

8 Dans la suite du texte, les rfrences soulignes sont identifies dans la liste des travaux de lauteur

29

sol, que sur la capacit de stockage en eau la surface du sol, la vitesse dcoulement et le temps de

transfert l'chelle du bassin versant.

Objectifs et nature de la dmarche suivie

Dans ce contexte trs gnral servant de cadre aux travaux internationaux de recherches portant sur les

effets des activits anthropiques sur le rgime et la qualit des eaux, la spcificit (loriginalit,

lidentit) de notre dmarche de recherche peut se caractriser travers plusieurs aspects qui touchent

aussi bien la nature des hydrosystmes et des objets hydrologiques tudis quaux niveaux dchelles

spatiales et temporelles investigus.

En effet, les systmes hydrologiques que jai tudis sont marqus par la prsence de nappes

superficielles, dans des contextes agro-pdo-climatiques varis dont les contours sont vastes et vont, en

France, des systmes de grandes cultures de lest du bassin parisien, de polyculture-levage du grand ouest

jusquaux zones humides anthropises du type Marais de lOuest. Les sols prsentent systmatiquement

des signes dhydromorphie (dont lorigine peut tre diverse), les systmes daquifres sont complexes

(interactions hydrogologie / surface), le comportement saisonnier est trs marqu (nos travaux ont

jusqu prsent port essentiellement sur le fonctionnement humide hivernal).

Les hydrosystmes nappes superficielles sont relativement ubiquistes. Les petits bassins versants

agricoles (ordre 1 3) du nord et de l'ouest de lEurope comportent souvent des zones hydromorphes

d'extension plus ou moins importante. Au niveau hydrologique, le caractre hydromorphe se caractrise

par la prsence d'une nappe temporaire ou permanente, perche ou non, trs proche de la surface du sol

en priode humide. Ces zones se situent soit sur les plateaux, o elles font alors le plus souvent l'objet de

drainage agricole, soit dans les fonds de valles o elles s'organisent en corridors riverains, encadrant le

rseau hydrographique.

Le drainage des terres agricoles a t, et continue dtre, un acte majeur de matrise de la contrainte en eau

pour de nombreux bassins versants dominante agricole. On estime en effet 10% de la Surface Agricole

Utile (SAU) la surface draine artificiellement en France, 25% aux USA, 30% en Allemagne, voire plus de

50% au Royaume Uni (statistiques ICID/CIID9, 2005) ce sont des superficies tout fait considrables,

souvent le produit dune longue histoire, et dont les rcentes volutions ont accompagn lintensification

de lagriculture.

9 http://www.icid.org/

30

http://www.icid.org/

La connexion de ces nappes avec le rseau hydrographique naturel (ru, rivire) ou anthropique

(drainage, fosss d'assainissement) dtermine fortement le transfert des coulements souterrains

et de surface (ruissellement) vers le rseau. Les zones hydromorphes, quelles soient localises dans les

versants ou dans les fonds de valles, sont la fois le lieu de dbordement du rseau (redistribution des

eaux de surface), et d'alimentation de ce rseau par les eaux souterraines et de surface (zones actives au

ruissellement par exemple). La dynamique de la nappe superficielle est dans ce contexte un lment cl de

comprhension des processus liant hydrologie des versants et hydraulique du rseau. Ce type de

fonctionnement est en partie la base du concept de zones contributives (Cappus , 1960 ; Dunne et

Black, 1970) qui a t si prolifique en hydrologie de surface ces trente dernires annes.

Une autre particularit de nos systmes tient dans le fait quils sont fortement amnags et

htrognes (drainage et assainissement agricoles ; linaires de type chemins, routes, talus, haies ; des

noyaux villageois ( protger) ; forts gres ou parses), o le drainage nest quune des composantes de

la complexit de ces systmes. Cette complexit implique la mise en uvre dapproches diffrentes

chelles despace et de temps (BV dordre 0 3, du m lhectare et jusqu la dizaine de km, de

lvnement la saison). Si la plupart de nos travaux ont surtout t mens lchelle locale ou parcellaire,

on vise reprsenter les phnomnes lchelle intermdiaire (au sens de lhydrologie) du versant

et du petit bassin de quelques km. Cette chelle dintgration est justifie car cohrente avec : (i)

lchelle de contrle et dinteractions des processus lmentaires (partition infiltration/ruissellement p.e.) ;

(ii) lchelle de dimensionnement des ouvrages dhydraulique agricole ; (iii) lchelle de dcision et

dintgration de la variabilit spatiale et temporelle des pratiques agricoles pour un groupe restreint

dexploitations agricoles ; (ij) lchelle dintervention dun certain nombre dacteurs ou de zonages :

actions cibles des SAGE, syndicats damnagements, communes, associations de protection (nappes,

rivires,), parcs naturels rgionaux,

Nos travaux ont dautre part port sur ltude du fonctionnement hydrologique courant de ces

systmes. En ce qui concerne lhydrologie, on ne sintresse pas a priori des problmes de risques pour

des alas extrmes. Concernant les transferts de polluants, on se place dans le cadre des problmes de

pollutions diffuses rsultant de pratiques agricoles moyennes . Il faut de plus rappeler que les

amnagements hydro-agricoles sont en gnral dimensionns (ou fonctionnement correctement) pour

des alas ayant des priodes de retour infrieures 5 ans. Ceci dit, la question du changement de

comportement de ces systmes pour des vnements plus rares (ou rpartis dans le temps diffremment,

Cf questions lis au changement climatique) est une question en soi qui mriterait amplement un travail

spcifique.

Enfin, de par la nature des objets tudis, nos travaux portent fondamentalement sur des questions

dinterfaces : continuum [nappe / sol / atmosphre], interface [nappe / rseau hydrographique], interface

[versant / zone de fond de valle], interface [rseaux enterrs / rseau hydrographique], etcLa

31

dynamique des phnomnes est en gnral tudier en rgime transitoire, diffrentes chelles de

temps (vnement, saison, pluri-annuel). En terme de modlisation cela se traduit par des difficults de

couplage de modles et/ou de prise en compte de conditions aux limites non triviales, voire de

reformulation des problmes. Ces difficults justifient un investissement dans un travail de fond sur des

outils numriques adapts, la difficult tant de bien organiser et doser cet effort.

Sappuyant sur la longue exprience que mon quipe de recherche a acquise sur le fonctionnement

hydrologique des sols drains, le principal objectif de mon activit de recherche a donc t dtendre nos

comptences dexprimentation et de modlisation aux infrastructures naturelles prsentant des nappes

superficielles ayant une connexion avec un rseau surface libre tout en consolidant et diversifiant nos

connaissances sur les processus de gense des coulements et des transferts lchelle parcellaire.

Dans ce mmoire je propose une synthse de ma dmarche de recherche et des rsultats acquis par

lquipe. Dans une premire partie seront prsents les travaux ayant touchs ltude des transferts de

polluants diffrentes chelles (profil de sol, parcelle, bassin versant). Nous dtaillerons ensuite les

principaux rsultats acquis depuis une dizaine dannes sur les processus de gense du ruissellement dans

les hydrosystmes drains. Nous voquerons par ailleurs un ensemble de travaux et de rflexions sur la

question de la modlisation multi-processus et multi-chelles de ces systmes. Enfin, nous proposerons

des lments de conclusion et identifierons quelques pistes de recherche.

32

Systmes dra nants et transferts de polluants i

Rfrences de lauteur mobilises : [THES], [INT2], [INT3], [INT11], [NAT2], [NAT7], [COMo2], [COMo3], [COMo5], [COMo6], [COMo7], [COMp2], [COMp3], [COMp4], [COMp5], [COMp7], [COMp9], [COMp10]

1. Elments de contexte

Si on sintresse aux pollutions diffuses dorigine agricole et de possibles mesures correctives visant

amliorer la qualit des eaux, il est difficile - peut tre mme impossible - dagir trs laval. Cela justifie

une approche oriente vers la comprhension des facteurs qui contrlent le fonctionnement des

petits bassins versants ruraux damont.

La qualit des eaux se construit ds lamont des bassins versants, lchelle des parcelles dune

exploitation agricole qui est lunit logique dintervention de lagriculteur. Cest cette chelle (quelques

dizaines dhectares) que se raisonnent les pratiques culturales, que sorganisent les rotations et que,

finalement, se produit lexcdent de matires actives qui peut alors tre transfr vers les eaux de surface et

souterraines. Cet excdent dpend des successions culturales, de la technicit de lagriculteur (de sa

matrise de la fertilisation) et des caractristiques pdologiques et hydriques des parcelles. Une fois lessiv,

lazote rejoint plus ou moins brve chance les eaux souterraines et les eaux de surface.

Sur un bassin versant comme celui de la Seine, les cours deau dordre 1 4 du rseau hydrographique

reprsentent prs de 90% du bassin total. Ce sont donc ces missaires qui collectent lessentiel du dbit de

la Seine, et des apports diffus de nutriments. Cest donc essentiellement ce petit chevelu qui constitue

linterface entre le bassin versant et les eaux de surface.

Sur ce mme bassin de la Seine, une part importante des bassins amonts se situe en position de plateau o

ils peuvent prsenter un caractre hydromorphe marqu, avec prsence de nappes superficielles en hiver.

Sur ces bassins, lintensification de lagriculture a conduit les agriculteurs optimiser leurs outils de

production et, en particulier, drainer de grandes superficies (Fig. 1). Les oprations de drainage agricole,

raisonnes lchelle de la parcelle, saccompagnent traditionnellement de travaux dassainissement

agricole qui visent augmenter la capacit de transfert du rseau hydrographique, ce qui se concrtise le

plus souvent par un recalibrage des ruisseaux. Cette transformation des bassins amont par

lintensification des pratiques agricoles et la modification du rseau hydrographique a eu comme

consquence une dgradation de la qualit des eaux de surface et souterraines. Les amnageurs, les

gestionnaires et les usagers de ces bassins veulent prsent savoir o et comment agir, lchelle de ces

bassins versants, pour amliorer la qualit des eaux.

33

Fig. 1 : proportion surfacique de drainage agricole par cantons lchelle du bassin versant de la Seine (AESN/RGA 2000)

Dans le contexte des bassins versants hydromorphes circulation relativement superficielle et fortement

drains, on se retrouve finalement dans la situation o un excdent de fertilisation lchelle de la parcelle

est rapidement sanctionn par une modification sensible de la qualit des eaux : la connectivit des

parcelles au rseau hydrographique (par lensemble drains et collecteurs de drainage) " court-

circuite " les voies dcoulement traditionnelles dans les versants. Le fonctionnement du rseau

hydrographique est, lui aussi, profondment influenc par les oprations dassainissement agricole : la

gomtrie du rseau est modifie dans le but dvacuer les dbits vers laval, ce qui a pour consquence

daugmenter la vitesse de transfert de leau (Kao, 2002).

Dans ce cadre, les travaux mens ont port sur deux chelles :

- lchelle du profil de sol, dans une gomtrie de systme drain, dans le but de complter nos

connaissances sur la dynamique de lessivage de ces systmes ;

- lchelle de lembotement de petits bassins versants amonts afin dinvestiguer les processus de

transferts/rtention de lazote dans ces systmes.

34

2. Analyse des processus lchelle du profil de sol

2.a. Bref tat des connaissances et des controverses

Un travail fondateur sur les processus de lessivage de nitrates dans les systmes drainants a t ralis dans

notre quipe au Cemagref par M. P. Arlot (1999). Il a t men pour partie sur des parcelles draines (site

exprimental de La Jallire), et complt par des tests sur petite cuve au laboratoire et des modlisations.

Cette collgue a mis en vidence une double influence de la nappe draine sur le transfert de soluts : (i)

un transfert rapide du solut vers les eaux superficielles lchelle vnementielle et (ii) un stockage dune

partie du solut dans la nappe lchelle saisonnire.

Les caractristiques spcifiques du lessivage de soluts observes dans des systmes drains ont suscit

dans la communaut internationale de nombreuses exprimentations, interprtations et travaux de

modlisation. Les comportements de lessivage observs sont souvent qualifis de prfrentiels

(Jacobsen and Kjaer (2007) pour une revue). Ils sont gnralement expliqus par loccurrence de

phnomnes de transport prfrentiel dans une fraction non darcienne de la macroporosit du sol. Il est

noter quun nombre significatif de ces travaux ont t conduits en Europe du nord, sur des sols argileux

sensibles la fissuration ou durant des priodes parfois discutables quant au fonctionnement attendu du

drainage (t, printemps aprs des priodes de gel,). En matire de dynamique de lessivage aux chelles

saisonnires, les synthses bibliographiques menes par Arlot (1999) et prolonges dans lquipe par

J. Tournebize montrent la grande constance des processus qui se produisent en sols drains.

Une des conclusions importantes des travaux dArlot est quil ne semble pas ncessaire de faire

exclusivement et systmatiquement appel au concept de transport prfrentiel pour expliquer les

arrives rapides du solut au drain et les courbes dlution asymtriques qui caractrisent les systmes

drains. Cest en effet la dynamique propre de la nappe draine qui explique une partie de ce

comportement. De plus, Arlot (1999) a montr que des fonctions de lessivage adaptes permettent de

bien restituer la variabilit vnementielle des concentrations de nitrate au drain au moyen de quelques

paramtres auxquels on peut attribuer un sens physique (en lien avec la fraction de la porosit implique

dans le lessivage , lchelle du systme drainant).

Dans le prolongement direct de ces travaux, nous avons choisi en 2001 de mener un travail

complmentaire la fois exprimental (au laboratoire) et de modlisation, visant prciser les mcanismes

de transfert deau et soluts de la surface du sol jusquau drain. En effet, les exprimentations de traage

en conditions contrles sont nombreuses dans la littrature (par exemple Stamm et al., 2002) mais trs

peu permettent de procder des comparaisons entre les dynamiques 1D et 2D propres aux systmes

35

drains. Les phnomnes physiques impliqus dans ce type de transport restaient en partie

prciser car ils sont difficiles apprhender et quantifier directement sur le terrain.

2.b. Exprimentations sur modle physique : objectifs et dmarche

Le travail de thse de Thas Paris (2004), que jai codirig avec D. Zimmer, se situe donc dans la

continuation des travaux raliss par M.P. Arlot sur le lessivage des nitrates dans les systmes drainants, et

de mes propres travaux sur la comprhension du fonctionnement hydraulique des systmes nappe

superficielle (Kao, 2002 ; Kao et al., 2001)). Cette thse a t ralise dans le cadre dune collaboration

avec des collgues du CNRS et de lUniversit Paris 6 dans le cadre de lex IFR EGER (T. Barriac, M.

Benedetti) et a pu bnficier des conseils de JP Gaudet (LTHE, Grenoble) et de F. Lehmann (IMFS

Strasbourg).

Le principal objectif de ce travail a t de comprendre les mcanismes de transfert des soluts, dans un

milieu poreux variablement satur, en prsence d'une nappe superficielle draine (par des drains

agricoles).

La comprhension de ces mcanismes de transfert a t recherche en associant des approches

hydrodynamiques (tude des processus de transfert deau et de dynamique de la nappe) et des approches

gochimiques (transfert de soluts par traage chimique et isotopique), sous conditions contrles au

laboratoire. Les conditions dcoulements linterface entre la surface libre de la nappe et la zone

non-sature ont t plus particulirement tudies. Afin de pouvoir tudier plus finement ces

processus en conditions contrles, les recherches se sont appuyes sur un modle physique original, mis

au point durant mes propres travaux de thse (Maquette de Simulation de lHydraulique des Nappes

Superficielles (MaSHyNS), Kao (2002)).

La dmarche exprimentale au laboratoire a t choisie afin de saffranchir de la variabilit des conditions

de terrain et de travailler sur un sol sablo-limoneux globalement homogne, tamis 2mm (et donc sans

macroporosit dorigine biologique ou pdogntique) permettant disoler et quantifier les effets

hydrauliques propres du drainage. La modlisation portant sur la rsolution numrique des quations de

Richards et de convection-dispersion nous a permis de complter et de valider les conclusions issues des

observations.

Un part trs importante du travail a consist mettre au point un protocole exprimental lourd permettant

de raliser des expriences en coulement 1D vertical et en 2D (avec drain). Un total de 12 expriences a

t ralis : 6 sur colonne de sol (H=100 cm, = 15 cm) et 6 sur le modle physique 2D de sol

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MASHYNS (H=100 cm, L=200 cm, l=50 cm). Plusieurs traceurs ont t utiliss (KCl, CaCl2,

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Une hydrologie des versants à nappes superficielles drainées