Computer modeling of pesticide fate at hillslope scale within a hydrological modeling framework taking into account macroporosity
Développement d'une modélisation du devenir de pesticides à l'échelle d'un versant au sein d'une plateforme hydrologique, prise en compte de la macroporosité
Résumé
The aim of my thesis is to develop a spatial scale modeling of a catchment, to better reflect the main pathways of pesticides in agricultural lands. We are looking to adopt a simplified approach, yet it allows to represent the existing discontinuities (plots, ditches, embankments ... etc). Indeed, we wish to quantify the mechanisms of transfer of pesticides taking into account the influence of landscape features (patches, ditches, grass strips ... etc) on the partition of water transfers and pesticides in surface and subsurface. It relies for this development on the acquired data on the experimental watershed Morcille (69), which serve to provide orders of magnitude and a framework to test the relevance of business developments. A literature review on the processes involved and the existing models led to the choice of hydrological modeling framework CMF, developed at the University of Giessen (Kraft, 2012). CMF allows for object oriented modeling of a hydrologic system (soil column, slope, watershed etc.) and offers a wide variety of physical equations for the representation of hydrological processes. The work is conducted in three steps, the first involves assessing the behavior of CMF and validating its response via the comparison initially via a 1D model following a comparison with Hydrus1D. Secondly, we conducted 2D simulations comparing with the Cathy model based on the work of Sulis et al. (2010) and Hydrus2D (Simunek et al., 1999 & Simunek et al., 2001) on a hillslope inspired from the experimental slope of Morcille. The second step is to take account of preferential flow in certain types of structured soil, seems necessary for better representation of the processes. The representation of the preferential transfer of pesticides through macropores to water resources is still a research challenge. The dual permeability approach (DP) contains selected developing the infiltration of a new function in the macropores. Our DP model also contains two alternative exchange functions matrix-macropores; the first one is proportional to the difference of the water contents of the two compartments of the soil (Philip, 1968). The second exchange function is a diffusing wave based on the approach outlined by van Genuchten (1993). The last part of the thesis consists in the modeling of solutes successively following two approaches: single dual porosity and permeability, considering the convective transport of solutes and a linear adsorption. The validation of our modeling approach is conducted by comparing with the Hydrus1D / 2D simulations.
L’objectif général de ma thèse est de développer une modélisation spatialisée à l’échelle d’un versant, afin de mieux rendre compte des principales voies de transfert des pesticides dans les terrains agricoles. Je cherche à adopter une approche simplifiée, mais qui permet néanmoins de représenter les discontinuités existantes (parcelles, fossés, talus … etc). En effet, on souhaite pouvoir quantifier les mécanismes du transfert des pesticides en prenant en compte l’influence des éléments du paysage (parcelles, fossés, bandes enherbées …etc) sur la partition des transferts d’eau et de pesticides en surface et en subsurface. On s’appuie pour ce développement sur les données acquises sur le bassin versant expérimental de la Morcille (69), qui servent à fournir des ordres de grandeur et un cadre pour tester la pertinence des développements effectués. Une synthèse bibliographique sur les processus en jeu et les modèles existants a conduit au choix de la plateforme de modélisation hydrologique CMF, développée à l’université de Giessen (Kraft, 2012). Cette dernière permet une modélisation orientée objet d’un système hydrologique (colonne de sol, versant, bassin versant ...etc) et propose une grande variété d’équations physiques pour la représentation des processus hydrologiques. Le travail est mené sur trois étapes, une première consiste à l’évaluation du comportement de la plateforme et la validation de sa réponse via la comparaison dans un premier temps via un modèle 1D suite à une comparaison avec Hydrus1D. Dans un second temps, nous avons mené des simulations en 2D en comparant avec le modèle Cathy en se basant sur les travaux de Sulis et al. (2010) et avec Hydrus2D (Simunek et al., 1999 & Simunek et al., 2001) sur un versant inspiré du versant expérimental de la Morcille. La deuxième étape consiste à la prise en compte des écoulements préférentiels dans certains types de sol structurés, nous paraît nécessaire pour une meilleure représentation des processus en jeu. La représentation du transfert préférentiel des produits phytosanitaires via les macropores vers la ressource en eau représente encore un défi pour la recherche. L’approche à double perméabilité (DP) choisie contient le développant d’une nouvelle fonction d’infiltration dans les macropores. Notre modèle DP contient également deux fonctions alternatives d’échange matrice-macropores ; la première est proportionnelle à la différence des teneurs en eau des deux compartiments du sol (Philip, 1968). La deuxième fonction d’échange est une onde diffusante basée sur l’approche présentée par van Genuchten (1993). La dernière partie de la thèse consiste en la modélisation des solutés suivant successivement les deux approches : simple porosité et double perméabilité, en considérant le transport des solutés par convection et une adsorption linéaire. La validation de notre approche de modélisation est menée en comparant avec les simulations d’Hydrus1D/2D.
Origine : Version validée par le jury (STAR)