Modélisation et analyse de services éco-hydrauliques des réseaux de canaux et fossés des agrosystèmes méditerranéens

Spécificités éco-hydrauliques des canaux et fossés agricoles en zone méditerranéenne

 Les canaux d’irrigation et fossés sont des IAE présentes dans certains agrosystèmes méditerranéens. Les canaux d’irrigation sont des « structures linéaires artificielles qui transportent de l’eau » (López-Pomares, López-Iborra et Martín-Cantarino, 2015) d’une source amont à ses utilisateurs finaux à l’aval (souvent des agriculteurs) (Figure 1.2). Les fossés sont des excavations du sol dont le rôle est de conduire l’eau en dehors des parcelles (Levavasseur et al., 2012). Elles remplissent majoritairement un rôle de recueil des eaux de ruissellement (Carluer et Marsily, 2004; Ramos et Porta, 1997), de drainage (Adamiade, 2004; Carluer et Marsily, 2004; Krause,Jacobs et Bronstert, 2007), et elles limitent le ravinement et l’érosion sur les versants méditerranéens (Ramos et Porta, 1997; Roose et Sabir, 2002) (Figure 1.2).

Leur création est donc d’origine purement anthropique. La décision de leur aménagement date parfois de plusieurs centaines d’années, résultant de décisions individuelles ou politiques (Berger, 2000). Ces canaux et fossés ont des caractéristiques variables dans le temps et l’espace (Lagacherie et al., 2006; López-Pomares, López-Iborra et MartínCantarino, 2015). Ils sont organisés en réseaux, c’est-à-dire qu’ils sont connectés les uns aux autres hydrauliquement et donc écologiquement. La densité des fossés agricoles, dans un paysage viticole méditerranéen, peut dépasser 200 m/ha, même si la variabilité est importante (Levavasseur et al., 2015). Concernant les canaux d’irrigation, la densité a été estimée à 30 m/ha en moyenne dans tout le territoire provençal, d’après des données de Aspe, Gilles et Jacqué (2016). Notons que certains canaux et fossés sont parfois revêtus, mais que la plupart sont en terre et à surface libre et donc souvent recouverts de végétation. Ces réseaux ont également la particularité de connecter des écosystèmes amont avec des écosystèmes aval, l’un ou l’autre pouvant ne pas être un agrosystème, permettant ainsi des échanges d’eau, de propagules et de sédiments. En zone méditerranéenne, les réseaux de canaux et fossés se caractérisent par un fonctionnement intermittent.

En effet, au niveau hydrologique, des épisodes pluvieux rares mais intenses caractérisent le climat méditerranéen, principalement en automne mais également, plus rarement, au printemps ou en hiver. La faible conductivité hydraulique à saturation des sols engendre un ruissellement de type hortonien et des crues rapides, dans lesquels les réseaux de fossés peuvent jouer un rôle antagoniste d’amplification ou d’atténuation des écoulements (et donc des crues) suivant leur configuration et leur situation dans le bassin versant. La typologie des précipitations engendre une succession de périodes humides avec des nappes peu profondes et des périodes sèches avec une nappe profonde (Voltz et al., 1996), ceci jouant également un rôle dans les dynamiques d’infiltration-exfiltration de nappe au niveau des fossés (Dages et al., 2009). Les dynamiques d’érosion d’origine hydrologique 

Le potentiel agro-écologique des fossés et canaux méditerranéens : entre pratiques d’entretien et fonctionnement éco-hydraulique 

Fossé en zone viticole bordant une route B) Fossé en zone viticole entre 2 parcelles C) Canal de drainage D) Canal d’irrigation en zone de prairies sont liées à ces événements particuliers et événementiels. L’érosion par l’eau sur un bassin versant agricole peut atteindre 10.5 t.ha−1 .an−1 en région méditerranéenne (Paroissien, Lagacherie et Le Bissonnais, 2010). De même, pour les canaux d’irrigation et fossés de colature, le calendrier d’irrigation engendre une intermittence puisque la période d’irrigation est concentrée en période « sèche », donc de mars à octobre. Les canaux de niveau secondaire ou tertiaire sont seulement utilisés pendant les « tours d’eau » (accès à l’eau par intermittence par les usagers).

En termes de morphologie, les canaux et fossés possèdent un rapport hauteur/largeur plus important que les cours d’eau. En zone méditerranéenne, l’étude de Levavasseur et al. (2012) a révélé que 75% des fossés agricoles dans un bassin versant agricole méditerranéen avaient une largeur supérieure de 50 à 120 cm et une profondeur de 30 à 80 cm. Les canaux d’irrigation de leur côté peuvent aller de quelques mètres de largeur et de profondeur en amont de réseau (réseau revêtu ou non) et les plus petits (les filioles) ne dépassent pas 50 cm de largeur pour une profondeur équivalente. Si les canaux d’irrigation et fossés partagent une certaine intermittence, il n’en reste pas moins qu’ils ont des régimes hydrauliques contrastés. Les canaux d’irrigation fonctionnent généralement à un régime donné, défini par les besoins en eau des secteurs desservis et des débits nécessaires pour assurer les arrosages. Pour donner un exemple, en aval de réseau, le débit est compris entre 30 L.s −1 et 150 L.s −1 pour l’irrigation gravitaire à la planche – Interactions entre pratiques d’entretien, végétation et processus éco-hydrauliques dans les prairies de Crau (France). En ce qui concerne les fossés agricoles, pour des crues exceptionnelles, les débits peuvent atteindre un ordre de grandeur de 1000 L.s −1 en aval de réseau (Moussa, 2000). Ces canaux et fossés, par rapport aux cours d’eau naturels, présentent un grand nombre d’ouvrages hydrauliques (Figure 1.2).

Ces infrastructures peuvent être des vannes, des martelières, des buses, des ponceaux,. . . . Elles régulent le transport de l’eau et la turbulence, et de fait affectent les processus éco-hydrauliques tels que le transport de sédiments et de graines (Belaud, 2000; Favre-Bac et al., 2017; Soomers et al., 2010). Les capacités de transport de ces canaux et fossés reposent sur des pratiques d’entretien qui leur sont propres. Ces pratiques visent la plupart du temps à restaurer la capacité hydraulique en supprimant la végétation vivante et morte. Certaines pratiques sont mises en œuvre annuellement ou bi-annuellement. Ces pratiques sont la fauche, le brûlis, et le désherbage chimique, ou tout simplement le nettoyage (Alberdi et al., 2015; Dollinger et al., 2015; Levavasseur et al., 2014). Le curage, mis en œuvre sur une périodicité moyenne de 10 ans (Levavasseur et al., 2014), vise à extraire les sédiments accumulés en fond de fossé. En zone viticole méditerranéenne, la mise en œuvre de ces pratiques d’entretien suit un calendrier précis puisque le brûlis n’est autorisé qu’en dehors des périodes sèches, le désherbage chimique est généralement pratiqué en même temps que celui appliqué aux parcelles (au printemps); le curage et la fauche sont donc généralement pratiqués aux autres périodes : en été pour les fossés (Levavasseur et al., 2014) et en hiver pour les canaux (Alberdi et al., 2015). Les canaux et fossés en zone méditerranéenne se caractérisent par la présence d’une végétation terrestre abondante (Moresmau, 2013).

Ils contiennent un grand nombre de plantes herbacées, vivaces ou annuelles, et de buissons (Levavasseur et al., 2014). Cette particularité les différencie, en termes de biodiversité, d’autres canaux ou fossés toujours en eau qui contiennent une quantité importante de macrophytes, comme c’est souvent le cas en Europe du Nord (Armitage et al., 2003; Blomqvist et al., 2003; Twisk, Noordervliet et Keurs, 2003). Les interactions fortes entre végétation et processus de transport dans ces canaux et fossés, ainsi que l’intermittence de la circulation de l’eau, permettent de mettre en évidence les spécificités éco-hydrauliques de leur fonctionnement. En effet, ces infrastructures sont originales puisqu’elles sont à la fois des objets du paysage agricole, terrestres et aquatiques, à l’interface entre parcelles cultivées et écosystèmes receveurs.

Services éco-hydrauliques des canaux et fossés et relations avec les traits de végétation

 Parmi les IAE, les canaux d’irrigation et fossés agricoles présentent donc la particularité de disposer partiellement et/ou temporairement d’eau libre. Ils sont des habitats semi-terrestres et semi-aquatiques, ou représentent parfois un interface entre les deux (Herzon et Helenius, 2008). Bien que certains travaux existent, ces IAE ont globalement été bien moins étudiées

Table 1.2 – Services écosystémiques des canaux et fossés : caractérisation de l’interaction entre végétation et services écosystémiques Dénomination Interaction avec la végétation Service IAE Bénéficiaire Biologique Chimique Physique Stockage et restitution de l’eau aux plantes cultivées Canal Agriculteur et Société x x Stockage et restitution de l’eau bleue Canal et fossé Société x x Régulation des graines adventices Canal et fossé Agriculteur et Société x x Pollinisation des espèces cultivées Canal et fossé Agriculteur x Régulation des insectes ravageurs Canal et fossé Agriculteur et Société x (x) Atténuation des pesticides Fossé Société x x Régulation de la qualité de l’eau vis-à-vis du N, du P et du COD Fossé Société x x Stabilisation des sols et contrôle de l’érosion Canal et Fossé Agriculteur et Société x x x Structuration du sol Canal et Fossé Agriculteur x x x que d’autres telles que les haies par exemple, et leur potentiel agro-écologique et écologique est beaucoup moins bien connu. Les fossés agricoles ont déjà fait l’objet de quatre revues de littérature (à notre connaissance) : (i) Needelman, Ruppert et Vaughan (2007) se sont focalisés sur la formation des sols des fossés et leur impact sur la qualité de l’eau (ii) Herzon et Helenius (2008) ont étudié leurs services écosystémiques en mettant en évidence la grande biodiversité des fossés (iii) Pierce, Kröger et Pezeshki (2012) se sont focalisés sur le management des réseaux de drainage et leurs effets sur l’atténuation des impacts négatifs de l’agriculture intensive (iv) Dollinger et al. (2015) ont étudié l’influence des typologies de maintenance sur les services écosystémiques, notamment l’atténuation des pesticides par les sols de fond de fossés. Les canaux d’irrigation ont fait l’objet d’un article de recherche par Aspe, Gilles et Jacqué (2016).

Ils ont mis en lumière leur rôle en tant que régulateur de sécheresse et de crues, de recharge de la nappe et de corridor écologique. Ces cinq revues de littérature font émerger 9 services écosystémiques potentiellement rendus par ces infrastructures (classification EFESE), qui sont tous des services de régulation (voir Tableau 1.2). Comme souligné précédemment, les fossés et canaux accueillent une grande biodiversité (Herzon et Helenius, 2008), notamment végétale (Figure 1.3). Cette végétation rend un grand nombre de services (Dollinger et al., 2015; Herzon et Helenius, 2008; Pierce, Kröger et Pezeshki, 2012), et à ce titre constitue un déterminant biophysique des services. Les services rendus reposent sur des interactions avec les flux de l’écosystème, qui peuvent être de trois types : (i) biologiques, (ii) chimiques (iii) physiques. Les interactions biologiques englobent tous les processus liés aux interactions de la végétation avec le monde vivant. Ces interactions influencent les processus sous-tendant les services de régulation des insectes ravageurs, ou de pollinisation.

Les interactions chimiques de la plante avec l’écosystème influencent des services tels que l’atténuation des pesticides par les sols (par exemple par sorption sur des fractions végétales) (Dollinger, 2016). Enfin, les interactions physiques reposent sur les propriétés architecturales, mécaniques et d’agencement des plantes. Ces propriétés (ou traits) influencent les services de structuration et de stabilisation du sol, de régulation des graines adventices, de stockage et transport de l’eau jusqu’aux plantes cultivées. – Interactions entre pratiques d’entretien, végétation et processus éco-hydrauliques Figure 1.3 – Exemples de la biodiversité végétale des canaux et fossés : A) Patchs d’iris des marais en canal B) Mélange de fleurs de printemps en fossé C) Garance voyageuse en fossé D) Mélange de graminées en fossé Un récapitulatif de l’influence de la végétation des canaux et fossés sur les différents services qu’ils rendent, en fonction de la nature de l’interaction, est présenté en Tableau 1.2. Les liens entre biodiversité et fourniture de services écosystémiques, bien qu’ils aient été établis, sont encore difficiles à quantifier et à évaluer (Kremen, 2005; Mace, Norris et Fitter, 2012).

Alors que le rôle des plantes dans la fourniture des services biologiques et chimiques des linéaires de bordure de champ a été étudié dans de nombreux travaux (par exemple Bennett et al. (2005), Dollinger (2016), Girma, Rao et Sithanantham (2000), Moore et al. (2010) et Pisani Gareau et Shennan (2010)), il semble que les interactions physiques des processus de transport avec la végétation aient rarement été traitées de manière simultanée dans le cadre de l’évaluation de services. C’est pourquoi les travaux de thèse se concentreront sur les services de transport de l’eau jusqu’aux plantes cultivées, restitution de l’eau bleue, régulation des graines adventices, stabilisation des sols et contrôle de l’érosion (Figure 1.4). Du fait de l’interaction de l’homme dans ces écosystèmes (fossé et canal) par les pratiques d’entretien, et des spécificités des canaux et fossés impliquant des interactions entre végétation et processus de transport, les disciplines mobilisées seront en particulier l’agro-écologie, définie précédemment, et l’éco-hydraulique. L’éco-hydraulique constitue une discipline parfois inclue dans l’éco-hydrologie, située à la frontière entre l’écologie (échelle de l’individu, de la population et de la communauté), et l’hydraulique (Kemp et Katopodis, 2016). Les paragraphes suivants sont une revue de la littérature existante sur les interactions physiques entre végétation et services étudiés. Ils cherchent notamment à mettre en évidence les liens entre traits des couverts et processus éco-hydrauliques, sur la base d’équations physiques, ou du moins mécanistes, lorsque la littérature en question est existante. Notons que la littérature concernée n’est pas propre aux IAE.

En effet, les processus concernés peuvent se dérouler dans n’importe quel autre cours d’eau si les conditions hydrologiques, hydrauliques ou écologiques sont semblables. Effet du couvert végétal sur les conditions hydrauliques locales Un couvert végétal possède un coefficient de traînée opposé à l’écoulement de l’eau. Une loi de traînée quadratique peut être utilisée pour évaluer cette force de traînée f (ensidérant les plantes comme des cylindres rigides) (Equation 1.1) : f = 1 2 × Cd × A × ρ × V 2 h (1.1) avec Cd le coefficient de traînée du couvert végétal, A l’aire frontale définie par Nepf (2012a) par A = Diam × hp [L 2 ] en considérant que les plantes soient des cylindres de diamètre Diam [L] et de hauteur hp [L], ρ étant la densité de l’eau [M.L −3 ] et Vh la vitesse moyenne [L.T −1 ]. Le coefficient Cd est dépendant des propriétés de végétation tels que la forme de la plante et son diamètre (James et al., 2004), et de la densité du couvert (Li et Shen, 1973). Cd considéré – Interactions entre pratiques d’entretien, végétation et processus éco-hydrauliques FOND BERGE BORDURE FOND BERGE BORDURE Sédiments Contrôle de l’érosion Transport et restitution de l’eau bleue Stabilisation des sols Régulation des graines adventices Propagules Figure 1.4 – Illustration des services éco-hydrauliques étudiés dans le cadre de la thèse 1.2. (a) (b) (c) Figure 1.5 – Profils verticaux de la vitesse de l’écoulement dans un couvert émergent (A), dans un couvert submergé et peu dense (B), et dans un couvert submergé et dense (C) Végétation émergente Végétation submergée Ecoulement déterminé par le gradient de potentiel entre le lit et la surface de l’eau Ecoulement déterminé par le gradient de potentiel et le stress turbulent à la limite supérieure du couvert végétal Peu dense Cdahp < 0.04 Dense Cdahp > 0.1 Force de traînée due au lit > Force de traînée due à la végétation Force de traînée due à la végétation > Force de traînée due au lit Profil de couche limite turbulente Profil de couche limite turbulente Zone de cisaillement à la limite supérieure du couvert végétal et point d’inflection Turbulence limitée à l’échelle de la tige Echelle de la turbulence limitée à l’échelle de la tige Echelle de la turbulence à l’échelle de la tige et du couvert végétal Table 1.3 – Caractéristiques du champ des vitesses en cas de végétation émergente ou submergée ici ne doit pas être confondu avec le coefficient de traînée individuel. Nepf (2012b) rappelle que pour des nombre de Reynolds (calculés à l’échelle de la tige) importants, il est acceptable de choisir un coefficient de traînée constant Cd dont la valeur est comprise entre 0.7 et 1.5.

Ce coefficient de traînée est souvent fixé à 1 lorsque l’on n’a pas de données pour l’estimer plus précisément. Au contraire, pour des faibles nombres de Reynolds, Cd peut prendre des valeurs plus importantes et augmente lorsque le Reynolds diminue (Tanino et Nepf, 2008). Les champs des vitesses sont hétérogènes dans un couvert végétal (Nepf, 2012a). Généralement, les études différencient les couverts émergents et submergés parce que le champ des vitesses moyen et la turbulence peuvent être de natures très différentes dans ces deux configurations (Finnigan, 2000; Nepf et Vivoni, 2000) (Figure 1.5). L’échelle de la turbulence est également dépendante des densités (Table 1.3). Les couverts peu denses sont ceux pour lesquels Cdahp < 0.04 et les couverts denses ceux pour lesquels Cdahp > 0.1 (Belcher, Jerram et Hunt, 2003; Nepf et al., 2007), a représentant l’aire frontale du couvert par unité volumétrique [L −1 ]. – Interactions entre pratiques d’entretien, végétation et processus éco-hydrauliques En conditions émergées, la vitesse moyenne à l’intérieur de la végétation est toujours plus faible que dans un canal nu. Cependant, la végétation crée de façon concomitante une augmentation de la turbulence.

La production de turbulence à l’intérieur du couvert est plus importante que celle due à la friction du lit, et ainsi la turbulence totale ne peut pas être prédite qu’à partir de la vitesse de cisaillement au fond (Nepf, 2012b), comme c’est souvent fait pour les études en canal nu. En conditions submergées, deux configurations principales sont possibles (Nepf, 2012b) (Figure 1.5). Si le couvert est peu dense, le profil des vitesses a la forme d’une couche limite turbulente. Dans ce cas, l’intensité de la turbulence augmente avec la densité de végétation (Nepf, 2012a). Si le couvert est dense, le profil des vitesses a un point d’inflection comme observé sur la Figure 1.5. Quand la végétation est dense avec l’apparition d’un point d’inflection dans le profil des vitesses, des vortex à l’échelle du couvert sont susceptibles d’apparaître (Brown et Roshko, 1974). Il est possible de prédire la longueur de pénétration δe de ces vortex de Kelvin-Helmholtz dans le couvert (Nepf et al., 2007). Cette longueur de pénétration δe décroit avec une densité croissante de tiges. Pour la végétation flexible, la végétation peut se courber sous l’effet de la vitesse de l’eau. Ce phénomène de « reconfiguration » (Vogel, 1996) est dépendant de la vitesse de l’eau. Il faut noter que le degré de reconfiguration est dépendant de la vitesse de l’eau. Le profilage de la végétation avec l’augmentation de la vitesse est aussi susceptible de modifier le coefficient de friction à l’interface entre le haut du couvert et la couche d’eau « libre » (Aberle et Järvelä, 2013). Luhar et Nepf (2011a) et Chapman, Wilson et Gulliver (2015) ont proposé de prédire des coefficients de traînée pour des plantes avec différentes flexibilités.

Dans des conditions réelles dans les canaux agricoles, la majorité de la végétation est flexible parce que composée de plantes aquatiques, herbacées et non-graminoïdes. A notre connaissance, pour le moment, aucune estimation des traits de flexibilité pour une communauté entière n’a été conduite, et la recherche généralement considère des plantes individuelles, malgré l’importance de la flexibilité du couvert pour estimer les conditions hydrauliques à des échelles spatiales plus importantes. Résistance hydraulique causée par la végétation à l’échelle du bief La résistance hydraulique à l’échelle du bief est généralement décrite par un coefficient de résistance, communément le Manning-Strickler, Darcy-Weisbach ou Chézy. Notons qu’un bief, dans le cadre de ces travaux, est une portion de canal ou fossé aux propriétés géométriques et au couvert végétal supposés homogènes (voir Lagacherie et al. (2006)). Nikora et al. (2008) rappellent que les coefficients de résistance dépendent en grande partie des propriétés de végétation. Beaucoup de formules permettant de prédire les coefficients de résistance à partir des propriétés de végétation ont été développées (voir Tableau 1.4). Ces formules reposent principalement sur les traits suivants, déterminés à l’échelle du bief : hauteur moyenne du couvert hp, coefficient de traînée Cd, diamètre des tiges Diam, densité des tiges Densit y.