Réflexions sur l'utilité des modèles mathématiques dans la gestion de la pollution diffuse d'origine agricole - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 1990

Réflexions sur l'utilité des modèles mathématiques dans la gestion de la pollution diffuse d'origine agricole

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Abstract

This work has two main objectives. First, it evaluates the ability of empirical and conceptual models to simulate the evolution of loads and concentrations of suspended solids, nitrates and phosphates at the outlet of a small rural watershed. A model (based on CREAMS and SWRRB) is used as an example of empirical models and HSPF as an example of conceptual models. Second, the usefulness of such models is analyzed towards the management of non-point agricultural pollution through the detailed study of five potential operational uses of models: (1) computation of pollutant load, (2) analysis of high concentration risk, (3) simulation and representation of pollutant transport mechanisms, (4) identification of pollutant sources, and (5) prediction of the impact of modifying agricultural practices on water quality. The first part of this work displays the importance of rural non-point source pollution. The different steps of water management procedures in agricultural watersheds are analyzed, pointing out the need for various management tools at each step. Then, the potential use of models as management tools is presented. This first part ends with the description of the normal structure of a modelling approach to a problem, and with the analysis of extrinsic reasons which can explain why models are scarcely used in France. The second part describes the physical, chemical and biological processes and subsequent sub-models interacting in the global cycle of water, erosion, nitrogen and phosphorus. Next, a comprehensive analysis is given of the most famous models, specifying their abilities and their applicability. The third part is devoted to the conducted modelling work. The results obtained after validation for both selected models on the Mélarchez watershed (7 km2) are analyzed. Finally, a conclusion is suggested as to die usefulness of models as management tools, on the basis of the answers that they are able to bring to real problems. The main conclusions to be drawn are as follows: - These models are too complex to simulate loads and concentrations at the ouüet of rural watersheds. The available information in the data is not sufficient to calibrate the model, hence parameters are under-determined. Moreover, simulations are generally rather poor, specifically in the case of the highest concentrations. As management tools, the models are not more efficient than simpler models to compute pollutant loads (for instance models considering a constant concentration). - In principle, these models should be able to simulate other state variables (e.g., soil nitrate storage) or to simulate the impact on water quality of modifying agricultural practices such as changing cultivated areas or crop rotations, or changing the type or amount of fertilisers. This presupposes that the realism of the representation of processes inside the watershed (not only at the outlet) should be verified. Unfortunately this is not the case, and furthermore the necessary data generally do not exist. Hence, at present, these models should not be trusted for decision making.
Cette étude comporte deux objectifs principaux. Le premier est de contribuer à l'évaluation des deux approches, empirique et conceptuelle, de modélisation du transport de polluants diffus d'origine agricole quant à leur capacité à représenter l'évolution temporelle des concentrations et des flux des matières en suspension, des nitrates et du phosphore, à l'exutoire d'un petit bassin versant agricole. Nous avons validé deux modèles représentatifs de chacune des approches ; le premier modèle est inspiré des modèles CREAMS et SWRRB et le deuxième est modèle le HSPF. Le deuxième objectif est d'analyser l'utilité des modèles mathématiques dans la gestion de la pollution diffuse d'origine agricole et ceci par rapport à cinq critères de décision auxquels sont confrontés les gestionnaires : (1) estimation des flux polluants, (2) évaluation du risque de dépassement d'une concentration, (3) description de mécanismes de transport de polluants , (4) détermination et quantification des sources de polluants et (5) évaluation de l'impact sur la qualité de l'eau des changements des pratiques agricoles. La première partie de ce mémoire décrit les enjeux de la pollution diffuse d'origine agricole, analyse les phases du processus de gestion de la qualité de l'eau dans les bassins versants agricoles et situe les diverses méthodologies d'aide à la gestion dans les différentes étapes de ce processus. On met en évidence de quelle manière la modélisation peut apporter une aide aux gestionnaires et aux décideurs. Elle comporte également une description des différentes étapes de la mise en oeuvre d'un modèle et une analyse des principaux problèmes extrinsèques aux modèles qui limitent leur application par les gestionnaires. La deuxième partie décrit les mécanismes mis en jeu dans le transport de polluants d'origine diffuse et les principales approches de modélisation de chaque processus individuel par cycle : l'eau, l'érosion, l'azote puis le phosphore. Enfin nous présentons les principaux modèles mathématiques de simulation du transport des polluants agricoles en les classant, en mettant en évidence leurs avantages et leurs inconvénients, et en précisant leur domaine d'application. La troisième partie présente la démarche de modélisation suivie, les modèles mathématiques utilisés et les résultats obtenus individuellement pour chacun des modèles pour le bassin versant de l'Orgeval (à Mélarchez). Finalement, nous présentons les résultats de nos réflexions sur l'utilité des modèles mathématiques dans la gestion de bassins agricoles afin d'évaluer le réel intérêt d'une telle démarche dans la résolution des problèmes concrets qui sont posés aux gestionnaires. Considérés comme outils de simulation des concentrations ou des débits à l'exutoire, ces modèles sont trop complexes par rapport à l'information disponible dans les données ce qui conduit à une sous-détermination des paramètres. De plus, l'évolution temporelle des concentrations de polluants à l'exutoire est en général mal représentée notamment lors les événements à fortes concentrations. Considérés comme outils de gestion, ces modèles ne sont guère plus performant dans l'estimation des flux polluants à l'exutoire que des modèles plus simples. Par ailleurs, ces modèles pourraient en principe simuler l'évolution d'autres variables d'état (e.g., stock d'azote du sol) ou simuler l'impact de changements des pratiques agricoles sur la qualité de l'eau tels que les modifications des surfaces cultivées ou de la rotation de différentes espèces végétales ou des changements dans la quantité ou dans le mode d'apport de fertilisants. Pour cela ils devraient être validés sur leur réalisme physique, c'est-à-dire, sur leur capacité de décrire fidèlement les processus essentiels responsables de la dynamique de polluants dans le bassin versant. Cependant, comme ils ne sont jamais validés sur cette propriété et comme aucune mesure à l'intérieur du bassin ne permet de justifier a priori la validité de la représentation, on ne peut encore raisonnablement leur accorder confiance pour la prise de décision en matière de gestion.
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tel-00529963 , version 1 (27-10-2010)

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  • HAL Id : tel-00529963 , version 1

Cite

Luiz Augusto Kauark Leite. Réflexions sur l'utilité des modèles mathématiques dans la gestion de la pollution diffuse d'origine agricole. Modélisation et simulation. Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 1990. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00529963⟩
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