Typologie fonctionnelle des états de surface du sol [EDS] pour l’extrapolation des propriétés hydro-érosives

Typology of soil surface characteristics [SSC] to extrapolate hydraulic and erosion properties

• Auteur / Autrice : Bouchra Ali
• Direction : Anne-Véronique Auzet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Résumé

Les états de surface du sol [EDS] ont une influence importante sur les propriétés d’infiltration, de ruissellement et d’érosion. Elles résultent de l’interaction de facteurs naturels et agronomiques, dans le cas des sols cultivés, qui contrôlent la structure de la surface et plus particulièrement le système poral. Les EDS peuvent être décrits à partir de l’observation d’un certain nombre de caractéristiques : rugosité, croûtes, mottes de labour, résidus végétaux, macropores. Dans un contexte donné, il est possible de réduire la variabilité des états de surface du sol à un nombre limité de « types » traduisant des combinaisons de ces caractéristiques. L’identification de ces types doit fournir des clés de compréhension de la forte variabilité spatiale des propriétés hydrologiques de surface. L’objectif principal de ce travail est d’élaborer et de tester une méthodologie générique permettant d’identifier les principaux types d’état de surface et de qualifier leur réponse hydrologique et ce dans des contextes variés, cultivés on non. Trois jeux de données d’observation ont été exploités, provenant de sites tunisiens et de sites français en Alsace et dans les Alpes. Chacun des jeux réunit des données d’observation des caractéristiques des EDS ainsi que des données concernant les propriétés hydrologiques de surface acquises sous simulation de pluie ou par infiltrométrie Beerkan ou TRIMS. Pour définir les types d’EDS, nous nous appuyons sur une approche statistique divisée en deux étapes : une analyse en composantes principales (ACP) des variables observées, suivie d’une classification ascendante hiérarchique (CAH). Cette approche permet de définir des types d’EDS qui s’avèrent nettement distincts. Ces types sont ensuite comparés aux propriétés hydrologiques de surface mesurées sous simulation de pluie ou par l’infiltrométrie Beerkan et TRIMS. Pour les trois jeux de données, les résultats, obtenus à partir de l’analyse statistique des relations entre propriétés hydro-érosives et types d’EDS, montrent que la classification des EDS est pertinente par rapport à ces propriétés. Les différents types présentent des propriétés significativement différentes. Cependant, en fonction du paramètre retenu (infiltration, ruissellement ou érosion), le classement des types varie. La gamme de variation des valeurs de conductivité hydraulique à saturation est la plus importante pour le jeu de données du versant alpin de Super-Sauze (2 à 155 mm h-1). Elle s’étend de 6 à 90 mm h-1 pour le jeu de données de Tunisie et de 7 à 32 mm h-1 pour celui des sols limoneux d’Alsace. Concernant les différentes méthodes de mesures des propriétés d’infiltration utilisées, les résultats montrent que, dans un contexte donné, les classements relatifs des différents types d’EDS sont identiques, ce qui est un résultat important. Les valeurs de conductivité obtenues sont cependant différentes. La typologie obtenue par l’approche statistique développée dans cette thèse constitue une référence permettant de différencier et de spatialiser au sein du contexte étudié, les propriétés de ruissellement et d’érosion à partir de trois variables : infiltrabilité des sols, pluie d’imbibition et concentration en sédiment. La démarche proposée est convergente avec celle résultant d’une bonne expertise ; elle présente cependant l’avantage d’être généralisable à un nouveau contexte pour lequel l’expertise n’existe pas.

Soil surface characteristics [SSC] have an important effect on the infiltration, runoff and erosion processes. SSC result from the interaction between natural and agronomical factors. They influence the soil surface structure, especially the poral system. SSC may be described through the observation of several characteristics: roughness, crust, clods, residues cover and macroporosity. In a specific context, spatial variability of the SSC may be summarized by identifying a limited number of SSC types consisting in combinations of these characteristics. These types may give information about the spatial variability of hydrologic properties. The main objective of this study is to develop and test a generic methodology that allows identifying SSC types and qualifying their hydrologic response in various contexts (with or without cultivation); Three field datasets were used, coming from different contexts on of Tunisia and two of France (in Alsace and in Alps mountains). They gather SSC observations data and hydrologic and erosion values obtained from field measurements at small plot scale (≤1m²) by rainfall simulation or infiltrometry devices (Beerkan or TRIMS). This approach is built on a two steps methodology: a principal components analysis was used to identify predominant variables of SSC in a specific context. Then a hierarchical ascending classification is run on previously selected data. This approach allows defining distinct types of SSC. Each SSC type is finally associated with infiltration, runoff and erosion values. For the three datasets, the results show a good accordance between hydrologic properties and the SSC classification. The different types have significant difference of hydrologic properties, however types sortings according to infiltration, runoff or erosion parameters are different. The higher range of hydraulic conductivity was observed in Super-Sauze context (2 to 155 mm h-1). In Tunisian context, they ranged from 6 to 90 mm h-1 and from 7 than 32 mm h-1 in alsatian context. Concerning the different measurements methods of infiltration properties, rainfall simulation and infiltrometry devices give similar relative sortings of the SSC types, which is an important result. However, absolute values present important differences. Based on a statistical approach, this study develops a typology, which differentiates and allows spatializing the runoff and erosion properties from three variables: infiltrability, imbibition rainfall and sediment concentration. This approach fits well with results of good expert knowledge, but the former interest consists in its application in contexts where no expert knowledge is available.