Quantification de la contribution du réseau de drainage agricole aux processus de transferts hydrosédimentaires

par Arthur Gaillot

Projet de thèse en Sciences de laTerre

Sous la direction de Marc Desmet, Sébastien Salvador-blanes et de Célestine Delbart.

Thèses en préparation à Tours , dans le cadre de Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU , en partenariat avec Géo-hydrosystèmes continentaux (laboratoire) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    Le développement de l'agriculture française depuis les années 1960 s'est accompagné de plans de drainage des sols hydromorphes. Ainsi plus de 10 % de la surface agricole utile française est aujourd'hui drainée. Le drainage constitue une voie artificielle de transferts hydriques et modifie notablement le fonctionnement hydrologique des sols et des bassins versants concernés. Ces modifications s'accompagnent d'un changement des dynamiques érosives des versants et d'une augmentation de la connectivité hydrosédimentaire des bassins versants. Selon les contextes, le drainage agricole peut représenter jusqu'à 65 % de l'érosion annuelle à l'échelle de petits bassins versants agricoles. En outre, la Directive Cadre sur l'Eau de 2000 a fixé des objectifs de qualité des eaux de surfaces. La participation du drainage dans les processus de transferts de matières dissoutes et particulaires implique la prise en compte du drainage dans les décisions et actions à mener pour l'amélioration de l'état écologique des masses d'eau. L'impact hydrologique des drains a fait l'objet de nombreuses études (Skaggs et al., 1994 ; Nédelec, 2005 ; Blann et al., 2009 ; Gramlich et al, 2018). La plupart des études abordant l'aspect hydrologique des drains se sont principalement concentrées à l'échelle de la parcelle et du bassin versant. A l'échelle du profil de sol, seules quelques études (Zimmer, 1989, Lesaffre, 1989) ont permis la compréhension de la dynamique hydrique de certains types de sols drainés. Il reste notamment à déterminer la dynamique temporelle de la répartition des flux hydriques surfaciques et subsurfaciques. Concernant la dynamique des matières en suspension, des études de traçages indiquent que les matières en suspensions exportées en dehors de la parcelle proviennent principalement des horizons supérieurs voire de la surface du sol. Ces études ne précisent cependant pas les temps de transfert des particules de la surface vers les drains ou de la parcelle jusqu'à l'exutoire du bassin versant. Des premiers essais d'intégration de la participation des réseaux drainage aux modèles d'érosion de sol ont été réalisés à l'échelle de la parcelle agricole, mais le transfert d'échelle et l'intégration à l'échelle du bassin versant reste encore à approfondir.

  • Titre traduit

    Quantification of agricultural drainage system contribution to hydrosedimentary transfer processes


  • Résumé

    Since the 1960's, large landscape modifications were carried out to improve agriculture productivity. One of these changes was the ploughing of humid plains together with the installation of subsurface drainage, which currently represents 10 % of arable lands in the world. Studies have shown the impact of subsurface drainage on the water regime, and especially decreases in flow peaks. Drainage increases water and sediment connectivity. Less effort was devoted to investigate the impact on the erosion dynamics and very few studies were designed at the catchment scale. However, the understanding of water and suspended solids dynamics from field to catchment outlet is a key to set efficient conservation measures to reduce erosion up. We propose to trace both water and suspended solids to determine the relative contributions between surface and subsurface sources. Water tracing gives indication on pathways while suspended solids trace sources (i.e. soil surface vs. deeper soil). The study site is composed of a 5ha field within a 2500 ha agricultural catchment representative of the French agricultural intensive openfield catchments. The studied field is representative of the catchment. It is a cereal crops openfield. Two drainage methods exist in the field: subsurface drainage with drains 120 cm-deep and surface drainage with artificial channels created after the winter seeding. The soil in the study field is a loamy clay soil with clay floor at 45 cm of depth. Quantification of suspended solids and water fluxes (surface and subsurface) are monitored at high temporal resolution both at the field (since January 2019) and catchment (since September 2013) scale. Since November 2019, we trace water flows (rain, soil water subsurface flow and overland flow) using water ions and stable isotopes . Suspended solids are analysed through their mineralogy and primary particle size . At the field scale, the first results show a rapid response of surface drainage to rain inputs - confirmed by ions tracing - and suspended solids are mainly coming from surface drainage. Subsurface drainage reacts with a significant delay. Ions tracing shows that subsurface runoff seems to result from a rapid transfer of the rainfall throught the macropores coupled to a replacement of older soil water by rain inputs.