Modélisation de l'impact des terrasses agricoles et du réseau d'écoulement artificiel sur la réponse hydrologique des versants

Modelling study of the effects of terrace cultivation and artificial drainage on hillslope hydrologic response

• Auteur / Autrice : Dennis Hallema
• Direction : Roger Moussa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Eaux Continentales et Société
• Date : Soutenance le 21/10/2011
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'étude des interactions sols-agrosystèmes-hydrosystèmes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roger Moussa, Charles Perrin, Vincent Guinot, François Colin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Andrieu, Riccardo Rigon

Mots clés

Mots clés libres

Réponse hydrologique du versant

Bassin versant agricole

Écoulement artificiel

Giuh

Modélisation pluie-débit

Ruissellement de surface

Hillslope response

Agricultural catchment

Artificial drainage

Giuh

Rainfall-runoff modelling

Surface runoff

Résumé

L'aménagement des versants méditerranéens en terrasses et en fossés avait pour but d'augmenter la surface agricole et de permettre une meilleure gestion de l'eau. La dégradation des terrasses et des drains peut conduire à une augmentation des risques d'inondation, d'érosion et de maintien des cultures. Pour améliorer la connaissance de l'impact réel sur la réponse hydrologique des versants, cette thèse suit différentes approches de modélisation. D'abord la réponse hydrologique d'un bassin versant méditerranéen (0.91 km2) avec des terrasses et des fossés aménagés est simulée à l'aide d'un modèle distribué, événementiel, à base physique, adapté aux bassins versants agricoles. La performance est très satisfaisante pour certains événements simulés, même si le modèle ne tient pas compte des terrasses. Afin de modéliser l'impact des terrasses agricoles et de l'écoulement artificiel, nous avons conçu un nouveau modèle distribué et parcimonieux qui utilise une distribution linéaire du temps de réponse, combiné avec l'hydrogramme unitaire instantané géomorphologique. Les simulations sur des versants et bassins virtuels avec un réseau non-optimal de drainage (non-OCN) montrent que (i) pour de longues interfaces entre une parcelle et un cours d'eau la réponse hydrologique est plus rapide et le débit de pointe plus élevé; (ii) la vitesse du ruissellement de surface a un plus grand impact sur le débit de pointe que la vitesse d'écoulement dans les fossés; et (iii) la densité de drainage accrue combinée avec la création de terrasses résulte en un débit de pointe plus élevé en aval et moins élevé en amont.

Terrace cultivation and artificial drainage were implemented on Mediterranean hillslopes for multiple reasons: agricultural terraces increase arable land surface and artificial drainage allows for better water management. Degradation of terraces and channels inevitably leads to an increase in flood risk, erosion and, eventually, crop damage. Little is known about their effect on hillslope hydrologic response, and therefore this thesis presents an integrated method where we compare different modelling approaches. We first simulated the hydrologic response of a Mediterranean catchment (0.91 km2) with terrace cultivation and artificial drainage using a physically-based, fully distributed storm flow model for agricultural catchments. Simulation performance is impressive for some storms, even though the model does not account for terraces. In order to model the effects of terrace cultivation and artificial drainage on hillslope hydrologic response explicitly, we subsequently developed a new distributed model with only geometric and flow velocity parameters, using a linear response time distribution combined with the hillslope geomorphologic instantaneous unit hydrograph. Simulations on virtual hillslopes and catchments with a non-optimal channel network suggest that (i) drainage is faster and attains higher peak flows for longer interface lengths between agricultural fields and drainage channels; (ii) overland flow velocity has greater influence on peak flow than channel flow velocity; and (iii) the combined effect of increased drainage density and introduction of terrace cultivation is enhanced peak flow at the outlet, and a reduction of peak flow from upstream terraces.