Transport des matières en suspension et du carbone organique à l'échelle d'un bassin versant agricole : analyse de la dynamique et modélisation agro-hydrologique (SWAT)
Résumé
The study of the fluvial suspended sediment and organic carbon transport through the world's streams and rivers provides information on the erosion rate of continents, the cycling of carbon on earth, and the contribution of terrestrial carbon to the oceans. The objectives of the research are, on the one hand, to describe and analyse the transport dynamics of suspended sediment (SS), and dissolved and particulate organic carbon (DOC and POC) during flood events with assessment of flood load contribution and, on the other hand, to quantify the long term fluxes by agro-hydrological modelling approach. The experimental study is based on the field experiment for extensive data collection at the catchment outlet from both manual and automatic sampling within the Save agricultural catchment, 1110 km2, a tributary of the Garonne River in Southwest France from January 2007 through June 2009. For modelling approach, the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) was applied to study long term trend of sediment transport processes, sediment and particulate organic carbon yield taking into account hydrolo-climaitic data (1999-2008), landuse, and agricultural management practices within the catchment. Our results revealed high temporal variability in transport dynamics during different seasonal flood events. SS, DOC and POC load were strongly transported during spring resulting from frequent flood events of high magnitude and timing of flood. The quantification of flood loads of SS, DOC and POC contributing to annual load was estimated. Annual sediment transport in 2007 yielded 16 614 tonnes, representing 15 t km-2 (85% of annual load transport during floods for 16% of annual duration), while the 2008 sediment yield was 77 960 tonnes, representing 70 t km-2 (95% of annual load transport during floods for 20% of annual duration). The transport of POC and DOC during flood events exhibited 76% and 62% of their total loads within 22% of the whole duration (January 2008 to June 2009). POC and DOC export from the Save catchment amounted to 3091 t and 1238 t, representing 1.8 t km-2 y-1 and 0.7 t km-2 y-1, respectively. The hydro-climatic factors conditioning the transport dynamics using statistical analyses revealed strong correlations between total precipitation, flood discharge, total water yield with SS, POC, DOC load transport. Moreover, SS, POC and DOC dynamics using concentration-discharge relationship (hysteresis patterns) at different flood events during rising and falling flow were also examined. SWAT agro-hydrological model results show strong temporal variability of annual sediment and POC yield from the Save catchment (1999-2008). Annual sediment yield ranged from 4766 t to 123000 t, representing a mean specific sediment yield of 48 t km-2 y-1 and annual POC yield ranged from 120 t to 3100 t, representing a mean specific POC yield of 1.2 t km-2 y-1. A regression between annual water yield and simulated annual sediment yield was established and potential source areas of erosion were also identified by modelling for the Save agricultural catchment.
L'étude du transport fluvial des matières en suspension (MES) et du carbone organique dans les rivières du monde informe sur le taux d'érosion des continents, le cycle du carbone et la contribution du carbone terrestre à l'océan. Les objectifs du travail sont, d'une part, de décrire, analyser et quantifier la dynamique des MES et du carbone organique, particulaire (COP) et dissous (COD), lors des périodes de crue, d'évaluer la contribution des événements de crue sur les flux annuels et, d'autre part, de quantifier ces flux sur le long terme par une approche de modélisation agro-hydrologique. L'étude expérimentale est basée sur l'échantillonnage à l'exutoire des données par un prélèvement manuel et automatique dans un bassin versant agricole de 1 110 km2 du Sud-ouest de la France, la Save, un affluent de la Garonne, de Janvier 2007 à Juin 2009. Concernant l'approche de modélisation, le modèle SWAT 2005 (Soil and Water Assessment Tool) est utilisé pour décrire le transport et quantifier le flux des MES et du COP sur du long terme (1999-2008) intégrant les données hydro-climatiques, l'occupation du sol et les itinéraires techniques des pratiques agricoles dans ce bassin. Les résultats montrent la forte variabilité temporelle de la dynamique de transport des MES, COP et COD durant les différentes crues saisonnières. Ces flux sont notamment transportés au printemps grâce aux fréquences importantes des crues et à la durée des crues. La quantification de flux (MES, COP et COD) pendant les crues contribuant aux flux annuel à été estimé. Le flux annuel des MES en 2007 est de 16 614 tonnes, représentant 15 t km-2 (85% du flux annuel transporté en crue pour 16% de la durée annuelle) et il est de 77 960 tonnes représentant 70 t km-2 en 2008 (95% du flux annuel transporté en crue pour 20% de la durée annuelle). Le transport du COP et COD durant les crues est respectivement de 76% et 62% du flux total pour 22% de la durée totale (Janvier 2008 à Juin 2009). Les flux de COP et COD exportés de la Save sont de 3091 tonnes et 1238 tonnes, représentant respectivement, 1,8 t km-2 an-1 et 0,7 t km-2 an-1. En utilisant des analyses statistiques, les facteurs hydro-climatiques qui conditionnent la dynamique du transport montrent de bonnes corrélations entre la précipitation totale, le débit de crue, le flux d'eau et les flux de MES, COP et COD. De plus, la dynamique des MES, COP et COD pour les différents crues a été examinée, en utilisant l'analyse des hystérésis. Les résultats du modèle agro-hydrologique SWAT montrent la forte variabilité temporelle des flux annuels de MES et COP (1999-2008). Le flux annuel de MES varie de 4 766 tonnes à 123 000 tonnes, représentant un flux spécifique de 48 t km-2 an-1 et le flux annuel de POC varie de 120 tonnes à 3 100 tonnes, représentant un flux spécifique de 1,2 t km-2 an-1. La régression entre le flux d'eau annuel et le flux de MES simulé a été établie et les zones potentielles d'érosion sont également identifiées par modélisation pour le bassin versant de la Save.