Uncertainties in assessing annual nitrate loads and concentration indicators. Part 1: Impact of sampling frequency and load estimation alogorithms

International audienceThe objectives of this study are to evaluate the uncertainty in annual nitrate loads and concentrations (such as annual average and median concentrations) as induced by infrequent sampling and by the algorithms used to compute fluxes. A total of 50 watershed-years of hourly to daily flow and concentration data gathered from nine watersheds (5 to 252 km2) in Brittany, France, were analyzed. Original (high frequency) nitrate concentration and flow data were numerically sampled to simulate common sampling frequencies. Annual fluxes and concentration indicators calculated from the simulated samples were compared to the reference values calculated from the high-frequency data. The uncertainties contributed by several algorithms used to calculate annual fluxes were also quantified. In all cases, uncertainty increased as sampling intervals increased. Results showed that all the tested algorithms that do not use continuous flow data to compute nitrate fluxes introduced considerable uncertainty. The flowƒ]weighted average concentration ratio method was found to perform best across the 50 annual datasets. Analysis of the bias values suggests that the 90th and 95th percentiles and the maximum concentration values tend to be systematically underestimated in the long term, but the load estimates (using the chosen algorithm) and the average and median concentrations were relatively unbiased. Great variability in the precision of the load estimation algorithms was observed, both between watersheds of different sizes and between years for a particular watershed. This has prevented definitive uncertainty predictions for nitrate loads and concentrations in this preliminary work, but suggests that hydrologic factors, such as the watershed hydrological reactivity, could be a key factor in predicting uncertainty levels

Mécanismes de genèse du ruissellement sur sol agricole drainé sensible à la battance. Etudes expérimentales et modélisation

This study aims at describing and organizing into a hierarchy the processes leading to surface runoff on artificially subsurface drained area, by considering not only the perched water table fluctuations, but also the possible soil surface sealing. Three complementary research issues have been developed.First, the evolution of the tilled layer structure during rainfall in the presence of a shallow water table was observed using laboratory rainfall simulation. Bulk density profiles measured by X-ray radiography show that the increase of bulk density due to sealing and slumping are more significant in the wettest conditions. The proposed bulk density evolution model correctly reproduces this effect.Second, seal hydraulic properties were determined from a model based on bulk density profiles using other simulated rainfall experiments. The estimation of model parameters by inverse method led to an accurate simulation of the measured flows and water pressures, and conformed to the measured bulk density profiles. Hydraulic conductivity greatly decreases at the soil surface due to sealing process.The third issue was based on a drained field investigation in Mélarchez watershed (Seine et Marne) associated to flow modelling (Hydrus 2D). Data recorded in winter 2003-2004 show that drainage limits surface runoff amount. Saturation excess runoff is the most frequent observed process, even if soil sealing, especially due to saturation excess surface runoff, increases runoff amount. Other rainfall conditions were tested using Hydrus 2D. The condition of water table reaching soil surface was particularly analysed in terms of infiltration-runoff flows and return time of the corresponding rainfalls.L'objectif de cette thèse est de décrire et de hiérarchiser les processus à l'origine du ruissellement sur les parcelles artificiellement drainées, en prenant en compte non seulement les fluctuations de la nappe superficielle, mais aussi la dégradation éventuelle de la structure du sol en surface. A cet effet, trois axes complémentaires de recherche ont été développés. Le premier axe est consacré à l'étude de l'évolution de la structure de l'horizon travaillé du sol au cours d'une pluie en présence de nappe superficielle, grâce à des simulations de pluie en laboratoire. Les profils de masse volumique mesurés par radiographie aux rayons X indiquent que l'effondrement et le changement de masse volumique lié à la croûte de battance sont plus marqués en conditions initiales très humides. Le modèle proposé d'évolution de la masse volumique avec la profondeur et au cours de la pluie, reproduit correctement cet effet.Le deuxième axe a pour objectif de déterminer les propriétés hydrodynamiques de la croûte de battance à partir de données issues de nouvelles simulations de pluie associées à un modèle s'appuyant sur la distribution de la masse volumique du sol avec la profondeur. Les paramètres de ce modèle, estimés par méthode inverse, sont comparables aux mesures de masse volumique effectuées par rayons X, et permettent de correctement reproduire le comportement hydraulique du système, confirmant la forte baisse de la conductivité hydraulique en surface due à la croûte de battance.Enfin, le troisième axe s'appuie sur le suivi expérimental d'une parcelle agricole drainée du bassin versant de Mélarchez (Seine et Marne) associé à une modélisation (logiciel HYDRUS 2D). Les observations durant l'hiver 2003-2004 confirment que le ruissellement est globalement limité en raison de la présence du drainage. L'affleurement de la nappe reste le facteur prédominant à l'origine du ruissellement, même si la croûte de battance, créée notamment par ce premier type de ruissellement, est susceptible d'augmenter les quantités ruisselées. La modélisation permet d'étudier le comportement du système sous d'autres conditions pluviométriques. En particulier, les périodes de retour des pluies conduisant à l'affleurement de la nappe et les conditions d'écoulement lors de ces affleurements sont analysées

Quels outils pour caractériser l'intrusion saline et l'impact potentiel du niveau marin sur les aquifères littoraux

Synthèse vulgarisée de plusieurs rapports techniquesInternational audienceL es aquifères littoraux constituent des ressources d’eau souterraine importantes tant pour les activités humaines (alimentation en eau potable, usages agricoles, industriels et touristiques) que pour l’environnement (zones humides littorales, marais et lagunes cotières situés à l'exutoire de ces nappes). En France métropolitaine, sur les 5 500 km de côte, 95 aquifères superficiels et 17 aquifères profonds ont été inventoriés. Dans les milieux insulaires (notamment dans les départements et régions d'outre-mer), les aquifères sont en général tous littoraux. La salinisation partielle des eaux souterraines des aquifères littoraux est un phénomène naturel, dont l’importance et l’extension sont variables et fonction de la nature des matériaux constituant les réservoirs souterrains. Cette salinisation peut être amplifiée d’une part par une exploitation par pompage et d’autre part par la modification du niveau marin, par exemple lié au changement climatique (Werner et Simmons, 2009). Or, une intrusion saline de manière naturelle conjuguée ou non à une influence anthropique menace la quantité d’eau douce disponible dans ces réservoirs outerrains.L'objectif de ce document est de proposer, à travers des exemples, des outils pour caractériser l'intrusion saline et l'impact potentiel d'une remontée du niveau marin sur la salinisation des aquifères littoraux

Mécanismes de genèse du ruissellement sur sol agricole drainé sensible à la battance (études expérimentales et modélisation)

PARIS- AgroParisTech. Engref (751152303) / SudocSudocFranceF

Dynamics of Soil Surface Bulk Density: Role of Water Table Elevation and Rainfall Duration

International audienceMeasurements of soil bulk density profiles combined with thin-section analysis have been suggested to assess the structural seedbed degradation caused by rainfall. The effects of water table elevation and rainfall duration on surface sealing and seedbed slumping were studied on a repacked silt loam soil. Two initial water table elevations (0.3 and 0.7 m below the soil surface) and three simulated rainfall durations (15, 30, and 40 min at 30.5 mm h-1 followed by 180 min at 7 mm h-1) were used. Seedbed bulk density profiles were generated using x-radiography of resin-impregnated soil slices. Macroporosity measurements using image analysis and thin-section observations showed that infilling of eroded particles in interaggregate voids and compaction of the infilled particles were the main sealing processes. Below the seal, the seedbed exhibited coalescence and welding of aggregates into larger units, which affected mainly macroporosity. A model of sealing, exponential decrease in bulk density with depth, and slumping, linear increase in bulk density with depth, adequately reproduced the measured bulk density profiles (regression RMSE range 0.057-0.106 Mg m-3). The change in surface bulk density increased with rainfall duration, whereas this factor did not significantly affect slumping. The highest initial water table elevation led to the highest soil surface and internal seedbed bulk densities. It was suggested that high values of soil water content led to a decrease in aggregate cohesion. Moreover, the number of wetting and drying cycles and the water content during these cycles were shown to increase the magnitude of slumping

Le rôle des réseaux de drainage agricole dans le ralentissement dynamique des crues : interprétation des données de l'observatoire « Orgeval »

Le drainage agricole peut générer des impacts importants sur le cycle de l’eau, sur l’écologie du paysage et sur les cours d'eau. Sur le bassin versant expérimental de l’Orgeval, les équipes scientifiques d’Irstea étudient les processus de transfert des écoulements aux différentes échelles afin de comprendre le comportement des réseaux de drainage et le rôle qu’ils peuvent jouer, notamment en période de crues

Une approche quantitative du rôle de la fréquence d'échantillonnage sur les incertitudes associées aux calculs des flux et des concentrations moyennes en nitrate des eaux de Bretagne

National audienceLa plupart des réseaux de surveillance de la qualité de l'eau déterminent l'évolution dans le temps de la qualité physico-chimique d'une masse d'eau sur la base d'indicateurs moyens (concentration moyenne, concentration maximale, flux total exporté...), bâtis le plus souvent sur un nombre restreint de mesures très espacées dans le temps. Cet espacement dans le temps des mesures induit des incertitudes sur les indicateurs construits, qu'il importe de connaître pour correctement interpréter des tendances observées. L'objectif de cet article est de présenter des éléments scientifiques permettant de calculer ces incertitudes dans le cas de l'ion nitrate, en tenant compte à la fois des fréquences d'échantillonnage et des algorithmes utilisés dans le cas des flux. Pour cela, nous avons analysé un jeu rassemblant cinquante années de mesures des débits de l'eau et de la concentration en nitrate mesurée aux pas de temps horaire à journalier issus de neuf bassins versants bretons allant de 5 à 252 km2 en superficie. Les indicateurs calculés (flux annuel, concentration moyenne annuelle, concentration maximale, concentration médiane, quantile 90 et 95), en dégradant les séries hautes-fréquences (pas de temps hebdomadaires, bihebdomadaires et mensuels), ont été comparés aux indicateurs de référence fournis par les séries hautes-fréquences. Différents algorithmes d'estimation des flux proposés dans la littérature ont été testés. Les résultats montrent que les algorithmes qui n'utilisent pas de mesures de débits en continu sont à proscrire car induisant de très grandes incertitudes sur le calcul des flux. Les résultats des simulations effectuées montrent qu'une fréquence relâchée à une mesure tous les mois peut conduire, pour un bassin versant de réactivité hydrologique « moyenne », à des incertitudes de plus ou moins 5 % sur les concentrations moyennes annuelles du nitrate et de plus ou moins 10 % sur les flux annuels. Les résultats montrent également que les bornes inférieures et supérieures des incertitudes peuvent être corrélées à un indicateur de réactivité des bassins versants. À partir de ces corrélations, nous avons pu dresser des abaques permettant de calculer les fréquences à laquelle mesurer les concentrations en nitrate pour une incertitude désirée en fonction de la réactivité des bassins versants. L'utilisation de ces abaques valide la perception répandue en Bretagne, mais jusqu'ici non validée quantitativement, que les concentrations moyennes et les flux de nitrate calculés à partir d'échantillonnages mensuel à bimestriel, sont relativement fiables, même si des incertitudes élevées sont mises à jour dans certains bassins à forte réactivité hydrologique (bassins versants drainés). Ces abaques fournissent un outil « guide » permettant d'optimiser les réseaux de suivi de la concentration en nitrate des eaux de surface, en particulier dans le cadre de la création ou du renforcement des programmes de surveillance imposés par la mise en place de la Directive cadre européenne sur l'eau

Une approche quantitative du rôle de la fréquence d'échantillonnage sur les incertitudes associées aux calculs des flux et des concentrations moyennes en nitrate des eaux de Bretagne

National audienceLa plupart des réseaux de surveillance de la qualité de l'eau déterminent l'évolution dans le temps de la qualité physico-chimique d'une masse d'eau sur la base d'indicateurs moyens (concentration moyenne, concentration maximale, flux total exporté...), bâtis le plus souvent sur un nombre restreint de mesures très espacées dans le temps. Cet espacement dans le temps des mesures induit des incertitudes sur les indicateurs construits, qu'il importe de connaître pour correctement interpréter des tendances observées. L'objectif de cet article est de présenter des éléments scientifiques permettant de calculer ces incertitudes dans le cas de l'ion nitrate, en tenant compte à la fois des fréquences d'échantillonnage et des algorithmes utilisés dans le cas des flux. Pour cela, nous avons analysé un jeu rassemblant cinquante années de mesures des débits de l'eau et de la concentration en nitrate mesurée aux pas de temps horaire à journalier issus de neuf bassins versants bretons allant de 5 à 252 km2 en superficie. Les indicateurs calculés (flux annuel, concentration moyenne annuelle, concentration maximale, concentration médiane, quantile 90 et 95), en dégradant les séries hautes-fréquences (pas de temps hebdomadaires, bihebdomadaires et mensuels), ont été comparés aux indicateurs de référence fournis par les séries hautes-fréquences. Différents algorithmes d'estimation des flux proposés dans la littérature ont été testés. Les résultats montrent que les algorithmes qui n'utilisent pas de mesures de débits en continu sont à proscrire car induisant de très grandes incertitudes sur le calcul des flux. Les résultats des simulations effectuées montrent qu'une fréquence relâchée à une mesure tous les mois peut conduire, pour un bassin versant de réactivité hydrologique « moyenne », à des incertitudes de plus ou moins 5 % sur les concentrations moyennes annuelles du nitrate et de plus ou moins 10 % sur les flux annuels. Les résultats montrent également que les bornes inférieures et supérieures des incertitudes peuvent être corrélées à un indicateur de réactivité des bassins versants. À partir de ces corrélations, nous avons pu dresser des abaques permettant de calculer les fréquences à laquelle mesurer les concentrations en nitrate pour une incertitude désirée en fonction de la réactivité des bassins versants. L'utilisation de ces abaques valide la perception répandue en Bretagne, mais jusqu'ici non validée quantitativement, que les concentrations moyennes et les flux de nitrate calculés à partir d'échantillonnages mensuel à bimestriel, sont relativement fiables, même si des incertitudes élevées sont mises à jour dans certains bassins à forte réactivité hydrologique (bassins versants drainés). Ces abaques fournissent un outil « guide » permettant d'optimiser les réseaux de suivi de la concentration en nitrate des eaux de surface, en particulier dans le cadre de la création ou du renforcement des programmes de surveillance imposés par la mise en place de la Directive cadre européenne sur l'eau

Une cartographie de l'écoulement des rivières de Corse

Cet article présente une cartographie de l'écoulement des cours d'eau de Corse, constituée de deux débits caractéristiques : le débit moyen annuel (module), qui caractérise les écoulements moyens d'une rivière, et le débit mensuel minimal de fréquence quinquennale sèche (QMNA5), qui caractérise les basses eaux d'une rivière. Ces débits ont été calculés en tout point du réseau hydrographique corse grâce à deux modèles de prédétermination construits à l'échelle nationale et transposés en Corse. Ces modèles s'appuient sur une base de données hydro-climatiques récentes et critiquées regroupant 20 bassins versants jaugés. Les cartographies finales de ces débits seront diffusées par l'Agence Française pour la Biodiversité sur le portail Eaufrance (http://www.eaufrance.fr

Prévoir les étiages : que peut-on attendre des modèles hydrologiques

International audienc