La cartographie numérique des sols en appui à la gestion de l eau

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1 La cartographie numérique des sols en appui à la gestion de l eau A.R. Michaud 1, A. Drouin 1, J-D. Sylvain 2, J. Deslandes 1, I. St-Laurent 1, M. Sunborg 3 G. Gagné 1, L. Grenon 3 et I. Beaudin 1 1 Institut de recherche et de développement en agroenvironnement inc., IRDA.QC.CA 2 Université de Sherbrooke, Département de géomatique appliqué 3 Agriculture et Agroalimentaire Canada, St-Jean-sur-Richelieu.

2 Plan de la présentation Contexte: Sols, Eau, Cultures: Des enjeux inter-reliés Outils de diagnostic et de gestion des champs: Les données: Images, Relief, Sols, Débits et qualité de l eau Les Indices et modèles: Ruissellement, érosion et mobilité du phosphore Conclusion et perspectives

3 Quelques constats La condition physique du profil cultural Constat No 1: De bonnes conditions physiques du sol: Une prémisse à la productivité des cultures. Source: Anne Weill, CRAAQ, 2009.

4 Quelques constats L égouttement de la parcelle Constat No 2: L égouttement, facteur déterminant de la condition physique du sol

5 Quelques constats Ruissellement et pollution diffuse Constat No 3: Les zones de champs mal égouttées sont aussi à la source du ruissellement de surface, principal vecteur de la contamination diffuse des eaux en milieu rural.

6 Constat No 4: La condition physique du sol, l égouttement de la parcelle, le rendement des cultures et la qualité de l eau: DES ENJEUX INTERRELIÉS Mauvais égouttement Drainage souterrain Baisse de rendement Ruissellement Érosion Usages de l eau, habitats Envasement Dégradation du cours d eau

7 Constat No 5: L action concertée à l échelle du ruisseau et de la rivière: Pour assurer des résultats tangibles et durables dans l égouttement des terres et la qualité de l eau. Lauzier, Projet Lisière Verte, Rivière Au Brochet.

8 Les outils diagnostiques Interpréter les trois facteurs déterminants de l égouttement et de la condition du profil cultural PAYSAGE (RELIEF) + PROPRIÉTÉS DES SOLS + RÉGIE: PRATIQUE CULTURALE ET AMÉNAGEMENT DES TERRES ACCUMULATION ÉVACUATION DE L EAU CONDITION PHYSIQUE DU PROFIL CULTURAL

9 Les outils diagnostiques Avant et sur le terrain PAYSAGE (RELIEF) PROPRIÉTÉS DES SOLS RÉGIE AVANT LE TERRAIN: Études pédologiques Entrevues Plans de drainage Données et outils à référence spatiale SUR LE TERRAIN: Description des profils de sol

10 Des outils à référence spatiale complémentaires en gestion des sols et de l eau Les images: Où? Les relevés altimétriques: Pourquoi? Les indices et les modèles hydrologiques: Combien?

11 Les territoires à l étude Petite rivière Pot-au-Beurre et rivière Saint-Louis (Baie Lavallière) Ruisseau Ewing (Rivière aux Brochets) Ruisseau Fourchette (Rivière Le Bras)

12 Les outils diagnostiques à référence spatiale Les images numériques Propriétés et types d images Plate-forme : Aéroportée Satellitaire Sensibilité du capteur : (longueurs d ondes) Noir et blanc Période d acquisition: Printanière Estivale Couleur Multispectrale

13 Les outils diagnostiques à référence spatiale Les images numériques Image multispectrale Indice de brillance Secteur Fourchette Secteur Ewing Champ avec un système de drainage efficace dans sa partie sud et non efficace dans sa partie nord

14 Les images numériques printanières et estivales IMAGE ESTIVALE IMAGE PRINTANIÈRE ESTIVALE Michaud et coll Action concertée, bassin Walbridge.

15 Les outils diagnostiques à référence spatiale Les relevés altimétriques (MNE/MNS) Cartes de base (RNCan, BDTQ) Modèles stéréoscopiques (DVP, Correlator 3D) Relevés LiDAR (laser) Capteurs GPS

16 LIDAR LIDAR LIDAR Elevation Micro-watersheds Runoff Depressions path contours

17 MNE : GPS vs LIDAR 1 point /28 m² 1 point / m²

18 MNE : GPS vs LIDAR < 15 cm 7% cm 13% < 5 cm 53% 5-10 cm 27% DIFFÉRENCES ENTRE LES DONNÉES PONCTUELLES Classe d'erreur!( Inférieure à 5 cm!( Entre 5 et 10 cm!( Entre 10 et 15 cm!( Superieure à 15 cm

19 MNE : GPS vs LIDAR COMPARAISON DES RELEVÉS EN TERRAIN ONDULÉ Bassin Walbridge, Pike River, Québec Sous-bassins Patron d écroulement -GPS -LIDAR -LIDAR -GPS

20 MNE : GPS vs LIDAR COMPARAISON DES MODÈLES NUMÉRIQUES D ÉLÉVATION Bassin Baie Lavallière, Québec GPS Élévation (m) LIDAR

21 MNE : GPS vs LIDAR COMPARAISON DES MICRO-BASSINS Bassin Baie Lavallière, Québec GPS Élévation (m) LIDAR

22 MNE : GPS vs LIDAR COMPARAISON DES PARCOURS DE L EAU Bassin Baie Lavallière, Québec GPS Élévation (m) LIDAR

23 Secteur Baie Lavallière MNE : LIDAR vs Correlator 3-D Bassin Baie Lavallière, Québec LIDAR CORRELATOR 3D Modélisation du Parcours de l eau au champ Micro-bassin parcellaire Parcours de l eau

24 Les indices et modèles hydrologiques Associer la réponse hydrologique à l hydroactivité du parcellaire MES (kg jour -1 ha -1 ) et débit (mm jour -1 ) Précipitations (mm) Débits journaliers, Bassin Ewing, Green Belt Project Précipitation en pluie Écoulement de surface Écoulement souterrain Sédiments exportés

25 Les indices et modèles hydrologiques Combiner les pouvoirs interprétatifs de l image et du modèle numérique de terrain Modèle numérique de terrain dérivé du LiDAR Indice de brillance dérivé d une image multispectrale (Duncan) Bassin Ewing, Projet Lisière Verte

26 Les indices et modèles hydrologiques Modéliser les critères de conception des ouvrages hydro-agricoles Bassin Ewing, Projet Lisière Verte

27 Les indices et modèles hydrologiques Modéliser les critères de conception des ouvrages hydro-agricoles

28 Les indices et modèles hydrologiques Modéliser les critères de conception des ouvrages hydro-agricoles Délimitation des micro-bassins

29 Les indices et modèles hydrologiques Modéliser les critères de conception des ouvrages hydro-agricoles Brillance indice

30 Les indices et modèles hydrologiques Modéliser les critères de conception des ouvrages hydro-agricoles Parcours d écoulement

31 Critères hydrologiques de conception

32 Les indices et modèles hydrologiques Indice topographique «Wetness Index» Indice topographique de la tendance naturelle au ruissellement de surface à l échelle du micro-bassin = ln (Aire du micro-bassin / tan-inclinaison) (Moore et al. 1991; Wolock 1993) TWI élevé : haut de pente TWI faible : zone humides Secteur Baie Lavallière Selon cette équation, les portions du paysage qui drainent de grandes zones en amont ou qui sont très planes se voient attribuées de fortes valeurs de l'indice TWI. Julie Deslandes IRDA 2008

33 Les indices et modèles hydrologiques Indice topographique «Wetness Index» Ln a ([tan(b)] Bassin Baie Lavallière Dépressions

34 Les indices et modèles hydrologiques Indices topographiques vs Erosion Diagnostic des marques d érosion Géomont, IRDA. Projet PCVC Yamaska

35 ln Sr Les indices et modèles hydrologiques Indices topographiques vs Erosion La sévérité du ravinement tributaire de la superficie contributive au ruissellement ln S r = 0,496 ln Superficie 1,091 ln (Superficie du ravin) R² = 0,68 ln S r = 0,496 (ln superficie) 1,091 R² = 0, Sunborg, Michaud et Fournier, Bassin Lavallière ln (Superficie du micro-bassin) ln Superficie

36 Les indices et modèles hydrologiques Indices topographiques vs Erosion Les superficies contributives au ruissellement > % 5.0 à 10.0 ha 17% <1.0 ha 17% 1.0 à 2.5 ha 24% 2.5 à 5.0 ha 27% Inférieur à 1.0 De 1.0 à 2.5 De 2.5 à 5.0 De 5.0 à 10.0 Supérieur à 10 ha

37 Bassin Ewing Les indices et modèles hydrologiques Indices d érosion par ruissellement Bassin Baie Lavallière A 11.8 (Q surf q peak aire sbv ) K USLE C USLE LS USLE A Pertes de sol annuelles moyennes (tonnes ha-1 an-1 ) Qsurf Ruissellement journalier (mm) Qpeak Débit pointe du ruissellement (m³s-1) Aire-sbv Superficie du micro-bassin KUSLE Facteur d érodabilité du sol (0,013 t m2 h/ m3 t cm) CUSLE Facteur de couverture végétale du sol LSUSLE Facteur topographique

38 Les indices et modèles hydrologiques Indexation des pertes de phosphore Projet ODEP Intrants Traitements Résultats Climat Station météo Pédologie Unité cartographique Données génériques Relief Pente Longueur de pente Régie sols et cultures Culture et précédent Travail du sol Fertilisation Condition du drainage Drainage souterrain Drainage de surface Etat du profil cultural Gestion du ruissellement Banque de données hydro-pédologiques Module hydrologie Ruissellement Drainage souterrain Module érosion Exportation nette de sédiments Module phosphore Phosphore particulaire Phosphore dissous Phosphore au drain Phosphore des engrais Biodisponibilité du P Bilan au champ Ruissellement Écoulement aux drains Érosion Phophore total Phosphore particulaire Phosphore biodisponible Phosphore dissous Bilan de l entreprise Interprétation Scénarios alternatifs de gestion Michaud et col. 2009

39 Les indices et modèles hydrologiques Retracer les cheminements hydrologique du phosphore Drainage Yields Surface runoff yields Enright et Madramootoo, Bassin de Pike River

40 Les indices et modèles hydrologiques Retracer les cheminements hydrologique du phosphore Concentrations moyennes en Ptotal (mg/l) Site Eau au drain Ruissellement Loam sableux 0,065 1,079 Loam argileux 0,227 1,212 Enright et Madramootoo, 2004

41 Les indices et modèles hydrologiques Retracer les cheminements hydrologique du phosphore Poirier, Michaud Whalen, 2012 Monitoring à l échelle parcellaire: 10 champs: 5 loams sableux / maïs-soya 3 loams argileux / maïs-soya 2 loams argileux / prairies (amendés lisiers bovins) Photo: Richard Lauzier 19 échantillons (drains + avaloirs) 21sept mai 2009 Le projet pilote LISIÈRE VERTE de la Coopérative de solidarité du bassin versant de la rivière aux Brochets sur la rétribution des biens et services environnementaux a profité du soutien financier du programme PAASCA (AAC).

42 Hauteur d'eau (mm/jour) Conductivité (ms/cm) Les indices et modèles hydrologiques Retracer les cheminements hydrologique du phosphore Monitoring à l exutoire du bassin B) Ewing2008 Qdrain Qsurface Campagne 2 Campagne Suivi en continu au 15 min: Débit Conductivité électrique Turbidité Température Campagne 4 Campagne Campagne 6 Campagne 7 Conductivité échantillons ponctuels: 21sept juin Octobre-novembre 2008

43 Les indices et modèles hydrologiques Retracer les cheminements hydrologique du phosphore La conductivité électrique: un traceur éloquent du cheminement préférentiel et de la composition du P dans les eaux de drainage Préférentiel [Ptotal], [PP]/ [Ptotal] Matriciel [Ptotal], [P réactif]/[ptotal] La CE moyenne des eaux du ruissellement de surface: 0.22 ± 0.08 ms cm -1.

44 Les indices et modèles hydrologiques Retracer les cheminements hydrologique du phosphore

45 Les indices et modèles hydrologiques Détecter les propriétés des sols Jean-Daniel Sylvain 1,2, Aubert R. Michaud 2, Michel C. Nolin 3 and Goze Bertin Bénié 1 1 Université de Sherbrooke 2 Institut de recherche et développement en agroenvironnement 3 Agrifood and agriculture Canada

46 Les indices et modèles hydrologiques Détecter les propriétés des sols Data Indices Production et Validation du modèle

47 Conclusion et perspectives Complémentarité des images numériques, des MNE et donées morphologiques sur les sols Contexte d opportunités favorable à l accessibilité aux données, aux applications et aux SIG: Percées technologiques récentes: Nouvelles données et nouvelles applications, Accessibilité aux données: Regroupement dans l acquisition et partage, Accessibilité aux SIG: Communauté de développement «Open Source» Références et publications:

48 Projets en cours Conclusion et perspectives REZOTAGE: Validation opérationelle de la gestion localisée du parcellaire A. Drouin, CSSS, Mercredi 10:45 WEB s II: Combiner les images, NEM et données morphologiques: ID et gérer les zones critiques A. Michaud, CSSS Lundi 14:45 OURANOS: Critères hydrologiques de conception des ouvrages hydro-agricoles A. Michaud, CSSS Poster SWAT-Qc: Adapter le modèle hydrologique SWAT-Qc aux migrations souterraines et préférentielles du phosphore D. Poon, A. Michaud, I. Beaudin et J. Whalen (McGill)

49 Remerciements Partenaires de financement et de réalisation PARTENAIRES DE RÉALISATION Agence géomatique montérégienne GéoMont MAPAQ, Direction de la Montérégie-Est Faculty of Agricultural and Environmental Sciences McGill University Département de géomatique appliquée, Université de Sherbrooke Département des sols et génie agroalimentaire, Université Laval Club de fertilisation de la Beauce Dura-Club Club agroenvironnemental La Vallière Coop de solidarité du bassin versant de la rivière au Brochet LandMapper Environmental Solutions Inc. Lasermap Image Plus PARTENAIRES DE FINANCEMENT CDAQ, Défi solution Programme de couverture végétale du Canada (PCVC), AAC Programme WEB et PAASCA, AAC Fonds d action québécois pour le développement durable FAQDD Fonds québécois pour la Nature et le technologies FQRNT