Le climat et les problèmes d eau

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1 CHAPITRE 3 Le climat et les problèmes d eau 3.1 INTRODUCTION Au cours des millénaires, l homme a surtout observé de l eau les phénomènes de précipitation etd écoulementdanslescoursd eau,parcequelapluieluitombaitsurlatêteetquel eaudes cours d eau pouvait lui être utile ou lui causer des problèmes d inondation. Le comportement de l eau est décrit par le cycle hydrologique(figure 3.1) où interviennent les précipitations, l infiltration, le ruissellement, l évapotranspiration, la percolation et l écoulement souterrain. L énergie solaire et la gravité sont les moteurs du cycle. Précipitation Évapotranspiration Évaporation Infiltration Percolation Ruissellem e nt Écoulement souterrain Mer Figure 3.1 Le cycle hydrologique.

2 24 LE CLIMAT ET LES PROBLÈMES D EAU 3.2 LE BILAN HYDROLOGIQUE OU HYDRIQUE L étude des problèmes de gestion de l eau en agriculture(drainage ou irrigation) passe par la compréhension du bilan hydrologique au niveau du sol(figure 3.2) appelé aussi bilan hydrique. Le bilan débute avec les précipitations ou les irrigations dont une partie est interceptée par les plantes. La partie qui atteint le sol essaie de s infiltrer et lorsqu elle n y parvient pas, une lamed eau seformeàlasurfacedu sol et elleruisselle. Lapartiequi s infiltrecontribueà humidifierlesoletàalimenterlanappephréatique.del autrecôté,laplanteetlasurfacedusol puisent l eau dans le sol pour contribuer à l évapotranspiration. La nappe contribue à l écoulement souterrain et à réalimenter le profil du sol et la plante(remontée capillaire). Évapotranspiration Précipitation Évaporation Ruissellement Infiltration Humidification Alimentation delanappe Remontée capillaire Nappe phréatique Écoulement souterrain Figure 3.2 Bilan hydrologique au niveau de la parcelle. Le bilan hydrique peut être décrit d une façon simplifiée par les équations suivantes: Precipitation Interception = Infiltration + Ruissellement [3.1] Infiltration = Humidification + Alimentation nappe [3.2] Evapotranspiration = Infiltration Ecoul. souterrain + Remontee capillaire Humidification [3.3]

3 PROCESSUS D INFILTRATION PROCESSUS D INFILTRATION Le processus d infiltration peut être décrit par les figures 3.3 a) et b). Lors d une précipitation, la pluie s infiltre dans le sol tant que l intensité de précipitation est inférieure à la capacité d infiltration. Lorsque l intensité de précipitation dépasse la capacité d infiltration, le surplus s accumule dans les micro-dépressions du sol. Lorsque celles-ci sont pleines, elles débordent pourcréerunelamed eauquicommenceàs écouleràlasurfacedusol,cequiestleruissellement. Le ruissellement est contrôlé par le processus d infiltration. a) Processus impliqués PRÉCIPITATION RUISSELLEMENT INFILTRATION b) Organigramme de cheminement ACCUMULATION OUI Pte t <f max NON f =Pte t S =0 OUI Microdépressions pleines NON R =0 f =f max R =Pte f max t S =0 f =f max R =0 S = S i +Pte f max t f=tauxd infiltration f max =capacitéd infiltration R=Ruissellement Pte = Précipitation S = Variation de stockage t = Variation de temps Figure 3.3 Processus d infiltration. Le processus d infiltration est contrôlé par: 1. les phénomènes contrôlant l entrée de l eau à la surface du sol(battance, présence de végétation, etc.), 2. l écoulementdel eauverslebasaussiappelépercolationautraversduprofildusol (écoulement selon la loi de Darcy), 3. l écoulement par les fissures du sol ou écoulement préférentiel. La gravité et la capillarité sont les deux principales forces qui influencent le processus d infiltration. La gravité agit principalement sur l eau libre qui se retrouve principalement dans les macropores et qui agit vers le bas. La capillarité ou les forces de tension agissent principalement au niveau de l eau capillaire contenue principalement dans les micropores. Ces dernières forces agissent dans toutes les directions. Édition 2015

4 26 LE CLIMAT ET LES PROBLÈMES D EAU 3.4 PROFIL D HUMIDITÉ ET INFILTRATION La figure 3.4 montre un profil d humidité typique lors du processus d infiltration. Il se forme à lasurfacedusolunezonedetrèsfaibleépaisseurquasisaturéeappeléezonedesaturation.au delàdecettezone,s établitunezonedetransmissionoùlateneureneauestsupérieureàla capacité au champ mais inférieure à la saturation. Dans cette zone, l eau circule principalement par les macropores interconnectés ensembles. Cette zone de transmission se termine par lazonedemouillage,zonedetrèsfaibleépaisseurquiestentraindes humidifieretoùles gradients hydrauliques sont très prononcés. Le front mouillant est la limite de la zone de mouillageséparantlesolhumidedusolsecetilestvisibleàl oeilnulorsquel onobserveleprocessus d infiltration dans un sol sec. CC Sat Zone de saturation Zone de transmission Front mouillant Zone de mouillage Figure 3.4 Description du profil d humidité lors de l infiltration. La figures 3.5 présente les trois principales étapes se produisant lors de la progression du front mouillant lors de l infiltration. Le front mouillant progresse en profondeur(figure 3.5 a) jusqu àcequecetoutlesolnonàlacapacitéauchampsoithumidifié.c estl étapedel humidification du profil. Si l infiltration se poursuit, l eau qui migre par la zone de transmission rejointlanappeetcelle-ciremontegraduellementverslasurfacedusol(figure3.5c).c est l étapedelaremontéedelanappe.lorsquel infiltrationcesseàlafindelaprécipitationoude l irrigation,leprofildusolseressuie(figures3.5betd)àuneteneureneauappeléecapacitéau champ(cc) et l excédent d eau alimente le profil inférieur en alimentant le front mouillant si

5 PROFIL D HUMIDITÉ ET INFILTRATION 27 celui-cin apasatteintlafrangecapillaire(figures3.5b)oulanappedanslecascontraire(figures 3.5d). C est l étape du ressuyage qui prend normalement de 24 à 48 heures. CC Sat CC Sat a) Profil en phase d humidification CC Sat CC Sat b) Profil en phase de ressuyage c) Profil en phase de réalimentation de la nappe d)profilenphasederessuyagelorsde la réalimentation de la nappe Figure 3.5 Évolution du profil d humidité lors de l infiltration. Édition 2015

6 28 LE CLIMAT ET LES PROBLÈMES D EAU Ilfautretenirque,suiteàuneprécipitation,lesols humidifieàlacapacitéauchamp(cc)du hautverslebasetquelanappen estalimentéequelorsquelesolestcomplètementhumidifié. Lanapperemontedubasverslasurfacedusolsuiteàsonalimentation.Pournosbesoins,c est leprofilfinalaprèsressuyagequinousintéresse.levolumed eauentreleprofilfinaletle profil initial correspond au volume d eau infiltré. Ainsi, il facile d estimer la quantité de précipitation ou d irrigation qui est nécessaire pour humidifier le profil du sol avant d alimenter la nappe ou d estimer si la nappe sera affectée après une précipitation déterminée et si c est le cas, à quelle profondeur la nappe remontera. Le modèle hydrique décrit ici est un modèle statique qui fait intervenir les humidités caractéristiques(saturation(sat), capacité au champ(cc), point de flétrissement(pf)). Ce modèle est un modèle simplifié. Ce modèle considère la masse de sol comme homogène et ne considère pas l infiltration par les fissures et les craques du sol qui accélèrent la migration de l eau vers les profondeurs. 3.5 RÉGIME HYDRIQUE AU QUÉBEC Le régime hydrique d une région s établit en réalisant le bilan hydrique au cours des différentes saisons. À titre d exemple, le régime hydrique de la plaine du Saint-Laurent est présenté àlafigure3.6. Àlafindel hiver(figure3.6),lesolestengénéralgeléetrecouvertd unecouchedeneige. Avec le réchauffement des températures au printemps, la fonte des neiges débute. Comme le sol est généralement gelé, l eau s infiltre peu et elle n a pas d autre choix que de ruisseler. Avec lafindelafontedesneigesdébuteledégeldusol.lorsquecelui-cisetermine,l eauaccumuléeàlasurfacedusoldanslesdépressionss infiltreetrejointlanappepourlafaireremonter prèsdelasurfacedusol.enl absencededrainagenaturelouautre,lanapperesteraprèsdela surface du sol car l évaporation est très faible. À la fin du printemps, la saison de végétation débute et l évapotranspiration augmente progressivement. Lorsque l évapotranspiration dépasse les précipitations au cours de l été, le profildusols assècheetlanappes abaissealorsgraduellementcarlaplanteypuisel eauqu ellea besoin. Avec la fin de l été, l évapotranspiration diminue et elle devient inférieure aux précipitations. Le profil du sol recommence à s humidifier, la nappe est éventuellement réalimentée et elle remonte graduellement au cours de l automne pour atteindre parfois la surface du sol. Avec l arrivée de l hiver, le sol gèle généralement, les précipitations sont principalement sous formedeneigeetelless accumulentàlasurfacedusol.commelanappeestpeualimentée, elle s abaisse lentement dépendant des conditions de drainage naturel.

7 29 Neige Pte>Etr Sol gelé Sol gelé PRINTEMPS Etr>Pte Etr>Pte Pte>Etr ÉTÉ Pte>Etr Pte>>Etr Pte>>Etr AUTOMNE Neige Neige Neige Sol gelé Sol gelé Sol gelé HIVER Figure 3.6 Évolution du régime hydrique dans la plaine du Saint-Laurent. Édition 2015

8 30 Lafigure3.7présenteunbilanhydriquetypiquedelaplaineduSaint-Laurent.Lerégimedes précipitations est relativement uniforme. L évapotranspiration est généralement supérieure aux précipitations pendant l été, créant ainsi un déficit hydrique et expliquant les besoins en irrigation de certaines cultures. Le ruissellement est important au moment de la fonte des neiges et à l automne. La nappe est élevée au printemps et à l autommne, créant des problèmes lorsdessemisetaumomentdesrécoltes.lemêmebilanréalisélorsd uneannéehumidemontrerait des nappes élevées au cours de la saison de croissance des plantes et des ruissellements importants lors des orages. Lafigure3.8montrel évolutiondelanappedansunchampsousproductiondeluzernedansla régiondesaint-clet(ouestdemontréal)pourlesannées1976et1977.

9 31 Hauteur d eau Neige Evapotranspiration Pluie Precipitation J F M A M J J A S O N D Debit Ruissellement J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D Nappe phréatique Figure 3.7 Bilan hydrique moyen au Québec. Édition 2015

10 32 0 Surface du sol de la nappe(cm) Niveau des drains Avril Mai Juin Juillet Aout Sept Oct Période de croissance(jours) Figure 3.8 Évolution delanappedans un champ sous production deluzerne dans la régiondesaint-clet(ouestdemontréal)pourlesannées1976et1977.

11 PROBLÈMES 33 PROBLÈMES SÉRIE PourlesdeuxconditionsdesolprésentéesauxschémasAetBdelafigure3.9. a) déterminezleprofild humiditéetlahauteurdelanappeaprèsunepluiede40mm, b) déterminezleprofild humiditéetlahauteurdelanappeaprèsunepluiede80mm, c) déterminez la précipitation nécessaire pour faire remonter la nappe à un mètre de la surface du sol, d) déterminez la précipitation nécessaire pour faire remonter la nappe à 0,5 mètre de lasurfacedusol. A) CCSat B) CCSat (cm) (cm) Frange Capillaire 160 Frange Capillaire Sat=50% CC=42% PF=22% 200 Figure 3.9 Profils d humidité. Édition 2015

12 Unsolhomogèneetprofondpossèdeunecapacitéauchampde0,38,unpointdeflétrissementde0,19etuneteneureneauàsaturationde0,44,cesvaleursétantexpriméessur unebasevolumique.danscesol,uneculturedecéréalesyestimplantéeetlaprofondeur effective des racines(profondeur maximale où les racines puisent l eau) atteint 80 cm. Dixjoursauparavant,ilatombéunepluiequiafaitremonterlanappeà120cm. a) Silaculturedecéréalesaévapotranspiré52mmpendantpendantlapériodede10 jours, quelle quantité de pluie doit s infiltrer avant que la nappe commence à remonter? Quelles sont les hypothèses que vous devez poser? b) Decombienunepluieinfiltréede24mmfera-t-elleremonterlanappesilesolest àlacapacitéauchampaudébutdelaprécipitation? 3.3 Unsolhomogèneetprofondpossèdeunecapacitéauchampde0,36,unpointdeflétrissementde0,16etuneteneureneauàsaturationde0,40,cesvaleursétantexpriméessur unebasevolumique.danscesol,uneculturedecéréalesyestimplantéeetlaprofondeur effective des racines(profondeur maximale où les racines puisent l eau) atteint 75 cm. Vingtquatreheuresaprèsunepluiede18mm,lanappeestremontéeà132cmdelasurface du sol. Dans les quatre jours qui suivent, l évapotranspiration estimée de la culture estde21mmetlanappenebougepas.audébutducinquièmejoursurvientuneprécipitationde29mm. a) Si toute cette dernière pluie s infiltre dans le sol, quelle proportion de cette dernière servira à humidifier le profil du sol? b) Est-cequelanapperemonteaprèslapluiede29mm,etsioui,decombien?

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