M1 SDE MEC558 «Hydrologie continentale et ressources en eau» Bloc Hydrologie quantitative Séance 3 Feuille d exercices 4. Water in soils Exercice 4.1 Soil moisture variations at the SIRTA observatory Le SIRTA est le site d observation atmosphérique situé à l Ecole Polytechnique. Il comprend un dispositif de mesure dans la couche limite de surface (T, q à 2m, u à 10m, E et H par eddy-covariance), en surface (précipitations, rayonnement), et dans le sol (humidité du sol à 5 profondeurs : 5, 10, 20, 30 et 50 cm). (a) Les propriétés physiques du sol sur ce site sont les suivantes : - Porosité n de (0.43, 0.41, 0.38, 0.37, 0.40) pour les profondeurs (5, 10, 20, 30, 50) cm - Granulométrie assez uniforme sur le verticale, avec sable : 6%, limon : 71%, argile : 23% Placez cette texture dans le triangle textural de l USDA, trouvez sa classe texturale, comparer la porosité estimée par la texture à la porosité réelle, puis calculez la réserve utile maximum sur une épaisseur de sol de 1m, en utilisant la relation ψ m (θ) = ψ ae (θ/θ s ) -b, ainsi que les valeurs moyennes de ψ ae et b déterminées pour les 12 classes texturales de l USDA par Cosby et al. (1984, Water Resources Research, Vol 20, p682-690). Prendre ψ(wp) = -100m, ψ(fc) = -3.3 m, et utiliser la porosité caracétrisée au SIRTA (n=0.4). Soil Type b n ψ ae log10(ks) Sand 2.79 0.339-0.0692-4.33 Loamy Sand 4.26 0.421-0.0363-4.85 Sandy Loam 4.74 0.434-0.1413-5.28 Silt Loam 5.33 0.476-0.7586-5.55 Silt 5.33 0.476-0.7586-5.55 Loam 5.25 0.439-0.3548-5.47 Sandy Clay Loam 6.77 0.404-0.1349-5.35 Silty Clay Loam 8.72 0.464-0.6166-5.69 Clay Loam 8.17 0.465-0.2630-5.61 Sandy Clay 10.73 0.406-0.0977-5.14 Silty Clay 10.39 0.468-0.3236-5.87 Clay 11.55 0.468-0.0389-6.01 Porosity in v/v, Psi_ae en m, Ks en m/s 1
(b) Que déduisez-vous de la mesure de l humidité du sol (θ en m 3 /m 3 ) aux 5 profondeurs pendant 4 ans? (c) Le modèle de surface «ORCHIDEE» couple la résolution du bilan d énergie (en décrivant les flux turbulents LE et H par la méthode aérodynamique, et la thermique du sol par un modèle diffusif), et celle du bilan d eau (en décrivant la redistribution de l eau dans un sol de 2m à partir de l équation de Richards). Les résultats de ce modèle ont été comparés aux mesures du SIRTA pour différentes conditions limite au fond : drainage gravitaire (REF), drainage gravitaire réduit par un facteur multiplicatif F=0.1, 0.01 et 0 (fond imperméable), saturation imposée sous une profondeur S=2m, 1.3m, 0.5m. Qu en concluezvous? 2
Exercice 4.2 Impact de l irrigation sur les bilans d eau On imagine développer l irrigation dans le bassin de la Seine afin d y implanter des cultures sensibles au stress hydrique. L objectif de l irrigation sera d augmenter l humidité de sol, par la quantité ETM-P quand elle est négative. (a) Quelle sera la période d irrigation? et quelle quantité d eau devra être apportée (en mm) (b) Est-ce possible d irriguer tout le bassin de la sorte en prélevant dans les cours d eau? En supposant qu on puisse apporter la quantité d eau décidée (prélèvement en nappe, adduction depuis d autres bassins versants), pourra-t-elle toute servir à augmenter l ETR (donc la production agronomique)? (c) En supposant que le besoin en irrigation est uniforme dans le bassin, quelle serait la quantité d eau à prélever dans les cours d eau (en mm) pour irriguer 10% du bassin? Quelle conséquence sur le débit d étiage (bas débits)? J F M A M J J A S O N D Year P (mm/mois) 62 45 56 53 63 61 55 38 70 71 61 75 710 ETM (mm/mois) 8 14 33 54 74 84 94 80 53 26 11 9 540 Q (mm/mois) 31 31 29 25 17 11 9 8 8 12 15 24 220 Exercice 4.3 Zones humides et élimination des nitrates Le site expérimental de Droupt Saint Basle (Aube) se situe en bordure d un rû qui coule parallèlement à la Seine dans la plaine alluviale de cette dernière, 50 km en aval de Troyes. C est une zone humide riveraine (entre versant et cours d eau), avec une nappe qui fluctue à moins de 2 m sous la surface du sol en proximité du rû. Les zones humides riveraines sont normalement capables de réduire la concentration en nitrates dans les eaux provenant du drainage des versants agricoles et polluant les cours d eau, via 3 processus : localement par dilution (eau de pluie, inondations) ; par assimilation par les plantes ; et par dénitrification. Lors de cette réaction bactérienne, les ions NO3- sont réduits (forme finale N2), ce qui permet d oxyder la matière 3
organique (respiration) en absence d oxygène. La dénitrification n est donc possible qu en conditions hypoxiques (concentrations d O2 dissous inférieurs à 2mg/l), en présence de matière organique et de nitrate. Le site expérimental consiste en 1 série de 4 piézomètres (Figure ci-dessous), qui suivent la ligne de plus grande pente entre les coteaux crayeux et le rû. Ces piézomètres et la rivière ont fait l objet d un suivi in situ (niveau piézométrique, T, concentration en O2), et de prélèvements analysés en laboratoire (nitrates, Cl-, matière organique, potentiel redox, etc.) à une fréquence hebdomadaire pendant plus d un an. Les résultats les plus importants sont synthétisés dans les graphiques en page suivante (LoN=été+automne, HiN=hiver+printemps). (a) Dans quels piézomètres peut penser qu il y a dénitrification? quelles informations manquent pour en être sûr? (b) Qu est-ce qui peut expliquer l hypoxie associée? 4
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