Impacts de la pollution diffuse en milieu agricole sur la qualité des eaux de surface à l’échelle du bassin versant de l’oued Joumine : Application de différentes approches de modélisation

English. The protection of the aquatic environment while managing the risk of water scarcity is challenging, mainly in regions with limited adaptation capacity. There is an increasing need to improve existing monitoring networks and to establish early warning system of future trends of water quality in order to ensure a sustainable use of water resources. A specific concern is given to nonpoint source pollution from agriculture, which is often the main source of water quality degradation in rivers. In this work, we focused on the Joumine river basin (418 km2), a rural catchment situated north Tunisia dominated by agricultural activities and exposed to eutrophication problems. Aiming to present an assessment framework of the spatial–temporal water quality variability and quantify “pressure-impact” relationships, we proposed a physically-based modelling approaches involving the use of an agro-hydrological model (SWAT) and a river ecosystem model (PEGASE), operating at the watershed scale.We also analysed the utility and feasibility of coupling the two selected models in order to assess the contribution of the coupled approach in improving the modelling predicting capacity. The study highlighted the impact of agriculture in nitrate transfer and the vulnerability of Joumine water to contamination with pesticides molecules, such as simazine and epoxiconazole. It showed the seasonal behavior of the catchment and helped in identifying exposed areas to nutrients and pesticides export. The simulated concentration patterns of the studied elements showed that climate and farming practices are important factors in controlling the fate of agricultural pollutants. Results have also emphasized the contribution of different pollution sources such as livestocks and urban releases. It also proved that the PEGASE model, initially designed for temperate regions, could be used to simulate water quality in semiarid context. Some discrepancies between simulated and measured concentrations were improved by coupling with the SWAT model on a daily time step. Such application test of the two models coupling for nitrogen transfer simulation helped to identify the needs for developing an integrated interface in PEGASE allowing data communication with SWAT. These findings demonstrate that the adopted assessment approach in investigating the behavior of the studied hydrosystem can be a useful support to develop an appropriate surface water quality management program. Better results could be reached by checking sources of uncertainties and improving the validation step. This demonstrate the need to enhance the existing database with high monitoring frequency, particularly in periods of high transfer. The study of prospective scenarios of future trends in climate and land use, as well as extending the coupling method for other water quality variables will be interesting.

French. La gestion des ressources aquatiques, principalement dans les régions où elles sont rares et où la capacité d'adaptation est limitée, constitue une des préoccupations majeures de nos sociétés aujourd’hui. Il existe un besoin de plus en plus accru d'améliorer les réseaux de surveillance existants et de mettre en place des outils prévisionnels de l’évolution potentielle de la qualité de l'eau, afin de garantir une utilisation durable de cette ressource. Une attention particulière est accordée à la pollution diffuse d’origine agricole, qui est considérée comme une des principales sources de dégradation de la qualité des eaux de surface. Dans ce travail, le site étudié est le bassin de l’oued Joumine (418 km2), un bassin versant rural agricole situé au nord de la Tunisie. Dans le but d’étudier la variabilité spatio-temporelle de la qualité de l'eau et de quantifier la relation " pression-impact ", nous avons utilisé des approches de modélisation physiquement basées, fonctionnant à l'échelle du bassin versant, et impliquant l'utilisation du modèle agro-hydrologique SWAT (Soil and Water Assessment Tool) et du modèle de la physico-chimie de la qualité des eaux des rivières PEGASE (Planification Et Gestin de l’ASsainissement des Eaux). Nous avons également étudié l'utilité et la faisabilité du couplage des deux modèles sélectionnés afin d'évaluer la contribution de ce couplage à l'amélioration de la capacité prédictive des modèles. L'étude a mis en évidence l'impact de l'agriculture sur le transfert des nitrates et la vulnérabilité de l'eau de Joumine à la contamination par des molécules pesticides, comme la simazine et l'époxiconazole. Elle a illustré le comportement saisonnier du bassin et a permis d'identifier les zones clés de transfert des nutriments et des résidus de pesticides. Les profils de concentrations simulées des éléments étudiés ont montré que le climat et les pratiques agricoles sont les facteurs qui contrôlent le plus le devenir des polluants agricoles dans l’environnement. Les résultats ont aussi illustré la contribution de différentes sources de pollution telles que l’activité d’élevage et les rejets urbains. Ils ont également montré que le modèle PEGASE, initialement conçu pour les régions tempérées, pouvait être utilisé dans un contexte semi-aride. Certains écarts entre les concentrations simulées et mesurées ont été réduits en réalisant le couplage journalier avec le modèle SWAT. Ce couplage des deux modèles, testé dans la simulation du transfert des nitrates, a permis d'identifier les besoins pour le développement d'une interface intégrée dans PEGASE permettant l’échange d’informations avec SWAT. Ces résultats démontrent que l'approche adoptée dans l’analyse du comportement de l'hydrosystème étudié peut aider dans l’élaboration d’un plan de gestion approprié de la qualité des eaux de surface. Il serait intéressant de réaliser une analyse des incertitudes et une optimisation de l'étape de validation, ce qui permettrait d’améliorer la qualité des résultats produits. Ceci soulève la nécessité d’améliorer la base de données existante en augmentant la fréquence des mesures dans les périodes favorables au transfert. L'étude de scénarios prospectifs sur les changements prévus du climat et de l’occupation du sol, ainsi que l'extension de la méthode de couplage à d'autres variables de la qualité de l'eau seront intéressantes comme suite de ce travail.