Exploration de l’impact du drainage agricole en fonction des propriétés de l’aquifère à l’aide du modèle hydrologique large-échelle CWatM

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Francés. Le drainage de parcelles cultivées, qui consiste à créer des conditions d’écoulement préférentiel afin d’assécher le sol et d’abaisser le toit de la nappe phréatique, a été utilisé dans de nombreuses régions du monde. En France, sous l’effet du développement de l’agriculture productiviste à partir des années 1950, la pratique du drainage agricole s’est généralisée, avec un pic de déploiement autour de 1985 [1]. Ce drainage moderne prend la forme d’un réseau de drains perforés enterrés dans le sol et connecté in fine, via des conduits (collecteurs) et des fossés, aux cours d’eau. Principalement destiné à des sols présentant un défaut d’infiltration, ce drainage a parfois été appliqué de manière indifférenciée. Dans le bassin rennais, la part de SAU drainée peut atteindre 45% et dépasse couramment 10% [2].L’impact du drainage sur la régression des zones humides est étudié de longue date [3], de même que l’impact immédiat et local du drainage agricole sur les débits de crue des rivières [4, 5]. En particulier, l’articulation de deux processus antagonistes (i. l'accélération de l’écoulement dans le sol par les drains ; ii. la diminution du ruissellement de surface par la désaturation du sol) a engendré une littérature relativement riche et approfondie [4, 6]. Ces travaux rappellent que les effets du drainage dépendent étroitement de la conductivité du sol. En comparaison, l’impact à long terme et à l’échelle du bassin versant du drainage sur le niveau de la nappe phréatique, qui peut ensuite se répercuter sur le débit d’étiage, a été relativement peu étudié, en particulier d’un point de vue quantitatif. Pourtant, dans un contexte de pression accrue sur la ressource en eau en été du fait du réchauffement climatique, la question de savoir à quel point le drainage altère le rôle de la nappe phréatique est légitime. Tandis que la neutralisation de certains drains est déjà mise en place par exemple dans des projets de restauration de zones humides, la question des éventuels bénéfiques ou co-bénéfices du dé-drainage sur le cycle de l’eau est soulevée aujourd’hui par Eau du Bassin Rennais et Rennes Métropole.Pour étudier l’impact du drainage agricole sur la nappe phréatique et ses répercussions sur l’ensemble du cycle de l’eau, le modèle large-échelle de la ressource en eau CWatM a été utilisé [7]. Ce modèle intègre l’ensemble des processus généraux environnementaux et anthropiques affectant l’hydrologie de surface et l’hydrologie souterraine, permettant ainsi de modéliser la dynamique spatio-temporelle de nombreuses variables comme le niveau de la nappe, le débit des rivières, l’infiltration, la recharge, le ruissellement, l’humidité du sol ou encore le stress hydrique. Par ailleurs, CWatM est un modèle couplant processus de surface et processus souterrains et qui nécessite comme seuls flux d’entrée les précipitations et l’évapotranspiration potentielle, les autres flux étant calculés par le modèle (évapotranspiration réelle, ruissellement de surface, infiltration dans le sol, recharge de la nappe, remontées de nappe, échanges rivières-nappe, etc.), ce qui nous a permis d’explorer les potentielles rétroactions entre les flux drainés et les autres flux hydrologiques.Afin d’appréhender de manière généraliste l’impact du drainage agricole sur la nappe, une exploration des principaux paramètres hydrologiques de l’aquifère a été réalisée, en considérant des épaisseurs de 5 m à 50 m, des porosités efficaces de 0.1 % à 10 %, et des conductivités hydrauliques de 1⋅10-6 m/s à 1.1⋅10-4 m.Les autres paramètres du système, comme les paramètres climatiques, géographiques ou pédologiques, ont été basés sur la tête du bassin-versant du Meu jusqu’à Pont-Perrin, utilisé ici comme système de référence.Le processus de drainage agricole n’étant pas implémenté nativement dans CWatM, nous avons développé une manière explicite de le représenter en adaptant deux processus existants. Le processus du débit de base (alimentation des cours d’eau par la nappe) a été utilisé pour représenter le drainage des remontées de nappe (drainage « ascendant »), tandis que le processus de percolation latérale à travers le sol (alimentation des cours d’eau par le sol) a été utilisé pour représenter le drainage des précipitations s’infiltrant dans le sol (drainage « descendant »). Ces deux processus opèrent dans CWatM au niveau de l’interface sol-aquifère, qui se situe en moyenne à 1 m de profondeur sur le territoire pris comme référence (bassin rennais), dans le même ordre de grandeur que la profondeur habituelle des drains [1]. Il a par ailleurs été considéré que la moitié des flux ascendants et descendants était soumise au drainage, et que le drainage était appliqué sur l’ensemble du bassin versant. Cette implémentation simplifiée ne permet pas l’étude fine du drainage à l’échelle locale mais est suffisante pour comparer la modulation de l’impact du drainage par les propriétés de l’aquifère à l’échelle du bassin versant.L’exploration systématique a permis de quantifier la façon dont l’impact du drainage sur la nappe et le cycle de l’eau était modulé par les propriétés de l’aquifère, en termes d’amplitude, de temporalité et d’expression des processus à l’œuvre. La comparaison des simulations avec drainage et sans drainage montre que l’impact du drainage sur le débit estival peut être positif ou négatif en fonction des propriétés de l’aquifère, en premier lieu la transmissivité. Cet effet est d’autant plus visible lorsqu’on regarde l’impact relatif du drainage (impact du drainage sur le débit estival exprimé en % du débit sans drainage). Plus généralement, l’impact absolu du drainage peut être non-monotone et peut varier d’un facteur 5 en fonction des propriétés de l’aquifère. Un parallèle est proposé entre les rôles du sol et de l’aquifère dans l’impact du drainage.Références :[1] Vincent, B. 2020. Principes techniques et chiffres du drainage agricole. De la tuyautique à l’hydro-diplomatie, Sciences Eaux & Territoires, 32, 8-15 [https://doi.org/10.3917/set.032.0008][2] AGRESTE. 2010. Agricultural Census. Ministry of Agriculture, Food and Forestry, France.[3] Blann, K. L., Anderson, J. L., Sands, G. R., & Vondracek, B. 2009. Effects of Agricultural Drainage on Aquatic Ecosystems: A Review, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 39(11), 909–1001 [https://doi.org/10.1080/10643380801977966][4] Whiteley, H. R. 1979. Hydrologic implications of land drainage, Canadian Water Resources Journal / Revue Canadienne Des Ressources Hydriques, 4(2), 12–19 [https://doi.org/10.4296/cwrj0402012][5] Robinson M. 1990. Impacts of improved land drainage on river flows, 223 p. Institute of Hydrology, Grande Bretagne.[6] Sloan B. P., Basu N. B., Mantilla R. 2016. Hydrologic impacts of subsurface drainage at the field scale: Climate, landscape and anthropogenic controls, Agricultural Water Management, 165, 1-10 [https://doi.org/10.1016/j.agwat.2015.10.008][7] Burek, P., Satoh, Y., Kahil, T., Tang, T., Greve, P., Smilovic, M., Guillaumot L., Zhao F. & Wada, Y. 2020. Development of the Community Water Model (CWatM v1. 04) - a high-resolution hydrological model for global and regional assessment of integrated water resources management, Geosci. Model Dev., 13, 3267–3298 [https://doi.org/10.5194/gmd-13-3267-2020]