L’exposition de la ressource en eau naturelle (cours d’eau, nappe souterraine) à la pollution azotée diffuse dans un contexte agricole est due essentiellement à la surfertilisation des parcelles agricoles à des fins d’amélioration du rendement des cultures. Malgré des efforts considérables menés à différentes échelles pour optimiser les pratiques culturales, le surplus azoté du sol présente un risque élevé de lixiviation des nitrates vers les milieux aquatiques notamment en début de la saison hivernale. En effet, l’absence des cultures piège à nitrate (CIPAN) en cette période, la forte minéralisation du sol souvent laissé à nu en été, et la gestion peu maitrisée des apports azotés en printemps augmentent la quantité d’azote piégé en faible profondeur du sol aggravant, ainsi, son exportation vers l’extérieur du système de drainage avec l’arrivée des premières pluies hivernales.

Ce travail de thèse vise à développer un indicateur de pression azoté basé sur la modélisation conceptuelle des transferts de nitrate en parcelles agricoles artificiellement drainées.

Dans un premier temps, le modèle conceptuel NIT-DRAIN (intégrant sept paramètres d’entrée) a été développé, optimisé et validé pour simuler la lixiviation des nitrates à l’exutoire des bassins versants agricoles artificiellement drainés. Puis, sa robustesse spatiotemporelle a été évaluée en utilisant des données de concentration en nitrates mesurées à des pas de temps fins (horaire, journalier) sur trois sites hétérogènes en terme de superficie et de pratiques agricoles (La Jaillière, 1 ha ; Chantemerle, 36 ha ; Rampillon, 355 ha). Notons que seuls les paramètres du modèle ainsi que le débit de drainage sont nécessaires pour estimer les reliquats azotés en entrée d’hiver (REH) sous réserve de disponibilité des observations de concentration en nitrate à l’exutoire du bassin versant agricole étudié.

Deux méthodes d’analyse de sensibilité (locale et globale) ont été implémentées afin de déterminer l’influence des paramètres du modèle sur les concentrations en nitrates (sortie du modèle). Les résultats indiquent que les paramètres responsables de la vitesse de transfert des nitrates ‘????’ et du partage de la quantité initiale d’azote présent dans le sol ‘??’, impactent de manière significative les sorties du modèle. La technique d’assimilation de données variationnelle (4D-Var) a été implémentée au modèle NIT-DRAIN afin d’améliorer l’estimation du REH et plus généralement de l’évolution
temporelle du stock d’azote dans le sol à partir d’un échantillonnage des concentrations en nitrate à l’exutoire du réseau de drainage. Plusieurs fréquences d’échantillonnage ont été sélectionnées (ex. horaire, journalière, mensuelle, trimestrielle) afin d’évaluer leur impact sur les estimations du REH. Ainsi, il a été démontré que l’erreur sur l’estimation du REH devient conséquente à partir d’une fréquence d’échantillonnage mensuelle.

Finalement, la performance du modèle de simulation de drainage (SIDRA-RU) a été étudiée en perspective d’un futur couplage avec le modèle nitrate (NIT-DRAIN). Pour ce faire, l’adjoint du modèle SIDRA-RU a été généré à l’aide de TAPENADE (outil de différentiation automatique) afin d’implémenter la méthode d’assimilation de données variationnelle. A terme, le modèle NIT-DRAIN utilisera comme donnée d’entrée les simulations du débit de drainage obtenues par le modèle SIDRA-RU à la place des observations.

Mots clés : assimilation de données variationnelle, 4D-Var, modèle conceptuel, lixiviation des nitrates, reliquat entrée hiver, drainage agricole souterrain, analyse de sensibilité, optimisation.

La réutilisation d’eaux usées traitées (REUT) pour l’irrigation de cultures agricoles ou l’arrosage d’espaces verts présente un intérêt vis-à-vis de la préservation de la ressource en eau tant du point de vue quantitatif que qualitatif, exacerbé par les perspectives de réchauffement climatique et de croissance de la population. La France s'est dotée récemment d'une réglementation (arrêté du 2 août 2010, révisé en juin 2014) qui autorise l’usage de systèmes d’irrigation gravitaire et localisée, et établit des règles spécifiques pour la REUT par aspersion, dans l’attente d’une meilleure évaluation des risques sanitaires liés à cette application. A l’international, d’autres règlementations, reposant sur une évaluation quantitative des risques microbiens, ont commencé à apparaître en 2006 (WHO, 2006 et EPHC/NRMMC/AHMC, 2006). Cependant, cette approche très rationnelle (on ne traite pas les eaux usées au-delà des besoins sanitaires), reste limitée par le manque de connaissances, en particulier des risques liés à l’inhalation de pathogènes ou de contaminants toxiques durant l’irrigation par aspersion (aérosolisation et transport). La dispersion et l’évaporation sont des mécanismes qui ont été très peu analysés vis-à-vis de leur potentiel de contamination de l’environnement suivant la charge des eaux utilisées pour l’irrigation, en particulier concernant des particules très fines de taille micrométrique ou nanométrique. La demande sociétale exige de tendre vers une gestion de nos ressources raisonnée par un plus grand recyclage de nos déchets, grâce à de nouvelles pratiques dont les impacts doivent être précisés.

©B.Molle, Irrigation par aspersion, Lieux Rians (2011) et Salon de Provence (2013)

Le principal objectif de cette thèse est de caractériser les mécanismes de dispersion d’aérosols selon différentes techniques d'irrigation et configurations atmosphériques.  L’approche proposée se base sur un important dispositif expérimental pour étudier les processus en conditions contrôlées, mais également sur des mesures extérieures en cas réel. Elle vise à fournir les connaissances fondamentales pour un modèle de dispersion de contaminants liés à l’irrigation. Les méthodes développées et les mécanismes étudiés permettront également de répondre aux questions posées par l’utilisation des installations d’irrigation pour les traitements phytosanitaires en particulier en arboriculture (PuF : pulvérisation sur frondaison). Ces travaux permettront de participer à la mise en place des directives encadrant l’aspersion avec des eaux usées et à terme la PuF.

Mots clés : Modèle de transport, Dispersion atmosphérique, Réutilisation d’eaux usées, Bio-aérosols, Soufflerie