En France, la protection des captages d'eau potable est une préoccupation majeure : le Grenelle Environnement a identifié plus de cinq cents sites menacés par les pollutions diffuses, d'où la nécessité de mettre en place des plans d'action pour les protéger. En Vendée, dans le bassin versant de la Bultière, confronté à des rejets importants de nitrate, une étude par modélisation agronomique et hydrologique a été mise en œuvre avec le logiciel Swat, un outil alliant analyse spatiale et simulation, qui doit permettre de donner des orientations et de prioriser des solutions.  

La protection des captages correspond à un enjeu fort et urgent avec des plans d’action pour 2012 dans les captages Grenelle et pour 2015 dans les schémas directeurs d'aménagement et de gestion des eaux (SDAGE). La préservation de la qualité de l’eau reste ainsi au cœur des enjeux environnementaux pour les années à venir. Depuis 2007, un décret (2007-882) a donné la possibilité aux préfets de délimiter des zones porteuses d’enjeux environnementaux puis d’arrêter des programmes d’action. La circulaire du 30 mai 2008 (NOR : DEVO0814484C) précise les éléments de cadrage relatifs à la délimitation de ces zones. Dans ce dispositif appelé ZSCE (zones de surfaces à contraintes environnementales), les maîtres d’ouvrage et les acteurs institutionnels sont demandeurs d’outils et méthodologies pour appuyer l’ensemble de la démarche.

Présentée ici, la méthodologie s’appuyant sur le modèle SWAT (Soil and water assessment tools) employée pour le nitrate dans le bassin d’alimentation du captage (BAC) de la Bultière (155 km²) en Vendée offre des perspectives intéressantes dans l’accompagnement d’un projet territorial.

Les besoins du diagnostic dans le BAC de la Bultière

Dans le contexte du projet territorial construit autour des problématiques nitrate et produits phytosanitaires, tous les acteurs, agriculteurs, élus et administrations souhaitaient disposer de nouveaux éléments d’analyses tirés des nombreuses données recensées sur le secteur. L’analyse multicritère souhaitée devait croiser des facteurs déterminants comme le sol avec l’effet tampon de la matière organique, la topographie, la météorologie, l’occupation du sol avec notamment la croissance végétale, les pratiques agricoles ou encore la dynamique de l’eau hors de la zone racinaire. Compte tenu du contexte conflictuel entre acteurs, la méthodologie et les outils imposaient de valider les résultats par rapport aux mesures de débit et de qualité des eaux. Enfin, la phase de réflexion prospective déjà engagée suggérait la capacité de test des orientations (choix de pratiques agricoles, d’aménagement de l’espace). En résumé, l’analyse de l’adéquation entre outils et besoins montrait alors toute la complexité à appréhender par un outil d’aide à la décision et surtout l’importance de disposer d’un outil robuste.

SWAT, un modèle transposable

SWAT, développé à l’United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service (Neitsch et al., 2005), conçu pour des bassins versants de quelques centaines à plusieurs milliers de kilomètres carrés, est un modèle semi-distribué estimant les flux d’eau, de nutriments, de pesticides et de sédiments à la surface du sol, dans la zone racinaire, dans la nappe souterraine et dans les cours d’eau. Ce type de modèle s’inscrit dans la ligne des modèles conceptuels construits à partir d’une base physique. Cette expérience a été réfléchie dans la continuité des recherches menées sur les bassins du Rochereau en Vendée et du Moine en Maine et Loire (Bioteau et al., 2002).

Analyse et spatialisation des pratiques agricoles

Les pratiques agricoles associées aux cultures prennent en compte les dates de semis, de récolte, les apports en nutriments (azote et phosphore), les pratiques phytosanitaires, le travail du sol, le maintien de résidus et les rotations. Les pratiques peuvent être différenciées pour chaque unité élémentaire de calcul (Hydrologic Response Unit ou HRU) afin d’introduire, s’il y a lieu, une variabilité spatiale.

Analyse des pratiques agricoles

Avant d’implémenter le modèle, l’analyse avec la description des pratiques agricoles constitue l’étape stratégique du diagnostic initial. La description proprement dite s’appuie sur deux analyses constituant les descripteurs des dynamiques agricoles d’un point de vue agronomique (Gomez et al., 2002) :

  • les séquences techniques : suite ordonnée des interventions culturales portées sur un couvert végétal pour en tirer une production ;
  • les successions culturales : suite ordonnée de cultures implantées sur une même parcelle sur un pas de temps pluriannuel.

L’objectif principal de cette analyse consiste à discriminer les exploitations du bassin versant pour établir des exploitations types apportant les informations nécessaires à la modélisation de la circulation d’éléments dissous avec en particulier l’azote (nature, date et type d’effluent épandu ou d’apport minéral, assolement et itinéraire technique). Néanmoins, l'enquête sur les pratiques n'ayant pas été conçue dans un but de modélisation, les données collectées ont requis un travail de spatialisation.

Spatialisation des données agricoles

Pour concevoir et argumenter ce choix de spatialisation, la première étape consistait à traduire l’information dans un format adéquat à la base de données et géo-référencée pour chaque site d'exploitation. La deuxième étape conduit au choix définitif de spatialisation dépendant de l’information disponible et des contraintes du modèle. Dans ce cas, ce sont les douze territoires définis par le syndicat d’alimentation en eau potable qui servent de bases pour segmenter les pratiques. Basés sur la topographie, ces douze territoires présentent des surfaces très inégales voire très faibles pour certains, suscitant ainsi des regroupements qui restaient malgré tout insuffisants.

Identifier les techniques culturales

Pour analyser les séquences techniques, l’identifiant de l’exploitation par parcelle aide à regrouper les données par sous-bassin et autorise à réaliser moyenne, écart-type, minimum et maximum pour chaque intervention culturale. Pour les neuf territoires, cinq itinéraires techniques moyens avec des niveaux de pressions correspondants ont été ressortis : le maïs, les céréales d’hiver, les prairies uniquement fauchées, les prairies fauchées et pâturées, dites mixtes, et les prairies uniquement pâturées. Avec l’assolement de l’exploitation, deux autres informations ont également été analysées : l’importance surfacique du drainage et de l’irrigation.

Identifier la nature des cultures et les périodes d’inter-culture

Afin d’identifier ou non des successions culturales différentes dans le territoire de la Bultière, les historiques d’assolements extraits des plans de fertilisation ont fait l’objet d’une analyse par la méthode de fouille de données qui a extrait des régularités dans les séries temporelles d’occupation du sol. Cette méthode a été rendue possible grâce au logiciel Carottage, développé dans le cadre d’une collaboration entre agronomes et informaticiens (Mari et al., 2002). Ce logiciel a pour but d’aider à l’analyse de données spatio-temporelles sur l’occupation du sol. Le programme s’appuie sur une méthode de classification numérique, les modèles de Markov cachés (Hidden Markov Model) dont l’hypothèse de départ repose dans l’idée que la distribution à un pas de temps donné dépend de la distribution aux pas précédents. Pour les besoins de l’étude, le logiciel a défini la fréquence des différentes rotations à l’échelle du bassin et des sous-bassins sur un pas de temps allant de 2002 à 2008, et cela suivant des états de distribution de couples de cultures « précédent-suivant » (modèles « 2 cultures ») et de triplets de cultures (modèles « 3 cultures »). Cette première analyse révèle des différences d’assolements moyens pour les neufs sous-bassins et quantifie l’importance des rotations sur un, deux ou trois ans vis-à-vis de surfaces plus pérennes.

Chaque parcelle ou donnée recensée reçoit au final un code territoire, défini comme variables supplémentaires permettant de spatialiser les pratiques qui seront implémentés dans SWAT suivant la zone du bassin versant (figure 1).

Spatialisation et implémentation du modèle

Dernière étape, l’implémentation dans le modèle suppose d’adapter la description des pratiques aux contraintes spatiales du modèle avec la HRU et le sous-bassin. Le lien entre la carte des HRU et la synthèse des pratiques agricoles est créé par la localisation des successions culturales. Celle-ci passe par la carte d’occupation des sols avec les surfaces HRU identifiées comme prairie temporaire, naturelle ou en cultures annuelles (figure 2). Cette étape révèle l’importance stratégique de la carte d’occupation des sols et de la connaissance pluriannuelle de localisation des surfaces agricoles, la carte d’occupation du sol devenant dans les faits une carte des successions culturales. La localisation géo-référencée des successions culturales n’étant pas connue, la surface en cultures annuelles est admise comme une surface intégrée dans une succession culturale décrite dans l’analyse des rotations par sous-bassin. Par conséquent, la méthode consiste à reproduire annuellement, dans chacun des territoires choisis, l’occupation du sol moyenne en tenant compte des rotations dominantes.

Calibration et validation

Les mesures de débits journaliers utilisées pour le calage du modèle proviennent dune station de mesure, située à lentrée de la retenue deau potable et drainant plus de 85 % de la surface totale du bassin. Les concentrations mesurées de polluants (nitrates, phosphates, ammonium) sont issues du suivi réalisé par le syndicat dalimentation en eau à une fréquence irrégulière dun prélèvement tous les quinze jours à ce même point de prélèvement. Après une phase dinitialisation de dix ans, la calibration est réalisée manuellement par comparaison des données mesurées et des données modélisées (moyenne, cumul, écart-type, coefficient de corrélation, indice de Nash-Sutcliffe). Le modèle a été calibré sur trois périodes et validé sur deux périodes (tableau 1 et figure 3).

Pour valider lutilisation du modèle, les résultats mensuels des flux de nitrate sont confrontés aux flux calculés à partir des mesures de concentrations et de débits. Au regard de lannée hydrologique 2007-2008 (figure 4  ), la tendance mensuelle est assez bien reproduite pour des pratiques correspondant aux années analysées. Particulièrement vrai pour le nitrate, lutilisation du flux comme indicateur suppose une réflexion préalable sur le choix du mode de calcul et de sa marge derreur. La difficulté dutilisation de lindicateur repose sur le nombre et la périodicité des mesures car la stratégie déchantillonnage, le traitement dun échantillon et le calcul génèrent potentiellement des biais dans la représentation des flux de nitrate ( Birgand et al., 2009).    

     

 

Résultats exploités dans le projet territorial

Une fois le modèle calibré et validé, les résultats à des échelles quotidiennes, mensuelles ou annuelles sont représentés soit avec Arcgis, soit avec tableur. L’interface graphique développée avec Arcgis facilite la visualisation des résultats au niveau des cours d’eau, HRU ou sous bassin.

La spatialisation du risque de pollution diffuse

Lobjectif est dobtenir une image du bassin avec une simulation comparable aux mesures pour observer les années correspondant aux pratiques en situation déquilibre. La majorité des paramètres saisis (données dentrées) et les flux deau, de nutriments (données de sorties) sont des données présentables au niveau de la HRU modélisée ou du sous-bassin versant. Dès lors, le modèle offre rapidement de nombreuses possibilités de visualisation ou de résultats potentiels (ruissellement par parcelle ou par sous-bassin, représentations des pratiques, localisation du drainage, de lirrigation, etc.).

Les cartes de résultats ont ainsi été présentées aux différents acteurs locaux et institutionnels comme première base de discussion du plan daction. Sur la Bultière, les travaux ont par exemple produit des cartes de représentation de flux de nitrate par sous-bassin. Envisageant un plan daction ciblé sur certaines zones, cette réflexion souhaitait déterminer lexistence de zones contribuant plus significativement aux causes de dépassement. Pour répondre à cette aspiration, le modèle produit différents types de carte qui par croisement autorisent à construire un indicateur de priorités (figure 5) . À la base de lindicateur, la carte des contributions de chaque sous-bassin montre limportance annuelle ou mensuelle des sous-bassins dans le flux global (figure 6 ). Ensuite, la carte du risque nitrate (figure 7) révèle le risque de transfert occasionné par le déséquilibre entre milieu et pratiques agricoles (le flux par sous-bassin est ramené par unité de surface pour supprimer le biais engendré par limportance surfacique du bassin).

 

  

  

  

Cependant, les résultats ont confirmé la difficulté à justifier le concept de zones contributives prioritaires dans le cas dune problématique nitrate. Limpact de plusieurs sous-bassins, régulièrement ciblés pour des concentrations très élevées, a été nuancé par leur faible contribution dans le flux total. Au contraire, malgré des concentrations plus faibles, des zones apparaissent comme contribuant significativement. Ce cas très pédagogique montre la limite importante de lindicateur concentration dans une analyse spatiale. En raison de la taille du secteur (155 km²) et dune agriculture aux niveaux de pressions peu différenciés (polyculture élevage intensif), une action visant à réduire le flux de 80 % contraint à cibler plus de 65 % du territoire.

Autres potentialités de l'outil, les pratiques comme la fertilisation du phosphore ou l'usage des produits phytosanitaires peuvent être représentées et traduites de la même manière. Dans cette expérience, les données sur la fertilisation organique et minérale du phosphore ont été saisies, mais en l'absence de calibration, les cartes de représentation du phosphore dissous et sédimentaires n'ont pas été présentées. Enfin, la représentation du risque de transfert phytosanitaire ne nécessite pas plus d'investissement supplémentaire que la calibration du modèle.

La simulation

Lévaluation de scénarios dévolution de pratiques est le deuxième type de résultat obtenu avec limpact et la quantification de chaque modification. Le concept est de modifier la simulation de base avec des scénarios envisageables sur des épisodes de dépassement connus (scénario ex post) et de les comparer au scénario zéro (figure 8). À linitiative du comité de pilotage agricole, des scénarios à léchelle du bassin versant ont été testés, de la réduction de fertilisation minérale ou organique à la modification de chargement, de travail du sol ou dassolement avec lintroduction de légumineuses, jusquà lévaluation dobjectifs du précédent plan daction. Dans le futur, lacquisition de références sur lintercropping (cultures associées) affinera lincidence de ces cultures grâce au paramétrage du module de végétation. En fonction du contexte propre au bassin (niveaux de pression, assolement, pédologie), les résultats permettent de réévaluer certaines priorités dans les voies damélioration. Les scénarios permettent également de valider ou non les efforts entrepris par les acteurs vis-à-vis des effets liés à la variabilité climatique.

Autre résultat indépendant des pratiques, la simulation a également servi à quantifier linfluence pédologique (figure 9) avec le temps de transfert du nitrate et à montrer des zones pédologiques très différentes des sous-bassins sur la Bultière. Suggérée par la réflexion sur le zonage daction, cette analyse des différences entre dynamiques de transfert, entre zones de déséquilibres et zones contributives constitue, dans ce cas, des arguments à décharges dans le choix de retenir le sous-bassin comme zone daction, et justifie une entrée agronomique du zonage.

  

Comparaison avec les propositions méthodologiques de la ZSCE

Dans les études menées sur le bassin de la Bultière par la chambre dagriculture de Vendée, les acteurs agricoles ont disposé de critères pour évaluer lefficacité de leurs actions et accompagner plusieurs étapes de réflexion. la démarche proposée se rapproche de la méthodologie proposée par le BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières) et la DREAL (Direction régionale de l'environnement, de l'aménagement et du logement) car elle accompagne le comité de pilotage dans la réflexion sur la notion de zones sensibles et sur les orientations à arbitrer dans le plan daction. Néanmoins, dans cette zone de polyculture et délevages intensifs, ce cas a montré la difficulté à justifier le concept de zones prioritaires pour le nitrate. Or, la mise en œuvre du nouveau dispositif ZSCE pour la protection de la ressource impose de délimiter une zone sur laquelle sapplique le programme daction, avec lidée de prioriser des zones qui concentre les efforts financiers. Pour y parvenir, la démarche propose la réalisation de deux phases détudes complémentaires.

La délimitation du bassin dalimentation du captage 

La délimitation dune zone à enjeu est un zonage de sa vulnérabilité intrinsèque par rapport à des facteurs de dégradation (la base méthodologique pouvant être différente suivant le polluant). Daprès le guide méthodologique proposé par le BRGM (2007), la délimitation comporte trois phases : une étude hydrogéologique avec les caractéristiques du captage et la compréhension du système aquifère, la délimitation du BAC avec la portion de nappe alimentant le captage et lidentification de zones susceptibles dinfluer sur la qualité de leau. Dans le cas dun système aquifère discontinu et peu fissuré comme la Bultière, la délimitation a été obtenue à partir des écoulements de surface, le bilan hydrologique étant validé au point de mesure. Létude proposée ne propose pas de prendre en compte les modifications anthropiques de protection naturelle de laquifère ni lhétérogénéité de son système (prise en compte des discontinuités dans la conductivité hydraulique). Les cartes de résultats traduisent la vulnérabilité de la zone avec la couverture protectrice du sol (description du sol avec profondeur et texture) et linfiltration-ruissellement, mais pas leffet possible de discontinuités de laquifère. Dans le cas une information spatiale est exploitable, le paramétrage actuel, basé sur lhypothèse simplificatrice dune homogénéité du comportement hydrologique, autorise à adapter le coefficient de vidange de la nappe des HRU ou sous-bassin identifiés. Enfin, léchelle cartographique de la couche pédologique, modifiée en partie par un agronome, est peu adaptée à des bassins de cette taille dans loptique dobtenir une cartographie précise du risque sur les thématiques « érosion » ou « phytosanitaires ».

Le diagnostic territorial des pressions agricoles  

Le diagnostic territorial des pressions avec lensemble des facteurs de dégradation des ressources ou des milieux suppose de localiser des zones pertinentes pour le programme daction (photo 1 ). Considéré comme préparatoire au programme daction agricole, il est désigné comme « Diagnostic territorial des pressions agricoles » (DTPA). Dans la méthodologie proposée, le comité de pilotage dispose de nombreuses informations agricoles car collectées à partir de tous les plans de fertilisation de la zone, la difficulté étant de les synthétiser. La démarche danalyse a aidé à spatialiser les différentes pressions dorigines agricoles, à identifier des rotations ou des assolements. Cette analyse établit le lien entre pratique et problème environnemental et le valide par les mesures. Lanalyse permet de ne pas sarrêter à la comparaison des niveaux de fertilisation avec une population de référence, en traduisant les pratiques en fonction du potentiel agronomique en un niveau de risque. La simulation qui en résulte sert de point zéro à partir duquel les indicateurs et objectifs à construire seront suivis et analysés. Enfin, lanalyse par le modèle permet de mesurer des zones de sensibilité particulières (particularité topographiques, zones de ruissellement), de croiser des cartes de vulnérabilités intrinsèques et de tester des scénarii pour quantifier leffet réel des lignes directrices proposées.

En revanche, elle ne caractérise pas les systèmes sur les choix de production et les itinéraires techniques constituant lanalyse des logiques de production. Sans disposer de bases cartographiques extrêmement précises, elle ne peut inclure dinformations sur les structures paysagères, ni danalyse poussée sur les surfaces de zones urbaines (prise en compte de rejets issus de références américaines suivant la densité de population ou le type daménagement). Enfin, des phases de réflexion complémentaires sur la méthodologie pourraient encore compléter lanalyse par la mise en place dindicateurs sur les volets environnementaux et économiques en corrélation avec les simulations du modèle.

Conclusion et perspectives

Du point de vue de la démarche territoriale, loutil SWAT a confirmé le premier intérêt de relancer les réflexions du comité de pilotage agricole. Son utilisation a ainsi permis dévaluer et de hiérarchiser les différentes propositions inscrites dans le projet du contrat territorial. Tout en ne prétendant pas à être un outil de gestion des politiques publiques, loutil montre deux avantages indéniables vis-à-vis dun indicateur : sa polyvalence sur les pollutions diffuses et son adaptation possible en termes dobjectif de résultats qui sera fonction du degré dinvestissement. Dans le cadre dune méthodologie ZSCE, loutil montre ses limites dans la caractérisation hydrogéologique. Néanmoins, en exploitant au mieux les données disponibles et sans investissement supplémentaire, il permet datteindre lobjectif daccompagner le comité de pilotage vers lévaluation du plan daction. La mise en œuvre du modèle sur le bassin versant offre encore énormément de perspectives sur les cartes de vulnérabilité intrinsèque (nitrate, phosphore, produits phytosanitaires, érosion), sur la simulation (rotations par type de sol, les dates dapport), mais aussi sur la gestion quantitative de leau avec le module de végétation (scénarios climatiques alternatifs).

Ces actions de recherches confirment le lien que les collectivités territoriales sont susceptibles de réaliser rapidement entre les observatoires des activités agricoles et lobservatoire des réseaux de qualité deau. Néanmoins, létude a été particulièrement éclairante sur les difficultés à traiter et à analyser les nombreuses données disponibles. Elles résultent principalement de labsence dinformations traitées dans le format adéquat pour la gestion en bases de données. Bien que SWAT offre une souplesse dans lintégration des données, celles-ci doivent être adaptées et structurées pour constituer les entrées du modèle. Basés sur le géo-référencement en base de données, le développement des outils en ligne de gestion de fertilisation connecte directement localisation culturale pluriannuelle et pratiques agricoles, et trouve une valorisation directe dans la perspective dune aide à la décision sur un enjeu territorial. En attendant ce développement, la photo-interprétation ou télédétection reste une piste damélioration importante des résultats ( Ruelland et al., 2004 ).

Véritable instrument de recherche appliquée, SWAT suppose un investissement évident en méthodologie mais les données ainsi que les ressources logistiques existent dans les services de géomatique. Sous réserve dune organisation transversale entre les métiers dagronomes et de géomaticiens, ce type doutil témoigne de la possibilité de progrès sensibles et rapides dans les domaines de la représentation et du fonctionnement de ces processus complexes.

Pour citer cet article :

Référence électronique :
LE FLAHEC, François, Évaluation spatiale et prospectives sur le risque de pollution diffuse par le nitrate sur le bassin versant de la Bultière ,[online], Revue , , 9 p. . Disponible sur <URL : http://www.set-revue.fr/evaluation-spatiale-et-prospectives-sur-le-risque-de-pollution-diffuse-par-le-nitrate-sur-le-bassin> (consulté le 17/10/2017).

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