Evaluation de l'Erosion dans le bassin versant de la rivière Grise (Haiti)

3.7.3- Modèle SWA T 3.7.3.1-Présentation de SWAT

SWAT « Soil and Water Assessment Tool » est un outil d'évaluation d'un bassin versant fluvial. Il a été développé par le Dr Jeff Arnold pour le service de recherche agricole (ARS) du Département de l'Agriculture des États-Unis (USDA). Il permet de manipuler et d'analyser de nombreuses données hydrologiques et agronomiques en vue de prédire les effets de la gestion des terres sur la ressource hydrique, les sédiments et des produits chimiques sur les rendements de l'agriculture de grands bassins versants fluviaux, en mettant en exergue la nature des sols, l'utilisation du sol et la gestion sur de longues périodes de temps. SWAT peut analyser le BV dans toute sa globalité ou en le subdivisant en sous-bassins versants contenant des portions homogènes appelées Unités de Réponse Hydrologiques (HRU). La figue ci- dessous présente la délimitation automatique du BV et des sous-BV de la rivière Grise.

Figure 6: Délimitation et subdivision du BV de la rivière Grise en des sous-bassins
versants

Il est à souligner que SWAT est un modèle déterministe, issu d'une série de modèles développés antérieurement. Ce sont entre autres les modèles SWRRB (WILLIAMS et al. 1985), EPIC (WILLIAMS et al. 1984), CREAMS (Knisel,1980) et GLEAMS (Leonard et al., 1987). Il existe plusieurs versions de SWAT. La plus récente est celle de 2005 et est utilisée dans ce travail.

3.7.3.2- Utilisation de SWAT dans le monde.

Le modèle est utilisé en Amérique du Nord et en Europe dans la production de flux diffus de sédiments, de nutriments et de pesticides (Beaudin, 2006). En Indiana par exemple il a été utilisé pour modéliser les déplacements de pesticides dans un bassin de 250 km2. Il est utilisé en Allemagne sur le bassin de Dietzhöle et en France par le Cemagref pour évaluer les risques de pollution diffuse par l'azote d'origine agricole dans deux bassins versants des pays de la Loire (INRA, 2004). Il a été également essayé en Afrique de l'Ouest dans la modélisation de la dégradation du sol, surtout en faisant des scenarios sur l'influence de changement de climat et de l'occupation du sol (2000-2025).

3.7.3.3- SWAT et le SIG

Le couplage avec le logiciel SIG (ArcMAP, ArcVIEW) permet de gérer des données de type raster, vecteur et alphanumériques. Il facilite et automatise la préparation des données d'entrées, il rend plus convivial la phase d'intégration, de manipulation et le paramétrage des données liées à la simulation. Dans le cadre de ce travail, il est couplé au logiciel 'ArcGis 9.1. ArcGIS est une famille de logiciels développés par la compagnie ESRI (Environmental

Systems Research Institute). Son coeur est constitué des modules suivants: ArcMAP, ArcCatalog et ArcToolbox.

ArcCatalogue est un gestionnaire. Il permet de parcourir, d'organiser, de visualiser rapidement les jeux de données, d'effectuer la gestion des fichiers et de les décrire à l'aide de métadonnées. Alors que, ArcMAP permet d'effectuer les analyses thématiques (création de cartes) et faire des analyses spatiales. Quant à ArcToolbox, il permet de réaliser des transferts de format et de projection.

Pour le traitement de la base de données cartographique utilisée dans ce travail, ArcMAP a été grandement valorisé. Alors que les données cartographiques intégrées dans SWAT ont été converties en format raster puis projetées à l'aide d'ArcToolbox. Tous les nouveaux shapefiles (fichiers) utilisés pour des traitements sur ArcMap ont été créés à partir d'ArcCatalog qui joue dans ce cas le rôle de module complémentaire à ArcMAP.

3.7.3.4- Fonctionnement de SWAT

SWAT n'est pas différent des autres modèles hydrologiques puisqu'il ne fait que reproduire le cycle de l'eau sur le bassin versant de manière simplifiée. Son fonctionnement peut être schématisé par trois gros modules principaux, qui communiquent entre eux par la circulation d'eau (Figure 7 en Annexe III).

Source : ARNOLD et al, 2005

Figure 7: schémas du cycle hydrologique

3.7.3.5- Equation hydrologique de SWAT

Le bilan hydrique contrôle les différents processus hydrologiques qui se déroulent sur le bassin. Dans le cas de SWAT, il simule le cycle de l'eau par le biais de l'équation hydrologique suivante:

SWt= contenu en eau du sol (mm)

SWo= eau disponible pour les plantes (mm)

Rday= précipitation (mm)

Qsurf= ruissellement de surface (mm).

Ea= évapotranspiration (mm) Wseep= percolation (mm) Qgw= débit d'étiage (mm) T= temps (jr)

V' Précipitation ( Rday)

Sont dénommées précipitations, toutes les eaux météoriques qui tombent sur la surface de la terre, tant sous forme liquide (bruine, pluie, averse) que sous forme solide (neige, grésil, grêle) et les précipitations déposées ou occultes (rosée, gelée blanche, givre,...). Elles sont provoquées par un changement de température ou de pression. Les précipitations constituent l'unique « entrée » des principaux systèmes hydrologiques continentaux que sont les bassins versants. Un versant donné peut être affecté soit par des précipitations convectives, soit par des précipitations orographiques ou soit par des précipitations frontales .Située dans une région tropicale, la zone d'études et Haïti de façon générale ne connaissent pas de précipitation sous forme solide et fait face à des précipitations orographique en amont des versants. L'équation de la précipitation est présentée en annexe (III) (Equation1)

Dans le modèle SWAT, la précipitation utilisée a été collectée à partir de site internet ( tutiempo.net) utilisant la station synoptique de Port-au-Prince mais l'idéale étant de disposer, les données mesurées directement sur le terrain, Il est à remarquer que la possibilité d'avoir des données mesurées erronées n'est souvent pas négligeable.

V' Ruissellement (Qsurf)

Le ruissellement consiste à un refus d'infiltration d'eau à travers les couches du sol. Ce refus se manifeste soit lorsque l'intensité des pluies est supérieure à l'infiltrabilité de la surface du sol (ruissellement « Hortonien »), soit lorsque la pluie arrive sur une surface partiellement ou totalement saturée par une nappe (ruissellement par saturation). Ces deux types de ruissellement apparaissent généralement dans des milieux très différents, bien que l'on observe parfois une combinaison des deux (AGRO-transfert, 2008). Il est remarqué que le ruissellement est fonction des différentes variations d'occupation des sols ainsi que les types de sols. Le ruissellement de surface est calculé par l'équation 3 de l'annexe III.

Selon (Arnold et al. 2005), le ruissellement de surface est estimé par SWAT par la valorisation de la méthode SCS (SCS, 1992) et celle de l'infiltration de Green et Ampt (1911).

V' Contenu en eau du sol (SWt)

Celui-ci représente la quantité d'eau retenue dans le sol. Ce contenu varie en fonction des caractéristiques des sols (texture, structure). L'eau du sol peut soit contribuer à l'alimentation de la nappe phréatique par percolation, soit se perdre dans l'atmosphère par évapotranspiration (sol et plantes) ou encore être utilisée pour l'alimentation de la plante par les absorptions racinaires. Lorsque la couche superficielle dépasse la capacité aux champs, l'eau percole vers les couches sous-jacentes. L'eau du sol qui est perdue par percolation peut être calculée par l'équation (7) en annexe (III).

V' Débit d'étiage (Qgw)

Le débit d'étiage correspond au niveau le plus bas atteint par un cours d'eau, lorsque tout écoulement de surface a cessé et qu'il n'est plus alimenté que par le débit de base en provenance des eaux souterraines. Il est susceptible d'être induit par plusieurs causes, entre autres, les températures trop élevées couplées à des saisons sèches prolongées, une baisse du niveau des nappes dans les périodes précédentes, ou des prélèvements excessif d'eau surtout en périodes de sécheresse. L'équation de débit d'étiage se trouve en annexe (III) (Equation 8).

V' Evapotranspiration (Ea)

L'évapotranspiration constitue une composante importante du cycle de l'eau. Elle dépend de paramètres météorologiques (rayonnement, vent, température, ...), de caractéristiques du sol (humidité, albédo, ...) et de la végétation. Elle est mesurée en hauteur d'eau rapportée à une durée, par exemple en mm/jour.

De nombreuses méthodes sont développées pour estimer l'évapotranspiration potentielle (PET) parmi lesquelles les trois méthodes suivantes: la méthode Penman-Monteith (Monteith, 1965 ; Allen 1986 ; Allen, 1989), la méthode de Priestley-Taylor (Priestley-Taylor, 1972) Hargreaves (Hargreaves, et al. 1985). Ces trois méthodes de PET sont susceptibles d'être intégrées dans SWAT mais se diffèrent par leurs quantités d'inputs utilisées (Arnold et al. 2005). Seule l'équation de la méthode de penman-Monteith est présentée en annexe (III) (Equation 9).

3.7.3.6 -Données d'entrée (Input) de SWAT

Les données d'entrée requises pour le bon fonctionnement de SWAT concernent:

· modèle numérique de terrain (MNT),

· pédologie, occupation du sol,

· données météorologie

Le paramétrage des données numériques par l'utilisateur et la visualisation des résultats s'effectuent par le biais des formats, « .Dbase» ou format ASCII (txt). SWAT accepte les cinq (5) types d'inputs météo suivants: précipitations journalières, températures (min, max, moyenne journalières), d'humidité relative, de la vitesse du vent et la radiation solaire. Les quatre premiers paramètres ont été collectées à partir de sites européens qui utilisent la station synoptique de l'aéroport international de Port-au-Prince (latitude : 18.56 ; Longitude : -72.3 ; Altitude : 31). La figure 8 présente les types de données d'entrée et résultats des traitements avec SWAT.

Source : INRA 2002

Figure 8: Données d'entrées et les résultats de traitement avec SWAT. 3.7.3.7 - Formats des inputs utilisés par SWAT.

Les données météo utilisées par SWAT ont des structures spécifiques. Ces données après les avoir collectées, ont été transformées en fichier dBASE dont la représentation des formats, pour ces différents types d'inputs, se trouve dans les tableaux ci-dessous.

Tableau 2: Format des données d'entrée pour les précipitations.

Nom	Format	Définition
DATE	(mm/dd/yyyy)	Date où la mesure a été prise
Précipitation	Point flottant (f5. 1)	Précipitation journalière

Tableau 3: Format des données d'entrée pour les températures (3 champs).

Nom	Format	Définition
DATE	(mm/dd/yyyy)	Date où la mesure a été prise
MAX	Point flottant (f5. 1)	Température maximale journalière (°C)
MIN	Point flottant (f5. 1)	Température minimale journalière (°C)

Tableau 4: Format des données d'entrée pour la radiation solaire (2 champs).

Nom	Format	Définition
DATE	(mm/dd/yyyy)	Date où la mesure a été prise
SLR	Point flottant (f5.3)	Radiation solaire journalier (Mj/m2/day)

Il est à remarquer que ce même format est utilisé pour la vitesse du vent (m/s) et l'humidité relative (%).

Tableau 5 :Table de localisation spatiale de la station des précipitations.

Nom	Format	Définition
ID	Nombre entier	Gage identification number (not used by interface)
Name	String max 8 chars	Nom de la station
LAT	Point flottant	Latitude en degré décimal
LONG	Point flottant	Longitude en degré décimal
ELEVATION	Nombre entier	Elévation des stations correspond aux données de précipitation (m)

Ce tableau (5) est le même pour la localisation de la station des températures de l'air. Cependant, pour les tables de localisation de la ou des stations des données de vent, de la radiation solaire et de l'humidité relative, il faut tout simplement enlever l'élévation.