Madier, Stéphanie (2007) De la mesure a la modelisation de transferts de produits phytosanitaires a l’echelle du bassin versant : quantification des incertitudes et definition de strategies d’echantillonnage. PhD thesis Sciences de l'eau, CEVH, UMR mixte ENGEES-ULP, F-67070_Strasbourg, AgroParistech 2007AGPT0080 p.580.
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Abstract
Due to the frequent detection of pesticides in the surface water and
groundwater, which constitute a threat to the quality of water masses in France,
much attention has been paid to localizing the inputs, in order to target curative
actions more efficiently. The catchment is a pertinent scale to manage the
pollution and pesticides monitoring programs at the outlet of the catchment aim
for the identification of the transfers of the pesticides and the reduction of the
water pollution, especially in sensitive agricultural areas as Alsacian piedmont
plain, whose groundwater is particularly threatened.
But the strategy used to follow the evolution of the concentrations in
pesticides conditions the representation which one has of the pollution and by
there influence the effectiveness of the actions implemented to reduce this
pollution. However, in an operational context, the low number of analyses is
often required in priority, for economic reasons, with the detriment of the
representativeness of measurements. We thus propose to answer the following
question: can one define strategies of measurement of the concentrations in
pesticides at the outlet of a small agricultural basin allowing a not skewed
representation of the pollution of the surface water with little cost, i.e. with a
minimum of analyses?
We base ourselves on current knowledge on the dominant processes in
the transfer of the pesticides to the outlet of small agricultural basins during a
storm event and use two models of transfer, adapted to the quantity and quality
of the available data for their parameterization, as well as the analysis of
uncertainties of modeling, to define two strategies of sampling. The two
strategies are adapted respectively to a global approach and a distributed
approach of the system, and make it possible to reproduce a pollutograph of
reference starting from the small number of measurements of concentrations
proposed by our strategies: the models are used as interpolaters of the
measurements. In the actual position, the method supposes perfect models and
is not directly applicable to real pollutographs with the versions of models used.
These strategies with operational aiming must thus be used with models having
better qualities of interpolation. But the efforts of parameterization of these
future versions will not have to be higher than the costs (money, time)
authorized, in an operational context, for the follow-up of the evolution of the
concentrations in pesticides itself. Currently these models do not exist and the
lifting of this bolt constitutes one of the prospects for the result of the
construction of operational strategies, that this study strongly contributed to
prepare.
| Item Type: | PhD Thesis (PhD) |
|---|---|
| PhD Supervisor: | Leviandier, Thierry and Gregoire, Caroline |
| Date: | 19 December 2007 |
| Board of examiners: | Leviandier, Thierry and Gregoire, Caroline and Casper, Markus and Gascuel, Chantal and Kao, Cyril and Moussa, Roger |
| Ecole Doctorale: | ED 435 AGRICULTURE, ALIMENTATION, BIOLOGIE, ENVIRONNEMENTS ET SANTE |
| Discipline: | Sciences de l'eau |
| Collection (Fonds): | AgroParistech |
| Institution: | AgroParistech |
| Department: | CEVH, UMR mixte ENGEES-ULP, F-67070_Strasbourg |
| Subjects: | 8. Earth Sciences and Environmental Engineering |
| Uncontrolled Keywords: | Ruissellement, Bassin versant viticole, Incertitude de modélisation, Transfer of pesticides, Sampling strategy, Modelling uncertainty, Veinyard catchment, Runoff |
| ID Code: | 3803 |
| Deposited By: | Marina Briffaut |
| Deposited On: | 05 June 2008 |
Table of content
1 DEFINITIONS 53
2 HISTORIQUE DE L’UTILISATION DES PESTICIDES EN AGRICULTURE
53
3 CONTAMINATION DES MILIEUX ET IMPACTS 55
4 REGLEMENTATION, ACTIONS DES POUVOIRS PUBLICS ET
SURVEILLANCE 57
4.1 REGLEMENTATION AUTOUR DES PRODUITS PHYTOSANITAIRES 57
4.1.1 HOMOLOGATION ET MISE SUR LE MARCHE DES PRODUITS PHYTOSANITAIRES 57
4.1.1.1 Dossier d’homologation 57
4.1.1.2 Calcul du risque associé à une substance 57
4.1.1.3 Evaluations approfondies d’une substance 58
4.1.2 DISTRIBUTION ET UTILISATION DES PRODUITS COMMERCIAUX 59
4.1.3 SEUILS DE QUALITE REGLEMENTAIRES DES MILIEUX 59
4.1.3.1 Ecotoxicité 59
4.1.3.2 Toxicité humaine 59
4.2 ACTIONS DES POUVOIRS PUBLICS EN FRANCE 61
4.2.1 LA DIRECTIVE CADRE SUR L’EAU 61
4.2.2 PLAN « PHYTO » 2000 61
4.2.2.1 Mesures prises dans le cadre du plan « phyto » 61
4.2.2.2 Zones d’action prioritaires 62
4.2.3 PIRRP 2006 63
4.3 RESEAUX DE SURVEILLANCE 64
4.4 A L’INTERFACE SURVEILLANCE/ACTION : LES OBSERVATOIRES 66
5 ENJEUX DE LA THESE 68
5.1 CONTRAINTES ET CHOIX TECHNIQUES 68
5.2 MODELES ET EXPLORATION 69
5.3 CONCEPT DE STRATEGIE D’ECHANTILLONNAGE 70
5.4 OBJECTIFS DE LA THESE 71
CHAPITRE 2 :
CONTEXTE SCIENTIFIQUE ET
ETAT DE L’ART
1 CONTEXTE DE L’ETUDE 83
1.1 PROPRIETES DU SITE D’ETUDE 83
1.1.1 PRESENTATION GENERALE 83
1.1.2 LE CONTEXTE CLIMATIQUE 84
1.1.3 BILANS HYDRIQUES ET HYDROLOGIE DE LA PARCELLE 85
1.1.4 COMPORTEMENT HYDROLOGIQUE DU BASSIN VERSANT 86
1.2 IMPORTANCE DES ROUTES 87
1.3 MOLECULES SUIVIES 88
2 PROCESSUS ET MODELES EXISTANTS 89
2.1 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DES PROCESSUS DE DISSIPATION ET DE TRANSFERT
DES PESTICIDES 89
2.1.1 LE DEVENIR DES PESTICIDES DANS LES SOLS : PROCESSUS A L’ECHELLE DE LA
PARCELLE 89
2.1.1.1 Dégradation 90
2.1.1.2 Rétention 91
2.1.1.3 Transfert par le vecteur eau 92
Ruissellement de surface 92
Lixiviation et lessivage (percolation) 93
2.1.1.4 Transfert par transport particulaire (érosion) 94
2.1.1.5 Transfert par le vecteur air (volatilisation) 94
2.1.2 EFFET D’ECHELLE DE LA PLACETTE A LA PARCELLE 96
2.1.3 DETERMINATION DE LA CONCENTRATION EN MOLECULES DISSOUTES DANS L’EAU
DE RUISSELLEMENT A L’EXUTOIRE D’UNE PARCELLE 96
2.1.4 PROCESSUS DE TRANSFERT A L’ECHELLE DU BASSIN VERSANT 99
2.1.5 EFFET D’ECHELLE DE LA PARCELLE AU BASSIN VERSANT 100
2.1.6 DETERMINATION DE LA CONCENTRATION EN MOLECULES DISSOUTES DANS LE
RUISSELLEMENT DE SURFACE A L’EXUTOIRE DU BASSIN VERSANT 101
2.2 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DES MISES EN EQUATION DES PROCESSUS 102
2.2.1 PROCESSUS DE PRODUCTION D’EAU: RUISSELLEMENT/INFILTRATION 102
2.2.1.1 Propriétés physiques et hydrauliques des sols non saturés 102
Courbes de rétention en eau 102
Courbes de conductivité hydraulique 102
Estimation des paramètres de formes par la texture du sol : équations d’Haverkamp 103
2.2.1.2 Equation générale de l’écoulement dans la zone non saturée du sol 103
Loi de Darcy généralisée 103
Equation de continuité 103
Equation de Richards 104
2.2.1.3 Solutions analytiques de l’équation de Richards 104
Equation de Green et Ampt généralisée 104
Autres modèles à base physique 104
2.2.1.4 Les modèles conceptuels 105
2.2.2 PROCESSUS DE TRANSFERT DU RUISSELLEMENT DE SURFACE 105
2.2.2.1 Système de Barré de Saint-Venant 105
2.2.2.2 Approches conceptuelles 106
2.2.3 PROCESSUS DE MOBILISATION DES PESTICIDES PAR LA LAME RUISSELANTE A LA
PARCELLE 106
2.2.4 PROCESSUS DE TRANSFERT DES PESTICIDES DANS LA LAME RUISSELANTE A
L’EXUTOIRE DU BASSIN 108
2.3 REVUE DES MODELES DE QUALITE D’EAU EXISTANTS 109
2.3.1 TYPOLOGIES DE MODELES 109
2.3.1.1 Classification fonctionnelle 109
2.3.1.2 Classification structurelle 109
2.3.2 MODELES DE QUALITE D’EAU EXISTANTS 111
3 MODELISATION 114
3.1 CRITERES GENERAUX DE CHOIX D’UN MODELE 114
3.1.1 SYSTEME ETUDIE : PROCESSUS DOMINANTS 114
3.1.2 DONNEES DISPONIBLE ET PARAMETRISATION : LE PRINCIPE DE PARCIMONIE 114
3.2 PARAMETRISATION D’UN MODELE 115
3.2.1 VARIABILITE SPATIALE DES PARAMETRES 116
3.2.2 SENSIBILITE DES PARAMETRES ET VARIABLES D’ENTREE 117
3.2.3 EFFETS D’ECHELLE 118
3.2.3.1 Observation des processus et échelle des processus 118
3.2.3.2 Sens physique des paramètres et échelle de mesure 118
3.2.3.3 Unité de calcul et échelle de modélisation 119
3.2.4 LIMITES DES MODELES PHYSIQUES DISTRIBUES 119
3.3 CALIBRATION : PHILOSOPHIE, OPTIMUMS MULTIPLES ET EQUIFINALITE 120
3.3.1 DEFINITION DE LA CALIBRATION 120
3.3.1.1 Méthodes locales de calibration automatique 121
3.3.1.2 Méthodes globales de calibration automatique 121
3.3.2 OPTIMUMS MULTIPLES ET CONCEPT D’EQUIFINALITE 122
3.3.2.1 Optimums multiples 122
3.3.2.2 Concept d’équifinalité 122
3.4 INCERTITUDES DANS LA MODELISATION 124
3.4.1 SOURCES D’INCERTITUDE 124
3.4.2 ANALYSE D’INCERTITUDE 125
3.5 VERIFICATION, VALIDATION, EVALUATION DE MODELES 126
3.5.1 DEFINITIONS 126
3.5.2 MISE EN OEUVRE DE LA VALIDATION D’UN MODELE 127
3.5.2.1 Critères statistiques sur les erreurs résiduelles 127
3.5.2.2 Analyse de la structure des erreurs 128
4 LES OUTILS DE L’ANALYSE D’INCERTITUDE 128
4.1 REVUE DES METHODES D’ANALYSE DE SENSIBILITE 128
4.1.1 ANALYSE DIFFERENTIELLES 129
4.1.2 ANALYSES LOCALES 129
4.1.3 ANALYSES DE SENSIBILITE GLOBALES 130
4.1.3.1 Concept des analyses de sensibilité globales 130
4.1.3.2 Calcul de l’indice de sensibilité 130
4.1.3.3 Répétabilité de l’analyse 131
4.1.3.4 Analyse spatiale de sensibilité 132
4.2 REVUE DE FONCTIONS OBJECTIF 133
4.2.1 FONCTIONS OBJECTIF UTILISEES EN HYDROLOGIE 133
4.2.2 FONCTIONS OBJECTIF UTILISEES EN QUALITE DES EAUX 134
4.3 REVUE DES METHODES D’ANALYSE D’INCERTITUDE 136
4.3.1 DEVELOPPEMENTS DE TAYLOR 136
4.3.2 ANALYSE DE MONTE CARLO 136
4.3.2.1 Concept 136
4.3.2.2 Définition des fonctions densité de probabilité des paramètres 137
4.3.2.3 Echantillonnage de l’espaces des paramètres 137
4.3.2.4 Répétabilité des résultats d’une analyse de Monte Carlo 138
4.3.3 METHODES BASEES SUR UNE ANALYSE DE MONTE CARLO 139
4.3.3.1 Concept des méthodes bayésiennes 139
4.3.3.2 Méthode GLUE 140
4.3.3.3 Algorithme Metropolis 141
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