Présentation du modèle SWAT

 

Le modèle SWAT

SWAT est l'acronyme pour "Soil and Water Assessment Tool". C'est un outil d'évaluation d'un bassin versant fluvial développé par des chercheurs du Département de l'Agriculture des Etats-Unis (USDA) (Arnold et al. 1993 ; Arnold et al. 1998). Il est disponible en accès libre sur internet, nous utilisons pour notre travail la version 2009.

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. Il permet de simuler les transferts de nutriments, de sédiments et pesticides vers le réseau de drainage et vers les aquifères. SWAT simule également les rendements des cultures en présence, en fonction des conditions environementales et des techniques de culture. 

Les bassins versants représentés dans ce modèle ont des superficies allant de quelques centaines à plusieurs milliers de km². Le modèle prend en compte l’ensemble du cycle hydrologique, représenté au niveau du bassin versant de façon spatialisée. SWAT peut analyser le bassin versant dans sa globalité ou en le subdivisant en sous-bassins versants contenant des portions homogènes appelées Unités de Réponse Hydrologiques (HRU).

Le modèle est surtout utilisé en Amérique du Nord et en Europe dans la production de flux diffus de sédiments, de nutriments et de pesticides (Beaudin, 2006). Il est utilisé 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). A Toulouse, Ecolab s'en sert dans une partie de ses thèmes de recherche.

 

SWAT en SIG

SWAT peut être lié avec le logiciel ArcGIS. Cela permet de faciliter la récolte et l'utilisation des données d'entrées et la manipulation des phases d'intégration et de calibrage. Dans notre étude, SWAT est couplé avec ArcGIS 9.1. Une licence d'ArcGIS valable un an nous a été fournie par l'ENSAT.

 

Fonctionnement de SWAT

SWAT, comme les autres modèles hydrologiques, reproduit le cycle de l'eau sur le bassin versant de manière simplifiée. La modélisation peut être séparée en deux parties :

- une composante "sous-bassins" qui permet de réaliser des bilans hydriques sur chaque sous-bassin, qui sont ensuite intégrés sur l'ensemble du bassin,

- une composante "transfert" qui réalise le transfert de l'eau dans les réseaux jusqu'à l'exutoire.

Le principe de fonctionnement est représenté ci-dessous :

 

Principe de la modélisation SWAT (source : Arnold et al. 2005)

 

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 = SWo +Σ ( Rday –Qsurf – Ea –wseep –Qgw )

avec :

  • 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)

Ruissellement (Qsurf)

Le ruissellement de surface est estimé par SWAT par une modification de la méthode SCS (USDA Soil Conservation Service, 1992) ou par la méthode d'infiltration de Green et Ampt (1911).

Evapotranspiration (Ea)

De nombreuses méthodes sont développées pour estimer l'évapotranspiration potentielle. Dans la version 2009 de SWAT, quatre méthodes sont proposées : la méthode Penman-Monteith (Monteith, 1965 ; Allen 1986 ; Allen, 1989), la méthode de Priestley-Taylor (Priestley-Taylor, 1972) Hargreaves (Hargreaves, et al. 1985).

 

Constitution des HRU

L’unité spatiale élémentaire de SWAT est la HRU (Hydrologic Response Unit ou Unité de Réponse Hydrologique). L’obtention des différentes unités spatiales repose sur deux concepts :

- La définition d’unités reposant sur la structure du réseau hydrographique à partir duquel
sont extraits les sous-bassins.

- La définition d’unités hydrologiques homogènes appelées HRU : celles-ci sont obtenues par
croisement du découpage en sous-bassins versants, de l’occupation du sol et de la pédologie.

Toute combinaison identique de ces trois éléments est supposée produire une réponse hydrologique similaire (Laurent et al. 2010).

 

Données en entrée

Le modèle nécessite des informations spécifiques pour chaque HRU sur le climat, les propriétés du sol, la topographie, la végétation, les pratiques culturales. On peut distinguer trois étapes dans le fonctionnement de SWAT :

- la prise en compte de la topographie, par le MNT (Modèle Numérique de Terrain), qui permet de définir le réseau hydrographique. Il est possible de choisir les exutoires pour délimiter les sous-bassins versants,

- le croisement des informations relatives à l’occupation du sol et au type de sol. Il permet de définir les différentes HRU. Plus ces champs sont renseignés précisément, plus le nombre de HRU est grand. Alors, le modèle peut considérer les différentes valeurs d’évapotranspiration selon le type de culture, le type de sol et la gestion culturale,

- la prise en compte des données climatiques : précipitations journalières, températures (min, max, moyenne journalières), humidité relative, vitesse du vent et radiation solaire.

 

Données en sortie

Après exécution du modèle, un outil d’analyse des sorties (variables simulées par le modèle) permet d’extraire les données du fichier de sortie ASCII puis de les visualiser et de les analyser.

Les sorties sont données à différentes échelles de temps : journalière, mensuelle ou annuelle, et d’espace : HRU ou sous-bassin.

Les données en sortie du modèle SWAT sont :
- hydrologie (ruissellement, interception par le couvert, évapotranspiration, drainage, percolation, ruissellement de subsurface, retenues, marécages),
- climat (température du sol, neige, générateur climatique),
- croissance des cultures,
- gestion agricole (irrigation, rotation, pesticides),
- transfert de l’eau dans le bief principal,
- sédimentation,
- nutriments.

La vitesse de ruissellement n'est pas disponible, nous ne pouvons donc pas voir l'impact de certains aménagements qui ont pour fonction de la limiter et par conséquent de réduire l'érosion.

Le calage du modèle