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Eau et environnement

 | 
Paul Arnould
, 
Micheline Hotyat

Quelle démarche scientifique adopter pour l’étude du ruissellement ?

Stanislas Wicherek

Texte intégral

  • * Je remercie Madame Marie-Odile Boissier pour sa collaboration.

1Note portant sur l’auteur*

2Dans la société moderne, l’eau devient de plus en plus indispensable, et c’est également un vecteur économique important. Sa gestion est à l’origine de nombreuses interrogations concernant sa qualité, ses réserves et son utilisation (tableau 1). L’agriculture, en particulier, est une grande consommatrice de l’eau dont elle est dépendante. Ses activités interviennent sur sa qualité, car elle est aussi vecteur du transfert des polluants, qui agissent directement sur les chaînes alimentaires puis sur la santé humaine. Ce thème est d’actualité, car les sociétés civiles nous posent des questions concrètes sur la gestion de l’eau tant au niveau de sa quantité que de sa qualité. Il est indispensable d’inscrire cette approche dans la conception nouvelle de gestion et d’aménagement des espaces ruraux, pour aider au développement durable en agriculture, et surtout envisager une production de meilleure qualité en symbiose étroite avec les milieux. Les surfaces cultivables (surfaces agricoles utiles [SAU]) représentent 22 % de la superficie totale du globe. La majorité des terres agricoles fertiles ayant un climat favorable se trouvent dans l’hémisphère nord. Celles-ci sont vulnérables à l’érosion éolienne, et particulièrement, à l’érosion hydrique qui résulte en grande partie des pratiques culturales et des modes d’utilisation des terres (Godard, Rapp, 1987). Les pertes dues à ces érosions sont considérables, évaluées au Canada à 1,3 milliards de dollars canadiens (Wicherek, Laverdière, 1993) en Europe et dans l’Union européenne à 1,6 milliards d’euros (de Ploey, 1990). Depuis ces dernières décennies, les activités agricoles accélèrent ce processus pour lequel le vecteur est l’eau : plutôt que de stagner et de s’infiltrer, les eaux ruissellent et entraînent avec elles la terre, ses fertilisants naturels et chimiques. Cela provoque une pollution considérable des milieux, sols, rivières, nappes phréatiques.

Tableau 1.
Demande mondiale en eau (km3/an) selon les usages.

3Les nouvelles techniques et méthodes de culture aggravent encore la situation. Le passage intense des machines tasse les sols et aboutit à la formation d’une semelle de labour, couche de terre compacte, imperméable, qui favorise le lessivage de la couche superficielle. Cela crée un déséquilibre dans les bilans hydriques. Ce grave problème concernant l’eau, en particulier l’eau potable, peut encore s’accentuer. Les principaux polluants qui transitent dans les sols et les eaux résultent des activités humaines agricoles ou industrielles : engrais chimiques, pesticides, polluants atmosphériques (pluies acides), métaux lourds, déchets urbains, etc. Le sol peut-être comparé à un filtre, à un système épurateur : en le traversant, la qualité des eaux se modifie et la fertilité naturelle des terres agricoles diminue en raison du ruissellement (Lecomte, Le Bissonnais, 1997 ; Ouvry, 1989). Pour maintenir la fertilité des sols, il faut avoir recours aux engrais chimiques qui seront entraînés à leur tour par la pluie : plus cette intervention est importante, plus il y a risque de contamination des chaînes alimentaires et donc de la santé humaine.

1. Méthodologie à développer

4C’est à l’échelle stationnelle de la parcelle expérimentale, qui permet de progresser dans la compréhension des mécanismes fondamentaux de dégradation de la qualité des sols et des eaux, que pourront être réalisées, de manière suivie, des mesures précises dans les conditions d’homogénéité maximum (sols/climats…). Ces mesures concernent les paramètres climatiques (par exemple l’intensité des pluies), l’évolution des caractéristiques physiques, hydriques et mécaniques du sol (l’humidité), l’évolution de l’état de surface, le ruissellement et les pertes en sédiments.

5Cependant, la station ne rend compte ni de la diversité du versant ou du bassin versant, ni de la diversité des situations. Ce niveau est donc nécessaire mais insuffisant : le nombre des stations et leur répartition doivent permettre une représentation de l’ensemble de l’unité de fonctionnement dont les relations sont étudiées à l’échelle du bassin versant. Ces deux démarches restent complémentaires et indissociables pour les interprétations des résultats, et pour les propositions d’aménagement et de gestion des espaces.

6Chacune de ces étapes demande un appareillage spécifique et approprié à la situation rencontrée. Une autre démarche utilise le Césium-137 qui résulte des explosions nucléaires : marqueur de la dégradation de l’environnement, il permet de mesurer le déplacement des flux liquides et solides au sein des bassins versants.

2. Objectifs à réaliser pour une meilleure compréhension du phénomène hydrique

7Il s’agit de :

  • prendre en compte des aspects socio-économiques et caractériser des périodes de seuils critiques sur le plan historique, en utilisant les modifications des paysages en relation avec les formes de l’utilisation de l’espace ;
  • établir une similitude entre les caractéristiques des paysages agraires et forestiers (géomorphologique, couverture pédologique, biogéographique, climatologique, parcellaire et occupation du sol) et les grands types de ruissellement observés, avec une mise en évidence de la logique de leurs répartitions ;
  • évaluer la façon dont les ruissellements superficiels et hypodermiques, les débits solides d’une part et la végétation d’autre part interagissent et interviennent sur les substrats, en créant de nouvelles conditions édaphiques et en modifiant les structures du sol et de sa fertilité ;
  • prendre des mesures qualitatives et quantitatives du ruissellement et de l’érosion, effectuées en permanence, en temps instantané et synchrone pour comparer et hiérarchiser l’évaluation des tranches d’ablation correspondantes, en fonction de l’utilisation du milieu (techniques et modes de culture) ;
  • mettre en évidence des techniques de culture et leur impact sur les ruissellements superficiels, hypodermiques et sur la formation des crues ;
  • suggérer des méthodes d’utilisation du sol pour limiter la dégradation des terres de grande culture et la qualité des eaux, et de faire des propositions pour le développement d’une agriculture durable ;
  • trouver des liens entre la qualité de l’environnement, les chaînes alimentaires et la santé humaine.

3. Recherches préconisées à différentes échelles spatiales

À l’échelle de la station de mesure

8Quels sont les seuils de déclenchement du ruissellement et de l’érosion ? Quels sont les mécanismes et leur fonctionnement ? Ces questions sont parfaitement bien étudiées et avec une grande précision à l’échelle des stations de mesure « type Wischmeier » (5 m x 20 m) choisies comme surface de test, et répondant à un critère de faisabilité : ce n’est qu’à cette échelle que peuvent être réalisées de manière suivie des mesures précises dans les conditions maximales d’homogénéité (sols / climats…). Elles portent sur les paramètres, tels que l’état de surface et la formation de ruissellement au cours de pluies peuvent être réellement envisagés, ce qui est essentiel pour la compréhension des mécanismes et la définition des protocoles de simulation en laboratoire. C’est à ce niveau de travail que l’on voit le rôle des différents couverts végétaux vis-à-vis des processus de déclenchement des ruissellements et d’érosion. Il a été démontré (Wicherek, 1988) que les ruissellements superficiels, hypodermiques, et l’érosion en climat tempéré de plaines et de collines, jouent un rôle capital existant partout et en toute saison (figure 1) (Coninck et al., 1991).

9Il a été mis également en évidence que la couverture végétale est la meilleure protection du sol contre l’érosion dans les quatre situations suivantes :

  • sous la pelouse à brachypode, à l’état naturel, non fauchée, de l’ordre de 0,03 % à 0,10 % (ruissellement), soit une érosion de 0, 05 t / ha / an ;
  • sous la pelouse fauchée (prairie), de l’ordre de 0,13 % maximum, 1,23 %, ce qui correspond à 0,11 t / ha / an ;
  • sous la forêt (pin sylvestre), 0,20 t / ha / an, matière organique comprise ;
  • sol nu, 29,6 t / ha / an (moyenne sur 10 ans), équivalent à 2,2 mm d’ablation par an, pour les 5 dernières années, la moyenne est d’environ 51,2 t / ha / an.

Figure 1.
Équipement de mesure des processus géomorphologiques (Versant sud-sud-ouest du Mont des Vaux, Cessières).

10Il apparaît que sous la forêt, l’ablation est environ 250 fois, et sous la pelouse 500 fois, moins rapide par rapport au sol nu. Ainsi la forêt n’est pas toujours la meilleure protection contre les déclenchements des ruissellements, c’est semble-t-il la pelouse qui est la meilleure protection du sol. On constate également une dégradation importante de la structure du sol dans sa fertilité. C’est à cette échelle de travail qu’il est possible avec une grande précision d’effectuer des mesures de splash (rejaillissement) et des transports éoliens (figure 2 ; Wicherek, 1991). Ces deux processus ont une influence non négligeable sur le bilan hydrique et l’érosion, particulièrement sur les sols limoneux et sablo-limoneux en climat tempéré. Leur action est très visible, en moyenne 4 % des terres érodées sur sols nus, ce qui correspond à 2 t / ha / an si l’intensité des pluies se situe entre 2 et 26 mm. En ce qui concerne le transport éolien, un vent efficace doit atteindre une vitesse minimum de 35 km/heure : il peut déplacer davantage de particules vers l’amont que ne le fait le splash, en particulier si les versants sont exposés au vent. À l’évidence, le splash dépend de l’intensité des précipitations et dépend du couvert végétal, et il favorise la formation du glaçage (Wicherek, 1989).

Figure 2.
Appareils de mesure du transport éolien et du splash et leur disposition sur la parcelle expérimentale de 100 m2.

À l’échelle du bassin versant ou complexe de bassin versant

11À l’aide de stations automatiques d’enregistrement. C’est à cette échelle que l’on peut suivre l’évolution du bilan hydrique et des formes d’érosion, déterminer la composition physico-chimique du ruissellement et du substrat érodé. Pour mesurer les flux transitant dans les bassins versants, un équipement automatisé est utilisé (figure 3).

12Les données des flux solides ainsi que liquides et les données climatiques et physiques du sol, enregistrées en temps instantané et synchrone, facilitent l’interprétation de ces paramètres qui sont en étroite corrélation avec le couvert végétal. Cela permet de déterminer les seuils et les causes générant le déclenchement du ruissellement sur les terres de grande culture (Wicherek, 1991). À cette échelle de travail, notre démarche permet de développer des études concrètes concernant l’influence de l’agriculture sur la qualité des eaux superficielles et des nappes phréatiques (Angéliaume, 1996 ; Wicherek, 1993). Depuis une quinzaine d’années, il n’est pas rare d’observer dans le Bassin parisien des quantités considérables de ruissellements et d’érosion. En moyenne 30 t / ha / an représentent 10 % du volume total du ruissellement observé sur les pentes faibles de 2 à 3 %, sur le substrat limoneux recouvrant la dalle de calcaire grossier avec une intensité d’averse minimum de 22 mm / heure. Ce type d’événement provoque des pollutions de l’eau, par exemple le taux de nitrates atteint 90 mmg / litre (la norme autorisée pour l’Union européenne est de 50 mmg / litre). Il faut noter également que cette importante masse d’eau est perdue pour l’alimentation des nappes phréatiques (Angéliaume, Wicherek, Dacharry, 1994).

Figure 3.
Principe de fonctionnement de la station de mesures.

13À l’aide d’un isotope : le Césium-137. À cette échelle, il est possible également d’appliquer d’autres techniques de recherche telles que l’utilisation du Cs-137 comme traceur de la dégradation de l’environnement et surtout comme marqueur du déplacement des eaux de ruissellement et des sols. Cette démarche complète parfaitement celle décrite ci-dessus et nous permet, en particulier, de travailler à différentes échelles spatiales (Wicherek, 1997). Le Cs-137 est un sous-produit des essais atomiques réalisés en haute atmosphère dans les années 1950 et 1960, et au-delà, il résulte de la fission de l’Uranium 235, de l’Uranium 238 et d’autres matières fissibles. Le Cs-137 est déposé par les précipitations et retenu à la surface terrestre par la fraction fine du sol. La quantité de Cs-137 présente dans le sol et susceptible d’être mobilisée dépend de nombreux facteurs géographiques :

  • les conditions climatiques. La quantité de Cs-137 transportée sur une distance donnée dépend de la circulation atmosphérique le jour de l’explosion, ainsi que du type de temps (pluie, temps sec…) ;
  • les facteurs topoclimatiques. Ils interviennent par le biais des pentes, de leur inclinaison, et de leur exposition par rapport aux précipitations ; le rôle du vent est non négligeable ;
  • le couvert végétal (y compris les cultures). Il joue également un rôle et arrête une partie du Cs-137, qui ainsi ne parvient pas au sol. Il est donc nécessaire de réaliser périodiquement les études sur des sols cultivés, autrement dit sur des sols à nu et des sols travaillés, des sites de références devant être choisis sous forêt ou sous couvert végétal permanent (par exemple, les pelouses) ;
  • l’état du sol. Celui-ci doit aussi être pris en compte, et notamment sa granulométrie ; à cet égard les sols limoneux et argilo-limoneux sont des pièges efficaces. En outre, de la plus ou moins grande perméabilité du sol va dépendre le stockage ou l’exportation plus ou moins efficace du Cs-137 ;
  • le travail du sol et notamment les labours. Contribua à retourner les horizons superficiels du sol où le Cs-137 est stocké ils imposent une correction destinée à faciliter l’interprétation des résultats.

14La quantité de Césium peut-être mesurée par la formule :

15PS = (Cse-Csn)/Csn) * CL,

16dans laquelle PS représente la perte en sol (t ha-1), Csn l’activité spécifique en Cs-137 du sol d’un site non érodé (Bq m-2) et CL le poids de la couche de labour (t ha-1). Cette méthode, peu coûteuse, nous donne un résultat rapide de la répartition et du volume des flux liquides et solides déplacés au sein des bassins versants. Par conséquent, la connaissance de la zone de départ et de celle du dépôt facilite la réalisation d’une typologie et d’une cartographie des risques (Wicherek, Bernard, 1995). Cette méthode, jointe à celle des enregistrements automatisés installés à la sortie des bassins versants précédemment décrite, dresse parfaitement le bilan des ruissellements et de l’érosion au niveau des unités spatiales données. C’est également un bon outil pour évaluer la contamination des milieux.

17À l’aide des biomarqueurs. À partir des résultats obtenus à l’échelle des bassins versants, il est recommandé de faire une analyse multimétrique à l’aide d’un système d’information géographique (SIG) qui intègre également d’autres paramètres (données physiques permanentes, occupation des sols, parcellaires, traitements phytosanitaires) pour aider à aborder le problème à plus grande échelle (commune, région, pays…). De plus, c’est le départ d’études utilisant des biomarqueurs pour déterminer la qualité des milieux, en particulier de l’eau, et leurs liens directs avec la qualité des chaînes alimentaires, et finalement de la santé humaine (figure 4 ; Wicherek, Oudinet, 1997).

4. Coût de l’équipement de mesures

Parcelles d’érosion type Wishmeier (5 m x 20 m)

18Matériel : 650 euros

19Pluviomètre : 80 euros

20Température mini-maxi : 80 euros

21Travail : 2 ou 3 jours d’installation pour 2 techniciens (relevés manuels)

Stations d’enregistrement automatique en temps synchrone et instantané à la sortie de bassin versant de taille indifférente

22Mesures d’écoulements forcés dans un exutoire en forme de V

23Matériel : 500 euros

24Sonde à pression et à ultrasons : 900 euros

25Travail : 1 semaine pour 2 techniciens

26Préleveurs de débits

27Matériel d’enregistrement : 3 300 euros

28Stations complètes de mesures de différents paramètres climatiques et physiques du sol

29Matériel d’enregistrement : 2 500 euros

30Différents capteurs

31Sonde pluviométrique, à température, à humidité : 1 600 euros

32L’abri de protection complet

33Matériel : 300 à 400 euros (ou il peut être fabriqué par ses propres moyens).

Figure 4.
Analyses paramétriques à l'aide d'un SIG.

Cesium - 137

34L’équipement complet de mesure de la radioactivité dans les sols coûte à peu près : 45 000 euros. En revanche, si l’on ne peut pas faire l’investissement, l’analyse d’un seul échantillon peut coûter250 euros, d’où l’intérêt d’acheter ce type d’équipement, vite amorti, dans le cas des institutions de recherche et territoriales qui en auront de multiples usages.

Biomarqueurs

35Cette étude demande un investissement lourd, car il concerne la technologie complexe de la biologie moléculaire. L’équipement du laboratoire peut atteindre 200 à 300 000 euros.

36Cette démarche méthodologique et technique, partant de mesures classiques quantitatives, aboutit à des mesures qualitatives. Les difficultés rencontrées augmentent considérablement le prix des recherches, mais les résultats obtenus peuvent apporter une réponse concrète aux questions socio-économiques posées. C’est en fonction de la complexité de ces recherches que l’on choisit les équipements adéquats proposés ici, mais la meilleure solution serait de combiner les différentes méthodes décrites. En effet, les techniques sont en constante évolution, particulièrement depuis ces dix dernières années et nous y participons très activement en souhaitant voir s’amplifier encore les progrès, car ils permettent de mieux comprendre l’impact de l’activité humaine sur la qualité de l’environnement. De plus, tous ces appareillages de mesure peuvent être utilisés dans des situations variées et sous différents climats.

Notes de fin

* Je remercie Madame Marie-Odile Boissier pour sa collaboration.

Table des illustrations

Légende Tableau 1.Demande mondiale en eau (km3/an) selon les usages.
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Légende Figure 1.Équipement de mesure des processus géomorphologiques (Versant sud-sud-ouest du Mont des Vaux, Cessières).
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Légende Figure 2.Appareils de mesure du transport éolien et du splash et leur disposition sur la parcelle expérimentale de 100 m2.
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Légende Figure 3.Principe de fonctionnement de la station de mesures.
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Légende Figure 4.Analyses paramétriques à l'aide d'un SIG.
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Auteur

École normale supérieure Lettres et sciences humaines, UMR 8505 BIOGEO - CNRS/ENS-LSH, France

© ENS Éditions, 2003

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