Mécanismes de genèse du ruissellement sur sol agricole drainé sensible à la battance. Etudes expérimentales et modélisation

This study aims at describing and organizing into a hierarchy the processes leading to surface runoff on artificially subsurface drained area, by considering not only the perched water table fluctuations, but also the possible soil surface sealing. Three complementary research issues have been developed.First, the evolution of the tilled layer structure during rainfall in the presence of a shallow water table was observed using laboratory rainfall simulation. Bulk density profiles measured by X-ray radiography show that the increase of bulk density due to sealing and slumping are more significant in the wettest conditions. The proposed bulk density evolution model correctly reproduces this effect.Second, seal hydraulic properties were determined from a model based on bulk density profiles using other simulated rainfall experiments. The estimation of model parameters by inverse method led to an accurate simulation of the measured flows and water pressures, and conformed to the measured bulk density profiles. Hydraulic conductivity greatly decreases at the soil surface due to sealing process.The third issue was based on a drained field investigation in Mélarchez watershed (Seine et Marne) associated to flow modelling (Hydrus 2D). Data recorded in winter 2003-2004 show that drainage limits surface runoff amount. Saturation excess runoff is the most frequent observed process, even if soil sealing, especially due to saturation excess surface runoff, increases runoff amount. Other rainfall conditions were tested using Hydrus 2D. The condition of water table reaching soil surface was particularly analysed in terms of infiltration-runoff flows and return time of the corresponding rainfalls.L'objectif de cette thèse est de décrire et de hiérarchiser les processus à l'origine du ruissellement sur les parcelles artificiellement drainées, en prenant en compte non seulement les fluctuations de la nappe superficielle, mais aussi la dégradation éventuelle de la structure du sol en surface. A cet effet, trois axes complémentaires de recherche ont été développés. Le premier axe est consacré à l'étude de l'évolution de la structure de l'horizon travaillé du sol au cours d'une pluie en présence de nappe superficielle, grâce à des simulations de pluie en laboratoire. Les profils de masse volumique mesurés par radiographie aux rayons X indiquent que l'effondrement et le changement de masse volumique lié à la croûte de battance sont plus marqués en conditions initiales très humides. Le modèle proposé d'évolution de la masse volumique avec la profondeur et au cours de la pluie, reproduit correctement cet effet.Le deuxième axe a pour objectif de déterminer les propriétés hydrodynamiques de la croûte de battance à partir de données issues de nouvelles simulations de pluie associées à un modèle s'appuyant sur la distribution de la masse volumique du sol avec la profondeur. Les paramètres de ce modèle, estimés par méthode inverse, sont comparables aux mesures de masse volumique effectuées par rayons X, et permettent de correctement reproduire le comportement hydraulique du système, confirmant la forte baisse de la conductivité hydraulique en surface due à la croûte de battance.Enfin, le troisième axe s'appuie sur le suivi expérimental d'une parcelle agricole drainée du bassin versant de Mélarchez (Seine et Marne) associé à une modélisation (logiciel HYDRUS 2D). Les observations durant l'hiver 2003-2004 confirment que le ruissellement est globalement limité en raison de la présence du drainage. L'affleurement de la nappe reste le facteur prédominant à l'origine du ruissellement, même si la croûte de battance, créée notamment par ce premier type de ruissellement, est susceptible d'augmenter les quantités ruisselées. La modélisation permet d'étudier le comportement du système sous d'autres conditions pluviométriques. En particulier, les périodes de retour des pluies conduisant à l'affleurement de la nappe et les conditions d'écoulement lors de ces affleurements sont analysées