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Le système sol-eau

Mise à jour le 15/05/2008
Par Josée Broussaud

Le sol et l'eau du sol jouent un rôle important dans notre système agricole.
Une partie de l'eau des précipitations ruisselle et une partie penetre dans le sol et s'accumule dans les pores vides.
Une grande partie de l'eau du sol est utilisée par les plantes ou s'évapore (évapotranspiration) le reste rejoint les eaux souterraines plus profondes

  

  1. Le modèle
  2. Les flux
  3. Les équations
  4. Applications pédagogiques
  • Les variations saisonnières :
    • Bourges
    • Quebec

 


 Le modèle

Le modèle est relativement simple, c'est un système ouvert avec seulement deux réservoirs et cinq flux. Il pourra donc en fonction du temps disponible,soit être construit par des élèves, soit utilisé directement avec le visualiseur Vensim

Valeurs initiales à l'équilibre

modeles.jpg

modele2.jpg


 

  • Les unités dans les réservoirs sont en cm d'eau. Cela peut paraître étrange un réservoir d'eau qui ne contient pas un volume. Mais cette approche est plus simple et les valeurs numériques sont les même que si nous avions maintenu des volumes d'eau entrant ou sortant d'un champ ayant une surface de 1 m2 ou d' 1 km2. D'autre part les données mesurées relatives à la dynamique de ce système sont généralement présentées en cm par unité de temps.
  • Ce modèle permet d'explorer la dynamique sur une échelle annuelle.
  • L'unité de temps pour ce modèle sera le mois et les flux seront en cm par mois.

 

 Les flux

  •   Précipitation

la pluviométrie consiste à mesurer une hauteur de précipitations pendant un intervalle de temps. Dans le modèle on donne des valeurs mensuelles pendant un an. Cela implique fondamentalement que les précipitations sont régulières et continues et ne peut tenir compte des pluies diluviennes ou des orages.

Le graphique dépend du climat local.

  • Runoff ou ruissellement

L'intensité du ruissellement dépend des conditions climatiques, topographiques, pédologiques et de la végétation.

Quand le sol est gelé et que les précipitations sont sous forme de neige le ruissellement = 0 (on ne tient pas compte de la sublimation qi est très faible)

Il faut donc tenir compte de la température de surface du sol qui est proche de la température de l'air .

  • Infiltration

L'infiltration comme le runoff dépend de la température du sol car si le sol est gelé l'eau ne peut s'infiltrer. A l'équilibre la somme des apports doit-être = à la somme des sorties.

L'infiltration dépend du type de sol.

  • Evapotranspiration

Une partie de l'eau qui pénètre dans le sol s'évapore dans l'atmosphère soit directement soit par l'intermédiaire des plantes: l'ensemble de ces pertes en eau constitue l'évapo-transpiration. 

L'évapotranspiration réelle ou actuelle correspond à la perte en eau d'un sol quand l'eau vient à manquer.
L’évapotranspiration potentielle désigne la valeur maximum pouvant être atteinte s'il y a de l'eau en quantité suffisante.

  • Percolation

l'eau descend sous l'action de la pesanteurLe taux de percolation dépend fortement du type de sol, les sols sableux s'écoulent plus rapidement que les sols argileux

 

Equations

 

RESERVOIRS

INIT eau du sol = 15

INIT eau de surface = 2

FLUX

Runoff = si(Temp de surface>0) alors Surface_layer*k_Runoff else 0

Infiltration = si (Temp de surface>0) et (Temp du sol>0) alors F_Infil else 0

Evapotrans = si(Temp du sol>0) et (temp de surface>0) alors Evapotranspiration actuelle else 0

Percolation = si(Temp du sol>0) alors eau du sol*k_Perc else 0


CONVERTISSEURS

Evapotranspiration actual =si (eau du sol>Evapotranspiration potential) alors Evapotranspiration potential ELSE eau du sol*.9

k_Runoff = 0.9

Temp du sol = 0.9*DELAY(Surface_Temp,.5)

GRAPHIQUES

Precipitation = GRAPH(time)

(1.00, 5.00), (2.00, 5.00), (3.00, 5.00), (4.00, 5.00), (5.00, 5.00), (6.00, 5.00), (7.00, 5.00), (8.00, 5.00), (9.00, 5.00), (10.0, 5.00), (11.0, 5.00), (12.0, 5.00)

Evapotrans_Potential = GRAPH(time)

(1.00, 0.2), (2.00, 0.2), (3.00, 0.2), (4.00, 0.2), (5.00, 0.2), (6.00, 0.2), (7.00, 0.2), (8.00, 0.2), (9.00, 0.2), (10.0, 0.2), (11.0, 0.2), (12.0, 0.2)

F_Infil = GRAPH(Soil_Water)

(0.00, 30.0), (1.67, 30.0), (3.33, 30.0), (5.00, 29.8), (6.67, 29.2), (8.33, 27.8), (10.0, 25.2), (11.7, 21.5), (13.3, 14.5), (15.0, 3.20), (16.7, 3.20), (18.3, 3.20), (20.0, 3.20)

k_Perc = GRAPH(Soil_Water)

(0.00, 0.00), (1.67, 0.001), (3.33, 0.004), (5.00, 0.011), (6.67, 0.027), (8.33, 0.05), (10.0, 0.09), (11.7, 0.161), (13.3, 0.188), (15.0, 0.2), (16.7, 0.2), (18.3, 0.2), (20.0, 0.2)

Surface_Temp = GRAPH(time)

(1.00, 5.00), (2.00, 5.00), (3.00, 5.00), (4.00, 5.00), (5.00, 5.00), (6.00, 5.00), (7.00, 5.00), (8.00, 5.00), (9.00, 5.00), (10.0, 5.00), (11.0, 5.00), (12.0, 5.00)

 

 Applications pédagogiques:

  1. Etudier les variations saisonnières

par exemple les précipitations. et faire une prévision détaillée sur la façon dont les différents réservoirs et les différents flux vont changer au cours de l'année avant de faire tourner le modèle.

L’Institut royal météorologique (IRM) est un institut scientifique belge qui met à disposition des climatogrammes

 bourges.png 

Utiliser ces données pour modifier la courbe des précipitations dans le modèle. Attention elles sont données en mm, il faut les mettre en cm.

  • Ouvrir le modèle
  • Vérifier qu'il est bien à l'équilibre en le faisant tourner
courir.jpg
  • Cliquer sur "équations"

equation.jpg

  • Puis sur le flux précipitations avec le bouton droit et sur le bouton As Graph
asgraph.JPG

 

Une fenêtre s'ouvre avec un tableau et un graphique, il est possible de le modifier.

graph.jpg

Faire tourner le modèle.

Regarder les réservoirs et les flux.

Les résultats correspondent-ils à ce que vous attendiez ?

De la même manière, modifiez la courbe de température, mais en ayant auparavent remis les précipitations à la valeur constante de 5cm/mois.

Télécharger le modèle système sol eau réalisé avec le climatogramme de  Bourges

Choisir maintenant un climat plus contrasté par exemple Quebec (Canada). et refaire les mêmes manipulations.

quebec.png

Télécharger le modèle système sol eau réalisé avec le climatogramme de Quebec.

Penser que lorsque les températures sont négatives, la neige s'accumule à la surface du sol.

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