PhD Thesis
Defended on 15-Dec-2009
Title: Nitrate transfer modelling in agricultural catchment of Gascogne region in South West France.
The dissertation can be downloaded here (in french).
Commitee:
Florentina MOATAR (uni Orléans, pdte)
Eric JUSTES (INRA, examinateur)
Thierry LAMAZE (uni Toulouse, examinateur.)
Ramiro NEVES (uni Lisbao, reviewer)
Gilles BILLEN (CNRS, reviewer)
Jean-Luc PROBST (CNRS ,dir.ecteur)
Josè-Miguel SANCHEZ-PEREZ (CNRS, directeur)
Patrick DURAND (INRA, directeur)
Thierry DELTHEIL (AKKA Tech., invited)
Is the nitrate concentration variability monitored accurately? What are the effect of climate variability and agricultural practice changes on the nitrate contamination ?
Title: Nitrate transfer modelling in agricultural catchment of Gascogne region in South West France.
The dissertation can be downloaded here (in french).
Commitee:
Florentina MOATAR (uni Orléans, pdte)
Eric JUSTES (INRA, examinateur)
Thierry LAMAZE (uni Toulouse, examinateur.)
Ramiro NEVES (uni Lisbao, reviewer)
Gilles BILLEN (CNRS, reviewer)
Jean-Luc PROBST (CNRS ,dir.ecteur)
Josè-Miguel SANCHEZ-PEREZ (CNRS, directeur)
Patrick DURAND (INRA, directeur)
Thierry DELTHEIL (AKKA Tech., invited)
Is the nitrate concentration variability monitored accurately? What are the effect of climate variability and agricultural practice changes on the nitrate contamination ?
Abstract
The present work aimed assessing nitrogen transfer and transformation in the stream of an agricultural catchment of Gascogne region, in order to evaluate agricultural practice changes designed for decrease nitrate river contamination. A continuous in situ sampling protocol was implemented at the outlet of the small agricultural catchment in Auradé (3.3 km2 in Gers district, South-West of France) to measure the fine temporal variation of nitrate concentrations. Infra-daily high variations of concentrations have been observed during flood events. The high concentrations explain a significant part of annual nitrogen loads during these hydrological events. The spatially, physically based modelling approach of the Auradé catchment has then been used to evaluate water and nitrogen balance at the small catchment scale. Two catchment models have been chosen : TNT2, which is fully distributed and developed for small catchment with shallow groundwater, and SWAT, semi-distributed and developed for larger catchment. The use of both models allow to :
– show that both of them failed to simulate accurately the daily nitrogen losses intensity in river observed during flood events, even if modelling approach of SWAT is more adapted to simulate processes involved
– simulate a same global water and nitrogen balance with opposing simulated processes
– understand the importance of a good representation of the mineralisation and denitrification in the N cycle at the agricultural catchment scale.
TNT2 has been evaluated to be more suitable to simulate agricultural changes already implemented or designed to reduce nitrate contamination in Auradé Catchment. Results of this virtual experimentation show that agricultural changes already implemented would have decreased for 16% the annual nitrogen losses, and that if catch crop had been implemented, nitrogen losses would have decrease of 18% more. SWAT has been calibrated at the larger scale of the Save catchment of 1110km2 which include Auradé catchment. The global parametrisation has been modified for the agro-pedological context of Auradé catchment, context area which represent 25% of the total Save catchment area. Major hydrological parameters calibrated on Auradé catchment have been used to calibrate this area. The increase of discharge prediction quality is significant and show the contribution of these areas to daily discharge at the Save catchment outlet during some rainfall events. Predictions of water and nitrogen concentration may be improved in taking land cover spatialization into account.
– show that both of them failed to simulate accurately the daily nitrogen losses intensity in river observed during flood events, even if modelling approach of SWAT is more adapted to simulate processes involved
– simulate a same global water and nitrogen balance with opposing simulated processes
– understand the importance of a good representation of the mineralisation and denitrification in the N cycle at the agricultural catchment scale.
TNT2 has been evaluated to be more suitable to simulate agricultural changes already implemented or designed to reduce nitrate contamination in Auradé Catchment. Results of this virtual experimentation show that agricultural changes already implemented would have decreased for 16% the annual nitrogen losses, and that if catch crop had been implemented, nitrogen losses would have decrease of 18% more. SWAT has been calibrated at the larger scale of the Save catchment of 1110km2 which include Auradé catchment. The global parametrisation has been modified for the agro-pedological context of Auradé catchment, context area which represent 25% of the total Save catchment area. Major hydrological parameters calibrated on Auradé catchment have been used to calibrate this area. The increase of discharge prediction quality is significant and show the contribution of these areas to daily discharge at the Save catchment outlet during some rainfall events. Predictions of water and nitrogen concentration may be improved in taking land cover spatialization into account.
Résumé
L'objectif de ce travail a été de comprendre et quantifier les transferts d’azote agricoles dans les rivières des bassins versants Gascons, afin d’évaluer l’efficacité de scénarii agricoles sur la teneur en azote nitrique des rivières. Un protocole de mesure en continu dans le petit bassin versant agricole d’Auradé (Gers, Sud-Ouest de la France) de 3.3km2 a été mis en place pour mesurer la variabilité de la teneur en nitrate. Les variations infra-journalières des concentrations lors d’évènements de crue sont fortes, les flux correspondant sont importants à l’échelle annuelle. L’approche de modélisation à base physique du bassin versant d’auradé a ensuite été envisagée pour calculer les bilans hydriques et agronomiques de ce type de bassin. Deux modèles de bassin versant ont été choisis : TNT2, entièrement distribué, adapté aux petits bassins versants à nappe superficielle, SWAT, semi distribué, développé pour de plus larges bassins versants. Leur utilisation a permis de :
– montrer qu’aucun n’est capable de prédire l’intensité journalière des flux d’azote nitrique observée dans la rivière en période de crue, même si l’approche de SWAT est mieux adaptée pour simuler les transferts rapides
– simuler un bilan d’eau et d’azote proche pour les deux modèles mais avec des processus simulés opposés
– montrer l’importance de la simulation de la dénitrification et de la minéralisation pour conclure sur la capacité des modèles à reproduire la réalité.
TNT2 a été jugé plus adapté pour simuler des scénarios agricoles imaginés ou déjà implantés sur le bassin versant d’Auradé. Les résultats de simulation montrent que les mesures agro-environnementales implantées auraient eu une efficacité de 16% de diminution des flux d’azote nitrique annuels à l’exutoire, à laquelle s’ajouterait encore 18% de diminution en cas d’implantation de Culture Intermédiaire de Piège à Nitrate. Le paramétrage global de SWAT sur la Save, bassin versant de 1110km2 contenant le bassin d’Auradé, a ensuite été modifié pour le contexte agro-pédologique d’Auradé, représentant 25% de la surface du bassin de la Save. Les paramètres hydrologiques majeurs calibrés sur le bassin d’Auradé sont transposés sur cette surface. L’amélioration des prédictions à l’exutoire de la Save est significative, et montre la contribution importante de ces zones aux débits à l’exutoire de la Save lors de certains évènements pluvieux. Une meilleure prise en compte de l’occupation du sol est à envisager pour améliorer ces prédictions.
– montrer qu’aucun n’est capable de prédire l’intensité journalière des flux d’azote nitrique observée dans la rivière en période de crue, même si l’approche de SWAT est mieux adaptée pour simuler les transferts rapides
– simuler un bilan d’eau et d’azote proche pour les deux modèles mais avec des processus simulés opposés
– montrer l’importance de la simulation de la dénitrification et de la minéralisation pour conclure sur la capacité des modèles à reproduire la réalité.
TNT2 a été jugé plus adapté pour simuler des scénarios agricoles imaginés ou déjà implantés sur le bassin versant d’Auradé. Les résultats de simulation montrent que les mesures agro-environnementales implantées auraient eu une efficacité de 16% de diminution des flux d’azote nitrique annuels à l’exutoire, à laquelle s’ajouterait encore 18% de diminution en cas d’implantation de Culture Intermédiaire de Piège à Nitrate. Le paramétrage global de SWAT sur la Save, bassin versant de 1110km2 contenant le bassin d’Auradé, a ensuite été modifié pour le contexte agro-pédologique d’Auradé, représentant 25% de la surface du bassin de la Save. Les paramètres hydrologiques majeurs calibrés sur le bassin d’Auradé sont transposés sur cette surface. L’amélioration des prédictions à l’exutoire de la Save est significative, et montre la contribution importante de ces zones aux débits à l’exutoire de la Save lors de certains évènements pluvieux. Une meilleure prise en compte de l’occupation du sol est à envisager pour améliorer ces prédictions.