Notion Fondamentale D'rrigation PDF [PDF]

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ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE

Section Sciences et Ingénierie de l'Environnement

Cours: « Aménagements et équipements du territoire »

Notions fondamentales d'irrigation

Copie des transparents

Prof. A. Mermoud

Mars 2006

Sommaire 1.

2.

Généralités •

Définition

•

Principales techniques d'irrigation

•

Importance de l'irrigation

•

Efficience de l'irrigation

Besoins en eau des cultures •

Besoins en eau totaux

•

Estimation des prélèvements d'eau 9 Notion d'évapotranspiration de référence 9 Notion d'évapotranspiration maximale

•

Calcul des besoins nets en eau d'irrigation

•

Prédiction des besoins en eau d'irrigation

3.

Qualité de l'eau d'irrigation

4.

Etudes préalables à la conception d'un réseau d'irrigation

5.

Impacts des réseaux d'irrigation

Irrigation

Apport artificiel d'eau aux cultures, en complément aux précipitations naturelles; l'objectif est de créer des conditions favorables de production, tant au point de vue quantitatif que qualitatif.

-

Irrigation fondamentale Irrigation de complément

Principales techniques d'irrigation

Irrigation gravitaire L'eau est acheminée par un réseau de canaux et répartie sur les parcelles sous l'effet des forces de gravité occasionnées par la pente des ouvrages et du sol.

Irrigation par aspersion L'eau est mise sous pression et pulvérisée sur les cultures d'une façon analogue à la pluie au moyens d'appareils appropriés.

Irrigation localisée ou microirrigation L'apport d'eau, à faible débit et à intervalles fréquents, est limité aux zones occupées par les racines des végétaux; le système "goutte à goutte" est le plus utilisé.

University of Arizona. Credit: J.C. Palumbo

Freshwater use in 2000

69%

:

agriculture*

21%

:

industry

10%

:

domestic

10%

69%

21%

* Asia: 82%; USA: 40%; Europe: 30%

Surfaces irriguées (million d’ha)

Pays ou région

Inde Chine USA Pakistan Moyen Orient & Afrique du Nord Afrique Sub-Saharienne Amérique latine Autres Total

57 50 21 17 19 5 14 87 270

Distribution régionale des zones irriguées

300

Surfaces irriguées Mha

250

200

150

100

50

0 1750

1800

1850

1900

1950

2000

2050

Année

Evolution des surfaces irriguées dans le monde

Source ICID 2000

Interest of irrigation Of the roughly 1.5 billion ha in cropland worldwide, 17%, namely about 270 million hectares are irrigated.

The irrigated land accounts for more than 40% of the global harvest. Irrigated crops are about 3.5 times more productive than non-irrigated crops.

Faits ƒ

L'agriculture (irrigation pour l'essentiel) consomme environ 70 % de l'eau douce mobilisée dans le monde

ƒ

Population mondiale : 80 à 85 millions d'individus de plus chaque année, essentiellement en zones arides et semi-arides

ƒ

L'indispensable accroissement de production alimentaire passera principalement par l'irrigation.

Î

Nécessité d'améliorer l'efficience de l'irrigation,

d'utiliser des eaux

de

moindre qualité et de mettre en oeuvre des techniques efficaces de conservation de l'eau.

Global efficiency =

quantity of water used by plants total quantity from supply

Large losses occur in conveyance and distribution systems, faulty or old equipment and poorly designed, maintained or managed irrigation systems.

Causes:

• • •

Poor management of irrigation water Inappropriate infrastructures Inadequate operation and maintenance, bad institutional organization, lack of training of the farmers

Overall efficiency of irrigation water use worldwide: less than 40 % !!!!

Irrigation gravitaire Efficience: 20 à 60%

Irrigation par aspersion Efficience: 65 à 85%

Micro-Irrigation Efficience: 85 à 95%

Détermination des besoins en eau des végétaux

Pourquoi déterminer la valeur des besoins en eau des végétaux?

-

gestion des réseaux d'irrigation: prévision à court terme

-

planification de l'utilisation des ressources hydraulique : volume d'eau nécessaire pour l'irrigation, surfaces irrigables au vu des ressources, etc.

-

conception des réseaux d'irrigation: calcul du débit de dimensionnement des ouvrages (prédiction)

Les sols cultivés consomment des quantités d'eau considérables sous forme de: -

Évaporation directe

-

Prélèvement par les plantes eau de constitution (négligeable) eau de transpiration

Consommation totale

=

évapotranspiration ET

Coton

5000 - 25000

Riz

2000 - 5000

Canne à sucre

1000 - 3000

Céréales (blé, maïs, etc.)

500 - 2000

Pommes de terre

100 - 500

Quantité d'eau moyenne (en litre) nécessaire pour produire un kg

@www.loupic.com

L'évapotranspiration ET représente la somme des volumes d'eau enlevés au sol pendant un temps donné et sur une surface déterminée par: • les plantes • l'évaporation directe du sol ET en m3/m2 pour une période donnée (mm/j, mm/mois, etc.)

ET = f

-

climat végétal sol

Besoins en eau des cultures Une partie des besoins peut être satisfaite par les précipitations ou de l’eau initialement stockée dans le sol. Le calcul des besoins en eau d'irrigation repose sur un bilan hydrique.

Calcul des besoins en eau d'irrigation

Basé sur un bilan hydrique dans la zone racinaire et sur une période donnée (jour, décade, mois). On compare la quantité d'eau disponible naturellement pour les végétaux et les prélèvements de ces mêmes végétaux placés dans des conditions optimales d'approvisionnement en eau.

Eau disponible: - fraction des précipitations stockées dans la zone racinaire: Pe (pluie efficace) - éventuelle réserve R

Prélèvements:

- évapotranspiration max. ETM

Besoins nets Bn : Bn = ETM - Pe - R

Estimation des prélèvements Face à la multiplicité des

paramètres

susceptibles d'influencer l'évapotranspiration, des concepts plus simples ont été introduits pour estimer les prélèvements d'eau par les plantes et l’évaporation dans la zone radiculaire:

- évapotranspiration de référence

- évapotranspiration maximale

Notion d'évapotranspiration de référence ETo Définition L‘ ETo représente la quantité maximale d'eau consommée par une culture de référence (gazon) couvrant totalement le sol et présentant une hauteur uniforme de quelques centimètres, dans la double hypothèse:

• stade de développement végétatif maximal • sol suffisamment pourvu en eau (capacité de rétention)

Calcul de ET0 • • • • • • • • •

Formule de Formule de Formule de Formule de Formule de Formule de Formule de Formule de Formule de

Blaney Criddle Thornthwaite Turc Penman Bouchet Doorenbos et Pruitt Brochet-Gerbier Priestley-Taylor Penman-Monteith, etc.

ETo dépend essentiellement de facteurs climatiques.

Exemples de formules de calcul de ETo

Formule de Blaney-Criddle ETo = ( 8.13 + 0.46 t ) p ETo t p

: évapotranspiration de référence, en mm/mois : température moyenne mensuelle, en oC : pourcentage d’éclairement, f (latitude)

Formule de Turc ETo = 0.4 ( R s + 50 ) Rs

t t + 15

radiation globale, en cal/cm2 j

:

Si Rs n’est pas connu:

n⎞ ⎛ R s = R a ⎜ 0.18 + 0.62 ⎟ N⎠ ⎝ Ra N n Ra et N

: : : :

rayonnement extra-terrestre, en cal/cm2 j durée astronomique possible d’insolation (h/mois) durée d’insolation effective (h/mois) fonction de la latitude du lieu uniquement

Formule de Penman ETo =

⎛ ∆ ∆ ⎞ ( Rn − G ) + ⎜ 1 − ( e − ea ) f ( U2 ) ∆+γ ∆ + γ ⎟⎠ s ⎝

ET0 : évapotranspiration de référence (mm.j-1)

∆

: pente de la courbe de pression de vapeur, à la température moyenne de l’air (mbar.oC-1)

Rn

: rayonnement net, exprimé en évaporation équivalente (mm.j-1)

G

: flux de chaleur dans le sol (mm.j-1); souvent négligé

γ

: constante psychrométrique (0.66 mbar.oC-1)

es

: pression de vapeur saturante à la température moyenne de l'air (mbar)

ea

: pression de vapeur dans l'air, à 2 m de hauteur (mbar)

Pour une zone cultivée, dans nos régions: f (U2) = 0.26 (1 + 0.54 U2) U2

: vitesse moyenne du vent à 2 m de hauteur (m.s-1)

Données nécessaires: -

Rayonnement net Température de l'air Pression de vapeur Vitesse du vent

Evapotranspiration maximale ETM L'évapotranspiration réelle dépend de nombreux facteurs (type de culture, stade végétatif, état sanitaire, disponibilités en eau, fertilité du sol, etc.). En matière d'irrigation, on cherche à placer les plantes dans des conditions de production optimales et on base l'irrigation sur la valeur de l'évapotranspiration maximale ETM.

L'ETM caractérise l'évapotranspiration d'une culture

donnée,

à

différents

stades

de

croissance, lorsque: • l’eau n’est pas un facteur limitant • les conditions agronomiques sont optimales (bonne fertilité du sol, apports d'engrais suffisants, bon état sanitaire, etc.)

ETM = K c ETo

Coefficient cultural Kc

Cultures

Amplitude totale

Période de pointe

Céréales(blé, avoine, orge, maïs, mil, sorgho)

0.2

- 1.2

1.05

-

1.2

Luzerne, trèfle, fourrage

0.3

- 1.25

1.05

-

1.25

Riz

0.95 - 1.35

1.05

-

1.35

Coton

0.2

- 1.25

1.05

-

1.25

Betteraves à sucre

0.2

- 1.2

1.05

-

1.2

Carottes, céleris, pommes de terre

0.2

- 1.15

1.0

-

1.15

Melons, épinards

0.2

- 1.05

0.55

-

1.05

Oignons, crucifères

0.2

- 1.1

0.95

-

1.1

Tomates

0.2

- 1.25

1.05

-

1.25

Variation de Kc durant le cycle végétatif

Calcul des besoins en eau nets Bn

Bn = ETM − Pe − R

ETM :

évapotranspiration maximale

Pe

:

pluie efficace

R

:

réserve disponible au début de la période de calcul

ou:

Bn = Kc ETo − α P − R Kc

:

coefficient cultural

ETo :

évapotranspiration de référence

α

:

coefficient d'abattement des pluies

P

:

pluie totale

Procédure de prédiction des besoins en eau d'irrigation

-

sur la base d'une chronique de données historiques (acquises dans le passé), on calcule les besoins qui se sont manifestés dans le passé

-

la série de valeurs des besoins passés (échantillon statistique) est utilisée pour prédéterminer les besoins futurs

-

on rattache donc cet échantillon à une loi statistique appropriée qui renseigne sur toutes les valeurs possibles des besoins avec une certaine probabilité d'occurrence

-

on détermine la valeur des besoins correspondant à une fréquence ou à un temps de retour donné (analyse fréquentielle)

Analyse fréquentielle Méthode statistique consistant à étudier les événements passés caractéristiques d’un processus donné afin d’en définir les probabilités d’apparition future.

La prédiction1 repose sur la définition et la mise en œuvre d’un modèle fréquentiel.

Le modèle fréquentiel consiste en une fonction qui décrit le comportement statistique du processus étudié. Il permet de déterminer la probabilité d’apparition d’un événement donné2.

1

2

utilisée pour le dimensionnement des ouvrages ou la planification d’aménagements. supérieur ou inférieur à une valeur spécifiée ou encore compris entre 2 valeurs quelconques.

Temps de retour T

Intervalle de temps durant lequel la valeur de l’événement considéré est atteinte ou dépassée une fois, en moyenne, sur une très longue durée:

T=

1 1 = p(x) 1 − F(x)

p(x) : fréquence de dépassement F(x) : fréquence de non dépassement

Bn = Kc ETo − α P − R

Calculs des besoins en eau en vue d'une analyse fréquentielle

Graphique Quantiles - Quantiles (quantiles observés - quantiles théoriques) 180 160

Mai

Bn

140

Juin

120

Juillet

100

Août

80

Linéaire (Juillet)

60

Linéaire (Juin) Linéaire (Août )

40

Linéaire (Mai)

20 0 -2.5

-1.5

-0.5

0.5

1.5

2.5

F-1

Exemple d'ajustement des besoins nets mensuels à une loi normale

Qualité de l’eau d’irrigation

Qualité physique • teneur en sédiments et débris végétaux • température • pH, etc.

Qualité chimique • concentration en substances dissoutes (CE, SAR) • ions toxiques à forte concentration (B, Cl, Na, HCO3, etc.) • substances susceptibles de précipiter (carbonates, oxydes de Fe et Mn, sulfures, etc.)

Qualité bactériologique • algues, bactéries, champignons, spores, etc.

Effets d’une présence excédentaire de sels dissous dans la solution de sol

• accroissement de la pression osmotique qui rend l’eau plus difficilement mobilisable par les plantes

• toxicité de certains ions pour les végétaux (B, Cl, Na, etc.)

• dégradation du sol (modifications de l’état structural, diminution de la conductivité hydraulique, etc.)

Les eaux peuvent être classées sur la base de leur seule concentration:

• eaux douces

< 0.5 g/l

• eaux salines

de 0.5 à 1 g/l

• eaux très salines

de 1 à 3 g/l

• eaux saumâtres

> 3 g/l

Causes principales de salinisation

•

utilisation d’une eau

d’irrigation de

qualité médiocre et lessivage naturel insuffisant

•

remontée de nappe souterraine et salinisation par ascension capillaire

Exemple d'apport de sel par irrigation: • Besoins en eau annuels:

600 mm

• Concentration de l’eau d’irrigation: 1g/l Î

Apports annuels de sel:

0.6 kg/m2

Indexes d’appréciation du risque de salinisation par l’eau d’irrigation

Risque salin Conductivité électrique CE à 25 oC Classes de risque: CE

≤ 250 µS.cm-1

Risque faible

250

< CE

≤ 750

Risque moyen

750

< CE

≤ 2250

Risque élevé

CE

> 2250

Risque très élevé

Risque alcalin Na +

SAR =

Ca ++ + Mg++ 2

Na, Ca et Mg en me⋅l-1

Classes de risque: SAR ≤ 10

Risque faible

10

< SAR ≤ 18

Risque moyen

18

< SAR ≤ 26

Risque élevé

SAR > 26 SAR : sodium adsorption ratio

Risque très élevé

Laboratoire de salinité des sols des USA

Diagramme de classification des eaux d'irrigation

Interprétation des classes correspondant aux couples risques salins - risques alcalins C1

S1

Eau de bonne qualité. Précautions avec les plantes sensibles.

C1 C2

S2 S1

Qualité moyenne à bonne. A utiliser avec précaution dans les sols lourds mal drainés et pour les plantes sensibles (arbres fruitiers).

C2 C1 C3

S2 S3 S1

Qualité moyenne à médiocre. A utiliser avec précaution. Nécessité de drainage avec doses de lessivage et/ou apports de gypse.

C1 C2 C3 C4

S4 S3 S2 S1

Qualité médiocre à mauvaise. Exclure les plantes sensibles et les sols lourds Utilisable avec beaucoup de précautions dans les sols légers et bien drainés avec doses de lessivage et/ou apports de gypse.

C2 C4 C3

S4 S2 S3

Qualité mauvaise. A n'utiliser, avec beaucoup de précautions, que dans les sols légers et bien drainés et pour des plantes résistantes. Risques élevés. Lessivage et apports de gypse indispensables.

C3 C4

S4 S3

Qualité très mauvaise. A n'utiliser que dans des circonstances exceptionnelles.

C4

S4

Eau déconseillée pour l'irrigation.

Nature des problèmes potentiels

Problèmes légers à modérés

Problèmes sérieux

< 750 < 500

750 - 3000 500 - 2000

> 3000 > 2000

< 70 < 150 < 0.75

70 - 200 150 - 350 0.75 - 2

> 200 > 350 > 2

Sans problème

Disponibilité de l’eau pour la plante CE (mS.cm-1) Concentration totale (mg.l-1)

Toxicité spécifique Absorption par les racines Sodium Chlorure Bore

(mg.l-1) (mg.l-1) (mg.l-1)

Absorption par les feuilles (aspersion) Sodium Chlorure

(mg.l-1) (mg.l-1)

< 70 < 100

> 70 > 100

< 5 < 90 6.5 - 8.4

5 - 30 90 - 500 < 6.5 et > 8.4

Nuisances diverses Azote total

(mg.l-1)

Bicarbonate (asp.) (mg.l-1) pH

> 30 > 500

Goutte à goutte Pop. bactérienne (nbre par ml) Manganèse (mg/l) Fer (mg/l) H2S (mg/l)

< 10'000 < 0.1 < 0.1 < 0.5

10'000 - 50'000 0.1 - 1.5 0.1 - 1.5 0.5 - 2.0

> 50'000 > 1.5 > 1.5 > 2.0

Evaluation d'irrigation Evaluationde dela la qualité qualité de l'eau d'irrigation

Etudes préalables à la conception d'un réseau d'irrigation

• Visite de terrain • Étude des caractéristiques de sols • Étude hydrologique • Étude géologique • Relevé topographique • Étude de la qualité de l'eau • Collecte de données climatiques • Collecte d'informations sur les cultures envisagées

• Étude socio-économique • Étude d'impacts

Impacts des réseaux d'irrigation

Altération des propriétés du sol • • • •

Hydromorphie Lessivage Altérations diverses Salinisation

Hydromorphie (engorgement des sols par l'eau)

Causes Irrigation excessive, drainage déficient ou remontée de la nappe à proximité de la surface

Effets • • • •

l

dégradation de la structure du sol rendement à la baisse accès aux parcelles difficile ou retardé propagation des maladies hydriques

Lessivage des sols Un excès d'irrigation peut être aussi nuisible qu'un déficit en eau • spécialement en irrigation gravitaire, sur des sols très perméables, à faible capacité de rétention en eau et à CEC réduite

• nécessite des apports importants de fertilisants (N, P, K), d'amendements, voire même d'oligoéléments

• peut concerner également les colloïdes du sol

Lutte préventive contre le lessivage du sol • choix judicieux de la méthode d'irrigation • abandon de cultures trop exigeantes en eau et contrôle précis des doses d'irrigation •

• apports réguliers de matières organiques • choix d'une fertilisation chimique adaptée et fractionnement éventuel des apports

• suivi régulier de la composition chimique de la solution de sol

Altération d'autres propriétés du sol

• Compactage du sol lors d'irrigation sous submersion

• Apparition d'une croûte de battance en sols limono-sableux, spécialement en irrigation par aspersion

• Extraction d'horizons stériles lors des opérations de planage des terres

• Risques d'acidification

Salinisation des sols

•

10 à 15 % des terres irriguées (20 à 40 millions d’ha) souffrent, à des degrés divers, de problèmes de salinisation

•

0.5 à 1% des surfaces irriguées sont perdues pour la culture chaque année (1.5 à 2 millions d’ha)

•

près de la moitié de toutes les surfaces irriguées sont menacées à long terme

Salinisation des sols Les risques de salinisation dépendent de:

• concentration et type de sels contenus dans l'eau d'irrigation

• quantité d'eau appliquée • conditions climatiques • capacité de drainage interne du sol • profondeur de la nappe • présence ou non d'un réseau de drainage

Prévention des risques de salinisation Au stade de la conception du projet

• collecte de données: 9 propriétés de l’eau et des sols 9 caractéristiques hydrogéologiques : prof. nappe, débit conséquences d’une salinisation accrue, etc.

• • • • •

choix techniques appropriés choix judicieux de la méthode d'irrigation prise en compte des besoins en eau de lessivage réseau de colatures adéquat cas échéant, réseau de drainage efficace, etc.

Salinisation des sols : mesures curatives • Lessivage des sels solubles • Abaissement de la nappe • Réduction de la demande évaporative*

http://fiesta.bren.ucsb.edu/~mchen/MyAlbum/UCSB/DV-salt.jpg

* rideaux-abri, choix judicieux des techniques culturales, amélioration de la structure, mulch, sélection des cultures, etc.

Principales maladies liées à l’eau

Rôle de l’eau

Type de maladies

Véhicule l’agent de contamination lors d’ingestion directe

Choléra, typhus, hépathites, dissenteries, amibiases

Nécessaire à la prolifération des vecteurs ou hôtes intermédiaires

Malaria, schistosomiase, onchocercose, fièvre jaune, etc.

Insuffisance d’eau

Lèpre, diarrhées, conjonctivites, maladies de la peau, etc.

Selon l’OMS, 80% des maladies dans le monde sont liées directement ou indirectement à l’eau

Aménagements hydrauliques en l’absence de mesures préventives

Maladies graves • paludisme

(500 millions de malades)

• schistosomiase

(200 millions)

• onchocercose

(18 millions)

• …..

La propagation est indirectement liées à l’eau qui favorise la création de biotopes favorables à la prolifération

des

intermédiaires.

vecteurs

ou

des

hôtes

Vecteurs et hôtes intermédiaires Animaux qui transmettent ou permettent le développement du parasite à l’origine de la maladie. Le parasite est l’hôte temporaire du vecteur où il subit généralement une évolution.

Moustiques: • anophèles vecteurs du paludisme • simulies vecteurs de l’onchocercose ou encore des schistosomiase

mollusques qui transmettent la

Lutte contre la transmission des maladies

Transmission de la maladie = cycle à 3 composantes

Sujet malade

Vecteur

Sujet sain

lutte contre les parasites (Chimiothérapie de masse)

Elimination

- prévention - protection

Chimique

Biologique

Aménagement de l’environnement

Lutte contre les vecteurs • Lutte chimique (insecticides, larvicides, molluscides) Pas toujours sélectifs et biodégradables Apparition de résistan-ces génétiques

• Lutte biologique 9 Utilisation de prédateurs des vecteurs (poissons, oiseaux, agents pathogènes, etc.)

9 piégeages des mâles, radiations stérilisantes, etc.

• Aménagement de l’environnement

Aménagement de l’environnement

Règle générale: modifier l’environnement de sorte à le rendre hostile à l’éclosion et au développement des vecteurs

Actions de base • réduire les possibilités de croissance de la végétation sur les surfaces

d’eau; si

nécessaire, éliminer cette végétation

• supprimer les zones d’eau stagnantes de faible profondeur (marais, étangs, etc.) et les flaques persistantes

• éviter le bouillonement d’eau dans les endroits exposés : déversoirs, chutes, vannes, siphons, etc.

Mesures d’aménagement de l’environnement dans les réseaux d’irrigation

Phase de conception et construction • prévoir un maximum de tronçons rectilignes • choisir une pente appropriée des canaux et des berges

• exécuter soigneusement les chutes, déversoirs, siphons, etc.

• prévoir suffisamment de ponts • installer des canaux de fuites (chasses)

• réduire les pertes par infiltration et prévoir un réseau

de

drainage

suffisant

• prévoir, si nécessaire, des filtres à mollusques

• remblayer

les

zones

d’emprunt de terre

Dans les zones à risques, si possible, pose d'un revêtement ou recours à des conduites

Mesures d’aménagement de l’environnement dans les réseaux d’irrigation

Phase d’exploitation et d’entretien • entretien systématique des canaux et des ouvrages ponctuels (curage, recalibrage, débroussaillage, remblayage, etc.)

• réglage précis des débits, doses et fréquences des arrosages

• recours à des chasses périodiques • alternance de mise en eau et d’assèchement

Irrigation à la parcelle • choix d’une méthode d’irrigation appropriée • nivellement des parcelles • entretien régulier du réseau de colatures • choix judicieux des cultures