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Détermination des besion en eau des cultures à l'aide de logiciel cropwat 4.3 dans la wilaya de tipaza

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par anahr Ammar boudjelal
Ecole nationle suprérieure agronomique EL- Harrach - ingénieur hydraulique 2007
Dans la categorie: Sciences
  

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Chapitre 1 : La détermination des besoins en eau des cultures

Dans un premier temps, la détermination des besoins en eau d'une culture nécessite la connaissance de divers paramètres concernant, aussi bien la plante elle-même que les données climatiques ou pédologiques de la région.

Selon Doorenbos et Pruitt (1975) le climat est l'un des facteurs qui influe le plus sur le volume d'eau que la culture perd par évapotranspiration. Les pratiques agronomiques, les techniques d'irrigation, les engrais, les infestations dues aux insectes et aux maladies peuvent aussi influencer le taux d'évapotranspiration.

1.1. Pourquoi déterminer les besoins en eau des cultures ?

Connaître la valeur des besoins en eau des cultures est à la base de :

- projet d'irrigation : conception des réseaux d'irrigation (calcul du débit de dimensionnement des ouvrages),

- gestion des réseaux d'irrigation : prévision à court terme (programmation des apports d'eau), - pilotage des irrigations,

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

1.2. Comment déterminer les besoins en eau des cultures ?

D'après Doorenbos et Pruitt (1975) l'estimation de l'évapotranspiration en vue de la programmation de l'irrigation doit se faire en se fondant sur le calcul de l'évapotranspiration maximale et de la pluie efficace (Pe).

1.2.1. Besoin en eau d'irrigation

Le besoin d'irrigation, noté (BI) est définit comme étant le volume d'eau qui déverra être apporté par irrigation en complément à la pluviométrie et éventuellement d'autres ressources telles que les remontées capillaires (l'apport d'une nappe phréatique), la réserve en eau initiale dans le sol, et la fraction de lessivage (lorsque la salinité influe sur la disponibilité en eau pour les plantes).Le calcul de ces besoins d'irrigation repose sur un bilan hydrique, qui exprime la différence entre les besoins en eau de la culture et les apports d'eau d'origine naturelle, donné par la formule :

( ETc Pe Ac S

- - - Ä

BI =

)

( )

I LR

-

Avec :

BI : besoin d'irrigation (mm),

ETc : évapotranspiration de la culture (mm),

Pe : précipitation efficace (mm), calculée en retirant à la précipitation totale les pertes par ruissellement ou par percolation profonde,

Ac : ascension capillaire (mm), due aux flux ascensionnels à partir des eaux souterraines,

AS : variation de la réserve d'eau du sol (mm), différence entre les quantités d'eau disponible dans la zone racinaire au début et à la fin de la saison végétative,

LR : fraction de lessivage.

BI étant un besoin net, pour calculer la quantité réelle d'eau à apporter à la culture il faut tenir compte des efficiences de transport, de distribution et d'application de l'eau. Si on considère une efficience globale, produit entre les 3 efficiences décrites, le besoin brut en eau d'irrigation

(BI brut) est :

BI brut = BI / eff

Où eff : l'efficience d'irrigation, exprime le rapport adimensionnel entre la hauteur d'eau d'irrigation effectivement requise par la culture et celle qu'on doit prélever à la source.

Pour arriver à calculer les besoins d'irrigation il faut connaître d'abord les besoins en eau maximums des cultures (ETm).

1.2.2. Besoin en eau de culture (ETm)

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) qui est une

valeur ponctuelle liée à l' ET0 qui est relative à une région par un coefficient cultural, donnée par la formule de base de l'approche climatique :

ETm = kc × ET0

ETm : évapotranspiration maximale d'une culture (mm),

kc : coefficient cultural,

ET0 : évapotranspiration de référence (mm).

1.2.2.1. Choix du coefficient cultural

Par définition, le coefficient cultural (kc) est le rapport entre l'évapotranspiration de la culture (ETc) et l'évapotranspiration potentielle (ET0), il intègre les effets des 4 caractéristiques primaires qui distinguent une culture de la culture de référence qui sont : la hauteur de la culture, la résistance de surface sol - végétation, l'albédo, l'évaporation de sol (Allen et al, 1998).

Les facteurs qui influent sur la valeur de kc sont : les caractéristiques de la culture, les dates de plantation ou de semis, le rythme de son développement et la durée de son cycle végétatif, les conditions climatiques, en particulier au début de la croissance et la fréquence des pluies ou des irrigations.

Figure 7 : Courbe de coefficients culturaux et définition des phases
(Doorenbos et Pruitt, 1975)

La courbe de kc sur l'ensemble de la période de croissance a été présentée initialement par Doorenbos et Pruitt (1975). Elle permet de distinguer les 3 valeurs de kc (initial, mi-saison, et d'arrière saison). Les valeurs les plus élevées du kc sont observées au printemps et en automne, lorsque le sol est encore humide. Les valeurs les plus basses sont notées en été (Allen et al, 1998 in traité d'irrigation).

En choisissant le kc approprié pour une culture donnée et pour chaque mois du cycle végétatif, il faut tenir compte du rythme de son développement, l'époque de plantation ou de semis, les conditions climatiques notamment le vent et l'humidité, et également la particularité de la

formule utilisée pour le calcul de l'ET0, ce qui pose un problème d'harmonisation et d'utilisation des valeurs publiées dans la littérature d'après Puech et Hernandez (1973) cité par Choisnel (1989).

Selon Tuzet et Perrier (1998) in traité d'irrigation, le kc varie essentiellement avec les caractéristiques propres de la culture et seulement un peu avec le climat. Cela permet le transfert des valeurs standard de kc (comme celles proposées dans les Bulletins FAO-24 et 56) d'un endroit à l'autre entre les zones climatiques. Mais pour avoir plus de précision dans la détermination de l'ETc, il est toujours préférable d'utiliser les valeurs de kc déterminés expérimentalement dans la région elle-même.

1.2.2.2. Les méthodes d'estimation de l'ET0

L'ET0 est considérée comme une donnée climatique, ne dépend que des conditions atmosphériques, de l'énergie disponible à la surface évaporante et la résistance aérodynamique de couvert végétal. Ils existent des méthodes expérimentales pour la mesure directe de l'ET0, basées sur le bilan hydrique, le bilan d'énergie et la méthode lysimétrique. Devant la difficulté de la mise en place de ces dispositifs, différentes formules avec des degrés d'empirisme variables ont été développées depuis ces 50 dernières années pour estimer indirectement cette grandeur à partir de données climatiques. Elles sont classées en 4 groupes selon les paramètres utilisés, parmi ces formules on peut citer :

- Les formules combinées :

- de Penman originale (1963),

- de FAO Penman-Monteith (1994).

- Les formules basées sur la température :

- Blaney-Criddle (1950),

- Turc,

- Jensen-Haise,

- Hargreaves,

- Thornwaite.

- Les formules basées sur la radiation :

- FAO-Radiation,

- Christiansen - Hargreaves (1969),

- Christiansen - Samani (1985).

- Les formules basées sur l'humidité relative de l'air :

- d'Ivanov (1954),

- d'Eagleman (1967), - FAO Class A.

1.2.3. Formule de FAO Penman - Monteith

La formule de Penman-Monteith se distingue parmi les différentes formules par son origine théorique dérivée du bilan de flux énergétique à la surface de couvert végétal, dans un souci de normalisation, la FAO, à travers son groupe d'experts opérants dans différents contextes climatiques, a adapté la formule de Penman-Monteith aux conditions d'un couvert de gazon et propose la formule dérivée comme la nouvelle définition de l'évapotranspiration de référence.

Allen et al (1994) cité in traité d'irrigation (1998) ont définit l'ET0 comme «l'évapotranspiration d'un couvert végétal "hypothétique" de référence ayant une hauteur de 12 cm, une résistance du couvert de 70 s/m et un albédo de 23%. Un couvert de gazon se développe activement sur une grande étendue régulièrement tendu, bien alimenté en eau et indemne de maladies ».

L'évapotranspiration de référence peut s'écrire selon la formule (Allen et al, 1994):

ET =

0 Ä + +

ã (1 0,34 )

U 2

900

0,408 (Rn - G)

Ä + ã U2 s

(

T 273

+

e

-

e a

)

Avec :

ETo : évapotranspiration de référence journalière (mm/j),

Rn : rayonnement net à la surface de culture (M J/m2/j),

G : flux de chaleur échangé avec le sol (M J/m2/j),

T : température moyenne journalière (°C),

U2 : vitesse moyenne journalière du vent mesuré à 2 mètres (m/s),

es et ea : respectivement la pression de vapeur saturante et la pression réelle de l'air à la même hauteur (kPa),

A : pente de la courbe de pression de vapeur saturante à la température T (kPa /°C), ã : constante psychrométrique (kPa /°C),

900 coefficient pour la culture de référence (kg K/ kJ) liées aux unités utilisées a la distribution de variables ñ, cp et ra,

0,34 : coefficient de vent pour la culture de référence (kg K/ kJ) résultant du rapports rs / ra, 0,408 inverse de ë = 2,45 MJ/ kg.

Sur la base des résultats de plusieurs études, notamment celles de Jensen et al (1990) cité par Kassam et Smith (2001), la consultation d'experts mené par la FAO sur la méthodologie d'estimation des besoins en eau des cultures a conduit à recommander la méthode de Penman-Monteith comme méthode privilégiée d'estimation de ET0 du gazon, et donc pour servir de base à la détermination des coefficients culturaux.

Pour confirmer la validité de cette formule dans notre région d'étude, nous avons essayé de la comparer avec d'autres formules telles que celles de Turc et Blaney - Criddle (détails de calculs en annexe 1).

ETO (mm/j)

4

2

7

6

5

3

1

Turc

Blaney-Criddle Pen-Month (cropwat)

Janv. Fév. Mars Avril Mai Juin Juill. Août Sept. Oct. Nov. Déc.

Figure 8 : L'évapotranspiration potentielle calculée par différentes formules
dans la wilaya de Tipaza

La figure ci-dessous montre bien la différence des valeurs de l'ET0 durant l'année entre chaque formule utilisée :

- La formule de Blaney-Criddle surestime généralement l'ET0 durant toute l'année,

- la formule de Turc sous estime l' ET0 pendant l'été, alors qu'elle reste proche de la formule de FAO Penman - Monteith durant l'hiver et l'automne,

- au printemps ces 2 formules sous estimes l' ET0 par rapport à la formule de FAO Penman - Monteith,

- en fin la formule de FAO Penman - Monteith est celle qui a permet une estimation moyenne de l' ET0.

Tableau 7 : Total annuel de l' ET0 pour chaque formule de calcul

Formules

ET0 (mm/an)

Blaney-Criddle

1408

Pen-Month

1243

Turc

1113

Donc la formule de FAO Penman - Monteith donne la meilleure estimation de l'ET0 dans la région de Tipaza. Selon les travaux de Jensen et al (1990) citée par Kassam et Smith (2001), l'erreur commise sur la valeur de l'ET0 par cette formule n'est que de l'ordre de 0,49.

Vu la complexité de cette formule qui nécessite la détermination de différents paramètres climatiques, la FAO la informatisée dans son logiciel Cropwat pour éviter la manipulation manuelle.

1.4. La détermination des besoins en eau des cultures sous serre

Les besoins en eau des cultures sous serre varient, bien évidemment, de ceux en plein champ. Ils dépendent plus particulièrement de l'importance du rayonnement parvenant au niveau de la culture, et des caractéristiques optiques de transmission du matériau de couverture, qui modifieront essentiellement les échanges de chaleur et de vapeur avec l'atmosphère. L'importance de ces échanges dépendra également des apports énergétiques représentés par le chauffage et de la fréquence du renouvellement de l'air à l'intérieur de la serre ainsi que de la ventilation à l'extérieur. Mais la méthode de calcul des besoins en eau reste la même.

ETms = ET0s × kc ETms : besoins en eau max. des cultures (mm),

ET0s : évapotranspiration potentielle sous serre (mm),

kc : coefficient cultural sous serre.

Les besoins en eau d'irrigation sous serres sont : BI serre = ETms (pluie = 0).

Les besoins en eau des cultures sous serre peuvent être approchés également par une corrélation qui a été établie par Menier et al en 1970 (cité par Boussaid et Kaced, 1996) liant l'évapotranspiration max. sous serre et celle en conditions naturelles.

ETms = 0,56 ETm + 0,7

Ces mêmes collaborateurs ont établi une autre relation entre l' ETms et le rayonnement global hors serre (G) :

ETms = 0,44 G - 0,35

1.4.1. Modèles de détermination de l'évapotranspiration sous serre (ET0s)

Il existe plusieurs formules pour approcher l'évapotranspiration sous serre, dont :

a) formule de De Villele (1970) Donnée par la relation suivante : ET0s = 0, 67 × Gs - 0, 2

Avec :

ET0s : évapotranspiration sous serre (mm/j),

Gs : rayonnement global sous serre (cal/cm2/j) et obtenu par :

Gs = G × t

G : rayonnement global estimé (cal/cm2/j),

t : coefficient de transmission de la couverture de la serre.

Selon De Villele, dans la région méditerranéenne t est égal a : - 60 à 65 % en cas d'une serre plastique en PVC armé, - 80 % en cas d'une serre plastique en polyéthylène,

- 65 % en cas d'une serre plastique en polyéthylène double, - 75 % en cas d'une serre en verre.

L'estimation du rayonnement global se fait à partir de l'équation :
G = G × (0,62 i + 0,17)

G : rayonnement global estimé (cal/cm2/j),

G : rayonnement global aux confins de l'atmosphère (cal/cm2/j), i : fraction d'insolation relative.

b) Modèle de Bouchet

Qui estime l'ET0 serre à partir de deux mesures : température et évaporation.

ET0s = á × k × ev

á : coefficient dépendant du type d'abri météorologique,

k : coefficient dépendant de la température moyenne journalière ( C), ev : évaporation de la décade considérée (mm/j).

Pour le calcul de l'évapotranspiration sous serre dans la wilaya de Tipaza nous avons préféré d'utiliser la formule de De Villele qui a été déterminé d'après les travaux de ce dernier dans de nombreux pays méditerranéens particulièrement en Tunisie.

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