Published December 13, 2019 | Version v1
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Distributed modelling of erosion hazard in the Loire River basin and new perspectives of validation

Description

Soils erosion has accelerated after WWII in the cultivated plains of Northwestern Europe. This phenomenon is explained by the modification of landscapes and agricultural practices. To combat erosion in an efficient way, it is crucial to quantify the erosion, transfer and deposition processes within large basins, as well as their spatial redistribution. These estimations are important in order to meet the guidelines required by the European Water Framework Directive, including the ecological good status of water bodies. The objective of this thesis is to quantify erosion processes and sediment redistribution during the last several decades and across multiple spatial scales within the Loire River basin (117,000 km2). First, the erosion hazard assessment model MESALES was improved to include the latest input databases available (reflecting the evolution of vegetation cover, rainfall erosivity and soil surface texture). The results were integrated at the scale of water bodies to identify those sub-catchments that were the most exposed to erosion. The improvement of the model led to a modification of the hazard estimation in half of the water bodies in the Loire River basin. Second, the potential of measuring caesium-137 (137Cs) inventories in soils to validate the spatially-distributed erosion model outputs was investigated. A map of the initial fallout of this fission product produced by atmospheric thermonuclear tests in the 1960's was first created. To do so, a data base of undisturbed reference sites was developed by combining several existing samples' banks, and additional samples collected during the thesis. The spatial distribution of initial fallout across the entire basin was achieved through the use of rainfall data corresponding to the 1960-1964 period as covariates, which confirms the lack of significant 137Cs fallout following the Chernobyl accident in this region. Then, the 137Cs inventories were measured in all the 478 soils profiles collected in the framework of the Soil Quality Monitoring Network (RMQS in French). The mean soil redistribution rates of the 1954-2008 period were calculated using the proportional model. The results showed an over-representation of accumulation sites among the RMQS' sites and the difficulty to identify covariates allowing to map the spatial patterns of soil redistribution at this scale from this type of monitoring network intended to map soil properties rather than their movement across the landscape. Finally, a subcatchment was selected in an intensively cultivated plain (Brosse, Indre-et-Loire, 24 km2). The evolution of land cover and rainfall during the 1959-2010 period was reconstructed to model erosion in this catchment with the event-based Water Sed model. The outputs were confronted to those erosion rates estimated based on the analysis and dating of sediment core samples collected in the pond at the outlet. The results showed a good correlation between the model outputs and the erosion rates estimated from the cores. These results permitted to distinguish between the anthropogenic effect, which governs the general erosion trends across the five decades, from the climatic influence, which explains the seasonal variability. This thesis demonstrated the possibilities and the limitations associated with the use of the latest data bases and sample banks available to model and reconstruct soil erosion rates at multiple spatial and temporal scales within large river basins, which constitute the optimal management units in the European Union. (author)

Abstract (French)

L'erosion des sols s'est acceleree apres la seconde guerre mondiale dans les grandes plaines cultivees du nord-ouest de l'Europe. Ce phenomene s'explique par une modification des paysages et des pratiques agricoles. Pour pouvoir lutter efficacement contre l'erosion, il est important de quantifier ce processus d'erosion, de transfert et de depot des sediments au sein de grands bassins versants, ainsi que leur redistribution spatiale. Ces estimations sont cruciales pour permettre d'atteindre les objectifs fixes par la Directive-Cadre Europeenne sur l'Eau, notamment le bon etat ecologique des cours d'eau. Cette these a pour objectif de quantifier les processus d'erosion et de redistribution de sediments sur plusieurs decennies et a plusieurs echelles spatiales au sein du bassin de la Loire (117 000 km2). Dans un premier temps, le modele d'evaluation de l'alea erosif MESALES a ete ameliore pour prendre en compte les dernieres bases de donnees disponibles (evolution du couvert vegetal, erosivite des pluies, texture de surface des sols). Les resultats ont ete integres par masse d'eau afin d'identifier les sous-bassins versant les plus exposes au risque erosif. L'amelioration du modele a conduit a une modification des valeurs d'alea dans la moitie des masses d'eau du bassin de la Loire. Dans un second temps, le potentiel de la mesure des inventaires de cesium-137 (137Cs) dans les sols pour valider les sorties spatialisees des modeles d'erosion a ete etudie. Une carte des retombees initiales de ce produit de fission emis par les essais thermonucleaires atmospheriques des annees 1960 a tout d'abord ete produite. Pour y parvenir, une base de donnees de sites de reference a ete elaboree en combinant plusieurs banques d'echantillons existantes completees par des prelevements realises dans le cadre de la these. La spatialisation en tout point du bassin versant a ete possible en utilisant principalement les donnees de precipitation sur la periode 1960-1964 comme co-variables, ce qui confirme l'absence de retombees significatives de 137Cs faisant suite a l'accident de Tchernobyl dans cette region. Ensuite, les inventaires de 137Cs ont ete mesures dans l'ensemble des 478 profils de sols collectes dans le cadre du Reseau de Mesures de la Qualite des Sols (RMQS) et les taux de redistribution de sol moyens sur la periode 1954-2008 ont ete calcules a partir du modele proportionnel. Les resultats montrent une sur-representation des sites d'accumulation parmi les sites RMQS et la difficulte d'identifier des co-variables permettant de spatialiser les taux de redistribution de sol a cette echelle a partir de ce type de reseau de mesure destine a cartographier les proprietes des sols plutot que leur mouvement au sein du paysage. Enfin, un sous-bassin versant de plaine intensivement cultive (bassin de l'etang de Brosse, Indre-et-Loire, 24 km2) a ete selectionne. L'evolution de l'occupation des sols et des precipitations au cours de la periode 1959-2010 a ete reconstruite pour modeliser l'erosion dans le bassin avec le modele evenementiel WaterSed. Les sorties du modele ont ete confrontees aux taux d'erosion reconstruits a partir de l'analyse et la datation de carottes sedimentaires collectees dans l'etang a l'exutoire du bassin. Les resultats montrent une bonne correlation entre les valeurs modelisees et celles issues des carottages. Ceci a permis de mettre en evidence et de distinguer l'effet anthropique, qui gouverne les grandes tendances d'evolutions des taux d'erosion sur 50 ans et l'effet climatique qui explique les variabilites saisonnieres. Ces travaux de these montrent les potentialites et les limites associees a l'utilisation des dernieres banques de donnees et d'echantillons disponibles pour modeliser et reconstruire les taux d'erosion des sols a plusieurs echelles spatiales et temporelles au sein de grands bassins hydrographiques qui constituent les unites de gestion privilegiees des masses d'eau au sein de l'Union Europeenne

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Original title (French)
Modelisation distribuee de l'alea erosif dans le bassin versant de la Loire et nouvelles perspectives de validation

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Imprint Pagination
233 p.
Report number
FRCEA-TH--13459

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Notes
188 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses