Simulation par approche mixte mécaniste-statistique du devenir des pesticides dans l'environnement pour le diagnostic de la contamination des sols et des eaux

L'utilisation fréquente de pesticides en agriculture entraîne une contamination généralisée de différents compartiments de l'environnement, notamment des eaux de surface. Cette contamination représente un risque environnemental et sanitaire majeur à gérer. Dans ce cadre, les modèles mécanistes spatialement distribués représentent des outils précieux pour prédire l'impact de changements de pratiques agricoles sur la qualité des eaux de surface, à l'échelle territoriale. Leur mise en œuvre opérationnelle pour évaluer les risques de contamination chronique ou aiguë sur de longues périodes et sur des bassins versants étendus est néanmoins limitée, notamment en raison de leur temps de calcul élevé. Ainsi, l'objectif général de cette thèse consiste à proposer une démarche de modélisation spatialement distribuée de transferts hydrologiques de pesticides qui un temps de simulation compatible avec un usage en conditions opérationnelles. A cet effet, une démarche de simplification numérique d'un modèle mécaniste distribué existant a été entreprise afin de réduire les temps de calcul tout en conservant une capacité prédictive compatible avec un usage opérationnel en bassin-versant. Les travaux réalisés s'appuient sur le modèle spatialement distribué MHYDAS-Pesticide 1.0 (Crevoisier et al., 2021), et des données observées sur le bassin versant viticole de Roujan, en contexte méditerranéen, dans le cadre de l'Observatoire de Recherche en Environnement OMERE (Molénat et al., 2018). La démarche de simplification numérique proposée et mise en œuvre consiste à remplacer le module de calcul des flux d'eau et de solutés dans le sol à l'échelle parcellaire du modèle mécaniste spatialement distribué par un modèle statistique. Le modèle hybride mécaniste-statistique ainsi obtenu conserve la structure spatiale du modèle initial. Dans un premier temps, la précision du modèle parcellaire de MHYDAS-Pesticide 1.0 pour prédire la variabilité temporelle des contaminations des ruissellements par les pesticides à l'exutoire d'une parcelle agricole a été vérifiée par comparaison avec 19 années d'observations. Dans un second temps, un méta-modèle à base statistique, c'est à dire une représentation mathématique simplifiée, du modèle parcellaire MHYDAS Pesticide 1.0 a été constituée par apprentissage statistique d'un modèle Long Short-Term Memory (Hochreiter and Schmidhuber, 1997). Ensuite, une simplification numérique de MHYDAS-Pesticide 1.0 a été assemblée par couplage entre le modèle statistique parcellaire et la structure hydrologique distribuée initiale de MHYDAS Pesticide 1.0 afin de simuler les dynamiques temporelles des flux d'eau de surface et des concentrations en pesticides à l'échelle d'un bassin versant. Une application du modèle hybride mécaniste-statistique été réalisée pour évaluer le risque de contamination des eaux de surface par le glyphosate à l'exutoire d'un bassin versant en fonction de la distribution spatiale des épandages. Les résultats obtenus montrent le potentiel de la démarche de modélisation proposée pour la mise en œuvre opérationnelle de modèles hydrologiques spatialement distribués. Le modèle hybride mécaniste-statistique obtenu conserve des fonctionnalités d'un modèle hydrologique mécaniste distribués intéressantes pour une utilisation opérationnelle et présente des temps de calcul réduits (-76 %). Il peut être utilisé pour évaluer à la fois le risque chronique et le risque aigu de contamination des eaux de surface par une diversité de molécules pesticides en fonction de la distribution spatiale et temporelle des épandages dans différents bassins versants. La performance prédictive du modèle hybride à l'échelle parcellaire est par ailleurs compatible avec l'analyse des risques de contamination aiguë et chronique. Cette thèse ouvre ainsi des perspectives pour le développement d'outils opérationnels d'évaluation de l'impact des pratiques agricoles sur la qualité des eaux de surface à l'échelle d'un bassin versant.