Évapotranspiration
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L'évapotranspiration (ET) est la quantité d'eau transférée vers l'atmosphère, par l'évaporation au niveau du sol et par la transpiration des plantes. L'évaporation se définit par les transferts vers l'atmosphère de l'eau du sol, de l'eau interceptée par la canopée et des étendues d'eau. La transpiration se définit par les transfert d'eau dans la plante et les pertes de vapeur d'eau au niveau des stomates de ses feuilles.
Le concept d'évapotranspiration et ses mesures sont apparus dans les années 1950. Ce concept est très important pour expliquer et quantifier les transferts d'eau dans les écosystèmes, pour calculer les besoins en eau des cultures agricoles et plus globalement pour la gestion de l'eau des espaces naturels.
Processus de l'évapotranspiration[modifier]
Évaporation[modifier]
L'évaporation de l'eau est le passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Ce phénomène est donc une vaporisation progressive. Lorsqu'il existe un volume libre au-dessus d'un liquide, une fraction des molécules composant le liquide est sous forme gazeuse. À l'équilibre, la quantité de matière sous forme gazeuse définit la pression de vapeur saturante qui dépend de la température. Lorsque la pression partielle de la vapeur dans le gaz est inférieure à la pression de vapeur saturante et que celle-ci est elle-même inférieure à la pression totale ambiante, une partie des molécules passent de la phase liquide à la phase gazeuse : c'est l'évaporation, qui demande de fournir la chaleur latente correspondante, ce qui refroidit le liquide.
Transpiration végétale[modifier]
Chez les plantes, la transpiration est le processus continu causé par l'évaporation d'eau par les feuilles et la reprise qui y correspond à partir des racines dans le sol. La transpiration est le principal moteur dans la circulation de la sève et se produit essentiellement au niveau des stomates. La régulation de leur ouverture influence donc directement l'intensité de la transpiration.
Le rôle de la transpiration chez les végétaux est multiple : elle est le moteur de la circulation de la sève brute dans le xylème, elle favorise dans une certaine mesure le rafraîchissement des plantes et elle permet le transfert des sels minéraux aux endroits où la plante en a besoin, principalement dans les feuilles qui sont le siège de la photosynthèse.
La quantité d'eau rejetée dans l'atmosphère par la transpiration des plantes est très importante. À titre d'illustration, un hectare de hêtres rejette environ 25 t d'eau pendant la saison de végétation. Cela explique le rôle joué par les grandes formations végétales, notamment les forêts sur le cycle de l'eau et sur le climat.
"L'appel transpiratoire" est un des moteurs de la circulation de la sève brute (il existe aussi la poussée radiculaire). Lors de la photosynthèse les stomates s'ouvrent afin de laisser rentrer du CO2. Il y a alors mise en contact de la solution des feuilles avec l'air extérieur. La différence entre le potentiel hydrique atmosphérique et celui des feuilles induit la sortie de l'eau (présente dans les feuilles) dans l'atmosphère. La pression relative dans le xylème diminue et devient plus faible que la pression atmosphérique. Le xylème est alors sous tension, ce qui permet la montée de la sève brute.
Facteurs d'influence[modifier]
De nombreux facteurs physiques, biologiques et météorologiques influencent l'évapotranspiration, dont notamment :
- le type de plante, le stade de croissance et maturité de la plante, la hauteur de la plante, la profondeur des racines, le stress hydrique
- le pourcentage de couverture végétale (ou paillage) du sol, la densité du feuillage, l'eau de pluie retenue sur le feuillage
- les radiations solaires, la réverbération sur le sol et les plantes
- l'humidité et la température de l'air, la pression atmosphérique
- l'humidité et la température du sol, la composition du sol (argile, sable...) et les capacités de rétention, drainage et percolation du sol
Importance de l'évapotranspiration[modifier]
Cycle de l'eau et influence sur le climat[modifier]
Sur une majorité de bassins, les pertes d'eau par évapotranspiration représente la partie la plus importante du bilan d'eau. Dans les espaces continentales, plus de 60% de l'apport pluviométrique serait ainsi dissipé par évapotranspiration[1].
Évapotranspiration selon les écosystèmes[modifier]
- Milieu tempéré
- Milieu aride
- Milieu urbain
Agronomie et cultures agricoles[modifier]
Diverses expressions de l'évapotranspiration[modifier]
- Unités de mesure et ordres de grandeurs :
Comme pour la mesure des précipitations, l'unité est le millimètre de hauteur d'eau. 1 mm correspond à 1 litre par mètre carré ou à 10 mètres cube par hectare. L'évapotranspiration réelle peut atteindre 4-6 mm/jour en plein été en zone tempérée européenne et 6-8 mm/jour en zone méditerranéenne.
Plusieurs concepts supplémentaires ont été ajoutés pour préciser les estimations de l'évapotranspiration. Ces concepts ont des définitions variables selon les auteurs[2].
Évapotranspiration réelle (ETr) et potentielle (ETp)[modifier]
Mais l'évapotranspiration réelle (ETr) est très faible, car le manque d'eau disponible pour le sol et les plantes (sécheresse) est un facteur limitant.
La notion d’évapotranspiration potentielle (ETP) est couramment opposée à l’évapotranspiration réelle (ET ou ETR, anglais : actual evapotranspiration ETa).
L'évapotranspiration réelle désigne la quantité exacte d'eau évapotranspirée par une couverture végétale réelle. C'est une donnée impossible à mesurer à l'échelle d'une parcelle ou d'une région.
À l'opposé, l'évapotranspiration potentielle est une valeur calculée par des formules mathématiques. L'ETp est ainsi l'objet de définitions variées, selon auteurs et les méthodes de calcul employées. Cette notion de consommation potentielle en eau a été introduite par Thornthwaite en 1948, puis reprise par Howard Penman dans sa formule de calcul (1948)[3].
En 1956, Penman (1956) définit l’ETp comme : « l’évaporation d’une pelouse rase suffisamment étendue, en bon état et convenablement alimentée en eau ». Selon les auteurs et les méthodes, différents paramètres météorologiques, physiques ou biologiques sont inclus ou non dans la définition de l'ETp : par exemple l'espèce végétale, la constance des flux d'énergies, l'ouverture des stomates, la constance de l'humidité relative[3]...
Ces deux notions ETr et ETp sont utiles et nécessaires pour étudier les bilans de circulation de l'eau et notamment pour déterminer les besoins en eau des cultures ou calculer l'« effet oasis »[4] d'une zone où l'évapotranspiration est plus importante (qui peut être une zone urbaine). Les plantes de milieux arides peuvent fortement réduire leur évapotranspiration quand elles manquent d'eau. Les plantes des zones tropico-équatoriales pluvieuses ne le peuvent généralement pas.
Évapotranspiration de référence (ETo)[modifier]
L'évapotranspiration de référence (ETo) est un concept utilisé dans différentes méthodes d'estimation. C'est une valeur d'évapotranspiration pour une végétation choisie, dans des conditions hydriques réelles, permettant ensuite de déduire l'évapotranspiration pour d'autres couverts végétaux. Cet usage pratique d'une culture de référence est lié à la faible variation de l'évapotranspiration potentielle selon les différents végétaux, dans de mêmes conditions climatiques.
Selon les climats et méthodes d'estimation, n'importe quel espèce végétale peut servir de référence. Typiquement, les plants de référence sont de l'herbe (gazon) ou de la luzerne cultivée (alfalfa) de faible hauteur, en raison de méthodes de calcul développées généralement pour les besoins de l'agriculture[2].
Évapotranspiration maximale (ETm)[modifier]
ETM : Évapotranspiration Maximale. C'est la valeur maximale de l'évapotranspiration d'une culture donnée, à un stade végétatif, dans des conditions climatiques données, prise en compte par l'ETp. C'est une correction de l'ETp en fonction du couvert végétal. ETM = Kc x ETP, Kc étant le coefficient cultural. Pour déterminer le coefficient cultural, Christian de Pescara propose la méthode suivante : il faut conduire la culture à l'ETM que l'on peut déterminer par un appareil calculant au-dessus de la parcelle l'ETR ou par un lysimètre. Alors nous avons ETRmax = ETM et nous calculons: Kc = ETRmax/ETp. Ainsi nous pouvons calibrer les coefficients culturaux Kc.
Estimation de l'évapotranspiration[modifier]
Il est possible aux chercheurs de mesurer l'évapotranspiration d'une plante ou d'une parcelle végétale de petite dimension. Mais il n'est pas possible de mesurer l'évapotranspiration à l'échelle d'un arbre, d'une parcelle de culture ou d'une région géographique.
Un grand nombre de méthodes d'évaluation théoriques ou empiriques ont été définies depuis le milieu du XXe siècle par les scientifiques (avec souvent des problèmes de calibration locale les rendant peu valides dans d'autres régions). Les spécialistes distinguent communément trois approches distinctes :
- Les modèles basés sur des facteurs agronomiques et météorologiques
- Les modèles basés sur l'équilibre des masses d'eau
- Les modèles basés sur l'équilibre des flux énergétiques
Calcul des facteurs agronomiques et météorologiques[modifier]
Estimation par bac d'évaporation[modifier]
L'évapotranspiration peut être estimée de manière simple d'après les mesures réalisées avec un bac d'évaporation rempli d'eau. En l'absence de pluie, la variation du niveau d'eau dans le bac est supposée proportionnelle à l'évapotranspiration, car l'eau du bac est soumise aux mêmes conditions climatiques que les plantes et le sol : rayonnements (solaire), vent, température et humidité[5].
Cette relation simple est formulée par[5] :
- ETp l'évapotranspiration potentielle calculée (en mm)
- Kbac le coefficient du bac
- Ebac la mesure d'évaporation dans le bac (en mm).
Néanmoins de nombreux facteurs distinguent les conditions d'évaporation du bac et l'évapotranspiration du sol et des plantes (capacité du bac d'emmagasiner de la chaleur, les turbulences aériennes...). Ces aspects divergents sont pris en compte pour la mise en place des bacs (taille et forme du bac, choix couleur et matériaux...), et par des coefficients correcteurs plus complexes (définis par facteurs climatiques et géographiques)[5]. Selon la FAO, la méthode des bacs d'évaporation donnerait des estimations « acceptables », avec un correct emplacement des bacs et pour des estimations sur des périodes supérieures à 10 jours. Selon des études de l'ASCE, en comparaison d'autres méthodes de calcul, la méthodes des bacs s'avèrent généralement « irrégulière et inconstante »[6].
Modélisation de Penman et Monteith[modifier]
La modélisation dite « Penman-Monteith » est très utilisée et considérée comme le modèle offrant « les meilleurs résultats et le minimum d'erreurs » selon l'Organisation des Nations unies pour l'alimentation et l'agriculture[7] et présentant des résultats « exacts et constants » pour les climats tempérés, humides et arides. Avec ce modèle, la couverture végétale est considérée comme un ensemble homogène et l'évapotranspiration est considérée de manière « verticale », comme une succession de résistances et régulations empêchant l'eau de s'évaporer : la résistance du sol, des racines, des stomates des feuilles, du couvert, etc[8].
La formule complexe de Penman-Monteith (1965) incorporent de nombreux paramètres, qui sont mesurables ou bien calculables à partir de données météorologiques et agronomiques. Les données météorologiques utilisées comportent par exemple, la variations de température, d'humidité et de pression atmosphérique, la latitude, altitude, durée d'ensoleillement, force du vent. Les paramètres agronomiques comportent l'albedo et conductivité stomacale des plantes, la hauteur des plantes, le type de sol...
Avec pour paramètres :
- ETp = Evapotranspiration potentielle (disponibilité d'eau dans le sol et les plantes)
- Δ = Variation de saturation de l'humidité selon la température de l'air. (Pa K−1)
- Rn = irradiance nette (W m−2) du flux d'énergies extérieures
- cp = Capacité thermique de l'air (J kg−1 K−1)
- ρa = Densité de l'air sec (kg m−3)
- δe = déficit de pression de vapeur ou specific humidity (Pa)
- ga = Conductivité hydraulique de l'air (m s−1)
- gs = Conductivité des stomates (m s−1)
- γ = Constante psychrométrique (γ ≈ 66 Pa K−1)
Modélisation des disponibilités de l'eau[modifier]
L'évapotranspiration réelle (ET) est calculée ensuite à partir de la mesure des disponibilités de l'eau dans le sol et les racines. Cette disponibilité est mesurée à partir de l'humidité du sol et les caractéristiques physiques du sol et des racines — ou bien calculée d'après une modélisation des réserves d'eau (calcul d'infiltration, ruissellement et percolation selon les précipitations).
En comparaison du calcul des équilibres énergétiques (voir section suivante), cette méthode de calcul permet de préciser l'évapotranspiration sur des périodes courtes (durée inférieure à 1 heure) ; mais la modélisation impose des mesures complexes et couteuses pour déterminer les paramètres physiques. De même de petites erreurs dans l'évaluation des disponibilités d'eau dans le sol impliquent de grandes erreurs d'estimation de l'ET réelle[8].
Calcul d'évapotranspiration de référence (ETo) et culturale (ETc)[modifier]
L'évapotranspiration d'une couverture végétale spécifique peut ainsi être calculée directement, à partir des formules combinant le modèle de Penman-Monteith et la disponibilité de l'eau. En pratique, l'évaporatranspiration est généralement calculée en fonction d'une culture de référence (ETo).
Soit une évapotranspiration de référence (ETo), par exemple pour une parcelle d'herbe haute de 12cm suffisamment hydratée[9] calculée avec la formule Pennman-Monteith. À partir de cette ETo est ensuite calculée l'évapotranspiration pour une culture spécifique (ETc), par exemple un champ de blé.
Avec une formule simplifiée, ETc dépend d'un facteur culture (Kc) lié aux plantes (espèces végétales, profondeur racines, état de croissance...) et d'un facteur stress (Ks) lié aux spécificités du terrain (composition du sol, stress hydrique, protections contre vent et évaporation, espacement des plants, fréquence d'arrosage…). Ce calcul de ETc est souvent présenté sous l'équation simplifiée :
Autres équations[modifier]
- l'équation originale de Pennman (1948) était l'une des plus notoire, mais elle nécessite des calibrages locaux (fonction vent) pour des résultats satisfaisants.
- Équations basées sur la température : Thornthwaite (1948), Hamon (1963), Hargreaves-Samani (1985)[2]
- Équations basées sur la radiation : Turc (1961), Makkink (1957), Priestley-Taylor (1972)[2]
- Équation de Blaney-Criddle (en anglais) : formule simpliste basée sur la température moyenne et la durée moyenne d'ensoleillement.
Calcul des masses d'eau[modifier]
Bilan hydrologique[modifier]
L'évapotranspiration peut être estimée à partir de l'équation d'équilibre de l'eau d'un bassin de drainage (S) :
Avec :
- ΔS : variation de la quantité d'eau dans le bassin S.
- P : précipitations (pluie)
- ET : évapotranspiration
- Q : eau de ruissellement
- D : eau drainée (en profondeur)
L'évaporation peut donc être calculée à partir de la formule dérivée :
Ce type de modélisation semble peu précis sur une courte période mais assez fiable sur une longue période, pour autant que les mesures de pluie sont précises[8].
Mesures lysimétriques de référence[modifier]
En pratique, les variations d'eau sont mesurée sur une petite parcelle de référence aménagée sous forme de bassin avec un appareil de mesure : le lysimètre. Le lysimètre permet de mesurer (par pesée) la variation d'eau (ΔS) dans le bassin (eau contenue dans le sol et les plantes). Le lysimètre permet également de récupérer et mesurer l'eau drainée (D) vers le sous-sol. L'eau de ruissellement (Q) est récupérée (par exemple avec des rigoles installées en bordure du bassin) pour être mesurée. Les précipitations (P) sont mesurées avec un pluviomètre.
Ces mesures lysimétriques permettent ainsi de déterminer l'évapotranspiration du bassin délimité. Cette évapotranspiration de référence (ETo) permet ensuite d'estimer ou calculer l'évaporation d'un couvert végétal quelconque, de plus vaste étendue ou d'une autre nature végétale.
Modélisations des pluies et débits[modifier]
Bilan atmosphèrique[modifier]
Cette méthode consiste à prendre pour référence une tranche d'air atmosphérique au-dessus d'un couvert végétal. L'évapotranspiration est déduite par la mesure et comparaison de l'eau contenue dans cette zone de référence.
La mesure de covariance des turbulences (anglais eddy covariance) est une méthode commune d'estimation, avec l'emploi de différents instruments de mesure : anémomètre sonique à trois directions, hygromètre à krypton à champ ouvert[10]...
Calcul des flux énergétiques[modifier]
Dans une approche physique, la transformation de l'eau en vapeur est considérée selon ses aspects énergétiques. Par cette approche, l'évapotranspiration (ET) correspond au flux de chaleur latente (LE) dans l'équation du bilan d'énergie suivant[11] :
Avec
- Rn : Rayonnement net (bilan du rayonnement solaire, rayonnement réfléchi par surface, rayonnement atmosphérique et de l'émission de surface)
- H : Flux de chaleur sensible (convectif dans l'air)
- G : Flux de chaleur par convection dans le sol (valeur faible)
- LE : Flux de chaleur latente
- ΔCO2 : Variation du CO2 (photosynthèse)
- ΔM : Variation de masse (stockage d'énergie)
En négligeant les variations ΔCO2 (2-3% de l'énergie) et de ΔM, la formule peut être simplifiée[11] et l'évapotranspiration est donc estimée d'après les données mesurées et calculées du rayonnement net et des autres flux de chaleur
Mesures sur le terrain[modifier]
A l'échelle d'un petit couvert végétal, les échanges d'énergie peuvent être mesurés sur le terrain avec différents appareils : Le rayonnement net est mesuré par un pyrradiomètre. Le flux de chaleur dans le sol est mesuré par un fluxmètre. Les flux de chaleur sensible et latent sont calculés à partir de mesures différentielles de température ambiante et humide de psychromètres placés.
Mesures par satellite[modifier]
A l'échelle régionale, les échanges d'énergie peuvent être mesurés par certains satellite de télédétection ; leurs radiomètres mesurent les luminances spectrales au sommet de l'atmosphère, pour différentes longueur d'onde (visible, infrarouge, infrarouge thermique...), les albedos et températures de surface, et les indices de végétation. Ces données sont ensuite analysées par différentes méthodes, à l'exemple des algorithmes SEBAL (en) ou S-SEBI[11].
Autres méthodes d'estimation[modifier]
- Estimation de la transpiration végétale par mesure de la circulation de sève[12].
- Mesure des isotopes stables dans la vapeur d'eau atmosphérique[13].
Bibliographie[modifier]
Généralités[modifier]
- H. Chamayou, Éléments de Bioclimatologie, Agence de Coopération Culturelle et Technique, avec la collaboration du Conseil international de la langue française, 1993 (ISBN 2-85319-237-7), 283 pages [pertinent?]
Approches agrométéorologiques[modifier]
- (en) Richard G. Allen, Luis S. Pereira, Dirk Raes et Martin Smith, « Crop evapotranspiration : Guidelines for computing crop water requirements », FAO Irrigation and drainage, Organisation des Nations unies pour l'alimentation et l'agriculture, no 56, 1998 [texte intégral]
- Jacques Kessler, Alain Perrier et Christian de Pescara, La Météo agricole, Météole, 1990 (ISBN 2-908215-00-4)
Approches hydrodynamiques[modifier]
- Ludovic Oudin, Recherche d'un modèle d'évapotranspiration potentielle pertinent comme entrée d'un modèle pluie-débit global, thèse 2004. en ligne
Approches énergétiques[modifier]
- Techniques d'étude des facteurs physiques de la biosphère ; INRA Publ. 70-4 Dépôt légal 1970 n° d'ordre 9.046. page 425 Méthodes et techniques de détermination des coefficients de transfert et des flux dans l'air.
Notes et références[modifier]
- http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/49/98/16/PDF/memoire.pdf p. 15
- Lu, Jianbiao, et al. "A COMPARISON OF SIX POTENTIAL EVAPOTRANSPIRATION METHODS FOR REGIONAL USE IN THE SOUTHEASTERN UNITED STATES1." JAWRA Journal of the American Water Resources Association 41.3 (2005): 621-633. en ligne
- Oudin2004 p. 22-24 http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/49/98/16/PDF/memoire.pdf
- Évapotranspiration réelle et potentielle et signification climatique (Cf. Effet oasis) - R.J. Bouchet, station centrale de bioclimatologie, Versailles Institut national de la Recherche agronomique (France) [PDF]
- http://www.fao.org/docrep/X0490E/x0490e08.htm#pan evaporation
- FAO-56 chap. 2
- « the best results with minimum possible error in relation to a living grass reference crop », Chapter 2 : FAO-56
- Robin, Ferren, Najjar, « Réseau de mesures simplifiées destiné à l'estimation en continu de l'évapotranspiration et de la pluie », dans Agriculture intensive et qualité des eaux, Quae, 1998 en ligne
- FAO-56
- Voir (en) « Using Eddy Covariance to assess terrestrial evapotranspiration »
- Souidi, Hamimed, Merbal, « spatialisation de l'évapotranspiration et des flux énergétiques de surdace à partir des données Landsat ETM+ : Application à une région forestière de moyenne montagne en Algérie », 2009 consulter en ligne
- Voir par exemple « Intérêt des méthodes thermiques de mesure du flux de sève pour l'étude du Man hydrique des savanes » [1], « Utilisation de la mesure thermique du flux de sève pour l’évaluation de la transpiration d’un palmier dattier » 2008 [2]
- Williams, D. G., et al. "Evapotranspiration components determined by stable isotope, sap flow and eddy covariance techniques." Agricultural and Forest Meteorology 125.3 (2004): 241-258. consulter online
