Optimisation des systèmes de drainage souterrain

Les champs humides et détrempés peuvent retarder les opérations de travail du sol, de semis, de pulvérisation et de récolte. L'élimination de l'excès d'eau des champs repose sur le drainage de surface et souterrain. Le drainage de surface consiste en l’utilisation de voies d'eau, fossés et autres moyens pour aider à diriger l'excès d'eau d'un champ vers des cours d'eau et des rivières plus importants. Le drainage souterrain d'un champ est le résultat de l’infiltration de l'eau excédentaire du profil du sol dans des canalisations d'argile ou de béton à l’ancienne ou des canalisations en matière plastique modernes et de son écoulement dans les cours d'eau et les rivières à proximité. Dans certaines situations, l'écoulement provenant des systèmes de drainage souterrain est inversé afin que l'eau puisse être pompée à nouveau dans le système pour irriguer les cultures.

Avantages potentiels associés au drainage souterrain

• Hausse de rendement
• Accès plus rapide aux champs pour les opérations de travail du sol et de pulvérisation au printemps
• Amélioration de l’état d’ameublissement du sol
• Pénétration plus profonde des racines
• Réduction du compactage
• Réduction du stress hydrique
• Réchauffement plus rapide du sol
• L'amélioration des conditions du sol favorise une émergence et un établissement plus rapides de la culture
• Meilleure infiltration de l'eau
• Les systèmes conçus correctement peuvent contribuer à limiter la perte de nutriments associée au drainage de surface
• Baisse de la salinité (nécessite plusieurs années)
• Gestion de l'infiltration saline des flancs de collines vers les zones de dépression

Inconvénients potentiels associés au drainage souterrain

• Lessivage des nitrates dans le système de drainage et éventuellement dans les cours d'eau, les lacs et les océans
• Une certaine lixiviation de pesticides peut se produire; cependant, cela est plus probable avec le drainage de surface

La possibilité d’augmenter le rendement des cultures est la principale motivation pour l'installation d'un système de drainage souterrain (figure 1). L’humidité excessive dans un champ peut nuire au rendement d’une culture en retardant les opérations au champ, en favorisant les maladies qui se développent en milieu humide, en tuant les cultures existantes et en diminuant la disponibilité des nutriments, en particulier l'azote, pour l'absorption par les racines (figure 2). La réduction des effets liés à ces facteurs et à d'autres par le drainage souterrain devrait permettre d'améliorer le rendement des cultures. Dans le cadre de travaux de recherche effectués sur des sols mal drainés, une augmentation moyenne de 10 à 15 % du rendement a été observée après l’installation d’un système de drainage souterrain¹. Les gains de rendement typiques obtenus avec un drainage souterrain adéquat oscillent entre 627 et 1 882 kg par hectare pour le maïs et entre 269 et 538 kg par hectare pour le soya¹.

Un essai de simulation de drainage souterrain de longue durée effectué dans le Nord-Ouest du Minnesota a montré que, en l’absence de drainage, le blé de printemps a atteint en moyenne 65 % de son rendement potentiel. Avec le drainage souterrain, le rendement annuel moyen du blé a atteint 78 à 82 % de son potentiel².

Le rendement potentiel du canola peut être diminué lorsque le mauvais drainage crée un milieu favorable au développement des maladies du canola. De plus, il a été démontré que le rendement potentiel du canola peut être réduit de 5, 10 et 20 % si le semis n’est pas effectué avant la 3e semaine de mai, la 4e semaine de mai et la 1re semaine de juin, respectivement³.

Conception

La conception d’un système de drainage souterrain dépend largement de la topographie de chaque champ. Les canalisations latérales qui alimentent une canalisation principale de plus grand diamètre peuvent être posées selon des motifs en parallèle, en chevrons, doubles ou concentriques (comme des feuilles alternes sur une branche d'arbre). Quelle que soit le motif utilisé, les canalisations principale et latérales doivent être de taille appropriée pour répondre aux besoins de drainage présents et potentiellement plus importants dans le futur. L'écoulement dans une canalisation se fait par gravité; par conséquent, les canalisations devraient être enfouies à une profondeur de 1 à 1,5 mètre, selon la pente naturelle du champ, la profondeur habituelle du labour et le point d'entrée dans le fossé, le ruisseau, l'étang ou tout autre destination. Si la sortie de drain est plus basse que le point d’évacuation, une installation de collecte avec un équipement de pompage approprié sera nécessaire pour diriger l'eau récupérée loin du champ. Les stations de pompage peuvent augmenter considérablement le coût d'un système de drainage; il est donc nécessaire de prévoir un budget conséquent.

La profondeur et l'espacement des canalisations déterminent le taux d'élimination de l'eau du sol drainé. Il existe une relation étroite entre la perméabilité du sol et l'espacement et la profondeur des canalisations latérales. Les systèmes de drainage sont généralement conçus pour abaisser la nappe phréatique d'au moins 15 cm en 24 heures⁴. Les sols plus fins (loams et argiles) nécessitent des canalisations latérales plus rapprochées, tandis que dans les sols à particules grossières (limons et sables) elles peuvent être plus espacées¹. Dans les sols limoneux et les sables plus grossiers, il peut être nécessaire d’installer une enveloppe protectrice autour des canalisations de drainage pour empêcher les particules de sol d’y pénétrer avec l'eau¹. Consultez le bureau local du Service de la conservation des ressources naturelles pour obtenir de l’information sur la conception des systèmes de drainage de surface et souterrain, sur la politique relative à la conservation des sols et des eaux et sur les possibilités d’aide financière applicable à la réalisation de tels systèmes.

Gestion du lessivage des nitrates

Le lessivage des nitrates dans les canalisations latérales est une préoccupation majeure associée au drainage souterrain en raison des problèmes environnementaux et de qualité de l'eau qu’il peut engendrer. L’enfouissement superficiel des canalisations de drainage et l’utilisation de structures de régularisation du débit de l’eau, de bioréacteurs, de fossés à deux paliers, de cultures de couverture et de zones tampons sont des méthodes qui permettent de gérer le lessivage des nitrates.

Enfouissement superficiel des canalisations de drainage

En retirant moins d'eau du sol, les canalisations latérales enfouies moins profondément et plus près les unes des autres ont permis de réduire la concentration de nitrates dans l'eau de drainage5. Essentiellement, le système maintient la nappe phréatique à un niveau généralement plus élevé que les canalisations plus profondes; cependant, cette configuration élimine l'eau plus rapidement. La prudence est de mise car les canalisations latérales doivent être enfouies assez profondément pour éviter tout risque d'écrasement par les équipements lourds. Des recherches menées dans le Minnesota et l'Illinois ont montré une réduction de la charge en nitrates d'environ 20 % lorsque les canalisations sont installées à 90 cm plutôt qu’à 120 cm de profondeur⁵. L’objectif du drainage souterrain est d'aider à réduire le ruissellement. Il est possible que des canalisations enfouies plus près de la surface n’entraînent qu’une très légère diminution du ruissellement et que, par conséquent, la mobilité du phosphore et des sédiments demeure un facteur environnemental. L'infiltration de nitrates dans les eaux souterraines peut demeurer problématique si elle se produit sous les canalisations de drainage. En outre, l’enfouissement des canalisations plus près de la surface risque de favoriser la dénitrification parce que la saturation du sol dans la zone racinaire peut créer des conditions anaérobies favorables aux bactéries dénitrifiantes qui convertissent les nitrates en azote gazeux, ce qui aide à empêcher les nitrates d'atteindre les eaux de drainage et de surface⁵.

Canalisations plus espacées

Augmenter la distance entre les canalisations, donc réduire la quantité d'eau prélevée, peut potentiellement diminuer la quantité totale de nitrates s'écoulant dans le système de drainage. Une modélisation informatique réalisée par l'Agence de la protection de l’environnement des États-Unis (EPA) a montré que la charge en nitrates peut être réduite du tiers environ lorsque l'espacement entre les canalisations passe de 12 à 15 mètres^5,6.

Structures de régularisation du débit d’eau

Les structures de régularisation du débit d’eau placées dans le drain principal, secondaire ou latéral peuvent être utilisées pour faire varier la profondeur de la sortie du système afin de gérer la hauteur de la nappe phréatique et l'écoulement des nitrates (figure 3)⁷. La structure est abaissée au printemps et avant la récolte afin que l’eau de drainage puisse s'écouler librement, puis elle est rehaussée après le semis et les travaux du printemps pour stocker l'eau et irriguer la culture. Des recherches ont montré que la réduction de la quantité de nitrates dans l'eau de drainage varie de 15 à 75 %, en fonction de l'emplacement, du climat, du type de sol et des pratiques culturales^1,7. La gestion des eaux de drainage réduit les volumes d'écoulement dans le système et peut contribuer à réduire le lessivage des nitrates⁸. L’enrochement peut être utilisé pour remplacer les entrées ouvertes et réduire le débit d'eau vers les entrées de drain et limiter l'entrée de sédiments dans le système.

Systèmes de bioréacteurs

Les systèmes de bioréacteurs comportent des tranchées souterraines remplies principalement de copeaux de bois pour filtrer l'eau de drainage avant qu'elle ne quitte le champ et ne s'écoule dans le fossé de drainage ou le cours d'eau. Les copeaux de bois servent de substrat aux bactéries dénitrifiantes qui transforment les nitrates en azote. D'après les recherches menées dans l'Iowa, l'Illinois et le Minnesota, les bioréacteurs éliminent généralement chaque année de 15 à 60 % de la charge en nitrates d'un système⁹.

Des recherches sont en cours sur l'ajout d'une structure de filtrage « biochar » distincte située après la structure en copeaux de bois et juste avant que l'eau ne s’échappe du système vers le fossé ou le cours d'eau (figure 4). Le biochar est un produit riche en carbone, semblable à du charbon de bois, qui peut absorber et retenir des nutriments tels que l'azote et le phosphore. Périodiquement, le biochar peut être retiré et répandu sur le champ avant le semis d'une culture. Pendant la saison de croissance, les nutriments sont libérés du biochar et utilisés par la culture¹⁰.

Zone tampon

L'objectif d'une zone tampon est d'aider à « siphonner » les éléments nutritifs tels que les nitrates et le phosphore du drainage souterrain avant qu'ils ne se déversent dans le fossé collecteur ou le cours d'eau. On a attribué aux zones tampons l'élimination de 42 % des nitrates en moyenne¹¹.

Les zones tampons sont des zones de végétation pérenne (d'au moins 10 mètres de large) situées entre les terres cultivées et la sortie des canalisations de drainage souterrain (fossé ou cours d'eau) (figure 5). La zone tampon doit être plus basse que les terres cultivées adjacentes pour éviter l'inondation¹¹. Le système comprend l'installation d'une structure de régularisation du débit d'eau, l'installation de canalisations de drainage placées à environ 30 cm sous la surface et la plantation de végétation pérenne sur ces canalisations. La structure de régulation sert de barrage qui élève le niveau d'eau au-dessus de la canalisation principale et redirige l'eau vers les canalisations peu profondes où les racines de la végétation pérenne peuvent absorber les nutriments contenus dans l'eau de drainage. Le système fournit essentiellement une irrigation souterraine à la végétation pérenne.

Une fois que l’eau s’est échappée des canalisations de la zone tampon, le sol environnant doit permettre un déplacement latéral lent de l'eau vers le fossé ou le cours d'eau. Un loam est idéal à cet égard, tandis que l’argile lourde risque de limiter le déplacement et que les sables pourraient permettre un déplacement trop rapide. De plus, il est nécessaire que les 75 premiers centimètres de sol de la zone tampon contiennent au moins 1,2 % de matière organique pour favoriser la nitrification¹¹. Des copeaux de bois mélangés au sol avant la plantation de la végétation peuvent fournir de la matière organique supplémentaire¹¹. La rive du fossé ou du cours d'eau doit être stable et ne pas dépasser 2,4 mètres de hauteur¹⁰.

Fossés à deux paliers

Les fossés à deux paliers sont des fossés de drainage qui ont été modifiés par l'ajout de bermes qui servent de plaines d'inondation à l’intérieur du canal principal. La conception en deux paliers imite un cours d'eau plus naturel qui conduit à une plus grande stabilité du canal. La berme facilite la dénitrification et l'absorption des nutriments tout en améliorant la stabilité du canal et en réduisant le déplacement des sédiments¹².

Cultures de couverture

Les cultures de couverture semées à l'automne sur des champs drainés peuvent contribuer à réduire les risques de lessivage de l'azote (figure 6). Les cultures de couverture utilisent l'azote pour leur croissance, puis, à la fin de leur cycle de vie, le libèrent en se décomposant. Les céréales semées par la suite peuvent alors utiliser l'azote libéré.

Recyclage de l'eau de drainage

Le recyclage de l'eau de drainage exige la construction d'un réservoir de captation de l'eau de drainage qui sera ensuite retournée dans le champ pour l'irrigation. Le recyclage de l'eau de drainage offre un potentiel de réduction de la charge en nitrates considérable. Cependant, le coût de l'investissement peut être élevé en raison de la taille du réservoir requis et de l'équipement d'irrigation nécessaire. Par exemple, un bassin de 1,2 hectare (3 acres) d’une profondeur de 3,3 mètres serait nécessaire pour stocker 10 cm d'eau de ruissellement et de drainage souterrain sur 40,5 hectares (100 acres). Le coût de mise en œuvre peut être mieux justifié pour les cultures de plus grande valeur comme les légumes et les fruits⁵.

Rétablissement des zones humides

Le coût de l'établissement d'une zone humide peut être élevé si les terres cultivées actuelles sont retirées de la production. Les nitrates dans une zone humide sont utilisés de plusieurs façons.

1. La dénitrification se produit lorsque les nitrates présents dans l'eau sont transformés en azote gazeux relâché dans l'atmosphère.
2. Les végétaux présents dans la zone humide utilisent les nitrates de l'eau pour leur croissance.
3. La quantité totale d'eau de drainage est réduite à la suite de l’infiltration dans les eaux souterraines, de la transpiration des plantes et de l’évaporation⁵.

L'efficacité des zones humides est meilleure pendant les mois chauds en raison de la croissance des plantes; cependant, la charge en nitrates est susceptible d’atteindre un sommet par temps plus frais au printemps. Environ 20 à 50 % des nitrates peuvent être éliminés en moyenne chaque année par l'établissement d’une zone humide⁵.

Autres types de confinement

Dans de nombreuses situations, l'eau de surface pénètre dans des avaloirs reliés à des canalisations souterraines. L'eau qui s'écoule dans les avaloirs peut transporter des sédiments, des nutriments (en particulier du phosphore) et même des pesticides. Les bandes enherbées, les orifices de percolation et les boudins filtrants remplis de copeaux de bois sont des outils permettant de potentiellement piéger et filtrer les contaminants présents dans l'eau de surface¹².

L'herbe qui pousse autour de la prise d'eau peut aider à filtrer les contaminants de l'eau avant qu’ils ne s’échappent dans la prise d'eau. Les inconvénients sont que l'herbe occupe la place de cultures productives et qu’elle peut être asphyxiée si le sol se sature durant des périodes excessivement humides¹³.

Les orifices de percolation sont des structures souterraines installées au fond des dépressions de terrain dans le but de filtrer l'eau à travers des couches de sol, de gravier calcaire, de géotextile et d’un mélange sable-gravier. Des tubes perforés sont placés dans la couche de calcaire pour intercepter l'eau filtrée et la diriger vers des canalisations de drainage. La structure est recouverte de terre, ce qui permet la culture dans cette zone¹³.

Les boudins filtrants sont des tubes en tissu remplis de copeaux de bois et de sulfate d'aluminium (alun) placés autour de l’avaloir. Les boudins capturent les sédiments et les nutriments (en particulier le phosphore) avant qu’ils ne s’échappent dans la prise d'eau. Les boudins doivent être remplacés et entretenus chaque année. Avec ce concept, seule une superficie minimale est perdue pour la production¹³.

Fumier

Les pratiques exemplaires de gestion doivent être adoptées quand on décide d’épandre du fumier sur des champs drainés. Le fumier peut facilement s'écouler avec les eaux de surface et pénétrer dans les avaloirs, entraînant l'eau contaminée vers les ruisseaux et les rivières. L’application des concepts de filtration présentés précédemment peuvent aider à réduire les effets négatifs associés à l’épandage de fumier. Éviter d'appliquer le fumier immédiatement avant la pluie peut aider à réduire la contamination de l’eau de drainage¹³.

De plus, les fissures du sol dans les champs desséchés par la chaleur et le manque d’eau peuvent permettre aux les contaminants du fumier d'atteindre directement les canalisations de drainage; par conséquent, on évitera les épandages de fumier dans ces champs. Travailler le sol avant l’épandage peut aider à fermer les fissures et améliorer la capacité de filtration du sol¹⁴.

Irrigation souterraine

Dans certaines régions, un système de drainage souterrain bien conçu peut servir à l'irrigation souterraine. Bien qu'elle ne soit pas nécessaire dans la majeure partie du Midwest, l'irrigation peut aider à maximiser le potentiel de rendement dans les zones qui ne reçoivent généralement que peu de précipitations ou dont les sols sont clairs ou sableux. L'irrigation souterraine nécessite habituellement l’installation de canalisations plus rapprochées et une source d'eau à pomper vers le champ afin d’élever la nappe phréatique pendant les périodes de sécheresse. La source d'eau peut consister en un étang de taille suffisante au point d'arrivée de l'eau de drainage. Une structure appropriée, telle que celle illustrée à la figure 3, est nécessaire à l'extrémité de la canalisation de drainage pour empêcher l’eau de s’écouler hors du champ et la recueillir pour former un étang d’où elle pourra être pompée vers le système de drainage pour hausser la nappe phréatique.

L'investissement initial peut être important si on considère la nécessité de construire un bassin de taille adéquate pour recueillir et retenir l'eau de drainage qui sera utilisée pour l'irrigation. De plus, on doit prévoir un plus grand nombre de canalisations à installer plus près les unes des autres, une pompe pour réintroduire l'eau de drainage dans le système et la perte de superficie productive qu’il faudra sacrifier pour construire le bassin.

Résumé

Le succès du drainage souterrain repose sur l’installation d’un système qui répond aux besoins actuels et à ceux d’une éventuelle expansion, qui respecte les normes de conservation et qui est conforme à la politique et à la réglementation locales en matière de drainage.