L'OUTIL " CADASTRE_NH3 " - SOPHIE GÉNERMONT, JEAN-MARC GILLIOT, JULIE RAMANANTENASOA ET AL. INRA, AGROPARISTECH, UMR 1402 ECOSYS, THIVERVAL-GRIGNON
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Issus du projet « Réalisation de cadastres/cartes dynamiques des émissions d’ammoniac liées à la fertilisation azotée aux échelles régionale et nationale » 2010-2014 L’outil « Cadastre_NH3 » Sophie Génermont, Jean-Marc Gilliot, Julie Ramanantenasoa et al. INRA, AgroParisTech, UMR 1402 EcoSys, Thiverval-Grignon
Plan Contexte Démarche, choix Des résultats prometteurs d'utilisations opérationnelles Prolongations et perspectives 2 Avril 2017
Contexte
L’ammoniac : un gaz agricole La France : premier pays émetteur d’ammoniac de l’Union Européenne L’ammoniac issu des activités agricoles avec 679 kt / an Pour l’année 2012 (format SECTEN - 2014) Avril 2017
L’ammoniac et la qualité de l’air Avril 2017
Enjeux : Maitriser les pertes d’ammoniac au champ Préservation de la valeur fertilisante Réduction des impacts Protocole de Göteborg (révision 2012) de la CLRATP Révision de la directive NEC (2001/81/CE) Plan de Réduction des Emissions de Polluants Atmosphériques (PREPA) (France) En discussion Plans de protection de l’Atmosphère PPA (Régions) Consultation du public en cours Meilleure quantification des sources : inventaires dynamiques spatialisés d'émissions (= cadastres) Avril 2017
Démarche, choix
Démarche, choix Réalisation d'un cadastre spatialisé des émissions d'ammoniac liées à la fertilisation azotée agricole à l'échelle nationale 8 Avril 2017
Démarche, choix Deux approches sont classiquement utilisées pour le développement d’un cadastre : - Les méthodes « top-down » qui partent des données statistiques générales disponibles pour calculer les émissions et les répartir ensuite aux échelles plus fines à l’aide de clés de répartition. - Les méthodes « botton-up » qui reposent sur la collecte de données à l’échelle la plus fine pour calculer les émissions qui sont ensuite agrégées aux échelles supérieures 9 Avril 2017
Outil Cadastre_NH3 basé sur Volt’Air Entrées Sol Volt’Air Sorties Etat de surface qq min Flux de Apports agric. - volatilisation Environnement 1h Pertes cumulées Climat Evolution du sol application … Pratiques agricoles incorporation Dispersion gazeuse irrigation dans l’atmosphère Bilan d’énergie T surf advection locale Evaporation Transfert de chaleur dans le sol Equilibres Loi de Fick 15 s physico-chimiques Transfert d’eau NH 4 + s ↔ NH 4 + aq ↔ NH 3 aq ↔ NH 3g Sources dans le sol et puits Nitrification 10 Loi de Darcy, Loi de Fourrier Dégradation Avril 2017
Outil Cadastre_NH3 basé sur Volt’Air Volt’Air Entrées : o Pas de temps horaire 7 fichiers incluant : o Simulation à l’échelle d’une parcelle Informations Générales : latitude/hauteur capteurs Sol : texture/pH/Corg Climat : Ta, HR, Rg, vent, pluie Techniques culturales : Fertilisation/Travail du sol/Irrigation Type/Date.heure/Dose/Technique Taille parcelle Avril 2017
Définition des scénarios de simulation Collecte des données Base SQLITE 12 Avril 2017
Définition des scénarios de simulation Collecte des données Pratiques culturales Année 2005-2006 Base SQLITE Avril 2017
Définition des scénarios de simulation Exploitation des enquêtes pratiques culturales Enquêtes PK Analyse multivariée ITK majoritaires Analyse Factorielle des de la culture Correspondances pour la région Multiples (AFCM) Classification Nombre(s) d’apports et Ascendante pour chaque apport : Hiérarchique (CAH) - Période d’apport - Dose (t/ha ou m3/ha) - Nature de l’engrais Schott, C., Mignolet C., et al. (2008) Avril 2017
Définition des scénarios de simulation Les engrais minéraux 15 Avril 2017
Définition des scénarios de simulation Les engrais organiques Nombre d'apports de N organiques sur les parcelles de grandes cultures en 2005-2006 4000 3500 1 apport Nb de parcelles enquêtées 3000 Norg sur 2500 toutes les 2000 cultures 1500 0 APPORT 1 APPORT 1000 2 APPORTS 500 3 APPORTS 0 Cultures Avril 2017
Définition des scénarios de simulation Exploitation des enquêtes pratiques culturales Natures des engrais organiques épandus par région en 2005-2006 350 Vinasse Lisier de Vinasse 300 Porc LisPoul Dominance LisPor 250 du FumBov LisLap LisBov 200 FumVol FumPor 150 FumOv FumCan 100 FumBov FienteSec 50 FientePat EauxSuc 0 CompVeg CompAni Avril 2017
Définition des scénarios de simulation Exploitation des enquêtes pratiques culturales Répartition des dates d'apport de Norg sur Maïs fourrage pour la campagne 2005-2006 60 Nb parcelles enquêtées 50 40 30 BNORM 20 P.LOIRE 10 0 Période 1 Période 2 - Nb de parcelles de la période - Quinzaine de début - Quinzaine de fin - Loi de distribution des dates (normale/uniforme) Une période - Nature(s) des effluents les plus apportés Par type d’effluent: - Nb de parcelles qui en reçoivent - Dose (t/ha ou m3/ha) + Calculs Qté Nmin Avril 2017
Définition de l’Unité Spatiale de Modélisation (USM) PRA : Petites Régions Agricoles = USM choisies avec Volt’Air Avril 2017
Définition de l’Unité Spatiale de Modélisation (USM) Avril 2017
Principe des calculs d’émissions de NH3 par PRA avec Volt’Air 994 combinaisons Météo: 1 SAFRAN / PRA Sols: 1 sol majoritaire / PRA statistiques 994 météo X simulations sols VOLT’AIR X pratiques USM: 23 PRA (engrais) X cultures Ex. Bretagne 5 Cultures / PRA Q NH3 / PRA Pratiques / REGION Blé tendre + Colza + Orge + 8 ITK Maïs fourrage + Triticale culture/date/dose/produit Pomme de terre, betterave et pois = surfaces négligeables CARTES Avril 2017
Limitations : temps de calcul L’outil de simulation: simulations VOLT’AIR Parallélisassions des calculs Ordonnancement des simulations par groupe de 20 core 01 core 02 core 20 ... 1 core 20 cores temps divisé par 10 Avril 2017
Principe des calculs d’émissions de NH3 par PRA avec Volt’Air _ _ _ = � � � ∗ ∗ ∗ ∗ 1000 100 100 100 Epra émissions d’une PRA en tonnes NH3 c les cultures présentes dans cette PRA Itk les itinéraires techniques de fertilisations pour cette culture dans la PRA a les apports de fertilisant de cet itk CUc_itk_a le cumul Volt’Air émissions NH3 en kg / ha / année pour cette culture / itk / apport Sc la surface de la culture en ha dans la PRA Pitk représentativité en pourcentage de cet itk parmi tous les itk existant pour la culture Pa représentativité en pourcentage de cet apport parmi tous les apports existant cet itk Pf pourcentage des agriculteurs qui fertilise cette culture dans cette PRA Avril 2017
L’outil « Cadastre NH3 » Distribution spatiale et temporelle Avril 2017
Des résultats prometteurs d'utilisations opérationnelles
Cadastre des apports d’azote des différents types d’engrais selon les régions Comparaison avec le CITEPA 2 792 kt N (+ 1%) 2 764 kt N Avril 2017
Cadastre des émissions d'ammoniac des différents types d’engrais selon les régions Comparaison avec le CITEPA 1 421 kt NH3 (-29%) 1 744 kt NH3 27 Avril 2017
Vers une adaptation des facteurs d’émission aux spécificités françaises Ammonium N Cattle Cattle Sheep Pig Urea Vinasse Nitrate solution FYM slurry FYM slurry EMEP Guidebook(a) 0.037 0.125 0.243 79 55 90 29 – 40 - 37 CADASTRE_NH3 0.040 0.143 0.262 66 60 73 39 29 Mean national Alsace 0.031 0.117 0.290 59 62 - 49 13 Aquitaine 0.039 0.205 0.205 64 - - - 15 Auvergne 0.022 0.088 0.244 62 - - - 12 Basse-Normandie 0.057 0.153 0.310 69 48 - 52 17 Bourgogne 0.028 0.095 0.220 62 - - - 22 Bretagne 0.033 0.091 0.220 69 62 - 36 10 Centre 0.041 0.140 0.290 68 - - - 26 Champagne-Ardenne 0.043 0.180 0.303 66 - - - 32 Franche-Comté 0.035 0.134 0.177 58 - - - 20 Haute-Normandie 0.035 0.115 0.248 67 - - - 14 Île-de-France 0.042 0.140 0.305 66 - - - 32 Languedoc-Roussillon 0.075 0.195 0.357 72 - 77 - 34 Limousin 0.010 0.040 0.091 67 - - - - Lorraine 0.028 0.119 0.265 64 - - - - Midi-Pyrénées 0.059 0.181 0.301 65 - 73 - - Avril 2017 Nord-Pas-de-Calais 0.045 0.134 0.306 67 54 - - 23
Dynamique temporelle des apports et des émissions Apports (kt N) Exemple : région Rhône-Alpes Année culturale 2005-06 Volatilisation kt NH3 29 Avril 2017
Prolongations et perspectives
Simplification du modèle Taux d'émissions de NH3 à la parcelle Par méta-modélisation basée sur Cas de la solution azotée Volt’Air et les scénarios français Thèse J. Ramanantenasoa Financement INRA-ADEME, 2014-2018 Projets Amp’Air, EVAPRO, EVAMIN Calculs Volt'Air Encadrement : David Makowski, Jean-Marc Gilliot, Carole Bedos, Sophie Génermont Production de fonctions simplifiées de la volatilisation par des méthodes statistiques (dont régressions) à partir Préditctions métamodèle des dizaines de milliers de simulations Inventaires nationaux : facteurs d'émission (EF) Tier 2 ou Tier 3 31 Outils d'aide à la décision : optimisation de la fertilisation azotée Avril 2017
Politiques publiques en matière de qualité de l'air Avril 2017
Politiques publiques en matière de qualité de l'air Projet Amp'Air (APR PRIMEQUAL 2015) Amélioration de la représentation des émissions agricoles d'ammoniac pour une meilleure prévision de la qualité de l'air en France. Contribution à la meilleure prise en compte des variabilités spatiales et temporelles sorties à un pas de temps horaire, sur des mailles fines (qq dizaines de km) Comparaison avec d’autres méthodes d’inventaires, basés sur des images satellitaires (LISA) « Validation » par confrontation à des mesures de terrain de concentrations en NH3 et en PM10, PM2.5 (Mines de Douai) Campagne de mesure : recouvrement avec enquêtes PK 2016-2017 4 régions/AASQA : Champagne-Ardenne, Ile-de-France, Bretagne, Rhône-Alpes Vérification de l'amélioration du modèle de prévision de la qualité de l'air Prév'Air basé sur les modèles atmosphériques de chimie transport (CHIMERE) pour calculer la formation des PM10, PM2.5 (INERIS) Méta-modélisation plus globale et anticipation des pics de pollution: climat/pratiques/émissions (MétéoFrance) Avril 2017
Améliorer la représentation de la dynamique des émissions à l’échelle de la France et des régions Profil mensuel de la Profil horaire de la répartition temporelle (EMEP) répartition temporelle 34 Avril 2017
Politiques publiques en matière de qualité de l'air Projet PolQA (APR PRIMEQUAL 2015) POLitiques d’amélioration de la Qualité de l’air grâce aux pratiques Agricoles Amélioration de l’évaluation de l’impact de la mise en œuvre des techniques de réduction, en ciblant mieux les périodes, les zones géographies, les cultures, les produits… Sur la bas des travaux préparatifs au PREPA sorties à des pas de temps intermédiaires, échelles régionales, infra-régionales Effet de l’arrêt des épandages/fertilisations sur les niveaux d’émission sur les niveaux de concentrations particulaires et pics de pollution Collaborations : INERIS, CITEPA, APCA, Arvalis Enjeux : scénarios de réduction ! Avril 2017
Impacts du déploiement des mesures de réduction sur les émissions d’ammoniac : exemples CADASTRE NH3 Émissions Réduction des émissions 2005-2006 % / émissions % émissions (kt NH3) (kt) au champ agricoles Sans mesure de réduction 328 Substitution totale de l'urée 300 28 8.5% 4.1% Substitution à 60% de l'urée 311 17 5.1% 2.4% Incorporation des PRO à 24h 296 32 9.8% 4.6% Substitution urée 100% + 268 60 18.3% 8.7% Incorporation des PRO à 24h Substitution urée 60% + Incorporation 279 49 14.9% 7.1% des PRO à 24h … « Valeurs ré-actualisées » Avril 2017
Vers une adaptation des facteurs d’émission aux spécificités françaises Efficacité de l’incorporation en post-application à 24h « Valeurs à actualiser » CITEPA Cadastre NH3 Tous Fumier Fumier Lisier Lisier Vinasse les PRO bovin ovin bovin porcin Efficacité 70% 23% 27% 58% 49% 66% Puis incorporation immédiate, à 4h, 12h… apport en bandes injection … Avril 2017
Qualité de l’air, Politiques publiques : variabilités spatiales et temporelles CTM (PM10, PM2.5) - anticipation des pics de pollution aux particules - impact des mesures et techniques de réduction Inventaires nationaux : FE NH3 adaptés au contexte français Optimisation de la fertilisation azotée : outils d’aide à la décision transfert de pollution (N2O…) (CERES-EGC, STICS, Syst’N, Azofert…) Opérationnalité Fonctions simplifiées de volatilisation par méta-modélisation thèse INRA ADEME 2014-2017 Julie Ramanantenasoa (David Makowski, Jean-Marc Gilliot, Carole Bedos, Sophie Génermont)
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