Introduction
En Bretagne comme en France, de nombreuses surfaces ont été rendues cultivables par des travaux de drainage agricole, pratique ancienne qui s’est largement intensifiée entre les années 1960 et 1980 (
Hirt et al., 2011 ;
Vincent, 2020). Ces opérations ont consisté à enterrer des tuyaux perforés dans le but d’évacuer l’eau du sol, essentiellement pendant sa période de saturation en hiver. Lors du recensement agricole de 2010, on estimait que 10,6% de la surface agricole utile (SAU) française était drainée (
Agreste, 2010), soit 3 millions d’ha. A l’échelle de la région Bretagne, cette proportion s'élevait à environ 6,2% (
Agreste, 2010).
L’écoulement annuel moyen des drains agricoles est, en France, de 180 mm ; cependant, leur fonctionnement hydrologique est saisonnier, il n’est pas homogène toute l’année (
Tournebize et al., 2020). En régions tempérées océaniques, l’amorce du drainage a lieu de novembre à décembre : l’évapotranspiration tend à diminuer, les pluies augmentent, le bilan hydrique climatique devient positif et l’eau s’accumule dans les sols jusqu’à saturation. Vient ensuite la phase de drainage intense (décembre à mars), période pendant laquelle les pluies sont abondantes, l’évapotranspiration minimale et les sols saturés en eau. Puis, d’avril à juin, les écoulements d’eau sont sporadiques car les pluies ont tendance à diminuer alors que l’évapotranspiration augmente. Enfin, il n’y a généralement pas d’écoulement de juillet à octobre, période pendant laquelle l’évapotranspiration est forte et les pluies faibles, ou alors intenses et ruisselant sur des sols secs, ce qui ne participe pas à recharger le réservoir hydrique des sols.
Les drains agricoles affectent le cycle naturel de l’eau car ils accélèrent l’évacuation de l’eau du sol et altèrent les régimes hydrologiques des cours d’eau récepteurs (
Blann et al., 2009 ;
Schilling et al., 2015). De plus, ils canalisent les pollutions diffuses aux exutoires des réseaux de drainage (
Tournebize et al., 2020). En effet, ils sont des conduits favorisant le transport de nutriments solubles, notamment azotés, ainsi que de pesticides depuis les parcelles drainées vers les cours d’eau (
Blann et al., 2009 ;
Gilliam & Skaggs, 1986 ;
Harris et al., 1994). Les drains agricoles réduisent également la capacité de dénitrification du milieu en court-circuitant le cycle de l’eau dans le sol (
Hirt et al., 2011).
Dans le cadre d’un projet de recherche visant à sensibiliser les agriculteurs aux questions relatives à la qualité de l’eau issue de leurs parcelles agricoles, nous avons réalisé des analyses chimiques et biologiques à la sortie des collecteurs de plusieurs drains d’un territoire agricole breton. Nous nous sommes intéressés aux concentrations en nitrates et pesticides et avons également mis en place des méthodes de bio-indication, utilisant des gammares (Gammarus fossarum) vivants qui devaient rester dans l’eau courante pendant des périodes de 7 jours (
Branchet et al., 2025). Pour interpréter les résultats sur ce dernier volet, il était important de dater les périodes avec et sans écoulement d’eau dans les drains agricoles auxquels nous nous sommes intéressés.
A l’échelle de ce territoire agricole, les écoulements des drains étudiés, situés à plusieurs dizaines de kilomètres les uns des autres, ne suivent pas forcément la même dynamique du fait de la variabilité locale des précipitations, de la connexion avec la nappe, de la nature et de l’occupation des sols et de la différence entre les aires drainées. Ce suivi des périodes avec et sans écoulement étant nécessaire dans notre étude mais n’en étant pas un objectif central, nous avons cherché une méthode de suivi facile à mettre en œuvre et peu coûteuse, ce qui semblait réaliste, du fait notamment que nous n’avions pas besoin de la mesure des débits des drains pour notre étude.
Les capteurs de température sont des outils utilisés pour détecter la présence d’eau dans des milieux semi-aquatiques, tels que des mares temporaires (
Campbell & Hyslop, 2023) ou des rivières intermittentes (
Constantz et al., 2001). En effet, la capacité thermique de l’eau étant supérieure à celle de l’air (
Kodešová et al., 2013), les amplitudes thermiques journalières sont nettement moins marquées lorsqu’un milieu est aquatique que lorsqu’il est sec. Quelques articles scientifiques traitent de la mesure des températures dans des drains agricoles, mais ils sont assez rares. La plupart de ces publications, n’ont, d’ailleurs, pas pour objectif de suivre les périodes d’écoulement des drains, mais d’utiliser la température de l’eau comme moyen de déterminer la provenance et le trajet de l’eau de drainage dans le sol (
Pluer et al., 2020 ;
Zajíček et al., 2011 ;
Zajíček et al., 2016). De plus, les capteurs utilisés dans le cadre de ces travaux sont peu diffusables à large échelle, du fait de grandes dimensions (
Zajíček et al., 2011) ou de prix d’achat élevés (
Pluer et al., 2020 ;
Zajíček et al., 2011), puisqu’ils servent également à mesurer le débit d’écoulement.
L’objectif du travail rapporté dans cet article est de répondre à la question suivante : est-il possible d’utiliser des enregistreurs de température diffusables à large échelle (c’est-à-dire simples d’utilisation, miniatures, financièrement abordables, tout en restant scientifiquement fiables) pour suivre les périodes d’écoulement des drains agricoles ?
Nous avons installé des enregistreurs de température de petite taille et peu coûteux (modèle HOBO, marque Onset) dans plusieurs drains agricoles situés en région Bretagne (France) lors de la saison hydrologique 2023/2024. Nous posons l’hypothèse que nous serons en mesure d’identifier, grâce à ces enregistreurs, les périodes d’écoulement et les périodes sèches des drains agricoles, malgré le fait que les drains sont des milieux fermés et que le sol pourrait y tamponner la température de l’air. Nous prévoyons que les variations thermiques soient faibles lorsque l’eau s’écoule dans les drains et importantes lorsqu’ils sont secs.
Dans cet article, nous décrivons d’abord la méthode que nous avons mise en œuvre pour installer les enregistreurs de température dans les drains, ainsi que pour traiter les données collectées. Ensuite, nous présentons les résultats obtenus en les confrontant à nos observations de terrain, et discutons de la pertinence des enregistreurs de température en tant qu’outils simples et économiques pour le suivi de l’écoulement des drains agricoles.
Matériel et méthode
Description des sites d’étude
Nous avons choisi quatre parcelles agricoles drainées situées dans le département d’Ille et Vilaine, à l’Est de la région Bretagne (figure 1). Le climat de ce secteur est tempéré océanique, avec une pluviométrie moyenne annuelle de 691 mm et une température moyenne annuelle de 12,4 °C (relevés Météo-France à la station Rennes – Saint-Jacques entre 1991 et 2020). Les parcelles drainées sont distantes de quelques centaines de mètres (CIQ-B et CIQ-C) à plusieurs kilomètres (CIQ D et surtout CIQ-A). Les cultures en place étaient soit du blé, soit un couvert d’interculture, soit du colza (tableau 1).
Figure 1. Localisation des parcelles étudiées
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Tableau 1. Localisation des collecteurs, occupation du sol et dates de mise en place et de retrait des enregistreurs de température
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Codes des drains
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CIQ-A
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CIQ-B
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CIQ-C
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CIQ-D
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Occupation du sol de la parcelle drainée
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Couvert (phacélie + moutarde)
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Colza et plantes compagnes (féverole + trèfle)
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Blé et bande enherbée
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Blé
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Dates de mise en place
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20/12/23
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25/10/23
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25/10/23
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25/10/23
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Dates de retrait
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28/05/24
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28/05/24
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28/05/24
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20/05/24
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Les drains agricoles étudiés sont des tuyaux en plastique annelés et perforés, dont les diamètres sont compris entre 80 et 125 mm (figure 2). Nous ne connaissons pas les profondeurs exactes, mais elles sont inférieures à 1 m. Les parcelles agricoles sont drainées selon le schéma présenté en figure 3.
Chacun des collecteurs de drains a été équipé d’un enregistreur de température lors de la saison hydrologique 2023/2024, qui a été particulièrement pluvieuse en Bretagne (505 mm de précipitations à Rennes entre octobre 2023 et avril 2024 contre 438 mm de moyenne sur la même période entre 1991 et 2020, soit +15% ;
Météo-France, 2024), ce qui a engendré des niveaux de nappes souterraines libres supérieurs à la normale entre décembre 2023 et août 2024 (
BRGM, 2024).
Figure 2. Photos de deux sorties de collecteurs de drains
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Figure 3. Schéma d’un réseau de drainage
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Installation des enregistreurs de température HOBO
L’installation des enregistreurs de température est intervenue dans le cadre d’un projet plus global au cours duquel nous avons étudié la qualité de l’eau des drains agricoles. Pour ce faire, les sorties des collecteurs de drains ont été prolongées par des gaines étanches (diamètre 90 mm) et raccordées à des caisses en plastique de dimensions 40 x 30 x 27 cm (figure 4). Dans les cas où les collecteurs avaient un diamètre différent de 90 mm, des réductions en PVC ont été utilisées.
Pour chacun des collecteurs, le capteur de température a été installé à l’intérieur de la gaine, en amont immédiat de la caisse en plastique (figure 5). L’enregistreur a été lié à un fil métallique lui-même retenu par une vis insérée dans la gaine. Pour relever la ligne d’eau et assurer l’immersion du capteur lors de faibles niveaux d’eau, une barrette en plastique a été posée en travers de la gaine, perpendiculairement à l’écoulement (figure 5).
Les caisses ont été disposées de telle façon que l’eau du fossé ne puisse pas y remonter via le tuyau de sortie. Les capteurs étant situés dans des gaines étanches en amont de la caisse, les températures mesurées correspondaient donc à la température de l’eau issue des drains.
Figure 4. Dispositif installé en sortie de collecteur de drain
Exemple du drain D
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Figure 5. Illustration de la méthode de fixation d’un capteur dans la gaine
Cette photo sert d’illustration théorique car les gaines n’ont en réalité pas été ouvertes de la sorte.
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Les enregistreurs de température que nous avons utilisés sont du modèle HOBO (marque Onset, USA), de référence UA-001-64 (figure 6). Les sondes de températures associées sont de type CTN (Coefficient de Température Négatif) de résistance 10k Ω à 25°C.
Ces capteurs sont de taille miniature (masse : 18 g, dimensions : 58 x 33 x 23 mm), ils sont étanches et fonctionnent avec des piles communes (piles plates CR2032). Ils sont aussi financièrement abordables puisque le coût unitaire est d’environ 80 €, auquel s’ajoute celui de la base de connexion à l’ordinateur pour extraire les données (environ 250 € ; référence BASE-U-4, HOBO, Onset). Le logiciel qui permet de traiter les données (HOBOware ®) est généralement fourni gratuitement lors de l’achat des enregistreurs et de la base optique.
Figure 6. Photos sous différents angles d’un enregistreur de température HOBO UA-001-64
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La veille de l’installation des enregistreurs de température dans les drains, nous avons vérifié le niveau des piles. Toutes étaient à 100%. Le jour de leur déploiement, les enregistreurs HOBO ont été programmés à un enregistrement de température toutes les 60 minutes, puis immédiatement installés dans les gaines. Ce pas de temps horaire permet de limiter le nombre de données accumulées, donc simplifier les fichiers et faciliter leur traitement, le tout en ayant suffisamment d’informations à propos des variations de températures journalières.
L’enregistrement des températures par les capteurs HOBO a été lancé entre le 25/10/2023 et le 20/12/2023, puis arrêté entre le 20/05/2024 et le 28/05/2024 (tableau 1). Nous sommes allés vérifier la présence ou non d’écoulement au niveau des collecteurs lors de 13 visites de terrain aux dates suivantes : 25 octobre, 22 novembre, 07 décembre, 20 décembre, 10 janvier, 23 janvier, 30 janvier, 13 février, 20 février, 05 mars, 19 mars, 29 avril, 28 mai.
Il est important de noter que la gaine prolongeant le collecteur CIQ-B a été arrachée à deux reprises, suite à deux crues du fossé récepteur, ayant provoqué la mise à l’air libre du capteur de température. La première crue a eu lieu le 17 janvier et nous avons remis en place notre dispositif le 23 janvier. La deuxième crue a eu lieu le 09 février et nous avons réparé le 13 février.
Résultats
La figure 7 représente l’évolution de l’amplitude journalière des températures issues de mesures en continu dans les quatre collecteurs (pas de temps horaire) au regard des observations visuelles issues des visites de terrains quant à l’écoulement ou non au niveau des collecteurs. On observe une variabilité de l’amplitude des températures qui semble moindre dans les périodes d’écoulement des drains (inférieure à 5°C), que dans celles où les collecteurs ne coulent pas où l’amplitude peut aller jusqu’à plus de 15°C. On note l’exception de la période février-mars au niveau du collecteur CIQ-B où l’on constate une amplitude plus importante sur quelques jours qui semble pourtant correspondre à une période d’écoulement. Cela s’explique par l’incident rapporté dans la partie « Matériel et méthode » mentionnant que cet enregistreur a pu se retrouver à l’air libre dans le collecteur sur une courte période en raison de deux crues du fossé récepteur.
Ces graphiques, et notamment les observations de terrain, permettent également d’observer que les drains coulent en continu à partir du moment où ils ont commencé à couler ; on n’observe pas d’intermittence au cours de cette saison de drainage.
Figure 7. Amplitude journalière des températures au niveau des 4 collecteurs
Au regard des observations relevant un écoulement (œil bleu) ou non (œil rouge) au niveau du collecteur lors des 13 visites de terrain
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La médiane des amplitudes thermiques journalières mesurées au niveau des collecteurs dans les cas où l’on observe un écoulement sur le terrain est significativement inférieure à celle des cas où l’on n’observe pas d’écoulement sur le terrain (W = 29 ; p < 0,001) (figure 8a). Comme attendu on note également que les valeurs sont plus dispersées dans les cas sans écoulement observé.
En considérant un écoulement continu entre la première observation d’écoulement et la dernière pour chacun des quatre collecteurs, la différence d’amplitude thermique journalière entre les cas avec et sans écoulement est également significative (W = 24231 ; p < 0,001) (figure 8b), même si elle est moindre que celle concernant uniquement les observations.
A l’issue de ces résultats, nous proposons le seuil de 2.9°C au-dessous duquel nous pouvons considérer que le drain coule : celui-ci correspond au quantile 90 (Q90) des situations observées avec écoulement (figure 8a). Le Q90 correspondant à la figure 8b (périodes d’écoulement) est de 2,2°C et se situe donc bien en deçà du seuil proposé.
Figure 8. Variabilité de l’amplitude journalière au niveau des collecteurs de drain
a/ Pour les situations où un écoulement a été observé (œil bleu) ou non (œil rouge) ; b/ Pour les périodes situées entre deux observations d’écoulement (« Ecoulement ») et les autres périodes (« Sec »)
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Discussion
Les résultats de cette étude nous ont permis d’identifier, sur une période allant de 5 à 9 mois selon les cas, les périodes d’écoulement et sèches au niveau de plusieurs collecteurs de drains agricoles grâce à des capteurs de températures économiques et pratiques. Nous avons vérifié par des observations que les faibles variations de températures étaient mesurées lors des périodes d’écoulement, et que les variations plus importantes étaient mesurées en périodes sèches.
Ainsi, notre travail enrichit la littérature à propos de l’utilisation de capteurs de température à bas coût et miniatures pour suivre la présence d’eau dans des milieux semi-aquatiques. En effet, nous montrons qu’il est possible d’en utiliser dans des collecteurs de drains agricoles, au même titre que ce qui a été réalisé par d’autres scientifiques dans des rivières intermittentes (
Constantz et al., 2001) ou des mares temporaires (
Campbell & Hyslop, 2023), malgré les difficultés que présentent les collecteurs de drains : accessibilité restreinte, impossibilité pour l’eau de stagner, et risque de tamponnage par le sol des amplitudes thermiques de l’air.
Les drains agricoles que nous avons étudiés ont montré une certaine saisonnalité d’écoulement, cohérente avec les travaux de
Tournebize et al. (2020). Effectivement, la saison de drainage a débuté au mois de novembre et s’est terminée entre mi-avril et début mai. Cependant, le drain CIQ-C coulait toujours après l’arrêt des mesures le 28/05/2024, mais les visites de terrain ont montré qu’il s’est finalement arrêté début juillet.
Le choix du modèle HOBO (Onset, USA) pour les enregistreurs de température a été essentiellement porté par leur accessibilité financière, leur facilité d’utilisation et leur taille. Néanmoins, la limite principale de ce type de capteur est qu’ils ne permettent pas d’envoyer les données à distance. Il est nécessaire d’extraire les données par voie filaire. Il n’est donc pas possible d’utiliser ces enregistreurs de température pour, par exemple, déclencher des campagnes de prélèvement d’eau selon que les drains coulent ou pas. Dans notre travail, nous avons exploité les données enregistrées par les capteurs HOBO seulement a posteriori.
Pour de prochains travaux qui nécessitent un suivi en temps réel de l’écoulement, il serait pertinent de déployer dans des drains agricoles des capteurs de température capables de transmettre les données à distance, dans le but d’évaluer leur possibilité de diffusion à large échelle en termes de prix, de faisabilité technique et de fiabilité scientifique. Ces capteurs permettraient, par exemple, de déclencher des campagnes de prélèvement d’eau calées sur les périodes d’écoulement des drains agricoles.