Hydrological and soil erosion modeling using SWAT model and Pedotransfert Functions: a case study of Settat-Ben Ahmed watersheds, Morocco - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Hydrological and soil erosion modeling using SWAT model and Pedotransfert Functions: a case study of Settat-Ben Ahmed watersheds, Morocco

Modélisation de l'hydrologie et de l'érosion des sols à l'aide du modèle SWAT et des Fonctions de Pédotransfert : Etude de cas des bassins versants de Settat-Ben Ahmed, Maroc

Yassine Bouslihim
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1094341

Résumé

Data availability problems for hydrological and soil studies are undoubtedly a critical constraint for all scientists around the world. This was also our challenge in this thesis, where the study area is poorly documented and devoid of any hydrological study. The first part of this thesis report was devoted to the execution and applicability of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model to predict runoff and to assess soil erosion rate in three watersheds belonged to Settat - Ben Ahmed region, namely Tamedroust (642.42 km2), Mazer (179.2 km2) and El Himer (177.7 km2). A semi-arid climate and irregular rainfall also characterize this zone. SWAT model inputs were collected and extracted from different sources and simulations were carried out over eight years (January 1995 – December 2002). For soil data, seventy-seven samples were sampled from 0-40 cm depth and analyzed to obtain different soil parameters such as texture, organic matter (OM), soil aggregate stability, pH and electrical conductivity (EC). This soil database (TAMED-SOIL) was compared with the Harmonized World Soil Database (HWSD) to analyze the effects of soil data quality on the SWAT model performance and hydrologic process Tamedroust watershed. Before calibration, results showed a considerable variability and a significant effect of the soil characteristics on the different components of the hydrological cycle. After the calibration period, both soil databases improved the model performance in terms of streamflow, with values of R2 and NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency) between 0.64 and 0.65. Model validation was acceptable and similar for both databases with R2 and NSE values of 0.76 and 0.57, respectively. The results also show that all sub-watersheds of Tamedroust present a weak soil erosion rate for both soil databases. Using the regionalization method between Mazer (gauged watershed) and El Himer (ungauged watershed), SWAT model results showed a good correlation between observed and simulated streamflow with an NSE of 0.65 and 0.89, and with R2 of 0.75 and 0.95 for calibration and validation, respectively. The fitted values for the most sensitive parameters obtained at the Mazer watershed are transferred to the El Himer watershed to estimate streamflow and erosion. The results showed that all studied sub-watersheds present a weak rate of soil erosion. The last part of this thesis report focuses on the comparison of the capabilities of Multiple Linear Regression (MLR) and a machine learning technique (Random Forest (RF)) to predict soil aggregate stability (SAS) index from Pedotransfer Functions (PTFs) using different sets of input variables (soil properties and remote sensing parameters). The results obtained were satisfactory for both models. However, the sample size must be increased to ensure more excellent uniformity to predict the SAS index better. Thus, the PTFs developed in this study can be used worldwide as a basis for predicting the soil aggregate stability in another area with the same climatic and edaphic characteristics.
Les problèmes de disponibilité des données pour les études hydrologiques et pédologiques constituent sans aucun doute une contrainte critique pour tous les scientifiques du monde entier. C’était également notre défi dans cette thèse où la zone d’étude est mal documentée et dépourvue de toute étude hydrologique. Cette zone est également caractérisée par un climat semi-aride et des précipitations irrégulières. La première partie de ce travail a été consacrée à l'exécution et à l'applicabilité du modèle SWAT (Soil and Water Assessment Tool) pour estimer le ruissellement et le taux d'érosion du sol dans les trois bassins versants (BV) de la région de Settat-Ben Ahmed, à savoir Tamedroust (642.42 km2), Mazer (179.2 km2) et El Himer (177.7 km2). Les données du modèle SWAT ont été collectées de différentes sources et les simulations ont été effectuées sur huit années (janvier 1995 - décembre 2002). Pour les données du sol, une base de données TAMED-SOIL de soixante-dix-sept échantillons ont été prélevés à une profondeur de 0-40 cm et analysés afin d’obtenir les différents paramètres du sol tel que la texture, la matière organique (MO), la stabilité structurale des agrégats, le pH et la conductivité électrique (CE). L’effet de la qualité de données du sol sur les performances de simulation du modèle SWAT a été testé en utilisant deux bases de données différentes, TAMED-SOIL et Harmonized World Soil Database (HWSD) sur le BV Tamedroust. Les résultats avant calibration ont montré une variabilité considérable et un effet significatif des caractéristiques du sol sur les différentes composantes du cycle hydrologique. Après la calibration, les deux bases de données du sol ont amélioré les performances du modèle en matière de débit, avec des valeurs de R2 et NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency) entre 0,64 et 0,65. La validation du modèle est acceptable et similaire pour les deux bases de données avec des valeurs de R2 et NSE de 0,76 et 0,57, respectivement. Les résultats montrent également que tous les sous-bassins de Tamedroust présentent un faible taux d'érosion pour les deux bases de données du sol. En utilisant la méthode de régionalisation entre les BVs Mazer (jaugé) et El Himer (non jaugé). Les résultats du modèle ont montré une bonne corrélation entre le débit observé et simulé avec un NSE de 0,65 et 0,89, et avec un R2 de 0,75 et 0,95 pour la calibration et la validation, respectivement. Les valeurs ajustées des paramètres les plus sensibles obtenues dans le BV Mazer sont transférées au bassin versant El Himer pour estimer le débit et le taux d'érosion. Les résultats ont montré que tous les sous-bassins versants étudiés présentent un faible taux d'érosion. La dernière partie de ce rapport de thèse concerne la comparaison des capacités de la Régression Linéaire Multiple (MLR) et de la technique d'apprentissage automatique Random Forest (RF) pour prédire l'indice de stabilité structurale des agrégats (SAS) à partir des Fonctions de Pédotransfert (PTFs) utilisant différents ensembles de variables d'entrée (propriétés du sol et paramètres de télédétection). Les résultats obtenus sont satisfaisants pour les deux modèles. Cependant, la taille de l'échantillon doit être augmentée pour assurer une plus grande uniformité d'échantillonnage afin de mieux prédire la SAS. Les PTFs ainsi développés dans cette étude pourraient être utilisés ailleurs pour prédire la stabilité structurale des agrégats sous les mêmes caractéristiques climatiques et édaphiques.
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Dates et versions

tel-03178705 , version 1 (24-03-2021)
tel-03178705 , version 2 (24-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03178705 , version 2

Citer

Yassine Bouslihim. Hydrological and soil erosion modeling using SWAT model and Pedotransfert Functions: a case study of Settat-Ben Ahmed watersheds, Morocco. Hydrology. Université Hassan Ier Settat (Maroc), 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03178705v2⟩
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