Pour évaluer le rendement des pratiques de conservation en bordure de champ qui réduisent les pertes d’éléments nutritifs provenant de l’eau de drainage souterraine (zones tampons saturées, bioréacteurs et gestion de l’eau de drainage), il est important de déterminer avec précision le débit de drainage et les concentrations d’éléments nutritifs. Il existe des méthodes normalisées pour déterminer avec précision les concentrations d’éléments nutritifs (p. ex., nitrate), comme les méthodes de laboratoire à partir d’échantillons d’eau1 ou les capteurs pour la surveillance continue des éléments nutritifs 2,3. En revanche, la détermination des débits de drainage dans les pratiques de conservation en bordure de champ n’est pas aussi simple que pour la concentration en nitrate et implique généralement l’utilisation d’un ouvrage de régulation du niveau de l’eau de drainage 4,5. Un ouvrage de contrôle du niveau de l’eau de drainage est utilisé dans une pratique de conservation en bordure de champ dans le double but de contrôler la chute d’eau en amont et de surveiller les débits de décharge à l’aide de déversoirs. Les éléments importants à prendre en compte lors de la détermination des débits de drainage comprennent la taille de la structure de contrôle du drainage, le type de déversoir utilisé dans la structure, les conditions d’écoulement à l’intérieur de la structure, la mesure précise des charges de chute et l’utilisation d’équations de déversoir appropriées pour convertir les charges de décharge en débits de refoulement. Bien que ces structures soient généralement limitées aux terres drainées artificiellement, les terres agricoles drainées dépassent 21 millions d’hectares aux États-Unis6 et ont un impact sur les charges en nutriments des ruisseaux et des rivières7.
La détermination des débits à l’aide de déversoirs est une pratique courante, et des procédures standard et des équations d’étalonnage sont disponibles pour les écoulements dans les canaux ouverts8. Cependant, seul un nombre limité d’études ont permis d’élaborer des équations d’étalonnage pour les déversoirs dans un ouvrage de contrôle de drainage 5,9,10,11,12,13,14,15,16,17. Chun et Cooke10 ont été les pionniers de la mise au point d’équations d’étalonnage pour des déversoirs rectangulaires de différentes tailles de structures de contrôle. À la suite de Chun et Cooke10, Christianson et al.9 ont élaboré une équation d’étalonnage unique pour un déversoir à 45° à encoche en V dans des structures de contrôle de 15 cm (6 po) et 25 cm (10 po) avec des déversoirs placés à différentes hauteurs du bas des structures. Shokrana et Ghane14 ont fourni une équation d’écoulement différente pour un déversoir à 45° à encoche en V dans une structure de 25 cm (10 po) de Christianson et al.9, lorsque le déversoir a été placé à environ 30 cm au-dessus du bas de la structure. Les auteurs ont attribué la différence entre les deux équations d’étalonnage à l’utilisation d’un appareil de pesage étalonné pour mesurer les débits, suggérant qu’il n’existe pas de procédure unifiée pour obtenir les débits, les hauteurs et les équations d’étalonnage des déversoirs pour les écoulements contenus dans l’encoche en V dans les structures de contrôle.
Dans notre récente étude11, nous avons élaboré des équations d’étalonnage pour les déversoirs à encoche en V de 45° dans les structures de contrôle Agri Drain en fonction de leur taille (15 cm [6 po], 20 cm [8 po] et 30 cm [12 po]) pour les écoulements contenus dans l’encoche en V et les écoulements de débordement (c.-à-d. lorsque la charge dépasse le sommet d’un déversoir à encoche en V). Alors que l’équation d’étalonnage des écoulements contenus dans l’entaille en V est une simple relation de puissance entre la hauteur (h) et le débit (Q, équation 1)5,9,11,13,14, les écoulements excédentaires nécessitent l’utilisation d’une équation de déversoir composé, qui est plus compliquée (c’est-à-dire qu’elle comporte plus de termes) car elle combine les équations d’un déversoir à encoche en V et d’un déversoir rectangulaire (équation 2)11.
(1)
où, Q = débit, h = hauteur de refoulement, et a et b = coefficients de déversoir dont les valeurs dépendent de la forme du déversoir, de la taille de l’ouvrage de régulation, des conditions d’écoulement et des unités pour Q et h.
(2)
où, Q = débit, h = la hauteur de chute totale, h1 = tête au-dessus du haut du déversoir à encoche en V (c.-à-d. dans le déversoir rectangulaire au-dessus de l’entaille en V), W = largeur de la section du déversoir rectangulaire au-dessus du haut du déversoir à encoche en V, Wv = largeur supérieure du déversoir à encoche en V, a et b = coefficients de déversoir à encoche en V, et a1 et b1 = coefficients de déversoir pour la section rectangulaire au-dessus du déversoir à encoche en V.
L’adoption d’un système de drainage intelligent avec des capteurs pour surveiller et ajuster automatiquement les niveaux d’eau dans une structure de contrôle à l’aide de robinets-vannes réglables télécommandés est de plus en plus répandue dans les pratiques de conservation en bordure de champ aux États-Unis. La plupart de ces systèmes, qui ont été conçus à l’origine pour n’utiliser qu’une simple fonction de puissance, ne peuvent pas s’adapter à l’équation du déversoir composé (équation 2) pour les écoulements de débordement et exigent l’élaboration d’équations d’écoulement uniques de la forme indiquée par l’équation (1) pour chaque structure de contrôle du drainage pour les écoulements de débordement. De plus, les utilisateurs qui mesurent et surveillent les débits et les pertes de nutriments peuvent trouver fastidieux d’utiliser l’équation (2) pour les débits excédentaires en raison de la nécessité d’un plus grand nombre de paramètres. Pour surmonter ces défis, nous avons développé l’outil « Calculateur de coefficients d’équation d’écoulement de déversoir ». Cet outil en ligne (disponible à l’adresse : https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/) fournit les coefficients de l’équation d’écoulement des déversoirs pour des tailles standard d’ouvrages de régulation du drainage (tableau 1) pour un déversoir à entaille en V de 45°. Plus important encore, l’outil calcule les coefficients de l’équation d’écoulement du déversoir pour l’écoulement de débordement et ne comprend que deux paramètres, comme présenté dans l’équation (1), basés sur la taille et les dimensions de la structure de contrôle fournie par l’utilisateur. Lorsque l’équipement approprié est disponible pour mesurer le débit spécifique au site vs. l’outil accepte également une équation de calibrage pour les écoulements contenus dans le déversoir à encoche en V comme entrée utilisateur et calcule les coefficients d’écoulement du déversoir pour les écoulements de débordement. Ainsi, ce protocole décrit la configuration de la mesure du débit dans un ouvrage de contrôle du drainage et une méthode universelle pour l’élaboration d’une équation d’étalonnage spécifique au site. Ensuite, l’utilisation de l’outil « Calculatrice de coefficients d’équation d’écoulement de déversoir » pour calculer les coefficients d’équation d’écoulement de déversoir pour les écoulements contenus dans l’entaille en V et les écoulements de débordement est décrite. Enfin, la surveillance et le maintien des débits dans un ouvrage de contrôle de drainage sont décrits, ce qui facilitera l’estimation précise des débits de drainage à l’aide des équations de déversoir obtenues à partir de l’outil.