L'objectif de cette thèse est de décrire et de hiérarchiser les processus à l'origine du ruissellement sur les parcelles artificiellement drainées, en prenant en compte non seulement les fluctuations de la nappe superficielle, mais aussi la dégradation éventuelle de la structure du sol en surface. A cet effet, trois axes complémentaires de recherche ont été développés. <br />Le premier axe est consacré à l'étude de l'évolution de la structure de l'horizon travaillé du sol au cours d'une pluie en présence de nappe superficielle, grâce à des simulations de pluie en laboratoire. Les profils de masse volumique mesurés par radiographie aux rayons X indiquent que l'effondrement et le changement de masse volumique lié à la croûte de battance sont plus marqués en conditions initiales très humides. Le modèle proposé d'évolution de la masse volumique avec la profondeur et au cours de la pluie, reproduit correctement cet effet.<br />Le deuxième axe a pour objectif de déterminer les propriétés hydrodynamiques de la croûte de battance à partir de données issues de nouvelles simulations de pluie associées à un modèle s'appuyant sur la distribution de la masse volumique du sol avec la profondeur. Les paramètres de ce modèle, estimés par méthode inverse, sont comparables aux mesures de masse volumique effectuées par rayons X, et permettent de correctement reproduire le comportement hydraulique du système, confirmant la forte baisse de la conductivité hydraulique en surface due à la croûte de battance.<br />Enfin, le troisième axe s'appuie sur le suivi expérimental d'une parcelle agricole drainée du bassin versant de Mélarchez (Seine et Marne) associé à une modélisation (logiciel HYDRUS 2D). Les observations durant l'hiver 2003-2004 confirment que le ruissellement est globalement limité en raison de la présence du drainage. L'affleurement de la nappe reste le facteur prédominant à l'origine du ruissellement, même si la croûte de battance, créée notamment par ce premier type de ruissellement, est susceptible d'augmenter les quantités ruisselées. La modélisation permet d'étudier le comportement du système sous d'autres conditions pluviométriques. En particulier, les périodes de retour des pluies conduisant à l'affleurement de la nappe et les conditions d'écoulement lors de ces affleurements sont analysées.

Nous montrons que deux processus habituellement négligés dans les modèles simples de bilan hydrique journalier des cultures, ont pourtant un effet non négligeable sur le bilan hydrique, et en particulier diminuent le drainage vers les nappes phréatiques: la captation de l'eau de pluie par le couvert végétal, et le ruissellement hortonien. Sur une culture de maïs, nous calculons ainsi en valeur moyenne annuelle une perte nette pour le sol de 26.7 7.8 mm et 23.7 14.4 mm respectivement pour la captation et le ruissellement. En vue d'études pluriannuelles, nous développons des modèles simples et à base physique de captation et d'infiltration/ruissellement, que nous couplons au modèle de bilan hydrique agropédoclimatique journalier d'un sol multicouches, BILHYNA (TUZET et al., 1992). La captation et le ruissellement sont calculés en continu selon un pas de temps de 0.01 h et abaissent la quantité de pluie journalière incorporée au sol. Une image réaliste des pluies est calculée à partir de mesures instantanées, ou par un modèle original restituant une courbe d'intensité de forme gaussienne à partir des mesures horaires classiques et d'un paramètre climatique. Les modèles sont testés face aux résultats de 3 années continues de mesures sur une parcelle expérimentale de Thiverval-Grignon, alternant culture de maïs et labour d'hiver. Nous calculons la captation avec le modèle simple de MERRIAM (1960). En supposant que le couvert ne transpire pas lorsqu'il est mouillé, nous multiplions la transpiration journalière par la fraction de la journée pendant laquelle le couvert est sec. L'infiltration de l'eau de pluie est décrite par le modèle de GREEN-AMPT (1911), appliqué à un profil de sol hétérogène en humidité initiale (BOUWER, 1969), en succion effective au front d'humectation (YOUNGS, 1974) et en conductivité hydraulique à saturation (selon HILLEL et GARDNER, 1970). Nous fixons les paramètres d'infiltration à partir de relations de VAN GENUCHTEN (COQUET et al., 2002), à -10 cm de potentiel hydrique pour la saturation partielle du sol lors de l'infiltration (BRAKENSIEK & RAWLS, 1983; FOX et al., 1998). Trois couches sont distinguées: lit de semence, labour, et sol non travaillé. Nous traduisons les processus dynamiques essentiels à l'aide de relations empiriques simples et de mesures: développement et sénescence du couvert (LAI), évolution de la rugosité et de la capacité de flaquage de la surface du sol en fonction de l'énergie cinétique des pluies (ONSTAD et al., 1984, ONSTAD, 1984 / KAMPHORST, 2000), évolution de la résistance hydraulique de la croûte de battance (BRAKENSIEK & RAWLS, 1983), modification des paramètres d'infiltration par le travail du sol. Le test du modèle sur la culture du maïs 1999 montre de très bons résultats face aux ruissellement mesuré sur placettes de 1m², sauf en fin de saison où la négligence de la fissuration de la surface du sol amène le modèle à surestimer le ruissellement (37.1% d'erreur, soit 9.8mm, sur toute la période d'étude). Face aux mesures d'humidité du sol (TDR, gravimétrie), le modèle BILHYNA intégrant captation et ruissellement montre une erreur ponctuelle de 20mm au plus du stock d'eau du sol sur 1.10m de sol, traduisant un besoin d'amélioration du drainage à proximité de la capacité au champ, et d'ajustement des paramètres de transpiration du couvert. En moyenne annuelle sur les trois années, sous une pluie de 773.7 59.3 mm, la captation et le ruissellement constituent ensemble une perte nette pour le sol de 65.1 11.9 mm. Leur effet est de 20mm maximum sur le stock d'eau du sol, de l'ordre de l'incertitude sur la mesure de l'humidité. Captation et ruissellement abaissent néanmoins de manière nette la transpiration du couvert et le drainage profond, respectivement de 28.5 3.1 mm et de 45.4 13.9 mm. Ce dernier résultat montre l'importance potentielle d'intégrer la captation et le ruissellement pour améliorer le bilan hydrique du sol et des nappes phréatiques.