Déterminants naturels et anthropiques de l’évolution des ressources en eau

Animateur : Olivier Merlin

Une gestion durable de l’eau et de ses usages nécessite un suivi diagnostique de la ressource au présent et des outils de projection dans le futur. L’axe thématique « Eau » a pour objectif d’améliorer nos connaissances sur l’évolution des ressources en eau pour répondre à des problématiques de compréhension des hydro-systèmes et de gestion durable de la ressource. L’unité fonctionnelle privilégiée ici est celle du bassin versant (BV) qui est l’échelle pertinente associée aux différents usages de l’eau (écologie, eau potable, industrie, loisirs).

Le CESBIO évalue la ressource à l’échelle du BV à partir d’une quantification de certains flux de surface: la fonte et la sublimation de la neige, l’évapotranspiration et l’irrigation des cultures. Cette quantification se fait à des échelles temporelles très variées afin 1) de caractériser la dynamique d’origine naturelle ou anthropique des flux de surface (de la fraction de seconde au mois), 2) d’assurer un suivi de la consommation et des besoins en eau des cultures au cours de la saison agricole, 3) de comprendre les ruptures de ces dynamiques dans le passé, et 4) de fournir des scénarios d’évolution sur une trentaine d’années.

Nos recherches s’appuient sur les trois piliers du CESBIO qui sont la mesure in situ, la modélisation et la télédétection. La panoplie des observations in situ sert de base, souvent à l’échelle locale, à la compréhension des déterminants des flux d’eau et à leur modélisation. La spatialisation de ces flux sur l’étendue du BV passe par l’assimilation des données satellitaires dans les modèles. Nous aspirons à caractériser les flux d’eau de surface en croisant le maximum d’informations issues des observations spatiales dans le domaine des courtes longueurs d’ondes, de l’infrarouge thermique et des micro-ondes actives et passives. Ces activités se nourrissent donc des données fournies par les missions spatiales récemment lancées et réciproquement, leurs résultats donnent des arguments scientifiques à la proposition de nouvelles missions.

Spécifiquement, l’AT « Déterminants naturels et anthropiques de l’évolution des ressources en eau » se décline en trois questions prioritaires :

  1. Une question orientée processus de surface : comment se répartissent les flux d’eau à l’interface surface-atmosphère en lien avec le bilan d’énergie ? En montagne, une fraction des précipitations sous forme de neige s’évapore par sublimation tandis que la fonte de la fraction complémentaire est conditionnée par de nombreux facteurs environnementaux. En plaine, une grande partie de la ressource en eau est consommée par l’évapotranspiration des cultures qui dépend du forçage météorologique, de la structure et du fonctionnement de la végétation et de la disponibilité en eau des sols. Sur les zones irriguées en particulier, la séparation de la transpiration des plantes et de l’évaporation du sol apparaît comme un double enjeu de compréhension des hydro-systèmes et d’estimation de l’efficience de l’utilisation de l’eau. Dans les deux cas, la partition des flux d’eau à l’interface surface-atmosphère est intimement liée au bilan d’énergie de la surface. Nous nous appuyons donc sur des modèles de bilan d’énergie multi-source (sol, végétation basse, arbre, neige) destinés à intégrer les données satellitaires multi-spectrales. La calibration/validation de ces modèles sur le terrain fait intervenir des instrumentations spécifiques (tours de covariance des turbulences, scintillomètres, capteurs de flux de sève, lysimètres, radiomètres, etc.) déployées sur des sites contrastés selon des protocoles dédiés, et souvent associées à la mesure de variables complémentaires (humidité du sol, stress hydrique, propriétés du sol, etc.).
Tours de covariance des turbulences en opération sur les sites de Lamasquère et d’Auradé, sur un verger d’orangers proche de Marrakech, et sur le haut plateau de Tazaghart (Atlas marocain).
  • Une question ciblant l’irrigation comme un flux d’eau majeur des régions fortement anthropisées : où, quand et comment les parcelles agricoles sont-elles irriguées ? Cette question est essentielle pour aborder la problématique de la gestion durable de la ressource en eau à l’échelle des territoires. Elle repose sur deux approches : diagnostique  (comment quantifier les volumes irrigués de la parcelle à l’échelle des territoires ?) et prospective (quelles solutions envisagées pour optimiser cette ressource ?). En pratique nous utilisons des méthodes de classification des surfaces irriguées à partir des données satellitaires (optiques et radar) à haute résolution spatiale et temporelle essentielles pour assurer un suivi saisonnier, et des données (optiques) à résolution kilométrique qui permettent de couvrir des périodes longues (décennie ou plus). Nous nous intéressons aussi aux méthodes d’inversion des dates et des volumes d’irrigation tout au long de la saison agricole en nous appuyant sur la synergie des observations multi-spectrales et la modélisation du bilan d’eau des cultures. En lien avec cette question, nous quantifions le besoin en eau des cultures pour optimiser l’irrigation, c’est-à-dire estimer la dose et la date d’irrigation qui permettraient d’éviter un niveau de stress hydrique trop important et/ou d’autres impacts environnementaux. Nos approches de suivi et de préconisation de l’irrigation se basent soit sur des méthodes d’apprentissage automatique soit sur des modèles de l’évapotranspiration, et sont testées pour différentes techniques d’irrigation, variétés et phases culturales. Ces recherches finalisées peuvent mener au développement d’outils d’aide à la décision transférables aux gestionnaires. A noter que l’irrigation est essentiellement traitée dans cet AT sur le plan quantitatif, de manière complémentaire à l’AT « Fonctionnement des agro-écosystèmes » qui s’intéresse aux impacts de l’irrigation sur le fonctionnement des agro-écosystèmes.

  • Une question intégrative des deux précédentes : quelle est la part des flux profonds aux échelles de la parcelle agricole et du BV? Selon l’approche proposée au CESBIO qui s’appuie largement sur l’observation spatiale, les flux profonds ne sont généralement pas observés directement mais peuvent être déduits des flux de surface par terme résiduel du bilan d’eau. A l’échelle parcellaire, l’enjeu est d’estimer le drainage sous la zone racinaire, qui intervient dans la fermeture du bilan d’eau de la culture et peut contribuer au lessivage des sols, au ruissellement de surface en aval ainsi qu’à l’alimentation des nappes profondes. A l’échelle du BV, l’enjeu est de quantifier les composantes neige, évapotranspiration, irrigation et recharge des nappes et en particulier de résoudre l’équifinalité entre évapotranspiration et recharge dans la fermeture du bilan hydrique de la zone critique (précipitations et débits sont supposés connus) pour mieux estimer l’évolution de la ressource. Cette compréhension intégrative est envisagée selon deux approches complémentaires. L’approche systémique met en œuvre des scénarios de forçage (occupations du sol, climatiques, etc.) des hydro-systèmes pour représenter explicitement les déterminants clés de l’évolution des ressources. Ici des modèles mécanistes ou conceptuels couplant les processus de surface et la nappe sont spatialisés à partir de cartes issues de la télédétection. Il est ainsi possible d’évaluer l’impact sur les ressources, par exemple, d’un changement de variétés (précoce vs tardif), de pratiques culturales (pluvial vs irrigué) ou encore du changement climatique. A l’inverse, des méthodes basées sur les données sont mises en œuvre pour analyser les interrelations entre variables à partir de séries temporelles d’observations satellitaires (évapotranspiration, humidité du sol, neige, gravimétriques, etc.). Il s’agit notamment de distinguer les effets anthropiques et climatiques à l’échelle du BV, en interaction avec l’AT « Dynamique des surfaces continentales » . Ces approches de fermeture du bilan d’eau sont évaluées à partir de mesures lysimétriques et piézométriques disponibles sur des sites représentatifs de nos zones ateliers.

L’AT Eau du CESBIO contribue à l’Axe Scientifique Transverse (AST) Eau de l’OMP [https://www.omp.eu/missions/recherche/les-actions-scientifiques-transverses/ast-eau/] et au Groupement d’Intérêt Scientifique EAU toulousain [https://gis-eau-toulouse.fr/].

Projets en cours et récents 

ACCWA [https://accwa.isardsat.space/], H2020 RISE, SudMed (Maroc, Tunisie), SudOuest, Autre (Espagne, Niger), Accounting for Climate Change for Water resources and Agriculture management, 2019-2024.

ALTOS [https://www.altos-project.org/], PRIMA Section 2, SudMed (Tunisie, Maroc, Liban), Managing water resources within Mediterranean agrosystems by accounting for spatial structures and connectivities, 2020-2023.

Bag’ages [https://occitanie.chambre-agriculture.fr/agroenvironnement/agroecologie/bagages/], Agence de l’Eau Adour-Garonne, SudOuest, Impact des pratiques agro-écologiques sur les ressources en eau, 2018-2021.

CHAAMS [http://www.eranetmed-chaams.org/], ERANET-MED, SudMed (Maroc, Tunisie, Liban), Global CHange: Assessment and Adaptation to Mediterranean region water Scarcity, 2018-2022.

FLUXMED [https://fluxmed.eu/], JPI WATER, Sudmed (Tunisie), Autre (Chypre, Italie, Egypt), Suivi des flux dans les couverts arborés (olivier, oranger) en pluvial et goutte à goutte, 2019-2022. 

IDEWA [http://idewa.isardsat.space/], PRIMA Section 2, SudMed (Maroc), Autre (Espagne, Italie), Suivi et prédiction du drainage sur les zones irriguées et de son impact sur les écosystèmes en aval, 2020-2023. 

Irrigation+, M4I, ESA, SudOuest, Autre (Espagne, Italie), Suivi multi-échelle de l’irrigation, 2020-2022. 

IRRIWELL [https://www.era-learn.eu/network-information/networks/prima/section-2-call-2020-multitopic/une-nouvelle-approche-pour-estimer-les-besoins-en-eau-dirrigation-des-vergers-pour-une-gestion-optimale-de-leau-irriwell], PRIMA Section 2, SudMed (Maroc, Tunise), Autre (Espagne), Une nouvelle approche pour estimer les besoins en eau d’irrigation des vergers pour une gestion optimale de l’eau, 2021-2024.

MOSAI, ANR, SudOuest, Suivi des flux de surface sur des zones hétérogènes, 2020-2024.

MorSnow, OCP/UM6P, SudMed (Maroc), Estimation des ressources en eau produites dans les zones semi-arides (de la neige jusqu’aux nappes), 2019-2022.

Nivo3D, PNTS, SudOuest, Autre (Etats-Unis), Suivi du manteau neigeux à partir de données de hauteur de neige, 2018-2020.

Sustainability of Irrigated agriculture, OCP/UM6P, Sudmed  (Maroc),  Diagnostic de l’irrigation à l’échelle régionale (surfaces, consommations, efficiences) et outils prospectifs (impact CC, adaptation), 2019-2022. 

TREMA[https://www.lmi-trema.ma/], SudMed (Maroc), Installation d’une station eddy covariance à haute altitude pour étudier l’évapotranspiration et la sublimation, 2020-2023.

Water4Agri3D, PNTS/ESA, SudMed (Inde), Suivi en temps réel du volume d’eau de milliers de retenues agricoles en Inde du Sud, 2020-2023.

WineEO [https://eo4society.esa.int/2021/10/06/irrigation-scheduling-for-viticulture-using-sentinel-2/], ESA, Autre (Chili, Espagne, Grèce, Italie, Portugal). Aide à la décision d’irrigation de la vigne, 2020-2021.

Médias 

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