Changement climatique et ressources en eau - UMR Sisyphe

ED129 « Sciences de l'Environnement d'Ile de France »
Les impacts du changement climatique
Impacts sur les ressources en eau
Agnès DUCHARNE
DR CNRS
UMR METIS, UPMC, Paris
T56-56, 4ème étage
[email protected]
www.metis.upmc.fr/~ducharne/documents/cours-ed129-ducharne.pdf
24 mars 2017
Impacts du changement climatique
sur les ressources en eau
1. Ressources en eau & hydrologie
De quoi parle-t-on ? Quels processus ? Quels facteurs de contrôle ?
2. Les changements passés
Détection et attribution
3. Projections et impacts futurs
Eléments de méthode
Quelques exemples de mise en œuvre
Mise en perspective historique
4. Conclusions
1. Ressources en eau & hydrologie
Climat / grande échelle : hydrologie = cycle de l’eau
Trenberth et al., 2007, J. Hydrometeorology
1. Ressources en eau & hydrologie
Le cycle de l’eau
Difficultés / enjeux :
• Quantification : difficile, à toutes les échelles !
• Comprendre les interactions avec océans, atmosphère, lithosphère, biosphère, cryosphère
• « Prévoir » les changements globaux
Source
Pc
Ec
Po
Eo
Flux
terre/mer
Baumgartner &
Reichel, 1975
111
71
387
427
40
Oki & Kanae, 2006
111
66
391
436
45
Trenberth et al.,
2007
113
73
373
413
40
Rodell et al., 2015
116
71
403
450
46
+/-5
+/-5
+/-22
Unités : 10 3 km3/an
+/-22
+/-4
1. Ressources en eau & hydrologie
Ressources en eau
Ressources => usages => eau douce et terres émergées
1. Ressources en eau & hydrologie
Eaux vertes et bleues
Eaux bleues = eau liquide disponible/prélevable pour les usages (débits, nappes)
Eaux vertes = eau liquide des sols + eau evapotranspirée
L’irrigation transforme l’eau bleue en eau verte, qui est aussi une ressource
 globalement, surfaces irriguées = 20% SAU = 40% de la production agricole
• Variables d’intérêt : débits, hauteur/pression des nappes (et humidité des sols + neige)
• L’essentiel de ces ressources sont renouvelables (temps de résidence courts),
mais temporairement épuisables.
•
•
•
D’après Falkenmark & Rockström, 2006
1. Ressources en eau & hydrologie
La branche terrestre du cycle de l’eau : processus & stocks
zone
saturée
= nappe
recharge
Inclut les stocks &
processus nivaux et
souterrains
1. Ressources en eau & hydrologie
L’évapotranspiration
ET = Etrans + Esol + Einter + Esubli
On peut écrire Ex = ρ (qs(Ts) – qa)/Σr
ET = terme de couplage avec bilan
d’énergie et atmosphère
Résistances Σr :
• ra dépend de v, stabilité atmo,
rugosité
• rsol dépend de l’humidité du sol
• rveg dépend du type de végétation
(stomates, photosynthèse, etc.), de la
phénologie (LAI), du stress hydrique
(+ thermique, VPD, nutriments, PAR,
CO2)
1. Ressources en eau & hydrologie
Figure 1.5
Ecoulements et bassin versant
est valide sur tout domaine géographique
Mais à l’exutoire d’un bassin versant jaugé,
on peut estimer R=Q/A (en supposant qu’il n’y
a pas de flux souterrains)
Q = débit en m3/s dans le cours d’eau
A = aire contributive en m²
R = runoff, ou écoulement/débit spécifique,
en m/s ou mm/j
1 mm = 1kg/m²
Sur de longues périodes, on peut négliger les variations de stock d’où
1. Ressources en eau & hydrologie
Le concept de réponse hydrologique
P
Q
P
Q
Débit de base / Baseflow
1. Ressources en eau & hydrologie
Débit de base et écoulement souterrain (nappes)
Typical hydrograph separation
WARNING
groundwater flow also contributes
to quick response runoff !
1. Ressources en eau & hydrologie
Deux grands types de processus « hydrologiques »
Production
(vertical)
Transferts
(horizontal)
1. Ressources en eau & hydrologie
Les facteurs de contrôle
Météo / Climat : P, T, Rn, v, q (ET0)
Occupation des sols
& propriétés de la
végétation
Activités humaines :
•
•
•
Géologie, topographie, propriétés des sols
•
LUCC, dont irrigation, urbanisation,
drainage des sols et ZH
Prélèvements / restitutions d’eau
(pour agriculture, industries,
domestique)
Aménagements hydrauliques
(barrages, canaux, écluses, digues,
etc.)
Changement climatique
Impacts du changement climatique
sur les ressources en eau
1. Ressources en eau & hydrologie
De quoi parle-t-on ? Quels processus ? Quels facteurs de contrôle ?
2. Les changements passés
Détection et attribution
3. Projections et impacts futurs
Eléments de méthode
Quelques exemples de mise en œuvre (France, Seine & Durance)
Mise en perspective historique
4. Conclusions
2 Détection
Variabilité récente de la température moyenne de la Terre
IPCC TAR,
2001
2 Détection
La cryosphère
Groenland
Glaciers
Antarctique
GIEC, 2007
2 Détection
Niveau moyen global de la mer
Variations par rapport au géoide
Les courbes sont décalées pour plus de lisibilité
Niveau de la mer (altimétrie spatiale)
+3.3 mm/an
Somme de noir et vert
Apports d’eau aux océans (fonte
des calottes et eaux continentales,
GRACE depuis 2003)
Contribution de l’expansion
thermique
Source : LEGOS
2 Détection
Précipitations
• Dai et al. (1997) Journal of Climate
 5328 stations et 3.8 millions d'enregistrements de précipitation mensuelle
 1900-1988 : tendance de +2.4 mm/10ans des précipitations continentales
• Zhang et al. 2007, Nature.
« Anthropogenic forcing contributed significantly to observed increases in precipitation in the
Northern Hemisphere mid-latitudes, drying in the Northern Hemisphere subtropics and tropics,
and moistening in the Southern Hemisphere subtropics and deep tropics »
 Rich gets richer, poor gets poorer…
2 Détection
Evapotranspiration
• Jung et al. (2010), Nature.
Recent decline in the global land evapotranspiration trend due to limited moisture supply (?)
MTE = données FLUXNET + télédétection + données
météorologiques + algorithme d’apprentissage
2 Détection
Evapotranspiration
• Mao et al. (2015), ERL.
Observational ET Trends vs Model attribution : Climate vs Anthropogenic = CO2, LUC,
nitrogen deposition,
no irrigation
OBS (incl. Jung et al.,
and LSM estimates)
Factorial Multi-LSM
-
All factors
Climate
Anthropo
dominated by CO2
2 Détection
Potential Evapotranspiration
Weedon et al., 2001, Journal of
Hydrometeorology
Projet WATCH
Moyennes globales sauf Antarctique
ET de référence Penman-Monteith,
pour un gazon “de référence” idéal,
couvrant bien le sol, et parfaitement
aliménté en eau (stress hydrique nul)
EA = f(v, VPD = es(Ta)-ea)
ra = f(v)
r0 = 70 s/m
No CO2 effect.
Jung et al. 2010
Increasing phase
2 Détection
Débits : des résultats controversés
• Labat, Goddéris, Probst, Guyot (2004). Evidence for global runoff increase related to climate
warming, Advances in Water Resources.
 231 stations contribuant à 50% du volume global écoulé
 reconstitution des valeurs manquantes par transformée en ondelettes
 tendance à l’augmentation des débits
2 Détection
Débits : des résultats controversés
• Legates et al. (2005), Advances in Water Resources.
“We have examined the evidence presented by Labat et al. and found that (1) their claims for a 4%
increase in global runoff arising from a 1 °C increase in air temperature and (2) that their article
provides the “first experimental data-based evidence demonstrating the link between the global
warming and the intensification of the global hydrological cycle” are not supported by the data
presented.
Our conclusions are based on the facts that
(1) their discharge records exhibit non-climatic influences and trends,
(2) their work cannot refute previous studies finding no relation between air temperature and
runoff,
(3) their conclusions cannot explain relations before 1925, and
(4) the statistical significance of their results hinges on a single data point that exerts undue
influence on the slope of the regression line.
We argue that Labat et al. have not provided sufficient evidence to support their claim for having
detected increases in global runoff resulting from climate warming.”
2.2 Détection
Débits : des résultats controversés
• Dai et al. (2009). Changes in Continental Freshwater Discharge from 1948 to 2004. Journal of
Climate.
 925 stations contribuant à 80% du volume global écoulé
 reconstitution des valeurs manquantes par régression linéaire
 1/3 seulement des 200 plus grands fleuves montrent des tendances significatives sur le
débit annuel, les tendances négatives (45) étant plus nombreuses que les tendances
positives (19)
 Les tendances positives concernent surtout les fleuves Arctiques
 Les variations de débits sont largement attribuées aux variations de précipitation
(corrélation positive), sauf pour les fleuves Arctiques
” The results are qualitatively consistent with climate model projections but contradict an earlier report of
increasing continental runoff during the recent decades based on limited records ”
Arctic
Global
Q
P1
P2
2 Détection
Autres influences humaines sur l’hydrologie continentale
Le Nil
Barrage d’Assouan fonctionnel en 1968
2 Détection
Autres influences humaines sur l’hydrologie continentale
Méta-analyse de la littérature scientifique sur les attributions de changements
de débit au 20ème siècle
 3 facteurs antagonistes
 difficile d’établir / attribuer des tendances historiques
Sterling et al., 2013
Impacts du changement climatique
sur les ressources en eau
1. Ressources en eau & hydrologie
De quoi parle-t-on ? Quels processus ? Quels facteurs de contrôle ?
2. Les changements passés
Détection et attribution
3. Projections et impacts futurs
Eléments de méthode
Quelques exemples de mise en œuvre
Mise en perspective historique
4. Conclusions
3 Projections et impacts futurs
Modélisation climatique
Modèle numérique 3D du climat planétaire
Océan – Atmosphère - Continents
Résolution horizontale ≈ 300 km
RETROSPECTIF
Constante solaire,
GES et aérosols
observés
Evaluation
des modèles
Détection/Attribution
PROSPECTIF
Constante solaire,
GES et aérosols
issus de scénarios
Projection du
changement climatique
3 Projections et impacts futurs
Mise en perspective historique
Contenu physique des modèles climatiques et forçage radiatif
1990 (FAR)
[CO2]eq : x2
2001 (TAR)
SRES :
A1, A2, B1, B2
1995 (SAR) // CMIP2
[CO2]eq : +1%/an
+ aérosols
2007 (AR4) // CMIP3
SRES : A1, A2, B1, B2
2013 (AR5) // CMIP5
RCP 2.6, 4.5, 6.0, 8.5
3 Projections et impacts futurs
Les projections du GIEC (AR4, 2007)
Scenarios d’émissions « SRES »
+6°
+1.5°
(GIEC, 2007)
3 Projections et impacts futurs
Les projections du GIEC (AR4, 2007)
Changement des températures de surface
par comparaison à la période 1980-1999 (A1B)
2020-2029
2090-2099
Réchauffement plus marqué aux pôles à cause de rétroactions positives
avec cryosphère et albédo
(GIEC, 2007)
3 Projections et impacts futurs
Les projections du GIEC (AR4, 2007)
Changement des précipitations annuelles
entre les fins du 21ème et du 20ème siècles (A1B)
« Dry gets drier, wet gets wetter »
(GIEC, 2007)
3 Projections et impacts futurs
Les projections du GIEC (AR4, 2007)
Changements du cycle de l’eau (2100-2000, A1B)
(GIEC, 2007)
3 Projections et impacts futurs
Limites des modèles climatiques en hydrologie
Exemple 1: Ducharne et al. 2003, J. Hydrology
Modèle de surface de l’IPSL
Bassin versant du Gange
Off-line
Runoff simulé à partir
des précipitations 1987-1988
Biais = -15%
Couplage au GCM de l’IPSL
Précipitations simulées
Moyenne 1979-1988
Valeurs en mm/j
Observations
Simulations
Runoff simulé
Moyenne 1979-1988
Biais = + 140 %
Future (relative) impacts
may be undererestimated
3 Projections et impacts futurs
Limites des modèles climatiques en hydrologie
Exemple 2 : Milly et al., 2005, Nature
12 OAGCM x « ensembles »  35 runs
Période 2041-2060 (A1B) vs. 1900-1970
Moyenne du changement relatif de runoff
Période 1900-1970 (« 20C3M »)
Mean runoff validation : Obs vs. Model
(165 bassins)
Nombre de runs d’accord sur le signe
Rsim > 2 Robs
Rsim < Robs/2
3 Projections et impacts futurs
La démarche « classique » des impacts hydrologiques
Scénario
d’émission
Modélisation climatique à grande échelle
 couplage océan / atmosphère
 scénarios d’évolution des GES et aérosols
Descente d’échelle / régionalisation
 introduire les hétérogénéités spatiales non résolues
par les modèles de climat (e.g. relief)
 corriger les principaux défauts des distributions
spatio-temporelles simulées (e.g. biais)
 mais on découple climat et surface
Approche multi-scénarios multi-modèles
 pour caractériser les incertitudes
Modèle régional
20-50 km
(optionnel)
Modèle
hydrologique
100 m-10 km
Source : CRU
Modélisation hydrologique
 adaptée au domaine étudié et à la question posée
(utilisation de données locales, calage)
validation sur périodes historiques
Modèle global
MCGOA 300 km
3 Projections et impacts futurs
Désagrégation dynamique
Source : J. Boé
 Exemple : ARPEGE-Climat zoomé
Meilleure régionalisation, mais ne corrigent pas les biais
3 Projections et impacts futurs
Mais défauts systématiques des modèles climatiques
 Exemple : ARPEGE-Climat zoomé vs. OBS (SAFRAN)
Moyennes interannuelles dans le bassin de la Seine
Source : A. Ducharne
 Il est déconseillé d’utiliser directement les sorties de modèles climatiques
3 Projections et impacts futurs
Les méthodes de correction
0. Il faut des données de référence = observations
Exemple : les données SAFRAN de Météo-France
• 7 variables météorologiques = pluie, neige,
T2m, q2m, vent, rayonnent global (SW) et
atmosphérique (LW)
• Pas de temps = 1h
• Analyse des variables météorologiques en 612
zones « climatiquement » homogènes
• Interpolation sur un maillage 8km x 8km en
ne tenant compte que des hétérogénéité
induites par la topographie
• Quintana-Seguí et al. 2008: Analysis of NearSurface Atmospheric Variables: Validation of
the SAFRAN Analysis over France. J. Appl.
Meteor. Climatol., 47, 92–107.
3 Projections et impacts futurs
Les méthodes de correction
0. Il faut des données de référence = observations
Les « observations » sont elles-mêmes sujettes à incertitudes !
Dayon et al., 2015, JGR-Atm
3 Projections et impacts futurs
Les méthodes de correction
1. Méthode des anomalies (ou Δ) :
 Basé sur les anomalies mensuelles moyennes simulées entre
CC et climat de référence = signal CC
 Anomalies ajoutées aux variables météo observées pendant la
période de référence
 On obtient la résolution de la BD météo actuelle
Correction de la
projection future plus
forte si biais fort
2. Méthode « quantile-quantiles » ou « CDF matching »
3. Méthodes de régionalisation statistique
 Principe : établir une relation statistique entre les variables locales
et les prédicteurs de grande échelle: (1) caractérisée en climat présent,
(2) supposée valable sous climat perturbé
Précip hiver Paris (mm/j)
Y : centiles observés (SAFRAN)
 Correction de la fonction de répartition (quantiles) des variables
météo, souvent par saison
 Pour reproduire au mieux les quantiles observés pendant la période
de référence => on obtient la résolution de la BD de référence

Méthode des analogues: à chaque pas de temps, le climat désagrégé est
le climat observé dont les caractéristiques de grande échelles sont les plus
analogues de celles qui sont simulées (ré-échantillonnage conditionnel)

Echelle locale, ou France, etc., avec nombreuses variantes (régimes de temps,
approches stochastiques...
Sur-estimation
X : centiles simulés (ARPEGE-HR)
3 Projections et impacts futurs
Exemples d’études d’impact hydrologique
2 objectifs scientifiques couplés :
quantification d’impact + incertitudes
• BV de la Seine (Projet RExHySS, 2009)
14 modèles de climat CMIP3, 2 scénarios
SRES, 3 MR, 6 modèles hydro
• BV de la Durance (Projet R²D²-2050, 2014)
4 modèles de climat + ensembles,
1 scénario SRES, 3 MR, 6 modèles hydro
• Mise en perspective historique
CMIP3 vs CMIP5 en France
2 objectifs « pédagogiques » : illustrer les
types d’enjeux et les modes de représentation
3 Projections et impacts futurs
Projet RExHySS
Impact du changement climatique sur les Ressources en eau et
les Extrêmes Hydrologiques dans les bassins de la Seine et la Somme
2007-2009
Coordinatrice : A. Ducharne
Avec : Habets F, Déqué M, Evaux L, Hachour A, Lepaillier A, Lepelletier T, Martin E, Oudin L,
Pagé C, Ribstein P, Sauquet E, Thiéry D, Terray L, Viennot P, Boé J, Bourqui M, Crespi O, Gascoin
S, Rieu J, Leblois E, Moulin L, Perrier A.
Contexte
Actuellement :
Et dans le futur ?
Scénarios GES
(2)
Modèles de climat
(14)
Poses
Paris
Descente d’échelle
(3)
Projections climatiques régionalisées
Ressource satisfaisante et « aléa » hydrologique modéré
• Climat océanique
• Effet tampon des nappes souterraines
Vulnérabilité importante aux extrêmes
• Urbanisation des corridors fluviaux
• Agriculture intensive
Modèles hydrologiques
(5)
Projections hydrologiques
Scénarios climatiques régionalisés
Moyennes dans le BV Seine
Fin de siècle (2080-2100)
Milieu de siècle (2045-2065)
12 scénarios représentatifs
Milieu de siècle
Fin de siècle
Température
+2°
+3°
ETP
+ 16%
+ 23 %
Précipitation
-6%
-12%
Source : A. Ducharne
Moyennes annuelles d’ensemble
Scénarios climatiques régionalisés
 19 scénarios de CC, moyennes annuelles dans le BV Seine
Source : A. Ducharne
Scénarios climatiques régionalisés
 19 scénarios de CC, moyennes annuelles dans le BV Seine
Source : A. Ducharne
Incertitudes liées aux modèles hydrologiques
 Au moins 5 modèles calibrés puis validés en temps présent
Partenaire
GR4J
GARDENIA
EROS
MARTHE
MODCOU
SIM
CLSM
Sisyphe
BRGM
BRGM
BRGM
ENSMP
MétéoFrance
Sisyphe
Spatialisation
Semidistribué
Global
Bilans d’eau
Validation
à Poses
(Seine)
Validation
à Abbeville
(Somme)
Couplés aux bilans
d’énergie
Δt = 1 h
Conceptuels
Δt = 1 j
Nappes
Semidistribué
Distribué
Conceptuel
Explicite 2D
Nash
0.86
0.90
0.87
0.85
Biais (%)
0.6
0.5
7.9
Période
1975-2000
(26 ans)
1972-2006
(35 ans)
1972-2006
(35 ans)
Nash
0.84
0.94
0.84
Biais (%)
0.1
1.3
4.0
Période
1986-2002
(17 ans)
1989-2003
(15 ans)
1985-2003
(18 ans)
1995-2006
(11 ans)
0.86
Conceptuel
0.88
0.89
-6.0
2.0
1995-2005
(10 ans)
0.79 *
-4.3
1985-2003
(18 ans)
1985-2003
(18 ans)
Bilans hydriques
Réponse particulière de CLSM sous CC
• La nappe alimente les sols
• Stress hydrique peu effectif
49
 Forte dispersion portée par un modèle (CLSM), vraisemblablement pour de mauvaises raisons
 Si on l’exclut, les incertitudes sont dominées par les modèles climatiques (∆P)
Incertitudes liées à la formulation d’ET0
Modèle GR4J : comparaison Explore 2070 / RExHySS
La seule différence entre les 2 exercices est la formule utilisée par Météo-France pour calculer l’ETP
(pour le climat observé et simulé)
Tous les autres forçages sont identiques (modèles de climat, scénarios, descente d’échelle)
Par contre, GR4J est différent car calé avec des ETP légèrement différentes
Impacts sur les débits
Débit de la Seine à Poses (m3/s)
12 scénarios régionalisés x 5 modèles hydrologiques validés
Fin du 20ème
siècle
Moy(SIM REF)
OBS
Fin du 21ème siècle
Moy(SIM REF)
Moy(SIM 2050)
Moy(SIM 2100)
 Baisse du débit moyen d’ici à 2100 :
avec CLSM : -170 m3/s +/- 85 m3/s (-32% +/- 16% TP)
sans CLSM : -150 m3/s +/- 60 m3/s (-28 % +/- 10% TP)
Les débits extrêmes
 Evénements caractérisés en termes d’intensité – durée – fréquence
 Probabilités par ajustement à des lois ad hoc (Gumbel, Fréchet, GEV, etc.)
 Souvent exprimées en période de retour moyenne T
Crue de la Seine à Paris
Pont de l’Alma, 28 janvier 1910
(photo Pierre Petit)
T ≈ 100 ans
T ≈ 15 ans
Crue de la Seine à Paris
Pont de la Tournelle, janvier 1982
(photo AESN)
Les débits extrêmes dans RExHySS
Trois fenêtres de 20 ans sous hypothèse de pseudo-stationnarité
PST (1981-2000) ; MS (2046-2050) ; FS (2081-2100)
Méthodes classiques d’analyse fréquentielle
Dans l’ensemble du bassin de la Seine :
 154 stations (seulement 8 par tous les modèles hydro)
 environ 8000 chroniques
QJXA10 : Débit journalier maximal annuel surpassé en moyenne tous les 10 ans,
(déduit de l’ajustement des QJXA à la loi de Gumbel)
QMNA5 : Débit mensuel minimal annuel sous-passé en moyenne tous les 5 ans,
(déduit de l’ajustement des QMNA à loi log-normale)
Justification :
 Faciles à mettre en œuvre de manière automatique
 Utilisés couramment pour le dimensionnement d’ouvrages ou les plans de
prévention des risques, avec des indicateurs d’événements plus extrêmes
Evolution des extrêmes du débit
La Seine à Paris
Variations relatives par rapport aux simulations PST
QJXA10
QMNA5
Source : E. Sauquet
 Baisses systématiques des étiages sévères (QMNA5)
 Réponse incertaine des pointes de crue (QJXA10)
Eaux souterraines : évolution de la recharge
Recharge annuelle simulée par le modèle hydrogéologique MODCOU
19 scénarios climatiques
2050
-27 %
-2200 Mm3/an
2100
-33 %
-2700 Mm3/an
Source : P. Viennot
 Changements de moyenne statistiquement significatifs
 Déficits proches des prélèvements totaux actuels (nappes + surface)
 Double des prélèvements actuels en nappe
Evolution des ressources en eau souterraines
10 scénarios, horizons 2050 et 2100
Tous les piézomètres actuellement opérationnels
Modèle hydrogéologique MODCOU
Irrigation en Beauce
• L’agriculture consomme actuellement 50% des eaux prélevées en France
• L’assèchement des sols devrait entraîner une intensification de l’irrigation
 Etude ciblée sur la Beauce = « hot spot » en Europe, avec irrigation par eaux souterraines
1. Modèle agronomique
 l’irrigation pourrait augmenter de
50 à 60% en Beauce à l’horizon
2100
Beauce
2. Modèles hydrologiques
 baisse de la recharge d’environ
1/3 à l’horizon 2100
3. Quelles conséquences sur les
nappes, les débits et l’irrigation ?
Irrigation en Beauce
Baisse de la nappe de Beauce à l’horizon 2100
simulée par un modèle hydrogéologique sous scénario A2 régionalisé
1. Déficit de recharge (-37%)
tel que simulé par modèle hydrogéologique
sans changer l’irrigation
-15m
2. Augmentation de l’irrigation (+54%)
tel que simulé par modèle agronomique
sans déficit de recharge
-3.5m
Source : P. Viennot
Irrigation en Beauce
Évolution relative du QMNA5 en fin de siècle sur
les cours d’eau de la Beauce
Modèle hydrogéologique sous scénario climatique A2
régionalisé
1. Effet du changement climatique seul
1+2. Effet cumulé avec l’augmentation de
l’irrigation induite par ce changement
climatique
Avec la baisse du QMNA5, les valeurs
actuelles, utilisées comme seuil alerte
sécheresse, deviennent plus fréquentes, donc
l’irrigation actuelle n’est plus possible
Source : P. Viennot
L’effet direct du changement climatique
domine, et suffit à remettre en cause la
viabilité de l’irrigation des grandes cultures
telle que pratiquée actuellement
3 Projections et impacts futurs
Risque, Ressource en eau et
gestion Durable de la Durance
en 2050
Coordination : Eric SAUQUET (Irstea HHLY Lyon-Villeurbanne)
Analyser l'impact hydrologique et socio-économique du
changement climatique et l’effet de stratégies d’adaptation dans le
bassin de la Durance à l’horizon 2050
3 Projections et impacts futurs
Hydrologie actuelle de la Durance
Débits « naturalisés » par EDF
Forte composante nivale
3 Projections et impacts futurs
Faibles changement des précipitations
R2D2-2050 : comparaison entre climat simulé actuel (1980-2009) et futur (2036-2065)
11 projections
« grande échelle »
par 4 modèles climatiques RCM
ENSEMBLES Stream2
sous scénario A1B
(1860-2099)
3 méthodes
de descente
d’échelle
statistiques
330 projections
du climat à
résolution
8 X 8 km²
3 Projections et impacts futurs
Analyse des impacts selon CLSM
Axes de droite pour ∆; symboles pleins si différence statistiquement significative
3 Projections et impacts futurs
Analyse des impacts selon CLSM
HD
MD
BD
Axes de droite pour ∆; symboles pleins si différence statistiquement significative
Projection multi-modèles (6x330)
Diagnostic sur
les débits
mensuels QM
x
x
Principal changement: baisse des débits en été
(max en juin + baisse du pic automnal là où présent)
65
3 Projections et impacts futurs
330 projections climatiques régionalisées
Conflits d’usage dans le bassin de la Durance ?
6 modèles
hydrologiques
Serre-Ponçon
Castillon
Sainte Croix
3 modèles de
cultures irriguées
1 modèle EDF pour 3 retenues
Contraintes = turbinage, cote touristique, demandes aval
Hypothèse pour l’optimisation : les demandes aval sont prioritaires
5 scénarios d’évolution de la demande en eau
= irrigation, AEP, débits réservés
3 Projections et impacts futurs
Les scénarios de demande en eau
5 scénarios prospectifs établis en concertation avec les gestionnaires du territoire
(élus, Agence de l’eau, DREAL… + EDF, SCP)
Effet des scénarios et du climat
S
5 scénarios = Tendanciel, Spécialisation, Investissement, Crise, Ecolo
3 Projections et impacts futurs
1. Sollicitation des retenues
(Eau manquante à l’aval pour que les usages qui disposent d’un droit puissent assurer leurs prélèvements)
Sollicitation annuelle Durance
Climat
Présent
Climat Futur
Sollicitation annuelle Verdon
Climat
Présent
Climat Futur
CP + Usages Hist.
CP + Usages 2010
CC + Crise
CC + Ecolo
CC + Investissement
CC + Spécialisation
CC + Tendanciel
CC + Usages 2010
2. Conséquences « socio-economiques »
 Baisse de la production électrique car réduction de l’alimentation par l’amont
 Durance : équilibre offre-demande possible (si demande en baisse, remplissage anticipé pour cote touristique)
 Verdon : possible conflit d’usages entre cote touristique, production électrique et prélèvements avals
 Stratégie d’adaptation non évidente
3 Projections et impacts futurs – Mise en perspective historique
GIEC (2013)
CMIP3 (AR4) vs CMIP5 (AR5) sur le globe
3 Projections et impacts futurs – Mise en perspective historique
Projections hydrologiques « CMIP3 »
Projet Explore 2070, piloté par le MEDDE de juin 2010 à octobre 2012 :
• 7 projections CMIP3 régionalisées par la SDM dsclim du CERFACS (cf. RExHySS)
• (2040-2070) – (1961-1990)
• 2 modèles hydrologiques (GR4J et SIM)
Résultat majeur : baisse des ressources en eau sur tout le territoire français à l’horizon 2070
Différence de débit annuel moyen
3 Projections et impacts futurs – Mise en perspective historique
Projections hydrologiques « CMIP5 »
• 41 projections CMIP5 :
19 GCMs avec RCP2.6
25 GCMS avec RCP8.5
• Downscaling = Advanced delta change
(Van Pelt et al., 2012), améliorée pour les
extrêmes en fonction du quantile P90
• Climat de référence = SAFRAN
• Modèle hydrologique = GR4J
• 884 bassins en France
• (2021-2050) ou (2071-2100) – (1961-1990)
3 Projections et impacts futurs – Mise en perspective historique
Projections hydrologiques « CMIP5 »
Précipitations
annuelles
La taille des triangles
est proportionnelle à
la dispersion (std)
des projections
On projette
toujours une
baisse
généralisée
des débits
(sauf Grand
Est et
Bretagne)
Débits
annuels
2021-2050
2071-2100
3 Projections et impacts futurs – Mise en perspective historique
Projections hydrologiques « CMIP5 »
QMNA5
(étiages)
QJXA10
(crues)
2021-2050
2071-2100
Impacts du changement climatique
sur les ressources en eau
1. Ressources en eau & hydrologie
De quoi parle-t-on ? Quels processus ? Quels facteurs de contrôle ?
2. Les changements passés
Détection et attribution
3. Projections et impacts futurs
Eléments de méthode
Quelques exemples de mise en œuvre (France, Seine & Durance)
Mise en perspective historique
4. Conclusions
4 Conclusions
La spécificité des études d’impact
1. Une demande sociétale très ciblée
 Par « secteurs » : hydrologie, neige, agriculture, forêts, aires de
répartition, santé, économie, etc. (mais secteurs non indépendants !)
 Sur des indicateurs précis :
 En hydrologie : débits moyens et extrêmes (crues & étiages),
ressources souterraines (niveaux des nappes)…
 Avec une régionalisation fine
2. La modélisation au cœur de la démarche
 Projections climatiques de grande échelle
 Modèles d’impacts :
• modèles de surface couplés aux modèles de climat
• modèles spécialisés : hydrologie, agronomie, etc.
 Mais inadéquations d’échelle, imprécisions et incertitudes
3. Qu’est-on capable de dire malgré tout ?
4 Conclusions
Effets attendus en France
Effets robustes
 Baisse des débits d’étiages et des niveaux piézométriques
 Réduction des stocks de neige/glace et de leur effet tampon
 Augmentation des risques de défaillance estivale
Effets plus incertains :
 Pluies et crues intenses en région Méditerranéenne
 Débits de crue en France du Nord
 Car fortes incertitudes sur les projections des précipitations
4 Conclusions
Les incertitudes
• Dans la plupart des études, les précipitations sont les principales sources
d’incertitudes
• La manière de calculer l’ET/ET0 est une source de dispersion non négligeable, de
plus en plus mise avant, mais encore mal évaluée
• Les modèles hydrologiques portent aussi des incertitudes importantes même s’ils
sont performants à l’actuel
• Une part des incertitudes échappe à toute évaluation a priori (connaissance
incomplète)
• Les scénarios de CC ne sont pas des prédictions :
(1) basés sur des hypothèse a priori sur les forçages radiatifs
(2) ils évoluent avec nos connaissances
4 Conclusions
Autres limites
 Souvent impacts potentiels, i.e. toutes choses égales par ailleurs
 On a peu abordé les impacts « secondaires » des modifications hydrologiques
• Température et qualité de l’eau
• Agriculture et irrigation
• AEP
• Industrie dont production d’énergie
• Tourisme
• Etc.
 Ces changements secondaires sont susceptibles de rétroagir sur le
fonctionnement hydrologique
 Les interactions avec les systèmes naturels et les activités humaines sont
importantes pour l’adaptation et la mitigation du changement climatique
4 Conclusions
Adaptation ?
Dans le secteur de l’eau, la principale difficulté de l’adaptation vient des conflits d’usage
 Economisons dès à présent l’eau dans tous les secteurs (stratégie « sans regret »)
De la recherche à l’adaptation
•
Contribution à la stratégie d’adaptation au changement climatique
du bassin Seine-Normandie
Deux actions complémentaires :
 Chercheuse sur les impacts
 Membre du CS du comité de bassin (20102016)
Historique
2000
Le temps
de la recherche
Le temps
de la gestion
GICC-Seine
RExHySS
Financement GICC (MEDD)
Co-financement AESN
Thèse Boé (2007)
2010
Explore 2070
Installation d’un CS du CB avec expert CC
Financement MEDDE
Climaware
Avis CC du CS du CB + exposé
2013
Rapport Jouzel (2014)
2015
Thèse Dayon (2015)
COP21
SDAGE 2016 avec mesures CC
2016
Stratégie d’adaptation
Une stratégie d’adaptation co-construite
GICC
Explore 2070
Scientifiques
Comité
d’experts
MEEM
AESN
Préfet de bassin
Gestionnaires
PNACC
COP21
CS du CB
SDAGE
Autres acteurs
Comité de bassin (CB)
Usagers, collectivités locales, Etat
15 réunion locales et thématiques
Orientation générale : vers plus de résilience
5 grands objectifs pour plus de
résilience
- Réduire la dépendance à l’eau
- Préserver la qualité de l’eau
- Protéger la biodiversité et les
services écosystémiques
- Prévenir les risques d’inondation
et de coulées de boue
- Anticiper les conséquences de
l’élévation du niveau de la mer
4 types de territoires
- Métropoles et centres urbains
- Littoral et estuaires
- Territoires ruraux et agricoles
- Zones péri-urbaines et d’activités
industrielles
5 modes d’action prioritaires
- Sans regret
- Evitant la maladaptation
- Atténuantes
- Multi-fonctionnelles
- Solidaires
En pratique
11 « réponses stratégiques »
A. Favoriser l’infiltration à la source et
végétaliser la ville
B. Restaurer la connectivité et la morphologie
des cours d’eau et littoraux
C. Coproduire des savoirs climatiques locaux
D. Développer des systèmes agricoles et
forestiers durables
E. Réduire les pollutions à la source
F. Faire baisser les consommations d’eau et
optimiser les prélèvements
G. Sécuriser l’approvisionnement en eau
potable
H. Agir face à la montée du niveau marin
I. Adapter la gestion de la navigation
J. Renforcer la gestion et la gouvernance
autour de la ressource
K. Développer la connaissance et le suivi
Chacune déclinée en plusieurs actions
ciblées sur certains acteurs/territoires
ACTION D1:
Rendre l’agriculture plus résiliente et robuste au CC





Allonger les rotations culturales et diversifier les
cultures
Diversifier les variétés à la parcelle
Développer l’agroforesterie
Privilégier les systèmes de cultures et variétés
sobres en eau
Développer la sélection et la conception de
semences, de mélanges variétaux…