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…