Les ressources en eau - Université Paul Sabatier

14 PAUL SABATIER Juin 2012
DOSSIER
Les ressources en eau
Comment la recherche aborde
la question des ressources en eau
Avec la qualité de l’eau, la gestion des ressources hydriques au XXIe siècle constitue
l’un des problèmes majeurs des sociétés humaines. La population mondiale croît à
un rythme sans précédent ; de 7 milliards en 2010, le nombre d’humains approchera
9 milliards en 2050. Environ 80 % de l’eau prélevée par l’homme est utilisée pour
l’agriculture et l’industrie, l’utilisation domestique ne représentant qu’une contribution
modeste, de 10 %. Aujourd’hui les pays les plus consommateurs d’eau douce sont
l’Amérique du Nord, l’Europe et l’Asie mais vers 2025 l’Asie consommera 10 fois
plus d’eau douce que le reste de la planète. Or ces ressources en eau sont limitées et
mal réparties. Avec le réchauffement climatique, on prévoit que les régions humides
le seront encore plus et que les régions sèches deviendront plus arides, sachant que
ces projections demeurent incertaines à l’échelle régionale. Savoir comment ont évolué
les ressources en eau dans telle ou telle région au cours des dernières décennies et
comment elles évolueront dans le futur sous l’effet du changement climatique et de
la pression anthropique constitue un défi majeur pour la communauté scientifi que.
Les Everglades (France). © Y. Arthus Bertrand

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Juin 2012 PAUL SABATIER
Les ressources en eau
Des ressources limitées et mal
réparties
Depuis quelques années, plusieurs
équipes toulousaines en ont fait un sujet de
recherche prioritaire, avec l’objectif de quanti-
fi er les variations récentes de la ressource à dif-
férentes échelles spatiales et de prévoir à l’aide
de la simulation numérique l’évolution future
de cette ressource sous l’effet du changement
climatique.
À l’échelle d’un bassin versant, la variation
temporelle du stock d’eau total (neige, eaux de
surface, humidité des sols, eaux souterraines)
dépend des précipitations, de l’évaporation
des sols et la transpiration des végétaux, de
l’écoulement de l’eau vers la mer par le réseau
hydrographique, voire de la fonte des glaciers.
Chacun de ces paramètres joue un rôle clé dans
le cycle de l’eau. Par exemple, les précipitations
ont une infl uence dominante sur les variations
« rapides » du stock d’eau des sols. Les processus
d’évaporation et de transpiration des végétaux
régulent les échanges de masse et d’énergie
entre le sol et la basse atmosphère. L’humidité
des sols contrôle l’évapotranspiration et la crois-
sance des végétaux (et pèse ainsi sur le cycle du
carbone). Le manteau neigeux infl uence l’albédo
de la surface terrestre et par là même le bilan
radiatif de la Terre. L’eau de fonte des glaciers
de montagne joue un rôle majeur dans les res-
sources en eau de certaines régions.
Observation et simulation
Pour décrire et comprendre le bilan d’eau dans
les bassins fl uviaux et ses variations spatio-tem-
porelles en réponse à la variabilité climatique et
au forçage anthropique, deux approches sont
développées en synergie : l’observation des
paramètres hydrologiques et la simulation nu-
mérique. Les modèles hydrologiques régionaux
et globaux calculent les échanges de masse
et d’énergie entre la basse atmosphère et les
sols, ainsi que les variations spatio-temporelles
des stocks d’eaux continentales et du débit des
fl euves. Sur la base d’observations météoro-
logiques, en particulier les précipitations, ils
permettent de déterminer le bilan d’eau actuel
et passé des bassins versants. Couplés à des
modules atmosphérique et océanique au sein de
modèles de climat, ils permettent aussi d’éva-
luer l’évolution future des ressources en eau à
différentes échelles, du régional au global. Les
observations hydrologiques quant à elles sont
indispensables pour valider les modèles et dé-
tecter d’éventuelles évolutions des paramètres
hydrologiques au cours des récentes décennies.
Cependant les réseaux d’observation in situ (ni-
veaux d’eau, débits, humidité des sols, nappes)
ont une distribution limitée et très hétérogène.
Depuis quelques années, certaines techniques
de télédétection spatiale (imagerie visible,
radar, radiométrie, altimétrie, gravimétrie, etc.)
apportent des informations essentielles sur les
variations spatio-temporelles de nombreux
paramètres hydrologiques. Ainsi l’altimétrie spa-
tiale développée pour l’étude des variations spa-
tio-temporelles de la hauteur de la mer permet
aussi de mesurer les niveaux d’eau des fl euves,
des lacs et des plaines inondées. Couplée à
l’imagerie, elle donne accès au volume d’eau des
réservoirs de surface. D’autres capteurs spatiaux
mesurent l’humidité superfi cielle des sols. C’est
le cas du satellite SMOS (mission ESA/CNES),
lancé en 2009. C’est la première mission dédiée
à la mesure précise et globale de l’humidité des
sols. Enfi n les satellites de gravimétrie spatiale
‘GRACE’ en orbite depuis 10 ans, fournissent les
variations spatio-temporelles du stock d’eau
total du sol dans les grands bassins fl uviaux.
L’utilisation combinée des données ‘GRACE’
avec celles mentionnées ci-dessus ou avec des
sorties de modèles hydrologiques permet de
déduire l’évolution du volume de l’eau conte-
nue dans les grands aquifères, une information
extrêmement utile et totalement nouvelle.
Les articles présentés dans ce dossier pro-
posent quelques exemples de résultats obtenus
récemment par les équipes toulousaines sur ces
questions. Trois articles décrivent l’apport de
l’observation spatiale à la quantifi cation de la
ressource en eau dans les différents réservoirs
du sol. Deux articles montrent comment les mo-
dèles hydrologiques nous informent sur l’évolu-
tion des ressources sous l’effet du changement
climatique, tant à l’échelle d’une région comme
le sud-ouest de la France que globalement. En-
fi n, un article discute la complexité du transfert
des précipitations vers les fl euves et du rôle joué
par les réservoirs souterrains dans le stockage
temporaire de cette eau. ■
Cascade d’Iguazu (Bresil/Argentine). © C. Navavut
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t
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Anny Cazenave,
chercheur CNES,
membre de l’Acadé-
mie des sciences, au
Laboratoire d’études
en géophysique et
océanographie spa-
tiales (LEGOS, unité
mixte UPS/CNRS/
CNES/IRD)
Contact
anny[email protected]
u

16 PAUL SABATIER Juin 2012
DOSSIER
Les ressources en eau
Les ressources en eau à l’échelle
globale, vues de l’espace
L’évolution des eaux de surface, les plus utilisées par l’homme, est de mieux
en mieux scrutée par satellite... Un système qui donne une vision plus glo-
bale et plus pérenne de la situation que les réseaux de mesure terrestres
Les eaux continentales représentent moins
de 1 % de l’eau totale présente sur Terre.
Elles sont cependant essentielles pour la vie
et jouent un rôle majeur dans la variabilité clima-
tique. Près de 73 % de la demande mondiale en
eau est fournie par l’eau de surface (rivières, lacs
et réservoirs artifi ciels) et 19 % par l’eau sou-
terraine ; le reste provenant principalement du
retraitement des eaux usées, de la désalinisation
de l’eau de mer. Ces réservoirs d’eau échangent
continuellement de l’énergie avec l’atmosphère
et les océans par le biais de fl ux horizontaux et
verticaux, à travers l’évapotranspiration, et les
écoulements de surface et souterrain. Il est donc
très important d’estimer les changements qui
pourront affecter le cycle de l’eau continental.
Altimétrie spatiale
Bien qu’une description détaillée de la contribu-
tion continentale dans le cycle global de l’eau sur
Terre soit essentielle, dans beaucoup de régions,
soit parce qu’elles sont peu accessibles, soit
parce que dans une situation économique diffi -
cile, on ne dispose pas ou on ne dispose plus de
réseaux de mesure fi ables et pérennes. Depuis
une vingtaine d’années l’observation spatiale
est utilisée de façon de plus en plus systéma-
tique pour étudier les variations de la ressource
en eau dans les différentes couches du sol (zone
racinaire -article de Y. Kerr-, et aquifères – article
de S. Munier-).
Pour étudier les eaux de surface (fl euves, lacs,
zones inondées), une technique spatiale est
particulièrement utile : c’est l’altimétrie spatiale.
Comme l’ont montré de nombreuses études
(auxquelles le Legos a contribué), l’altimétrie
spatiale permet la mesure des niveaux d’eau
des fl euves, des lacs et des plaines inondées et
constitue ainsi une alternative pertinente lorsque
les réseaux in situ périclitent. Depuis 1993 il y a
toujours eu au moins un satellite altimétrique en
orbite et plusieurs missions altimétriques sont
en préparation pour les années à venir (AltiKa/
SARAL, Jason-3, Sentinel-3, Jason-CS, SWOT).
Bases de données
De nombreuses bases de données ‘spatiales’ont
vu le jour depuis une dizaine d’années, déli-
vrant à une large communauté des produits
issues de l’altimétrie : variations de niveaux
des lacs, fl euves et zones d’inondations sur des
milliers de sites dans le monde. C’est le cas de
la base de données Hydroweb, développée au
Legos (http://www.legos.obs-mip.fr/en/soa/
hydrologie/hydroweb) qui compte de nombreux
utilisateurs dans le monde entier.
L’imagerie satellitaire optique/Infrarouge (MO-
DIS, Landsat, Spot) ou radar (Sar) permet quant
à elle d’accéder aux étendues d’eau en surface,
information essentielle notamment pour les
plaines d’inondations et le suivi des lacs. On
peut en particulier calculer la surface d’un lac,
les traits de berges d’un fl euve, ou les zones en
eau dans les plaines d’inondation. Couplée à
l’altimétrie, l’imagerie satellitaire donne aussi
accès à d’autres paramètres, par exemple les
variations de volume des grands lacs terrestres.
Dans ce type de recherche deux contraintes
sont donc incontournables : accéder à de lon-
gues séries temporelles, et avoir une « vue d’en-
semble ». En l’absence de systèmes in situ qui
remplissent ces deux conditions, l’outil spatial,
bien qu’encore jeune si on considère les échelles
temporelles recherchées, est une voie à suivre et
à développer.
Cartographier les grands fl euves
Les nombreux résultats obtenus depuis 20 ans
dans le domaine de l’hydrologie spatiale ont
ainsi conduit le CNES et la NASA à concevoir une
mission entièrement dédiée au suivi des eaux de
surface à l’échelle globale. C’est ainsi qu’est né
le projet SWOT (lancement prévu en 2019) qui
devrait bouleverser notre connaissance du cycle
global de l’eau. En effet l’instrument principal de
SWOT (un interféromètre en bande Ka) donnera
accès aux niveaux d’eau et aux contours des
plans d’eau sur l’ensemble des continents, non
plus seulement sous la trace du satellite avec
des trous allant de 70 à plus de 300 km selon la
mission, mais sous deux fauchées de 60 km de
part et d’autre du nadir. L’objectif de la mission
est de cartographier et de niveler l’ensemble des
grands fl euves tous les kilomètres, avec une fré-
quence de 22 jours. Et avec en produit dérivé, les
débits, et l’ensemble des lacs ou zones inondées
qui font plus de 250 x 250 m de dimension. ■
Contact
jean-francois.cretaux@
legos.obs-mip.fr
u
es
en
eau
Jean-François
Cretaux,
chercheur CNES
au laboratoire d’études
en géophysique et océano-
graphies spatiales (LEGOS,
unite mixte UPS/CNRS/
CNES/IRD).
© Chastanet, UPS/OMP.
Suivi d’une inondation dans le bassin du Gange en
2008. L’altimétrie spatiale et l’imagerie renseignent
sur les eaux de surface, tandis que la mission SMOS
apporte des indications sur l’humidité des sols, et la mission GRACE intègre l’ensemble de la colonne verticale,
inclue donc les aquifères souterrains. Sur la partie droite de la figure, des résultats obtenus avec l’altimétrie
satellitaire, qui donne les variations de niveau d’eau et l’imagerie (ici le capteur MODIS) qui permettent de
suivre les variations de niveaux et d’étendue d’eau durant l’inondation. En bas a droite les résultats issus de la
mission GRACE qui montrent bien un apport d’eau durant cette période.

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Juin 2012 PAUL SABATIER
Les ressources en eau
Hervé Douville, Bertrand Decharme,
Aurélien Ribes, chercheurs au Groupe d’études
de l’atmosphère météorologique (GAME, unité de
Météo-France, associée au CNRS)
Contact
[email protected];
[email protected];
[email protected]
u
Quelles seront nos ressources
en eau en 2100
Les simulations de l’évolution des ressources en eau confirment l’impact
de l’activité humaine sur l’évapotranspiration, mais elles ont du mal
à préciser son influence sur l’ampleur des sécheresses et sur le débit
des fleuves
Indépendamment des scénarios d’émissions
de gaz à effet de serre et des futurs prélève-
ments dans les aquifères ou les rivières (qui
n’ont cessé d’augmenter au cours du XXe siècle),
les projections globales sur les ressources en eau
demeurent très imprécises en raison des biais
importants qui subsistent dans les modèles de
climat et de leur réponse incertaine aux forçages
anthropiques. À cet égard, le 5e rapport du GIEC
qui sera publié en 2013 ne devrait pas démentir
son prédécesseur. Autant qu’on puisse en juger
au vu des simulations d’ores et déjà disponibles,
les incertitudes quant à la réponse des préci-
pitations, de l’évapotranspiration et surtout
de l’humidité du sol demeurent en effet grosso
modo inchangées, notamment lorsqu’on dé-
nombre les modèles dont les anomalies simulées
sont de signe identique à celui de la moyenne
d’ensemble.
Affi ner la compréhension
Ce constat, a priori décevant, doit être tempéré.
D’une part, l’intercomparaison réalisée dans le
5e rapport s’appuie en partie sur une nouvelle
génération de modèles dits « du système Terre »
qui incluent de nouveaux degrés de libertés (ex :
aérosols interactifs) et de nouvelles boucles de
rétroaction (ex : effets direct et indirect du CO2
sur la végétation) susceptibles de perturber aussi
bien le climat récent que futur. Il est donc malgré
tout rassurant de constater que les principales
conclusions du 4e rapport du GIEC demeurent
d’actualité. D’autre part, au-delà des scénarios
Moyenne d’ensemble des anomalies annuelles de précipitations (mm/j), d’évapotranspiration (mm/j) et de contenu en eau du sol (kg/m2) pour 13 modèles ayant contribué
aux simulations CMIP5. Les anomalies sont estimées en comparant les années 2071-2100 du scénario le plus sévère aux années 1971-2000 des simulations historiques. Le
contour blanc délimite les régions où plus de 75% des modèles sont en accord avec le signe de la moyenne d’ensemble des anomalies.
du XXIe siècle, des expériences plus ou moins idéa-
lisées ont été réalisées afi n d’affi ner la compré-
hension des incertitudes. Enfi n, des simulations
dédiées à la détection/attribution devraient
également permettre de mieux comprendre la
variabilité observée du cycle hydrologique.
Accroissement
de l’évapotranspiration
Différents ensembles de simulations de la
période 1 850 à 2005 ont été réalisés au CNRM-
GAME : forçages naturels seuls (activité solaire
et volcanique), forçages anthropiques seuls (gaz
à effet de serre et aérosols), tout forçage confon-
du. Par comparaison à différentes simulations
hydrologiques en mode forcé, ces simulations
climatiques suggèrent que la variabilité spatio-
temporelle de l’évapotranspiration continentale
reconstruite au cours des 5 dernières décennies
ne peut être reproduite sans faire intervenir les
forçages anthropiques. Sauf nouvelles éruptions
volcaniques majeures, l’accroissement global de
l’évapotranspiration amorcé à la fi n du XXe siècle
devrait se renforcer au cours du XXIe siècle. Sauf
dans les régions semi-arides (ex : sud de l’Europe
ou des États-Unis) où l’assèchement des sols
prendra le dessus sur la demande atmosphé-
rique. Au-delà de cette évolution progressive,
c’est la variabilité temporelle des ressources
en eau qui devrait augmenter. Les projections
concernant la fréquence et l’intensité des séche-
resses demeurent cependant incertaines et
varient selon le critère utilisé.
Effets sur les débits des fl euves
Concernant les débits des grands fl euves, l’attri-
bution des variations régionales observées au
cours du XXe siècle demeure délicate tant le rap-
port signal/bruit est faible et l’effet direct de
l’homme sur les débits limite l’interprétation que
l’on peut faire des séries observées. Des travaux
récents conduits au CNRM-GAME suggèrent
toutefois que l’effet direct du CO2 sur l’évapo-
transpiration est du second ordre vis-à-vis des
tendances observées et que la fonte partielle du
permafrost (sols gelés en permanence) pourrait
expliquer la diffi culté des modèles à reproduire
l’accroissement observé aux hautes latitudes de
l’hémisphère Nord. Par ailleurs, les scénarios cli-
matiques suggèrent une hausse de la variabilité
des précipitations mensuelles et quotidiennes,
indépendamment de tout changement en
moyenne annuelle. C’est donc aussi ou surtout
dans les débits de hautes eaux et/ou d’étiage
qu’il faut rechercher l’éventuelle signature du
réchauffement global. Également dans le cycle
annuel des débits, notamment pour les bassins
soumis à un enneigement saisonnier, dont le
caractère nival devrait généralement s’éclipser. ■

18 PAUL SABATIER Juin 2012
DOSSIER
Les ressources en eau
L’humidité du sol,
paramètre clef pour l’agriculture
L’utilisation de la télédétection spatiale pour l’agriculture intéresse de
plus en plus les organismes responsables de sa gestion à l’échelle régio-
nale, nationale, voire européenne ou mondiale : contrôle des surfaces
déclarées (en Europe), occupation du sol, évaluation de l’importance et
de l’extension de dégâts ainsi que de la productivité. Le suivi de l’humi-
dité des sols et son influence sur la production agricole ont été mis en
évidence dans plusieurs études menées au Cesbio
Partout dans le monde, l’eau douce
possède de nombreux usages : irrigation
en agriculture, production d’eau potable,
besoins de l’industrie, du tourisme et de la pro-
duction d’électricité… Mais, ces ressources étant
limitées, ces multiples usages se trouvent en
concurrence.
L’agriculture est la première utilisatrice d’eau :
70 % de l’eau disponible sur terre sert à
l’irrigation des champs. En conditionnant for-
tement la mise en place du peuplement végé-
tal (germination des semences, émergence,
implantation du système racinaire), elle per-
met la croissance de la végétation et donc la
production de l’alimentation nécessaire aux
hommes et aux animaux.
Irrigation et eau potable
Mais l’irrigation doit être limitée pour préser-
ver les autres usages de l’eau, au premier rang
desquels fi gure la fourniture d’eau potable.
L’estimation de l’humidité du sol dans la zone
racinaire, couplée à la connaissance de la pluvio-
métrie peut aider à déterminer l’apport en eau
strictement nécessaire à la plante.
L’humidité de surface des terres agricoles est au
premier ordre sous la dépendance des pluies,
apport « naturel », mais aussi de l’irrigation
(pompage dans les nappes, les lacs et les rivières).
L’analyse des interactions entre l’humidité des
sols et l’évolution des plantes via les processus
d’évaporation et d’infiltration complète ces
données.
Aggravation de la sécheresse
Le satellite SMOS - un radiomètre interféro-
métrique à synthèse d’ouverture - est capable
de mesurer la quantité d’eau présente dans les
premiers centimètres de sol. Ses données ont
été utilisées par les chercheurs du Cesbio pour
évaluer le niveau de sécheresse en Europe de
l’Ouest.
À cause des précipitations inférieures à la nor-
male l’hiver dernier et au début de ce printemps,
l’eau contenue dans les sols est à un niveau faible
en France. Ceci est parfaitement documenté par
Météo France et peut également être docu-
menté à partir du radiomètre SMOS. Ainsi, sur
l’Europe de l’Ouest, une simple comparaison des
moyennes d’humidité de surface des sols mesu-
rées par l’instrument SMOS en février 2010,
2011 et 2012 permet de constater l’aggravation
de la sécheresse sur ces 3 périodes.
A l’échelle régionale et locale, le Cesbio dispose
désormais de 11 années de données (2002 à
2012) de suivi par télédétection à la fois en
haute et en basse résolution spatiale. Ces
données ont été récoltées dans le cadre du projet
« Sud-ouest » et de l’« Observatoire Spatial
Régional » (OSR) du CESBIO.
Cultures touchées par le stress
Les images de télédétection permettent de vi-
sualiser et de calculer des paramètres pertinents
qui synthétisent l’information comme l’indice de
végétation NDVI. La télédétection peut aider
dans l’identifi cation des zones de cultures tou-
chées par différents stress (conditions trop hu-
mides ou trop sèches, maladies…). Dans ce but,
les images sont acquises durant toute la saison
de croissance de la végétation.
Les prairies, en particulier les prairies natu-
relles et permanentes, réagissent rapidement
et fortement aux conditions météorologiques,
par un démarrage plus précoce en cas de prin-
temps mais aussi par une chute de végétation
en fin de printemps et en été si les conditions
sont sèches. ■
e
n
e
a
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Yann Kerr,
chercheur CNES,
directeur du Centre
d’études spatiales de
la biosphère (CESBIO,
unité mixte UPS/
CNRS/CNES/IRD)
L’humidité des sols, exprimée en m3 d’eau
par m3 de sol, pour le mois de février
2012 sur l’Europe. © Cesbio
Composition colorée d’une zone du
Lauraguais (mai 2010 et 2011) - Les prairies
sont délimitées par le contour vert. On
observe que la biomasse est bien moins
importante, et son activité chlorophyllienne
est plus faible en 2011. L’indice de
végétation NDVI moyen est passé de 0.71 à
0.59 sur ces parcelles.
© Cesbio
Contact
yann.k[email protected]
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