Les continuums aquatiques des bassins fluviaux français : modélisation et scénarios

Les continuums aquatiques des bassins fluviaux français : modélisation et scénarios

Direction : Josette Garnier et Vincent Thieu

Il apparaît aujourd’hui clairement que la gestion des ressources en eaux doit se concevoir à l’échelle décisionnelle de territoires entiers, seule échelle capable d’intégrer l’ensemble des processus qui affectent la qualité de l’eau tout au long de son cheminement depuis les sols agricoles, forestiers ou urbains, jusqu’aux zones littorales, en passant par les aquifères, les cours d’eau et leurs annexes hydrauliques.

En ce qui concerne les macronutriments (N, P, C, Si), impliqués dans les problématiques (i) de contamination directe des eaux souterraines et de surface destinées à la production d’eau potable, (ii) de perte de biodiversité aquatique, (iii) d’eutrophisation et (iv) d’émission de gaz à effet de serre, nous avons développé des outils génériques (GRAFS et RIVERSTRAHLER) , applicables à plusieurs échelles pour la modélisation des flux d’eau ainsi que des différents processus impliqués dans le transport, la réactivité et la rétention de ces nutriments d’amont en aval des hydrosystèmes, des ruisseaux de têtes de bassin aux grands axes canalisés, en incluant les milieux stagnants (réservoirs et lacs), les discontinuités hydromorphologique et biogéochimiques, ainsi que les interfaces estuariennes (avec l’application du modèle C-GEMS)

Si le bassin de la Seine, sur lequel le programme PIREN-Seine et la ZA Seine travaillent depuis 3 décennies, est considéré comme un territoire pilote à l’égard du développement de tels outils opérationnels, il s’agit au cours de cette thèse d’étendre le domaine d’application de ces outils à l’échelle nationale, afin de proposer une suite de modèles robuste, cohérente avec l’emprise spatiale des prospectives à long terme sur la gestion des ressources en eaux.

Le modèle RIVERSTRAHLER calcule les transferts de carbone, de l’azote, du phosphore et de la silice dans les réseaux hydrographiques compte tenu des apports diffus issus des aquifères et des eaux de surface, des apports ponctuels des eaux usées urbaines, et des transformations qui ont lieu dans le réseau hydrographique proprement dit (dans la colonne d’eau et à l’interface avec le sédiment benthique). Il offre la possibilité d’un calcul saisonnalisé des concentrations, des apports et des processusreliés aux éléments C, N, P et Si dans tout continuum aquatique avec une résolution kilométrique, en situation actuelle ou passée (Garnier et al. 2018; Billen et al. 2018), comme dans divers scénarios futurs possibles. Le modèle fournit ainsi les flux de nutriments (C, N, P, Si) délivrés à l’exutoire des bassins versants et contribuant à l’eutrophisation des masses d’eau littorales et marines. Ils ont souvent été utilisés comme donnée d’entrée pour des modèles d’eutrophisation marine côtière (Cugier et al. 2005; Passy et al. 2013, 2016; Demits et al. 2018) et a récemment fait l’objet d’un couplage avec le modèle estuarien C-GEMS (Laruelle et al. 2019).

L’approche GRAFS2 est une méthode formalisée de calcul des flux d’azote de phosphore et de carbone dans les systèmes agri-alimentaires territoriaux (Billen et al., 2014 ; Le Noë et al. 2017) qui permet de faire le lien entre la structure de ces systèmes et la pollution diffuse qu’ils génèrent, y compris dans le cas de scénarios alternatifs. Les apports diffus issus de GRAFS servent de données d’entrée au modèle de biogéochimie aquatique RIVERSTRAHLER.

Cette chaine de modélisation, opérationnelle pour le bassin de la Seine, sera donc étendue et éprouvée à l’ensemble des continuums hydrologiques nationaux métropolitains.

Il s’agit de généraliser l’approche de modélisation intégrée dans les trois années des travaux de la thèse de doctorat. En particulier, le couplage GRAFS-RIVERSTRAHLER impliquera :

• de caractériser les flux hydriques souterrains et superficielspour la période actuelle 2000-2020 et d’intégrer les projections faites à l’horizon 2050 et 2100 par le 5eme exercice du GIEC. Plusieurs scénarios d’émissions dont les variables climatiques sont d’ores et déjà désagrégées à l’échelle nationale (réalisation CERFACS sur grille SAFRAN) seront mobilisés.

• d’évaluer de façon prospective les systèmes agri-alimentaires désirables, leurs potentiels et leurs complémentarités à l’échelle du du territoire national, à travers divers scénarios. Il s’agit d’explorer la transition écologique de la nation, avec une tendance globale à la diversification des exploitations et des types de production (augmentation significative - 40% de la SAU- en agriculture biologique en 2050, impliquant une augmentation de la proportion de légumineuses fourragères et protéagineux)
• d’effectuer une évaluation environnementale sur l’ensemble de la façade littorale nationale pour la période actuelle et future en croisant les conditions hydrologiques sous changement climatique et des agricultures alternatives, en (i) quantifiant les flux de nutriments et leur pouvoir eutrophisant (ii) évaluant les émissions de gaz à effet de serre.