Changes in the balance between water uses and availability in two Mediterranean hydrosystems : adaptation to climatic and anthropogenic changes

par Julie Fabre

Thèse de doctorat en Hydrogéologie

Sous la direction de Denis Ruelland.

Le président du jury était Gilles Belaud.

Le jury était composé de Denis Ruelland, Gilles Belaud, Emmanuel Reynard, Éric Sauquet, Lucas Menzel, Manuel Pulido-Velazquez.

Les rapporteurs étaient Emmanuel Reynard, Éric Sauquet.

  • Titre traduit

    Equilibres entre usage et disponibilité en eau sur deux hydrosystèmes méditerranéens : adaptation aux changements climatiques et anthropiques


  • Résumé

    La thèse propose une approche originale pour évaluer les évolutions à moyen terme des équilibres entre usages et ressources en eau à l’échelle de bassins versants. Un cadre de modélisation intégrant les dynamiques hydro-climatiques et des activités humaines ainsi que les liens entre demandes et ressources en eau a été développé et appliqué sur deux bassins d’échelles différentes et aux usages de l’eau contrastés : l’Hérault (2500 km2, France) et l’Ebre (85000 km2, Espagne). Les écoulements naturels ont été simulés avec un modèle hydrologique conceptuel et un modèle de gestion de barrage piloté par les demandes associées et les contraintes de gestion a été implémenté. Les demandes en eau municipal, industrielle et d'irrigation ont été estimées à partir de données socio-economiques, agronomiques et climatiques. Des débits environnementaux seuils, en-dessous desquels les prélèvements sont limités, ont été pris en compte. La chaîne de modélisation a été calée et validée sous les conditions anthropiques et hydro-climatiques non-stationnaires de 40 années passées, avant d’être appliquée sous quatre combinaisons de scénarios de changements climatiques et d’usages de l’eau, permettant ainsi de différencier les impacts climatiques et anthropiques. Des simulations climatiques de l’exercice CMIP5 ont été utilisées pour générer 18 scénarios climatiques à l’horizon 2050, et un scénario tendanciel des usages de l’eau a été proposé sur la base de tendances socio-écononomiques locales. La disponibilité en eau a été comparée à la demande à travers des indicateurs de fréquence et d’intensité de satisfaction. L'impact des scénarios climatiques sur la disponibilité et la demande en eau pourrait remettre en question les allocations et débits environnementaux envisagés pour les décennies à venir. Les limitations de prélèvements pourraient devenir pus fréquentes, et la pression anthropique sur les milieux aquatiques pourrait s'intensifier. Pour évaluer le potentiel d’adaptation aux changements climatiques, une analyse de sensibilité des indicateurs aux principaux facteurs d’évolution de la demande et de la gestion de barrages a été réalisée. L’efficacité et la robustesse de mesures individuelles varient entre les bassins et selon les nœuds de demande. Un scénario d’adaptation combinant différentes mesures a ensuite été testé. Ce scénario pourrait réduire sensiblement le stress hydriquel, cependant sa robustesse vis-à-vis des incertitudes climatiques pourrait être insuffisante. Afin d'atteindre un équilibre durable entre usages et ressources en eau et de réduire la vulnerabilité des usages de l'eau, une complémentarité doit être trouvée entre des études quantitatives à l'échelle de bassins versants, comme celle menée dans cette thèse, et des études locales de la vulnérablité socio-économique et des capacités d'adaptation.


  • Résumé

    This thesis proposes an original approach to assess multi-decadal changes in the balance between water use and availability in managed river basins. A modeling framework integrating human and hydro-climatic dynamics and accounting for linkages between resource and demand was developed and applied in two basins of different scales and with contrasted water uses: the Herault (2500 km2, France) and the Ebro (85000 km2, Spain) basins. Natural streamflow was evaluated using a conceptual hydrological model, and a demand-driven reservoir management model was designed to account for streamflow regulations from the main dams. Urban, industrial and agricultural water demands were estimated from socio-economic and agronomic and climatic drivers. Environmental flows were accounted for by defining streamflow thresholds under which water withdrawals were strictly limited. This framework was successfully calibrated and validated under non-stationary human and hydro-climatic conditions over a past period of 40 years before being applied under four combinations of climatic and water use scenarios to differentiate the impacts of climate- and human-induced changes on streamflow and water balance. Climate simulations from the CMIP5 exercise were used to generate 18 climate scenarios at the 2050 horizon and a trend water use scenario was built based on demographic and local socio-economic trends by the mid-21textsuperscript{st}century. Indicators comparing water supply to demand were computed. The impact of the tested climate projections on both water availability and demand could question the water allocations and environmental requirements currently planned for the coming decades. Water shortages for human use could become more frequent and intense, and the pressure on water resources and aquatic ecosystems could intensify. To assess the efficiency of potential adaptation measures under climate change scenarios, the sensitivity of water stress to variations in the main drivers of water demand and dam management was tested. The effectiveness and robustness of individual measures varied between the basins and within each basin. Finally an adaptation scenario combining different measures was tested in both basins, using the integrative modeling framework. This scenario led to encouraging results regarding the decrease of water stress. However, the adaptation strategies were shown to be insufficiently robust to climate change uncertainties. To achieve a sustainable balance between water availability and demand and reduce the vulnerability of water uses to climate change, a complementarity needs to be found between basin-scale studies of the water balance, such as the ones conducted in this thesis, and local assessments of vulnerability and adaptive capacity.


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