Analyser et modéliser l'impact cumulé agro-hydrologique des retenues d'eau

par Nicolas Lebon

Projet de thèse en Sciences de l'Eau

Sous la direction de Jerome Molenat et de Delphine Burger-leenhardt.

Thèses en préparation à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau , en partenariat avec LISAH - étude des interactions entre sols, agrosystèmes et hydrosystèmes (laboratoire) depuis le 01-12-2017 .


  • Résumé

    Les retenues d'eau sont des petits barrages, souvent en terre, captant les eaux de ruissellement ou les eaux des cours d'eau, dont le rôle premier est de stocker de l'eau destinée à l'irrigation de parcelles cultivées. Dans le cadre de la loi sur l'Eau et les Milieux Aquatiques (LEMA, 2006), la construction de retenues d'eau est considérée comme une solution pour pallier les déséquilibres structurels résultant du décalage temporel entre la demande agricole en eau (forte en été) et la disponibilité de l'eau (forte en hiver mais faible en été). Cependant, la multiplication des retenues d'eau agricoles peut entraîner une réduction significative du débit des rivières et un allongement des périodes d'étiage en été et en automne. La réduction des débits perturbe le fonctionnement des milieux aquatiques des rivières (réduction de diversité et des populations de poissons par exemple). Des débits plus faibles dans une rivière signifient également une moindre disponibilité de l'eau pour les autres usages (alimentation domestique ou usage industriel, mais aussi prélèvements agricoles en aval). C'est pourquoi, la réforme des études d'impact des projets de travaux, d'ouvrages ou d'aménagements, établie en application de la loi Engagement National pour l'Environnement implique que les projets de construction de retenues calculent l'impact sur les débits des ouvrages en projet en tenant compte des ouvrages existants (on parle alors d'« impact cumulé »). Or, comme l'a conclu l'expertise scientifique collective sur les retenues (2014-2016, https://expertise-impact-cumule-retenues.irstea.fr), les maîtres d'œuvre de ces projets ne disposent pas d'outils opérationnels d'évaluation de l'impact cumulé des retenues dans les bassins versants agricoles. Les modèles numériques agro-hydrologiques développés par l'INRA pourraient constituer de tels outils. En plus d'être une solution potentiellement opérationnelle pour l'évaluation de l'impact des retenues, ces modèles ont également un intérêt scientifique pour approfondir la connaissance sur les interactions entre fonctionnement agronomique (choix des cultures et des pratiques agricoles, besoins en eau) et fonctionnement hydrologique (chemin et stock d'eau) dans les paysages cultivés avec retenues. L'objectif de la thèse est d'évaluer quelles conditions doivent remplir les modèles agro-hydrologiques pour permettre l'évaluation de l'impact cumulé des retenues sur le débit des rivières. Dans cet objectif, la thèse traitera de trois questions importantes et originales dans la perspective de la conception d'outils opérationnels d'évaluation de l'impact cumulé des retenues. La première porte sur la représentation spatiale des retenues dans un modèle agro-hydrologique. Plusieurs approches peuvent être envisagées, d'une représentation spatialement explicite où chaque retenue est représentée avec ses connexions à l'ensemble des compartiments hydrologiques (sol, aquifère, rivière, …) jusqu'à une représentation globale, où un ensemble de retenues est représenté sous la forme d'une seule retenue équivalente. En comparant ces deux approches, on cherchera à évaluer si le positionnement d'une retenue dans le bassin conditionne son impact hydrologique. La seconde concerne la représentation de l'organisation spatiale des cultures et des interactions hydrologiques entre les parcelles cultivées. Ceci permettra d'évaluer les conséquences d'une nouvelle retenue sur le plan agronomique et en retour sur l'hydrologie du bassin. Ainsi, on pourra envisager une approche par comparaison, qui servira à évaluer l'intérêt de la spatialisation des systèmes de cultures à différentes échelles. On pourra également s'intéresser à la dynamique du ruissellement entre parcelle cultivée, qui nous permettra notamment d'évaluer l'importance des phénomènes de réinfiltration sur les parcelles agricoles. Enfin, la troisième question d'une nature différente consiste non plus en une analyse de sensibilité, mais en l'application du modèle choisi à l'issue de ces analyses de sensibilité. Cela contribuera à élaborer et tester par la modélisation agro-hydrologique la pertinence d'indicateurs simples de l'impact des retenues (par exemple la densité surfacique des retenues dans un paysage), indicateurs qui pourraient être utilisés en première approche par les maîtres d'œuvre des projets de construction de retenues (bureaux d'études par exemple) et les gestionnaires de bassin versant (syndicat de bassin par exemple). La thèse associe deux unités de l'INRA, le LISAH à Montpellier et AGIR à Toulouse. Les questions traitées dans la thèse s'appuieront sur les modèles déjà développés représentant le fonctionnement hydrologique (modèle sous la plateforme OpenFLUID au LISAH) et le fonctionnement agrohydrologique (modèle sous plateforme MAELIA à AGIR). Le projet de thèse complète un projet R&D actuellement soutenu par l'ONEMA (maintenant Agence Française de la Biodiversité) associant l'INRA, la CACG (Compagnie d'Aménagement des Coteaux de Gascogne) et Arvalis-Institut du végétal. Dans la démarche, les questions traitées dans la thèse le seront à partir d'un bassin versant référence situé dans l'ouest de la région Occitanie où les retenues sont très largement présentes. Elles seront traitées en considérant l'état actuel du bassin et également différents scénarios en matière de configuration du réseau de retenues (densités, répartitions géographiques, modes de gestion) et de type et d'organisation spatiale des cultures (en distinguant notamment la part et la localisation des cultures irriguées). Le bassin choisi est le bassin versant de l'Arrats (600 km², situé principalement dans le Gers). Ce choix est motivé par la disponibilité des données hydrologiques et agronomiques et son intérêt partenarial ; en effet appartenant au Système Neste, le bassin est suivi et géré par la Compagnie d'Aménagement des Coteaux de Gascogne.

  • Titre traduit

    Analyze and model the cumulative agro-hydrological impact of reservoirs


  • Résumé

    Reservoirs are small dams, often made with earth. They retain and store runoff water or watercourses. Their primary role is to store water in order to irrigate agricultural fields. The Water and Water Resources Act (LEMA, 2006) considers theconstruction of water reservoirs as a solution to overcome the structural imbalances resulting from the time lag between agricultural water demand (high in summer) and water avilability (strong in winter but low in summer). However, increasing the number of agricultural water reservoirs can lead to a significant reduction in river flow and longer periods of low water in summer and autumn. Flow reduction disturbs aquatic environments of rivers (e.g. it reduces both the quantity of fish and and their diversity). Lower flows in rivers implies also less water for various uses (domestic or industrial uses, but also downstream agricultural uses). This is why the National Environmental Engagement Act order “impact studies” for construction projects of reservoirs which must take into account the impact on water flows of the project reservoir with account of the existing reservoirs (the so-called “cumulated impact”). But, as concluded by the collective scientific expertise on reservoirs (2014-2016, https://expertise-impact-cumule-retenues.irstea.fr), project managers do not have operational tools for assessing the cumulative impact of reservoirs in agricultural watersheds. The agro-hydrological numerical models developed by INRA could constitute such tools. In addition to being a possible operational solution for the evaluation of reservoirs impact, these models also have a scientific interest to deepen the knowledge on the interactions between agronomic functioning (choice of crops and agricultural practices, water demands) and hydrological functioning (path and water supply) in cultivated landscapes with reservoirs. The PhD objective is to evaluate how agro-hydrological models can allow the evaluation of the cumulative impact of reservoirs on river flows. To this end, the thesis will deal with three important and original questions for designing operational tools for assessing the cumulative impact of reservoirs. The first deals with the spatial representation of reservoirs in an agro-hydrological model. Several approaches can be considered, from a spatially explicit representation where each reservoir is represented with its connections to all the hydrological compartments (soil, aquifer, river, ...) to a global representation, where a set of reservoirs is represented by a single reservoir of equivalent volume. Comparing these two approaches will allow to assess if the location of the reservoir within the watershed impacts the water flows. The second concerns the representation of the spatial organization of crops and the hydrological interactions between cultivated plots. This will assess the consequences of a new reservoir on the agronomic plan and in return on the hydrology of the basin. Finally, the third question concerns the choice of indicators of cumulated reservoir impact, likely to be used by project managers of reservoir construction projects (consultancy firms for example) and watershed managers (River Basin Mixed Syndicate for example). This question will be addressed by the use of agro-hydrological modelling: simple indicators (e.g. surface density of reservoirs in a landscape) will be evaluated by comparing simulations made with various reservoir network configurations. The indicators tested will be the ones eaily. The thesis associates two research units of INRA: LISAH in Montpellier and AGIR in Toulouse. The issue addressed will build on the already developed models representing hydrological functioning (model under the OpenFLUID platform at LISAH) and agrohydrological operation (model under the MAELIA platform at AGIR). The thesis project complements an R&D project currently supported by ONEMA (now French Agency for Biodiversity) associating INRA, CACG (Coteaux de Gascogne Development Company – a water manager) and Arvalis-Plant Institute (a technical institute). The issues addressed in the thesis will be based on a reference watershed located in the west of the Occitanie region where the reservoirs are very widely present. They will be treated considering the current state of the basin and also different scenarios in terms of reservoir network configurations (densities, geographic distributions, management methods) and cropping systems distributions (distinguishing in particular the proportion and location of irrigated crops). The selected basin is the Arrats watershed (600 km², mainly located in the Gers). This choice is motivated by the availability of hydrological and agronomic data and its partnership interest; indeed, belonging to the Neste System, the basin is monitored and managed by CACG.