Dossier : Climat   
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Le groupe Eau du PIGB, une réponse à une préoccupation globale croissante


Extrait de la Lettre n°11 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)













 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 - Typologie des stratégies de gestion de la qualité des eaux (Cn, Cr, Cl, concentrations naturelles, recommandées et limites acceptables). (Meybeck 2000)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 - Cadre général de travail du Groupe eau du PIGB

 

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Les systèmes fluviaux sont exposés à deux types de changements globaux majeurs : le changement de climat et les changements directs liés à l’utilisation des terres et de l’eau. Le groupe Eau interdisciplinaire du PIGB a été créé en 1998 pour coordonner et promouvoir la recherche effectuée au sein du Programme sur le rôle des fleuves, lacs, zones humides, estuaires, eaux souterraines et zones côtières – les systèmes aquatiques continentaux – dans le fonctionnement biogéochimique de la planète.

Le groupe Eau met l’accent sur les changements des flux, des concentrations et des modes de transfert de l’eau, des particules, du carbone et des nutriments tels que l’azote, le phosphore et la silice, ainsi que d’autres descripteurs de la qualité des eaux, comme les métaux et les polluants organiques persistants, ne sont pas écartés. Une approche multidisciplinaire est nécessaire puisque les problèmes liés à l’eau concernent à la fois les systèmes naturels et les systèmes sociaux ; elle requiert la participation de toutes les composantes du PIGB et la coopération avec d’autres programmes internationaux tels que IHDP.

La place des systèmes aquatiques continentaux dans le changement global
Les systèmes aquatiques continentaux sont définis ici à partir du point où les précipitations atteignent la surface terrestre jusqu’au mélange complet des fleuves et des eaux souterraines avec les eaux marines (pour les régions exorhéiques) ou jusqu’à leur évaporation complète pour les bassins fermés (régions endorhéiques). La limite aval de ce domaine est donc variable dans le temps et dans l’espace et inclut ce qui est communément défini dans le PIGB comme la zone côtière.

Les systèmes fluviaux sont exposés à deux types de changements globaux majeurs : le changement de climat et les changements directs liés à l’utilisation des terres et de l’eau, tels que l’endiguement et la canalisation des rivières, l’agriculture, l’irrigation et les transferts d’eau, les industries et mines, l’urbanisation et l’augmentation de population (tableau 1). Des impacts multiples sur les processus physiques, hydrologiques, chimiques et biologiques affectent les niveaux et les flux des matériaux transportés par la rivière, la disponibilité des ressources aquatiques continentales, et le fonctionnement des biotopes aquatiques, tant dans leur distribution spatiale que temporelle. La plupart de ces impacts sont aujourd’hui observés à l’échelle mondiale. Certains d’entre eux sont récents, comme la présence de polluants organiques persistants. D’autres sont beaucoup plus anciens, c’est le cas des impacts résultant de l’agriculture sur les systèmes fluviaux. L’influence du changement de climat sur les réseaux fluviaux et les flux des rivières est une particularité permanente et importante de la dynamique de la surface terrestre à l’échelle des temps géologiques. L’accélération actuelle des variations de climat due aux activités anthropiques peut aboutir à une réponse rapide de toutes les eaux continentales.

Les impacts humains directs sur les écosystèmes aquatiques sont plutôt régionaux ou locaux, mais peuvent aboutir à de nombreux problèmes globaux (tableau 1 et encadré).

Des changements régionaux aux changements globaux sur les écosystèmes aquatiques continentaux

La modification dramatique d’écosystèmes : quelques exemples
Le fleuve Amu Darya et la mer d’Aral ne sont pas les seuls écosystèmes aquatiques continentaux dramatiquement affectés par la modification du régime d’écoulement des rivières ; le Nil (drainant 2,8 M km2), le Colorado (0,6 M km2), ne déversent pratiquement plus d’eau, de nutriments ou de sédiments dans la zone côtière. Actuellement, les plus grands fleuves du monde sont déjà influencés par d’immenses barrages et/ou des dérivations de l’eau (Colombie, Missouri, Rio Grande ; Orenoque, Parana ; Volta, Niger, Nil, Orange, Zambèze ; Indus, Huang He, Chiang Jiang, Ob, Yenissei, Sir Daria ; Volga, Don, Dniepr, Danube ; Murray). Cela aboutit à un dépôt global et à un piégeage des sédiments et du carbone organique particulaire fluviaux estimé à 20 % et à un temps de transfert global de l’eau des fleuves retardé d’une année pour de nombreux systèmes fluviaux, ce qui affecte beaucoup la morphologie fluviale. De plus, beaucoup de systèmes fluviaux sont aussi chenalisés pour la navigation.

Les réservoirs artificiels
Actuellement, la surface totale des réservoirs est estimé à 500 000 km2 et leur volume à 6 000 km3. L’artificialisation du cours des fleuves et la rupture de leurs connections longitudinales sont maintenant très répandues dans l’Hémisphère Nord, où elles ont déjà affecté la biodiversité des systèmes aquatiques, particulièrement pour les espèces de poissons.

Azote, Phosphore et Silice
A la suite de sources multiples de pollutions, les apports fluviaux à la zone côtière d’azote inorganique et de phosphore ont déjà été multipliés à l’échelle globale par un facteur 2,5 et 2, respectivement, tandis que la silice dissoute est en diminution en raison de l’eutrophisation des systèmes fluviaux comme sur le Mississipi et le Danube. Dans certaines régions, comme en Europe de l’Ouest, les flux d’azote et de phosphore ont déjà augmenté d’un ordre de grandeur.

Mercure, Cadmium, PCBs…
Bien que moins documentées, des tendances analogues sont très probables pour certains métaux toxiques tels que Hg et Cd et dans une moindre mesure pour Zn et Pb. De nombreux polluants organiques persistants tels que les PCBs, les HAPs et même le DDT, encore fabriqué et utilisé dans certains pays, sont maintenant détectés dans les systèmes aquatiques continentaux.

La demande en eau
Dans les 25 prochaines années, la demande moyenne en eau va croître d’un facteur 1,4 à 2,9 pour les pays développés et de 3 à 10 pour les pays en voie de développement. L’irrigation est le principal usage et la principale consommation de l’eau à l’échelle de la planète ; dans les régions les plus arides, il faut 50 ha de terres irriguées pour nourrir 1000 habitants : la superficie totale des terres irriguées devrait passer de 2,54 à 3,3 M km2 d’ici 2025. Lorsqu’il existe, l’usage municipal de l’eau est très hétérogène, de 10 à 500 litres par jour et par habitant. Globalement, déjà 61% de l’eau utilisée (3 750 km3.an-1) est consommée, c’est-à-dire évaporée, ce qui correspond à une diminution de plus de 5% des apports d’eau continentale aux océans, et à un pourcentage beaucoup plus élevé pour certaines mers régionales comme la Méditerranée.

 

Environmental
state changes
Major Impacts
Global issues
 
A
B
C
D
E
F
G
1 - Climate change
and land cover change
development of non-perennial rivers  
+
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+
+
+
+
segmentation of river networks        
+
+
 
development of extreme flow events  
+
   
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+
changes in wetland distribution
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+
+
changes in chemical weathering      
+
   
+
changes in soil erosion      
+
 
+
+
salt water intrusion in coastal ground waters  
+
         
salinization through evaporation  
+
+
   
+
 
2 - Land use change wetland filing or draining    
+
+
 
+
 
*change in sediment transport      
+
+
 
+
alteration of first order streams        
+
+
 
**nitrate and phosphate increase
+
 
+
+
   
+
pesticide increase
+
 
+
     
+
3 - River damming
and channelization
nutrient and carbon retention      
+
   
+
*retention of particulates      
+
+
 
+
loss of longitudinal and lateral connectivity          
+
 
creation of new wetlands
+
 
+
+
 
+
 
4 - Irrigation and
water transfer
partial to complete decrease of river fluxe        
+
+
+
salinization through evaporation  
+
+
       
5 - Release of industrial
and mining wastes
*heavy metals increase
+
 
+
       
acidification of surface waters    
+
   
+
 
**salinization
+
 
+
   
+
 
6 - Release of urban
and domestic wastes
**eutrophication
+
 
+
+
 
+
+
development of water-borne diseases
+
           
organic pollution
+
 
+
   
+
 
**persistent organic pollutants
+
 
+
     
+
A : human health,
B : water availibility,
C : water quality,
D : carbon balance,
E : fluvial morphology,
F : aquatic biodiversity,
G : coastal zone impacts. Only the major links between issues and impacts are listed here

* illustrated in this issue,
** planned to be covered in future issues of this journal.

Tableau 1 : Principaux impacts du changement global sur les systèmes aquatiques continentaux et leurs conséquences

Les activités du groupe IGBP
Le but principal du Groupe Eau est de comprendre le rôle des écosystèmes aquatiques continentaux dans les cycles biogéochimiques globaux et comment les flux de matériaux qui leur sont associés (eau, sédiments, nutriments, polluants) sont influencés ou sensibles aux changements globaux du climat et de l’utilisation des terres, au cours du passé géologique récent, du présent et d’en prévoir l’évolution future.

En considérant les multiples facettes de ce but, les activités du PIGB actuel dans ce domaine, et les moyens encore limités du Groupe Eau, six questions essentielles ont été retenues :
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1) Quels sont les stocks actuels, concentrations et flux de particules véhiculées par les systèmes d’eau douce à l’océan (depuis l’atmosphère aux écosystèmes terrestres et au travers des systèmes socio-économiques).
2) Comment différencier l’influence de la variabilité naturelle et celle due aux perturbations humaines sur les stocks et flux d’eau et de matériaux transportés par l’eau ? Jusqu’à quel point les hommes ont ils affectés ces flux globaux ?
3) Comment les processus biogéochimiques affectent ces flux à travers les systèmes aquatiques continentaux ?
4) Quels aspects des processus aquatiques et flux biogéochimiques sont les plus sensibles aux changements futurs ?
5) Jusqu’à quel point les changements de concentrations et de flux affectent-ils les fonctions des écosystèmes aquatiques, l’usage et la durabilité de la ressource en eau ?
6) Jusqu’à quel point les changements des flux aquatiques continentaux globaux affectent-ils le fonctionnement de la planète ?

Ces questions concernent principalement les nutriments (N, P, Si) et le carbone, qui sont, parmi les éléments transportés en solution comme en suspension, les mieux documentés. D’autres types de matériaux comme les métaux lourds et les polluants organiques persistants seront aussi pris en compte.

Un ensemble de besoins d’opérationnels et de recherche a été identifié pour la réalisation de ces objectifs, incluant :
- la génération de bases de données,
- l’établissement de typologies globales des systèmes aquatiques,
- la modélisation des flux et processus,
- le couplage de la réponse biogéochimique au développement socio-économique,
- l’utilisation des archives environnementales pour démêler les impacts anthropiques directs du changement global.

Bases de données
Le succès du Groupe Eau va beaucoup dépendre du développement de base de données à l’échelle globale, établie à des résolutions appropriées (30’ à 1° constituent un premier objectif). Certaines bases de données ont déjà été développées par IGBP-LOICZ, Unesco-IHP, GEMS WATER, UNEP/WHO et par ILEC (Int. Lake Envir.Committee, basé au Japon).

Les données socio-économiques sont ici essentielles, elles doivent être générées au niveau d’échelles appropriées (au moins sur une maille de 100 000 km2) et non pas agrégées par divisions politiques, particulièrement pour les plus grands pays excédant 1 M km2 car elles peuvent être très hétérogènes, en ce qui concerne l’usage du sol, la densité de population, la demande et l’usage de l’eau.

Certains objectifs précis ont été identifiés : (i) des bases de données globales à long terme sur les débits fluviaux (> 50 années de mesure), les flux de matières en suspension (> 20 années), la composition chimique des eaux (> 20 années), (ii) l’intercomparaison d’études locales dans lesquelles l’évolution des flux d’eau et de matières a été couplée à l’évolution socio-économique des bassins, (iii) le développement de techniques de mesures in situ et en continu et/ou par télédétection concernant le bilan hydrique (précipitations, évapotranspiration, humidité du sol) et la qualité du système aquatique (particules en suspension, pigments, matière organique dissoute)..

Typologies
De nombreuses typologies seront développées pour décrire et cartographier (i) le couplage entre les flux d’eau et des éléments associés à l’échelle globale, (ii) les relations entre ces circulations et les facteurs socio-économiques. Le premier jeu de typologies concerne les données géochimiques en fonction de la lithologie, du relief, du climat, des sols et de la végétation, de la structure du réseau fluvial, etc… Le deuxième jeu concerne les altérations de ce couplage géochimique par les activités humaines (voir tableau 1). Les forçages socio-économiques concernent la production économique, les politiques environnementales et leur application effective, ainsi que le développement historique des pressions humaines et de leurs impacts. Les constantes de temps des réponses environnementales et sociales vont de la journée à plusieurs centaines d’années, c’est un des aspects critiques de ces typologies. Un exemple de typologie des stratégies de gestion de la qualité des eaux est donné à la Figure 1.

Modèles
De nombreux modèles devront être élaborés pour reconstituer et prédire les flux, sources et puits d’eau et des matériaux associés, particulièrement pour les matériaux les plus réactifs comme les nutriments et le carbone ou pour les matières particulaires qui ne sont pas transférées de façon continue au travers des systèmes aquatiques continentaux. Ces modèles peuvent être statiques ou dynamiques. Les plus complexes comprennent des modèles d’apport par sous-bassins en prenant en compte l’usage des sols, les processus biogéochimiques propres aux systèmes aquatiques, les transferts hydriques et sédimentaires. Une fois calibrés sur la période actuelle, ces modèles peuvent être utilisés pour reconstruire l’évolution passée des systèmes, en utilisant les archives environnementales pour la validation, ou pour prédire leur évolution en fonction des scénarios de changement global et des pressions humaines directes . De tels modèles existent déjà à l’échelle locale (bassins de 104 à 105 km2) pour le carbone organique et les nutriments et sont en développement pour les échelles régionales (106 km2). D’autres modèles, basés sur des régressions multiples, ont déjà été établis à l’échelle globale.

Archives environnementales
Dans les systèmes aquatiques environnementaux, elles sont constituées de tourbe, de sédiments déposés dans les lacs, plaines d’inondation, zone côtière et, pour l’enregistrement le plus récent, dans les réservoirs. Leur analyse fournit des indications sur les changements de climat, sol et végétation existant dans les bassins fluviaux. Certaines peuvent aussi fournir des informations sur les apports atmosphériques, les variations de pH, l’eutrophisation, les sources et mode d’apport du sédiment. Les eaux souterraines, sous certaines conditions favorables, peuvent aussi fournir des archives climatiques et/ou environnementales. Enfin, les carottes prises dans les glaciers continentaux sont largement utilisées pour, par exemple, reconstituer les apports à longue distance de polluants atmosphériques.

Cadre général du groupe Eau dans le PIGB
Le Groupe Eau concerne la plupart des composantes du PIGB (Figure 2) depuis l’atmosphère jusqu’aux océans. L’évolution passée des systèmes aquatiques continentaux due au changement climatique et au changement d’usage des sols seront couverts par PAGES à différentes échelles de temps allant du siècle à plusieurs millénaires. L’IGBP-DIS sera utilisé pour générer et répartir les nombreuses bases de données produites par le Groupe Eau. IGBP-GAIM et START pourront développer des outils spécifiques et des programmes de formation pour intégrer la gestion de l’eau en tenant compte des problèmes locaux et globaux.

La typologie des bassins fluviaux entreprise par BAHC sera couplée à celle de la zone côtière développée par LOICZ. BAHC termine la réalisation d’un CD-ROM réunissant des données hydrologiques et de qualité des eaux réunies pour plusieurs centaines de bassins par le programme GEMS-Eau du PNUE/OMS (GEMS-GLORI) avec des informations géographiques à 30’ de chaque bassin (environ 50 couches de données) élaborées à l’Université du New Hampshire.

En 2000, les deux premiers ateliers organisés par le Groupe Eau ont eu lieu au siège du PIGB à Stockholm et à l’INSTAAR de l’Université du Colorado à Boulder. Le premier a été l’occasion d’une discussion générale entre les représentants de toutes les composantes du PIGB sur la dégradation générale des systèmes aquatiques sous les impacts humains, le second concernait les transferts actuels et passés de sédiments des continents vers les océans. A l’initiative de PAGES, la première réunion de LUCIFS qui se consacre à l’évolution passée des systèmes fluviaux depuis le début de l’agriculture, s’est tenue à Bonn en Mars 2000.

Le Groupe Eau du PIGB est aussi le lien avec les autres programmes ou institutions concernés par les problèmes de ressources en eau et d’apports fluviaux à l’échelle globale comme GESAMP, piloté par Unesco-IOC, GEMS-Water, piloté par l’OMS, le PHI de l’Unesco, les programmes SCOPE phosphore, silice et azote, l’IUCN et le WWF, Diversitas, Global Water Initiative, HELP. La spécificité du Groupe Eau est de considérer l’échelle globale en combinant l’impact du changement climatique et celui lié aux activités humaines. Les activités et les produits développés devraient constituer des contributions appréciées par les autres programmes internationaux et/ou être élaborés avec leur collaboration.

Des liens particuliers devraient être établis avec l’IHDP (International Human Dimension Programme) : la dimension sociale et sociétale a été relevée expressément dans plusieurs activités de BAHC, PAGES et de LOICZ : si l’Homme peut largement influencer les systèmes aquatiques continentaux, en retour leur modification peut largement limiter son développement économique et social.

En France, dans de nombreux programmes coordonnés, on trouve des activités de recherche qui entrent dans les objectifs du Groupe Eau PIGB, par exemple dans les anciens programmes DBT, PEGI et PIRAT, dans le programme interdisciplinaire sur l’environnement et la société (PIREVS), par exemple sur les bassins de la Garonne, la Loire et la Seine. La plupart des grands organismes de recherche français sont impliqués dans ces études comme le CNRS, l’INRA, l’IRD (ex ORSTOM), le Cemagref et les universités. Cependant, depuis la disparition du groupement inter-organismes de recherche sur l’eau (GIP-Hydrosystèmes), il n’y a plus de forum à l’échelle nationale où puissent être discutées et coordonnées les recherches qui relèvent du domaine du Groupe Eau PIGB. Quelques exemples de ceux ci sont présentés dans ce volume, d’autres suivront. Signalons enfin qu’en novembre 1999, une grande conférence sur les grands systèmes fluviaux s’est tenue à Manaus par les scientifiques de l’IRD et leurs collègues brésiliens travaillant sur l’Amazone ; ces comptes rendus seront publiés dans un volume spécial de " Hydrological Processes ".

 


Contact :
Michel Meybeck
Responsable du groupe Eaux IGBP
Laboratoire de Géologie Appliquée
UMR 7619 – SISYPHE
(CNRS - Univ - Mines de Paris)
Univ. P. et M. Curie,
4 place Jussieu, 75252 Paris, cedex 5
meybeck@biogeodis.jussieu.fr

 

 

 



CNRS Contact : Sagascience@cnrs-dir.fr