Modélisation de l'hydrologie continentale et influences de l'irrigation sur le cycle de l'eau
Résumé
The evolution of the population growth on Earth and the geographical concentration of the request in food by the populations ask many questions concerning the perpetuity of the fresh water taken for agriculture by irrigation. It tries to mitigate the hydric deficit of the crops but implies on the other hand water consumptions. Does irrigation have an impact on the continental water balance? We tested the capacity of the land surface model SECHIBA, forced at high-resolution, to simulate two major components of water cycle which can be impacted by the irrigation: soil moisture and streamflows. A study of sensibility of vegetation parameters which impact soil moisture, showed the major effect of the water extraction by the roots simulated by SECHIBA. Furthermore, the comparison with observations showed satisfying results of simulated soil moisture seasonnality. The second study concerned the functioning of the water routing module which transports water through rivers towards the ocean in SECHIBA. We showed the necessity of the change of routing time step when we forced the model at high-resolution over the Mississipi river sub-basins. A realistic computation of the irrigation requirement simulated by SECHIBA was implemented and tested. The impact of the irrigation on the water balance simulated by SECHIBA-LMDZ can be different according to the regions of the globe. Irrigation contributes to an increase of precipitation over the dry region of this basin while the wet region does not present variations. Irrigation weakens the release of the indian monsoon through the decrease of the " continental surface-sea " thermal gradient leading less precipitations in summer.
La ressource en eau et son exploitation furent à la base du fondement des grandes civilisations humaines et restent vitales dans le fonctionnement de nos sociétés actuelles. L'évolution conséquente de la croissance démographique sur Terre et la concentration géographique de la demande en nourriture par les populations posent de nombreuses questions quant à la pérennité de l'eau douce prélevée pour l'agriculture. En effet, celle-ci est en moyenne globale la première consommatrice en eau devant les prélèvements industriels et municipaux. De plus, dans un contexte de changement climatique, les interrogations sont nombreuses face aux devenirs des précipitations continentales qui sont cruciales pour l'agriculture, d'autant plus dans certaines régions déjà très exposées à la sécheresse. Aussi l'irrigation tente-t-elle justement de pallier le déficit hydrique des cultures en période sèche mais implique en contre-partie des prélèvements en eau non négligeables dans les fleuves ou les nappes. Il est donc légitime de se poser la question: en quoi l'irrigation peut-elle avoir un impact sur les bilans d'eau continentaux? L'irrigation représente-elle un élément perturbateur, inhibiteur ou favorisant dans le cycle de l'eau? Quels peuvent être les effets de cette action anthropique sur le climat notamment au niveau des grands pôles d'irrigation que sont le bassin du Mississippi, l'Inde ou encore la Chine? La modélisation climatique nous a permis d'apporter quelques éléments de réponse quant à l'effet de l'irrigation sur les bilans d'eau. Tout d'abord nous avons testé la capacité du modèle de surface SECHIBA à simuler les deux composantes majeures du cycle de l'eau susceptibles d'être impactées par l'irrigation: l'humidité des sols et le débit des rivières. Pour cela, nous avons utilisé un jeu de données atmosphériques à haute résolution sur les Etats-Unis pour forcer notre modèle. Une étude de sensibilité des paramètres de végétation du modèle sur l'humidité des sols a notamment permis de montrer l'effet majeur de l'extraction de l'eau par les racines simulée par SECHIBA. De plus, la comparaison avec des observations de terrain en Illinois a montré la bonne représentation des variations saisonnières de l'humidité des sols sur trois ans. La seconde étude a porté en détail sur le fonctionnement du module de routage de l'eau via les fleuves vers l'océan dans le modèle SECHIBA. Nous avons montré la nécessité du changement du pas de temps de routage lorsque l'on force le modèle à haute résolution sur le bassin du Mississippi et sur ses sous-bassins. Enfin, un calcul réaliste de la demande en irrigation simulée par SECHIBA a été mis en œuvre et testé. Le couplage du modèle de surface avec le GCM LMDZ a permis la prise en compte des rétroactions s'effectuant entre la surface continentale et l'atmosphère. Les différences des résultats obtenus entre une simulation prenant en compte l'irrigation et une simulation sans ce prélèvement ont révélé un effet de l'irrigation principalement sur l'évaporation et les pluies en Inde et sur le bassin du Mississippi. L'impact de l'irrigation sur le bilan d'eau peut être différent selon les régions du globe. L'irrigation contribue significativement à l'augmentation des précipitations sur la région sèche de ce bassin alors que la région humide ne présente pas de variations dans le bilan d'eau. En revanche, les résultats sur l'Inde indiquent que l'irrigation affaiblit significativement le déclenchement de la mousson via la réduction du gradient thermique terre-mer conduisant à moins de pluies en été.