Programme Agriculture et Développement Durable EDITION 2006

Programme Agriculture et Développement Durable
EDITION 2006
APPEAU
Quels agrosystèmes et quelles politiques publiques
pour une gestion durable de la ressource en eau ?
Outils et méthodes pour une gouvernance territoriale
D. Leenhardt, INRA
Courriel : [email protected]
Mots clefs : ressource en eau, gestion intégrée, évaluation intégrée, modélisation, participation,
scénarios, agronomie, économie
Equipes participantes
UMR 1248 AGIR, Agrosystèmes et Développement Territorial, Toulouse
UMR 1081 LERNA, Laboratoire d’Economie des Ressources Naturelles, Toulouse
UMR 1135 LAMETA, Laboratoire Montpelliérain d'Economie Théorique et Appliquée, Montpellier
UMR 183 G-EAU, Gestion de l’eau, acteurs et usages, Montpellier
UMR 6074 IRISA, Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires, Rennes
UMR 6554 LETG, Littoral Environnement Télédétection Géomatique, Rennes
UMR 1069 SAS, Sol Agro et hydrosystème Spatialisation, Rennes
Contexte
La raréfaction et la dégradation de la qualité des
ressources en eau posent la question de la
durabilité des usages actuels de cette ressource.
Parmi ceux-ci, l’agriculture occupe une place
prépondérante du fait des montants qu’elle
prélève et de la pollution diffuse qu’elle génère. Il
est donc nécessaire de traiter du rapport entre
les agrosystèmes et la ressource en eau en
prenant en compte conjointement la viabilité
économique des exploitations agricoles et du
territoire dans son ensemble, la durabilité
écologique de la ressource et l’équité sociale.
Que ce soit au niveau européen (WFD, 2000) ou
au niveau français (LEMA : loi n° 2006-1772 du
30/12/2006), la mise en place d’une gestion
intégrée de l’eau est à l’ordre du jour. La pression
des différents usages de l’eau, en particulier dans
les zones irriguées du grand sud-ouest de la
France, et la pression polluante des activités
agricoles, en particulier dans les zones d’élevage
intensif de l’ouest de la France, ne permettent
pas à la France d’atteindre l’objectif de bon état
des masses d’eau imposé par la directive
européenne sur l’eau. La gestion des ressources
est rendue encore plus critique et difficile par un
contexte de changement global qui impacte
l’occupation des sols et le fonctionnement des
couverts végétaux.
Question(s) posée(s) dans le projet
Ces enjeux socio-économiques nécessitent, d’un
point de vue scientifique de progresser sur la
prise en compte de l’échelle «territoire» et la
production d’outils intégrés à cette échelle, ce
qui implique de progresser dans la représentation
des systèmes biophysiques, de savoir considérer
conjointement offre et demande en eau, de bien
prendre en compte les acteurs dans la
modélisation, et enfin d’être en mesure de
produire des outils pour les gestionnaires et les
collectifs de concertation. Comment prendre en
compte la diversité des activités et des points de
1
vue des acteurs du territoire considéré ?
Comment considérer les problèmes complexes de
gestion de l’eau avec et pour les acteurs
concernés et dans la durée ? Quelle modélisation
développer pour intégrer les processus
biophysiques et décisionnels intervenant sur le
territoire de gestion ?
Quelle démarche
participative mettre en place ? Comment rendre
compatibles modélisation et participation des
acteurs ?
Approche scientifique et technique
Le projet APPEAU vise à développer des outils et
méthodes permettant l’évaluation de scénarios
en vue d’une meilleure planification conjointe
des activités agricoles et des ressources en eau.
Pour progresser sur l’articulation de modèles
mathématiques, de construction et évaluation de
scénarios et d’approches participatives, le projet
a pris comme option de travailler sur plusieurs
sites d’étude puis de confronter ces travaux pour
rechercher la généricité des approches menées.
Chaque site d’étude a ses spécificités en termes
de problématique de gestion de l’eau et de
partenariat. Ainsi, dans le projet, les problèmes
de pénurie et de partage de la ressource ont été
abordés dans le Sud-Ouest de la France (Système
Neste et Lomagne) et dans le Sud-Est (Val de
Drôme) tandis que les problèmes de pollution des
eaux par l’agriculture (aspects qualitatifs) ont été
abordés principalement en Bretagne, mais aussi
dans le Sud-Ouest (Lomagne).
Le projet comprend 3 types de travaux:
Le développement et l’implémentation de
modèles mathématiques représentant des
processus biophysiques liés à la gestion
quantitative ou qualitative de l’eau ou des
comportements
économiques.
Plusieurs
modèles biophysiques et/ou décisionnels préexistants ont servi de base aux travaux de
modélisation développés dans ce projet:
notamment STICS, MODERATO, MOuSTICS,
PILOTE, TNT2, SACADEAU, OLYMPE….
La construction de scénarios portant sur des
changements du contexte agronomique ou sur
des changements du contexte économique ou
réglementaire.
L'évaluation de ces scénarios
Principaux résultats
Modélisations
MoGIRE, un modèle d’allocation de l’eau sur un
grand territoire
MoGIRE est un modèle générique de gestion
intégrée de la ressource eau à l’échelle du grand
bassin de rivière. Développé dans le cadre de ce
projet, il permet d’optimiser (ou simuler)
l’allocation de l’eau entre différents usages
concurrentiels
(eau
potable,
industrie,
agriculture, environnement). Un modèle arcnœud permet de quantifier l’offre en eau en tous
points du système considéré et au pas de temps
choisi. Celui-ci est couplé à des modèles de
demande, discrétisés sur le même pas de temps,
pour chaque usage. Les usages eau potable et
industrie sont modélisés via des approches
économétriques. Pour représenter l’usage
agricole de l’eau, un modèle économique
maximise la fonction objectif de l’agriculteur. Les
relations entre calendriers d'irrigation et
production, intégrées à ce modèle, proviennent
de simulations faites avec le modèle biophysique
STICS. L’usage environnemental de l’eau est
représenté par une contrainte sur le système en
termes de débits : les débits objectifs d’étiages
(DOE) doivent être satisfaits à tout moment.
MoGIRE calcule la quantité d’eau demandée par
les différents usages ainsi que le profit généré par
chacun de ces usages. Il a été développé pour le
système Neste (8000 km²).
TNT2, un modèle de transfert de nitrate en
bassin versant
TNT2 (Topography-based nitrogen transfert and
transformations) permet de simuler l’effet de
systèmes de culture spatialisés sur les fuites
d’azote. Développé préalablement au projet, ce
modèle présentait des limites et avait été utilisé
uniquement sur des milieux bretons (substrat
imperméable, sols filtrants, climat tempéré).
Dans le projet APPEAU, l’adaptabilité de TNT2 à
d’autres milieux a été testée au travers de son
application au bassin versant d’AURADE en
Gascogne. Parallèlement, ont été développés : un
nouveau module de dénitrification, une interface
homme-machine, et une nouvelle procédure
d’initialisation permettant notamment une
meilleure prise en compte des variabilités
spatiales, et le doublement du nombre de types
d’effluents organiques pris en compte.
2
Méthodes d’interaction avec les acteurs
Démarche méthodologique pour construire des
scénarios évalués par modélisation
Un des résultats clé du projet est un cadre
méthodologique pour la construction et
d’évaluation des scénarios dans le cas où sont
utilisés des modèles numériques. Ce cadre définit
clairement les étapes où sont impliqués les
acteurs et la nature de leur contribution. Il
constitue une aide pour fixer les objectifs
élémentaires d’interactions entre scientifiques et
acteurs. Il permet également une description a
posteriori de la démarche de construction et
évaluation de scénarios.
Problem / Issue
decision
Pre-simulation.
Problem specification
System
System
information
information
Question
Expected
outcomes
System
specification
Experiment
specification
Output
specification
System
inputs
Experiment
inputs
Expected
outputs
Real world
Appropriation
Computational
world
Impact
Questionindicators
oriented
outputs
Legend
Quantitative
information
Model run
Qualitative information
(narrations)
gross
outputs
Customisation
Post simulation
Output adaptation
Information
transformations
Ce cadre méthodologique identifie plusieurs
étapes clés et les flux de données entre elles.
L’étape de spécification du problème inclut la
description du système et la spécification des
scénarios à réaliser pour résoudre le problème
posé. Elle permet de décrire système et scénarios
en termes de données d’entrée des modèles. La
deuxième étape est l’utilisation de ces modèles,
pour produire un jeu de données de sorties pour
le scénario testé. La dernière étape consiste alors
à traiter ces sorties pour constituer des
indicateurs pertinent pour les personnes devant
prendre des décisions relatives au problème
posé; elle comprend une phase d’adaptation des
sorties du modèle puis une phase d’appropriation
des indicateurs produits par les acteurs. Cette
démarche, très générale, peut s’appliquer bien
au-delà des problèmes de gestion de l’eau traités
dans le projet APPEAU. Elle contribue à
l’élaboration d’un cadre conceptuel pour
l’évaluation intégrée par modélisation et
participation (PMA, participatory modelling
assessment) 1.
1
SACADEAU,
système
d’acquisition
de
connaissances pour l’aide à la décision pour la
qualité de l’eau
Le système SACADEAU comporte un modèle de
transfert de pesticides basé sur une
représentation des arbres d’exutoire couplé à un
modèle de décision de l’agriculteur. Des outils
permettant de faciliter l’interaction avec les
acteurs ont été développés dans le cadre du
projet APPEAU pour faciliter la construction et
l’évaluation de scénarios. En particulier, une base
d’apprentissage de relations entre scénarios et
qualité des eaux, constituée des premières
simulations réalisées, permet d’identifier des
règles explicatives, par des techniques
d’apprentissage automatique, reliant les résultats
de simulation aux paramètres des modèles. Par
exemple, ont été identifiées les caractéristiques
des parcelles de bordures de cours d’eau qui
transmettent les contaminations (fort apport,
connexion,…), les types d’arborescences de
parcelles sensibles, certaines variables relatives
aux itinéraires techniques sur lesquelles les
gestionnaires pourraient jouer.
Tol & Vellinga, 1998. Environmental Modeling &
Assessment, 3, 181-191.
Pahl-Wostl et al., 2000. Integrated Assessment, 1, 267-280.
SPACSS, un outil de construction et évaluation
de scenarios spatialisés de systèmes de culture
Cet outil a été développé pour faciliter la
construction de scénarios de distributions
spatiales de systèmes de culture correspondant à
l’expression de points de vue d’acteurs et pour
permettre son évaluation par calcul d’indicateurs.
Ce travail a été motivé par l’observation des
débats entre acteurs dans le cadre du Débat
Public sur la construction du barrage de Charlas
dans le Sud-ouest. Face à l’opposition de deux
théories, pour ou contre le barrage, il s’est avéré
nécessaire de fournir aux décideurs les moyens
d’évaluer la diversité des points de vue mis en
avant lors de ce débat. SPACSS est basé sur le
cadre méthodologique précédent. Le premier
prototype utilise le modèle MOuSTICS et
comporte deux interfaces: la première aide la
spécification des scénarios, la seconde permet à
l’utilisateur de construire des indicateurs
pertinents à partir des sorties de MOuSTICS.
Démarche participative basée sur le jeu de
simulation
Cette méthode consiste à mobiliser les acteurs
pour spécifier le système étudié (construction des
typologies d’exploitation et de systèmes
techniques), choisir les modèles de simulation
des interactions entre action et milieu d’une part
et entre usagers d’autre part, et, de manière
itérative, utiliser ces modèles lors de séances de
3
simulation de scénarios et analyser les séances
pour définir des stratégies de gestion intégrée et
durable de l’eau. Cette méthode, développée
préalablement, a été testée au cours du projet
sur deux terrains d’étude aux problématiques
différentes (gestion collective de la ressource en
eau en Drôme, pollution et érosion en Lomagne),
en partenariat étroit avec les acteurs de terrain.
Cela a permis de mettre en évidence la capacité
de la méthode à réduire l’asymétrie initiale de
l’information entre acteurs et à s’adapter aux
situations locales, avec toutefois un risque de
réorientation des questions traitées.
19
+ CIPAN
entre c. ptps et
céréales
pratiques actuelles
extrapolées
18
CIPAN
sur toutes
intercultures
+ CIPAN
entre céréales
17
Quelques publications issues des travaux soutenus dans le cadre du projet
CLAVEL Lucie, SOUDAIS Julie, BAUDET Denis, LEENHARDT Delphine, 2011. Integrating expert knowledge and quantitative
information for mapping cropping systems. Land Use Policy 28: 57–65.
GASCUEL-ODOUX C., AUROUSSEAU P., CORDIER M.O., DURAND P., GARCIA F., MASSON V., SALMON-MONVIOLA J., TORTRAT F.,
TREPOS, R. 2009. A decision-oriented model to evaluate the effect of land use and management on herbicide
contamination in stream water. Environmental modelling and software, 24, 1433-1446.
LE GRUSSE PH., BRUNEL L. RUELLE P., POUSSIN JC., GRANIER J. 2008. « Construction participative d’un modèle régional pour
l’évaluation de la demande en eau agricole : un exemple dans le bassin de la Drôme ». 13th IWRA World Water Congress.
1-4 septembre, Montpellier, France.
REYNAUD A., LEENHARDT D. (2008) MoGIRE: A Model for Integrated Water Management. In: Sànchez-Marrè M., Béjar J., Comas J.,
Rizzoli A., Guariso G. (Eds). Integrating Sciences and Information Technology for Environmental Assessment and Decision
th
Making. IEMSS 2008: International Congress on Environmental Modelling and Software,4 Biennial Meeting, pp. 576-583.
TIDBALL M., J.P. TERREAUX, 2008, Information revelation through irrigation water pricing using volume reservations, Lameta
Working Paper DR 2008-14, 17 p.
4
s4-max-i
s4-max-e
s4-moy-i
s4-moy-e
s4-min-i
s4-min-e
s3-max-i
s3-max-e
s3-moy-i
s3-moy-e
s3-min-i
s3-min-e
s2-max-i
s2-max-e
s2-moy-i
s2-moy-e
s2-min-i
s2-min-e
s1-max-i
s1-max-e
s1-moy-i
s1-moy-e
s1-min-e
15
s0
16
s1-min-i
flux N à l'exutoire (kgN/ha)
Développement et évaluation de scénarios
Scénarios économiques
Différents scénarios économiques ont été
développés (modification du prix de l’eau, mise
en place d’une tarification de pointe, etc.). A titre
d’exemple, deux systèmes de tarification de l'eau
à usage agricole avec réservation et
consommation, directement inspirés de ceux mis
en place en France par la Compagnie
d'Aménagement des Coteaux de Gascogne d'une
part et par la Compagnie d'Aménagement des
Deux-Sèvres d'autre part ont été étudiés et
comparés vis-à-vis de la consommation d'eau en
été sec et en été humide, du profit de
l'agriculteur, de la valeur de production agricole,
et des recettes du gestionnaire du périmètre
irrigué. Ces modes de tarifications présentent
chacun des avantages, mais tous deux non
seulement peuvent participer à une meilleure
application de la Directive Cadre Européenne sur
l'Eau, mais aussi ouvrent une voie intéressante à
des systèmes de tarification originaux et
permettant de faciliter l'atteinte des objectifs des
gestionnaires de périmètre irrigués.
Scénarios agronomiques
Différents scénarios ont été construits pour
limiter la pollution de l’eau, l’érosion ou la
demande en eau d’irrigation.
A titre d’exemple, un jeu de scénarios a été
construit, en concertation étroite avec les
gestionnaires du bassin versant de la Lieue de
Grève (Bretagne), de manière à évaluer de façon
systématique les différentes options de mise en
place de CIPAN (cultures intermédiaires pièges à
nitrates). Les résultats montrent l’importance
d’intégrer la présence du CIPAN dans le
raisonnement des pratiques culturales de
l’ensemble de la rotation, faute de quoi les effets
sont faibles, voire inversés. Ils montrent aussi un
effet globalement limité de cette mesure à
l’échelle du bassin versant, eu égard à un
assolement ne permettant pas d’augmenter
fortement les surfaces implantées dans de
bonnes conditions.