3.Les eaux de surface : leur sensibilité vis-à-vis du climat et de ses changements

La variabilité des écoulements résulte de nombreux facteurs. Des facteurs d’origine climatique bien sûr, tels que les précipitations, la température, l’évapotranspiration… mais aussi d’autres facteurs physiques tels que le relief, la nature des sols, leur occupation, etc. En France, et plus particulièrement en PACA, la variabilité de ces facteurs est grande. Un bassin versant peut se situer dans un secteur sous influences multiples (climat méditerranéen, montagnard ou continental, configuration de plaines ou de montagnes, présence de zones plus ou moins anthropisées, zones karstiques, etc.) qui se combinent avec la variabilité spatio-temporelle des écoulements dans les cours d’eau. La variabilité temporelle hérite pour une grande partie de celle présente dans le climat auquel le bassin versant est soumis, et est résumée souvent par la notion de régime hydrologique. Cette notion permet de classer les cours d’eau en fonction de la saisonnalité des écoulements, et donc de la répartition des débits au cours de l’année, fonction de différents processus, qu’ils soient d’origine climatique (pluie, évaporation, neige…) ou pas (échanges nappes-rivières…).

Le bassin de la Durance (14 300 km², soit 45 % de la surface de la région PACA) illustre bien la complexité de ces systèmes. Il peut être schématiquement divisé en trois entités qui sont caractérisées par des régimes hydrologiques différents. Tout d’abord, la haute Durance (partie alpine) qui est caractérisée par un régime hydrologique de type nival avec des écoulements maximaux au printemps et faibles en hiver. L’eau de la fonte des neiges et les apports, plus tardifs, des petits glaciers et névés fournissent l’essentiel des débits de printemps et d’été. Ensuite, la moyenne Durance, caractérisée par un régime hydrologique pluvio-nival avec des apports qui se concentrent au printemps, les pluies d’automne qui constituent un maximum secondaire, et la baisse des eaux qui apparait en juillet et s’accentue en août et septembre. Et enfin, la basse Durance, caractérisée par un climat de type méditerranéen, avec des étés et des hivers secs, et des pluies essentiellement concentrées à l’automne et au printemps. L’étiage est très marqué en août et septembre ; il existe également en hiver mais de façon moins prononcée.

La Durance est également fortement marquée par l’anthropisation. Les aménagements hydrauliques (canaux) et hydroélectriques (barrages) réalisés à partir des années 60 ont radicalement influencé et modifié son régime hydrologique. L’anthropisation peut aussi modifier le régime hydrologique d’autres cours d’eau de façon assez importante, comme, par exemple, la Touloubre qui reçoit de mars à octobre, dans sa partie aval, de nombreux apports provenant des canaux d’irrigation (dont l’eau provient de la Durance). Ainsi sur l’aval, l’étiage est plutôt hivernal et dure pendant toute la période de chômage des canaux, alors que sur la partie amont, l’étiage estival est très marqué et accentué par les prélèvements et les dérivations. Les caractéristiques physiques des bassins jouent également un rôle important sur la variabilité spatiale du régime hydrologique. Les cas de l’Argens et de l’Huveaune sont, à ce titre, instructifs ; alors que l’Huveaune, comme le Gapeau, est privé d’une partie des apports par infiltration profonde vers la mer, accentuant ainsi les étiages estivaux, l’Argens bénéficie, quant à lui, d’apports karstiques dans ses secteurs calcaires et possède ainsi une bonne hydraulicité en période estivale tandis que ses affluents subissent des étiages très sévères.

On compte en France près de 3000 stations de mesure de débits, dont les durées d’enregistrement sont très variables (www.hydro.eaufrance.fr). Parmi ces stations de mesures, moins de 200 ont au moins 50 ans de données. C’est finalement très peu lorsque l’on veut étudier des phénomènes extrêmes ou bien pour apprécier une éventuelle non stationnarité des séries de mesures. De plus, ces quelques longues et précieuses séries de mesures sont plus fréquemment associées à des stations dites « historiques » sur les grands cours d’eau, et ont subi des altérations anthropiques (aménagements hydrauliques, urbanisation, usages). C’est pour ces raisons qu’il est relativement rare de trouver de longues séries de données, sur des petits bassins versants ayant subi peu de pressions anthropiques, sur lesquelles les études de stationnarité peuvent s’avérer pertinentes.

Les enseignements du suivi sur la variabilité des écoulements

Le suivi instrumental a permis de mettre en évidence la forte variabilité des écoulements annuels moyens dans l’espace. Ils varient entre 145 mm et 650 mm, alors que la pluviométrie moyenne des bassins associés varie entre 800 et 1200 mm. Cette variabilité visible à l’échelle d’un bilan annuel est également marquée sur les épisodes de crues. La pluviométrie n’explique qu’en partie les fluctuations des écoulements, le reste de la variabilité est expliquée, entre autres, par les caractéristiques des bassins versants. L’explication de ces différences de comportement semble être liée à la profondeur et la texture des sols ainsi qu’à la nature de la roche mère plus ou moins altérée.

Par exemple, avec une roche mère (substratum) peu altérée, le bassin sud ne possède que peu de capacité de stockage et donc réagit fortement aux pluies et ne permet pas d’assurer un soutien d’étiage en été. En revanche, la partie nord-est présente une roche mère fortement altérée, avec une forte capacité d’infiltration. Cette particularité conduit à une réaction plus lente et moins productive du bassin en période de crue et à un soutien d’étiage marqué par la présence de nombreuses sources assurant un débit pendant toute la période d’été. Ces observations, facilitées et mesurables grâce au suivi instrumental mis en place en différents points du bassin, mettent en avant le fait que la variabilité des processus hydrologiques est d’autant plus marquée que l’on s’intéresse à des échelles fines, alors même que l’observation à ces échelles est particulièrement rare.

Les enseignements du suivi sur la non stationnarité des données hydro-climatiques

La disponibilité de 50 années d’observations permet d’effectuer des tests de tendance pour juger de la stationnarité, ou non, des données hydro-climatiques enregistrées sur le bassin versant. Sur le bassin du Réal Collobrier, on observe une tendance significative à la baisse des débits mensuels moyens de mars et avril. Ce résultat est cohérent avec les autres études réalisées dans la région qui montrent une augmentation des étiages pour les cours d’eau du sud de la France, avec des périodes de début d’étiage plus précoces. La non stationnarité des processus hydrologiques est également visible à travers la paramétrisation de modèles pluie-débit (Zoom 1) qui montre une tendance à l’accentuation de la diminution des débits. Ce point est aussi lié à la non linéarité des processus, pouvant conduire à une amplification des tendances climatiques. Conclure sur l’impact du changement climatique sur les écoulements reste difficile même avec des chroniques relativement longues. Malgré tout, les bassins comme le Réal Collobrier, soumis à une faible anthropisation, sont de bons candidats pour étudier l’impact du changement climatique sur l’évolution des écoulements et des compléments nécessaires aux études d’impacts. En effet, les données observées en différents points du réseau hydrographique, de ce bassin relativement petit, montrent que la variabilité spatio-temporelle des débits peut être très marquée à des échelles fines, mais aussi qu’elle dépend à la fois du climat et de la nature des sols et de la roche mère et donc des caractéristiques physiques du bassin versant.

Cette question est abordée par les études d’impact, qui ont pour objectif de quantifier les évolutions d’un système (ici, le fonctionnement du bassin versant et sa composante « débit ») soumis à une perturbation de ces entrées (ici, le climat). De telles études ont été menées en France depuis la fin des années 1990. Elles ont eu pour domaine d’application le territoire métropolitain ou des secteurs spécifiques sur des grands bassins versants emblématiques pour faire apparaitre des enjeux locaux (exemples : la gestion des crues pour la Seine ; le partage de la ressource sur des territoires déficitaires pour la Garonne). Elles se différencient notamment par les hypothèses sur le climat portées par les scénarios d’émission de gaz à effet de serre, les projections climatiques globales et leur déclinaison régionale… et les modèles d’impact qui sont alimentés par les visions du futur : les modèles hydrologiques (Cf. Zoom 1). Cette multiplicité d’hypothèses rend difficile une stricte comparaison des conclusions. En outre, chaque modèle ayant sa sensibilité propre, l’intensité des changements attendus diffère d’une étude à une autre. Néanmoins, en 2016, il est possible de dégager des tendances « lourdes » sur le territoire métropolitain :

• des modifications du cycle hydrologique avec une intensité croissante avec la concentration en gaz à effet de serre et l’horizon considéré, à l’image de ce qui est envisagé pour le climat ;
• un pourtour méditerranéen qui apparait comme un « hot spot », c’est-à-dire parmi les régions les plus vulnérables aux changements climatiques avec des conséquences notables sur les activités humaines ;
• une baisse globale de la ressource en eau à l’échelle annuelle et principalement en période estivale ;
• une intensification des contrastes saisonniers avec des étiages estivaux plus sévères, pour les bassins au régime piloté par les précipitations ;
• une modification des régimes des rivières de montagne avec une réduction de l’épaisseur du manteau neigeux, une fonte plus précoce et une composante nivale à la baisse ;
• des projections cohérentes entre études sur les composantes du bilan en eau lorsque ces dernières sont contrôlées de manière univoque par la température de l’air (par exemple, la neige).

Et des éléments encore incertains :

• l’absence d’évolutions sur le régime des crues, partagée par les études d’impact, conséquence de projections sur les pluies extrêmes non concordantes.

Un des derniers exercices exploitant les simulations numériques du climat réalisés dans le cadre de CMIP5 suggère des changements structurés selon un gradient nord-sud, les évolutions étant plus significatives au sud de la France qu’au nord, ce qui pourrait renforcer des inégalités des territoires vis-à-vis de l’accès à la ressource. Les baisses des débits hivernaux (de décembre à février) resteraient contenues, hors secteurs de montagne et celles affectant les débits moyens en été concernent la région PACA, et pourraient atteindre jusqu’à environ -50 % sur le Var en milieu de siècle (RCP 4.5, RCP 8.5). La baisse en été est confirmée et amplifiée en fin de siècle pour le RCP 8.5 avec des changements relatifs de plus de 50 % affectant les cours d’eau de la région.

Parmi les secteurs à enjeu, arrêtons-nous sur la Durance et son principal affluent, le Verdon, le château d’eau séculaire de la région Provence–Alpes-Côte d’Azur et son devenir. Le cours de la Durance a été aménagé dès le XIIe siècle pour l’entraînement des moulins à farine. De nombreux usages exploitent la ressource : loisirs, eau potable, irrigation, production hydroélectrique, etc.

De nombreuses sources d’incertitude existent à tous les niveaux de la modélisation sur les données et les représentations numériques en temps présent et en temps futur. Nous ne les détaillerons pas dans ce document. Les incertitudes liées à l’hydrologie héritent en partie de celles liées à la connaissance des climats actuels et futurs. Dans le cadre du projet R²D² 2050, il a été montré que :

• l’incertitude sur les débits d’étiage en condition naturelle vient majoritairement des modèles hydrologiques, et notamment de leur représentation différentiée des processus liés à l’évapotranspiration et à la neige. Une connaissance des processus sur la phénologie des plantes sous modification conjointe des teneurs en gaz à effet de serre et de la température, et de ceux relatifs à la constitution et fonte du manteau neigeux dans des zones peu instrumentées reste à approfondir ;
• dans le cas d’un bassin versant dont l’eau est utilisée par des territoires connexes, l’incertitude sur le niveau de pression sur la ressource portée par le développement économique joue à part égale avec celle due au climat.

La température de l’eau est un des paramètres physiques les plus importants pour la vie des organismes d’eau douce. Cette variable affecte les organismes à plusieurs niveaux, du métabolisme en passant par le cycle vital jusqu’à l’aire de répartition. Une augmentation de la température a comme conséquence une augmentation du métabolisme, avec des conséquences sur la taille et la durée de vie de l’individu. De plus, les différentes phases du cycle vital des poissons et des invertébrés requièrent des seuils de température caractéristiques à chaque espèce. Si les conditions thermiques de l’écosystème sont modifiées de telle façon qu’elles ne sont plus appropriées à une espèce, elles pourraient causer son extinction, mais aussi favoriser le développement d’espèces invasives.

Une augmentation de la température des cours et plans d’eau déjà observée

De nombreuses études ont montré une tendance généralisée à l’augmentation de la température des cours et plans d’eau dans le monde entier. Cette augmentation de la température des plans d’eau a causé la réduction de la période d’englacement et l’allongement de la période de stratification estivale. La température de l’hypolimnion, couche d’eau la plus profonde et la plus froide, tend également à augmenter.

Quelques exemples choisis, proches géographiquement de la région PACA, illustrent bien ce phénomène déjà engagé. Dans le bassin de l’Èbre, en Espagne, des tendances à l’augmentation de la température de 0,02 à 0,06 ºC/an ont été observées, ainsi que dans un ensemble de cours d’eau du nord de l’Espagne où une tendance de +0,02 ºC/année a été observée au cours de la période 1986-2013. Sur la partie du Rhône la plus méridionale, la température de l’eau a augmenté de 3,0 ºC sur la période 1977-2004 à raison de +0,11 ºC/an. La dynamique thermique de ces fleuves est variable mais on a observé des périodes particulièrement chaudes en 1940-1949 et depuis les années 1980.

Un travail de reconstruction, par modélisation, des chroniques de températures des plans d’eau de la France métropolitaine estime une tendance moyenne d’augmentation de la température de surface de +0,02 ºC/an. Cette augmentation est liée aux effets du changement climatique, mais aussi à des pressions anthropiques plus directes comme l’usage de l’eau pour le refroidissement des centrales nucléaires et thermiques à flamme, ainsi que les rejets liés à l’urbanisation. En aval de la centrale thermique d’Aramon, l’échauffement cumulé de l’eau du Rhône dû aux centrales nucléaires a été estimé à +1,4 ºC sur la période 1977-2004. Une étude des principaux affluents du lac Lugano dans les Alpes suisses et italiennes a montré un échauffement plus important (de l’ordre de +2 ºC) dans les cours d’eau avec une majeure occupation du sol par des aires urbaines.

Dans la zone méditerranéenne, les tendances à l’augmentation de la température sont souvent associées à la diminution des débits. Ainsi, l’aménagement hydraulique du bassin versant du Rhône, qui fait que les débits estivaux soient plus élevés que ceux observés historiquement à la fin du XIXe siècle, limite la hausse des températures pendant cette période de l’année. De plus, et cela est aussi valable pour la Durance, la réduction de largeur et l’augmentation de profondeur limitent l’échauffement en réduisant la surface au miroir et en réduisant l’émission des rayonnements infrarouges. Pour le Rhône à Lyon, sur la base de mesures journalières des années 1870-1877, on a pu montrer que, dans la configuration pré-aménagement, les canicules devraient conduire à des températures d’environ +1 °C plus chaudes que dans la situation aménagée.

Une tendance à l’augmentation de la température des cours et plans d’eau

Les effets prévus du changement climatique sur les plans d’eau méditerranéens incluent, entre autres, la baisse des niveaux d’eau et une détérioration de la qualité de l’eau. D’après une étude récente réalisée à l’échelle européenne, la température des cours d’eau de la région PACA devrait augmenter de +2 à +3 ºC d’ici la fin du siècle par rapport à la période 1971- 2000. Pour les cours d’eau où les bas débits coïncident avec la période estivale, comme c’est le cas pour les cours d’eau méditerranéens, jusqu’à un quart de l’augmentation prévue de la température serait attribué à la réduction des débits.

Mais la réponse concrète du comportement hydrodynamique d’un plan d’eau vis à vis du climat va dépendre de ses caractéristiques propres, notamment de la morphométrie et de la température moyenne qui gouvernent les phénomènes de stratification. Ce sont les lacs les plus profonds et les plus chauds qui s’avèrent les plus sensibles au changement climatique. Avec le scénario à hautes émissions de gaz à effet de serre (RCP 8.5), une augmentation de la température de surface d’environ +2 ºC est attendue à la fin du siècle au barrage de Bimont, localisé à proximité d’Aix-en-Provence dans la commune de Saint-Marc-Jaumegarde.

La gestion des retenues hydroélectriques peut compenser en partie la hausse des températures. Dans le cas des barrages avec plusieurs profondeurs d’extraction de l’eau, il est possible de gérer la quantité de chaleur emmagasinée dans la retenue. Ce type de dispositif a aussi été utilisé pour réguler la température en aval du plan d’eau et minimiser les impacts thermiques. Cependant, les modalités de gestion sont complexes. D’abord, la réduction de la chaleur emmagasinée dans le barrage peut conduire à majorer les températures en aval. Inversement, dans des retenues stratifiées, l’extraction d’eau à une certaine profondeur permettrait de réduire la température de l’eau en aval, mais avec pour conséquence d’élever la température moyenne de la colonne d’eau dans le barrage et d’induire des effets possibles sur la qualité de l’eau, à la fois dans le plan d’eau et en aval. Finalement, il faut inclure dans l’équation les intérêts économiques de l’exploitation du barrage.

Le projet SCAMPEI, avait pour objectif de réaliser et mettre à disposition de la communauté scientifique de nouvelles simulations climatiques à l’échelle de quelques dizaines de km² pour le futur proche et la fin du siècle sur la France métropolitaine, et plus particulièrement sur les zones montagneuses.

Le jeu de données SCAMPEI est fondé sur un ensemble de simulations réalisées suivant un protocole commun pour trois modèles numériques : ALADIN (modèle à aire limitée de Météo-France), LMDZ (modèle du Laboratoire de Météorologie Dynamique du CNRS, institut Pierre-Simon Laplace) et MAR (modèle du Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement). Ces simulations sont basées sur des scénarios de concentration de gaz à effet de serre et en aérosols préconisés et utilisés par le GIEC en 2008, l’un plutôt « optimiste » (B1), l’autre « pessimiste » (A2) et le troisième « médian » (A1B).

Trois périodes de 30 ans ont été considérées pour les simulations SCAMPEI :

• 1961-1990, période, dite d’analyse ou de référence, permettant de recaler les modèles par rapport aux observations et mesures ;
• 2021-2050, que l’on résume par les « années 2030 » (décennie centrale) ;
• 2071-2100, appelée les « années 2080 ».