Un cadre de modélisation pour évaluer les ressources en eaux

Les eaux souterraines – stockées sous terre dans les roches poreuses et fracturées – sont les plus importantes sources d’eau douce de la Terre en dehors des calottes glaciaires et des glaciers. Elles alimentent les cours d’eau, les lacs et autres masses d’eau de surface, et sont essentielles pour les écosystèmes. En outre, les systèmes d’eaux souterraines font partie intégrante de l’irrigation agricole, notamment dans les régions disposant de faibles ressources en eaux de surface.     

Les outils de modélisation à grande échelle actuels ont tendance à trop simplifier l’écoulement des eaux souterraines ; souvent, ils ne tiennent pas suffisamment compte de la gestion de l’eau par l’homme et n’ont pas une résolution suffisante pour modéliser des processus hydrologiques à petite échelle.

Dans une récente étude parue dans Geoscientific Model Development, une équipe de chercheurs de l’Institut international pour l’analyse des systèmes appliqués (IIASA) a associé le modèle CWatM (Community Water Model) au modèle d’écoulement des eaux souterraines MODFLOW afin de reproduire les nappes phréatiques avec de très fines résolutions spatiales. Le modèle intégré simule les processus hydrologiques se produisant dans le sol et les masses d’eau de surface à l’échelle du versant, avec des cellules de maillage de moins d’un kilomètre de côté. Il peut être utilisé pour modéliser des cycles de l’eau à différents niveaux géographiques allant de petits bassins à des pays entiers. 

En comparant la région autrichienne de Seewinkel et le bassin indien de Bhima, couvrant respectivement une superficie de 573 et 46 000 km², les chercheurs ont testé la capacité du modèle à correctement reproduire les nappes aquifères dans différentes conditions climatiques, géologiques et socio-économiques. Les résultats de la modélisation ont été validés par les profondeurs et les fluctuations constatées de la nappe phréatique sur une période de 35 ans à Seewinkel et de 16 ans à Bhima. 

« Ces modèles biophysiques sont importants car, pour assurer une bonne gestion de l’eau, les cycles de l’eau doivent être quantifiés, » déclare Luca Guillaumot, auteur principal de l’étude et chercheur du groupe de recherche sur la sécurité de l’eau, à l’IIASA. « Nous pouvons étudier la façon dont les processus hydriques locaux et régionaux interagissent en reliant des modèles à différentes échelles. Ainsi, le modèle intégré CWatM-MODFLOW est un outil utile pour prévoir les conséquences des futurs plans de gestion de l’eau, des changements de couverture des sols ou du changement climatique. »    

L’irrigation réduit l’apport des eaux souterraines aux cours d’eau et aux zones humides
 

Par ailleurs, les auteurs ont utilisé le modèle pour évaluer l’impact de l’irrigation en eau souterraine sur le cycle de l’eau dans les deux régions concernées. Ils ont constaté que l’irrigation augmente la quantité d’eau qui pénètre dans l’atmosphère par évaporation au niveau du sol et par transpiration des tissus végétaux, mais réduit l’apport des eaux souterraines aux cours d’eau et aux zones humides, notamment pendant les saisons sèches. Les résultats indiquent également que la nappe phréatique est plus profonde dans les zones à forte irrigation par pompage.

Malgré les problèmes persistants de reproduction des fluctuations de la profondeur de la nappe phréatique et de calibrage du modèle à des résolutions aussi fines que possible (~ 100m), l’étude constitue une amélioration considérable de la modélisation hydrologique à grande échelle.

« Les humains transforment les systèmes hydriques de la planète. Les modèles hydriques de l’IIASA peuvent répondre à d’importantes questions sur la façon dont nous influençons les systèmes hydriques régionaux et mondiaux à différentes échelles spatiales et temporelles. Au niveau régional, les parties prenantes, notamment les décideurs politiques, peuvent utiliser ces informations pour élaborer des scénarios réalistes de gestion de l’eau, » conclut Yoshihide Wada, co-auteur de l’étude et directeur du programme de l’IIASA sur la biodiversité et les ressources naturelles.

Référence :

Guillaumot, L., Smilovic, M., Burek, P., de Bruijn, J., Greve, P., Kahil, T., and Wada, Y. (2022). Coupling a large-scale hydrological model (CWatM v1.1) with a high-resolution groundwater flow model (MODFLOW 6) to assess the impact of irrigation at regional scale. Geoscientific Model Development 15, 7099–7120 DOI: 10.5194/gmd-15-7099-2022   

Plus d’informations :

Le modèle CWatM (Community Water Model)