Conclusions du Chapitre 4

Les résultats de modélisation des taux d’oxygène dans cette étude, ont montré que les lacs du

Jura affichent une importante déplétion en oxygène durant la période de stratification.

Pendant les mois d'août à octobre, les taux d'oxygène sont inférieurs à 4 mg/l dans

l'hypolimnion et proches de 0 mg/l au fond des lacs. Le développement de la déplétion

d’oxygène résulte de l'action combinée de processus physiques et chimiques. L'isolement de

l’hypolimnion durant la période de stratification empêche le renouvellement des eaux et

l’apport d'oxygène au fond du lac. La déplétion d’oxygène dans l’hypolimnion des lacs est,

globalement, très fortement liée aux flux de matière organique et au réchauffement

climatique.

Les zones boisées sont les principales sources de matières organiques d’origine externe,

sources auxquelles s’ajoute une intense production interne. L’intégration des principaux

résultats de l’occupation des sols a permis de confirmer que les matières organiques sont

principalement impliquées dans cette déplétion.

L'utilisation du modèle WARMF (modèle hydrogéochimique) a confirmé l’impact du

changement de l’occupation des sols sur la dynamique lacustre, et plus particulièrement sur

l'oxygène, cette dynamique s’accentuant de façon aigue en période estivale. Elle a confirmé la

Analyse et modélisation de la déplétion en oxygène des niveaux profonds des lacs et des rivières du

bassin versant de l’Ain : Impact du changement de l’occupation des sols et du changement climatique

172

poursuite du processus de déplétion de l’oxygène au fond des lacs étudiés à l’horizon 2030.

Avec l’occupation du sol prévue en 2030, les résultats de modélisation ont montré que les

diminutions des taux d’oxygène au fond des lacs sont importantes durant l’été. Les

diminutions maximales devraient atteindre -1.2 mg/l (en juillet) pour le lac d’Ilay, -0.6 mg/l

(en juin) pour Bonlieu, et -0.8 mg/l (en août) pour Narlay.

En raison de leur situation en zone de densité forestière importante, les lacs du Jura sont des

plans d'eau sensibles au processus de déplétion de l'oxygène. Une éventuelle augmentation de

la production des matières organiques provenant des forêts peut provoquer une extension des

périodes d'anoxie. Dans cette étude, nous avons retrouvé une association négative entre les

teneurs en carbone organique et les taux d’oxygène dans l’hypolimnion des lacs.

Contrairement aux lacs, les taux d’oxygène des rivières sont moins affectés. Les teneurs

moyennes en oxygène sont d’environ 0.004 mg/l pour le bassin versant du Hérisson, et 0.008

mg/l pour le bassin versant de l’Ain. Les analyses montrent que l’impact du changement de

l’occupation du sol sur l’évolution des taux d’oxygène est nettement plus marqué pour les lacs

que pour les rivières.

Concernant le changement climatique, nous avons constaté des incidences importantes sur les

taux d’oxygène des eaux pour les lacs du Jura ainsi que pour les rivières du bassin versant de

l’Ain. Pour les lacs du Jura, ces incidences sont une intensification de la stratification et une

diminution de l’oxygène hypolimnique. Dans le cas des lacs d’Ilay, de Bonlieu et de Narlay,

nous avons trouvé que les taux d’oxygène au fond devraient diminuer fortement. En effet, les

diminutions peuvent atteindre respectivement 0.4, 0.5 et 0.6 mg/l avec le scénario 2A.

Parallèlement à la diminution des taux d’oxygène, nous avons également trouvé que la

période de stratification avait été avancée et rallongée. Pour Ilay, Bonlieu et Narlay

respectivement, le nombre de jours de déplétion peut atteidre 57, 30 et 97 jours/année, ce qui

représente des augmentations de 7.6, 5.3 et 8.8 jours.

Comme pour les lacs, les effets du changement climatique sur les systèmes riverains peuvent

être également importants. Ils devraient provoquer une augmentation des déficits en oxygène.

A Doucier (sur le Hérisson), la diminution des taux d’oxygène pourrait atteindre -0.58 mg/l

(scénario 1A) et -1.07 mg/l (scénario 2A). Une diminution des taux d’oxygène a également

été rencontrée pour la rivière de l’Ain. Au site de Saint-Maurice de Gourdans, la diminution

maximale devrait être de -0.32 mg/l et de -0.6 mg/l avec les scénarii 1A et 2A,

respectivement.

174

Conclusion et Perspective

Conclusions générales

L'objectif principal de cette étude est d'évaluer l'impact du changement de l’occupation des

sols et du changement climatique sur l’évolution de la ressource en eau. Ce travail consiste à

exploiter les données issues de l’étude du fonctionnement de quelques entités qualifiées de

représentatives du bassin de l’Ain. Il s’est appuyé sur le système d'information géographique

(SIG) et la télédétection dont les résultats ont servi à l’alimentation du modèle

hydrogéochimique WARMF (Watershed Analysis Risk Management Framework). Le modèle

WARMF a été utilisé pour simuler l’hydrologie et la qualité des eaux avec différents scénarii

déterminés selon les conditions du bassin versant de l’Ain. Les scénarii reflètent les

différentes occupations des sols et les changements climatiques possibles issus des résultats

des travaux du GIEC.

En fonction de ce double objectif, une recherche bibliographique a été entreprise pour faire

une synthèse de l’état actuel des connaissances concernant les différents problèmes de la

ressource en eau qu’on peut rencontrer dans un bassin versant à différentes échelles. Cette

recherche nous permet de mieux cerner les processus hydrologiques d’un bassin versant, les

différents facteurs pouvant intervenir dans ces processus et les outils d’investigation mis à la

disposition des hydrologues pour analyser et proposer des solutions susceptibles d’améliorer

la gestion.

La zone d’étude est le bassin de l’Ain, situé de part et d’autre de la limite entre les régions de

Rhône-Alpes et de Franche-Comté. Ce bassin versant a été choisi, en raison de sa situation

qui le place dans la catégorie des entités orphelines et des récents symptômes de dérive de la

qualité des eaux enregistrées ces derniers temps. Il s’agit d’un grand bassin versant

(3780km²), drainé par la rivière d’Ain d’une longueur de 638 km et où l’évolution des

pratiques et de l’occupation des sols est très nette sur les trente dernières années. Nous

disposons sur ce bassin de plusieurs données de l’hydrologie (pluie, débit), de la qualité de

l’eau, issues des phases de monitoring pratiquées par l’Agence de l’eau dans le cadre de ses

différentes missions de diagnose.

Sur la base des résultats obtenus, les conclusions suivantes ont été tirées :

(1) A travers l’utilisation des images satellites Landsat de 1975, 1992, 2000 et 2010,

quatre cartes de l’occupation des sols du bassin versant de l’Ain ont été générées en

utilisant la méthode de classification supervisée. L’utilisation de l’algorithme du

maximum de vraisemblance a permis de créer quatre cartes de l’occupation des sols

avec une précision supérieure à 86%. Sur la base de ces cartes, l’analyse des

changements temporels et spatiaux de l'occupation des sols sur la période 1975-2010 a

été effectuée. Cette analyse a montré que l’occupation des sols du bassin versant de

l’Ain a connu des évolutions importantes pendant les 35 dernières années. Elle affiche

une augmentation de la surface des forêts et des zones urbanisées, au détriment des

terres agricoles.

(2) En utilisant les données historiques de l’occupation des sols (1975, 1992, 2000 et

2010), les scénarii futurs de l’occupation des sols ont été créés à l’aide du modèle

LCM en utilisant la méthode PMC (Perceptron Multi-Couche) et le formalisme

Markovien. Dans ce cas, le SIG a eu un rôle important dans les processus

d’établissement des variables explicatives pour améliorer les cartes prédictives de

175

l’occupation des sols. Pour assurer de bonnes cartes prédictives, le modèle LCM a été

calibré et la précision des résultats a été évaluée. Ces résultats ont montré que le

modèle LCM peut prédire de bonnes cartes de l’occupation des sols avec une

précision supérieure à 89%. Sur la base de ces résultats, les scénarii de l’occupation

des sols du bassin versant de l’Ain ont été générés à l’horizon 2020 et 2030. L’analyse

du changement entre les cartes prédictives de 2010, 2020 et 2030 a montré que

l’occupation des sols du bassin versant de l’Ain continuera à évoluer pour les 20

prochaines années. Les zones forestières et urbanisées augmenteront respectivement

d’environ 168 et 52 km2

à l’horizon 2030 (soit une moyenne de 8.4 et 2.6 km² par an).

A l’inverse, les terres agricoles et les surfaces d’arbustes pourront diminuer d’environ

171 et 46 km², respectivement (soit à un rythme de 8.6 et 2.3 km² par an).

(3) La synthèse des résultats de certaines études concernant le changement climatique

pour les régions de Rhône-Alpes et de Franche-Comté a montré que les températures

annuelles pourraient augmenter de 1 à 2 °C à l’horizon 2030 et de 1,5 à 3,5 °C à

l’horizon 2050 tandis que les précipitations moyennes annuelles pourraient diminuer

de − 2 à − 25 %. Cette synthèse nous a permis de choisir deux scénarii du changement

climatique pour le bassin versant de l’Ain à l’horizon 2030 : le scénario 1A (la

température augmente de 1.0°C et les précipitations diminuent de 10%) et le scénario

2A (la température augmente de 2.0°C et les précipitations diminuent de 10%).

(4) Le modèle utilisé est le modèle hydrogéochimique WARMF. Comme tous les modèles

spatialisés, il nécessite un grand nombre de paramètres pour décrire les processus

hydrologiques, les processus d’échange physico-chimique de la qualité de l’eau ainsi

que les caractéristiques physiques du bassin versant. L’application de ce modèle aux

bassins versants du Hérisson (53km²) et de l’Ain (3780 km2

) nous a confronté aux

problèmes « classiques » de la modélisation hydrologique tels que la variabilité des

caractéristiques physiques du bassin, l’effet d’échelle du bassin versant sur les

processus hydrologiques.

La calibration du modèle WARMF pour l’hydrologie a été effectuée sur la période de

1999 à 2007. Les débits simulés ont été comparés avec ceux observés dans 15 stations

de mesure réparties sur l’ensemble du bassin versant de l’Ain. Les comparaisons ont

montré que les débits simulés ont des corrélations élevées avec ceux observés. Les

coefficients de Nash varient entre 0.61 à 0.82.

La phase de calibration du modèle pour la partie réservée à la qualité des eaux, a été

effectuée sur la période de 2004 à 2013. Une analyse comparée des résultats simulés

aux données observées ont permis de valider la calibration du modèle. Dans le cas des

rivières, quatre paramètres de la qualité des eaux ont été considérés. Ils comprennent

la température, le pH, le carbone organique et le taux d’oxygène. Les comparaisons

entre les données simulées et celles mesurées ont montré une bonne calibration du

modèle donnant respectivement des coefficients de Nash de 0.94, 0.64, 0.54 et 0.74.

Pour les lacs, trois paramètres ont été retenus : la température, le pH et le taux

d’oxygène. La fiabilité du modèle a été évaluée sur la base des valeurs journalières de

ces paramètres à la fois en surface et en fonction de leur évolution avec la profondeur.

Les coefficients de Nash pour ces trois paramètres ont donné des valeurs supérieures à

0.82, 0.61 et 0.64, respectivement confirmant ainsi la validité du modèle.

176

(5) Concernant l’évolution de l’hydrologie, à l’échelle mensuelle, l’exploitation des

chroniques de pluies-débits a montré que le bassin de l’Ain présente un

fonctionnement saisonnier composé principalement de deux périodes. Une première

période d’étiage couvre les mois d’été et d’automne, pendant lesquels les

précipitations interceptées par les forêts sont importantes se traduisant par des débits

faibles. Une deuxième période couvre les mois d’hiver et de printemps marquée par

des précipitations plus élevés, se traduisant par des débits plus importants.

L’analyse comparative des débits de plusieurs stations hydrologiques du bassin

versant de l’Ain montre une nette diminution entre 2020 et 2030 qui évolue dans le

même sens que le couvert forestier marqué par la prépondérance des feuillus. Elle

montre cependant une forte similitude en termes de réponse hydrologique pour les

mois de janvier à avril, malgré une occupation du sol sensiblement différente.

Néanmoins, une grande différence a été constatée pour la période de juin à septembre,

où les forêts sont en pleine phase de développement des feuilles et ont une forte

interception des précipitations. A cette période, les débits devraient diminuer

nettement, de 6 à 10% pour les neuf sous-bassins versants du bassin versant de l’Ain à

l’horizon 2030. Par ailleurs, les analyses de l’évolution des écoulements montrent que

pour les sous-bassins qui enregistrent une hausse de surfaces boisées (forêts), les taux

de diminution des débits et des volumes d’eau sont plus importants.

L’impact du changement climatique sur l’hydrologie du bassin versant de l’Ain a été

analysé sur la base des données simulées correspondant aux scénarii climatiques 1A et

2A. Des réductions significatives des débits d'ici à l’horizon 2030 sont enregistrées

pour les deux scénarii et pour tous les points de mesure ainsi que pour les lacs

considérés du bassin versant de l’Ain. Le scénario 2A se distingue par la plus forte

baisse des débits à l’horizon 2030. La diminution relative des débits devrait atteindre

12.51% pour le bassin versant du Hérisson et 10.15 % pour le bassin versant de l’Ain.

Cette diminution est une conséquence combinée de l’augmentation de l’évaporation et

de la baisse des précipitations.

(6) La dernière partie de cette étude a consisté à évaluer les impacts issus de la

combinaison du changement de l’occupation des sols et du changement climatique sur

l’évolution de la qualité de l’eau, en particulier sur l’évolution des taux d’oxygène des

horizons profonds des plans d’eau et des rivières. Les résultats ont montré que ces

changements ont affecté significativement les taux d’oxygène des eaux, en particulier

la déplétion forte d’oxygène dans l’hypolimnion des lacs. Cette déplétion est liée aux

flux de carbone organique d’origine exogène issus de la décomposition des feuilles et

de matière organique des litières et au réchauffement climatique.

La comparaison effectuée entre l’occupation des sols de 2010s, 2020s et 2030s a

montré une baisse sensible des taux d’oxygène au fond des lacs sous l’effet direct de

l’apport du carbone organique. En effet, l’analyse comparée des teneurs en carbone

organique et des taux d’oxygène affiche une parfaite corrélation entre les deux

éléments, marquant ainsi la contribution directe des apports organiques dans la

consommation d’oxygène dissous. Elle a montré également une hausse des apports

organiques accompagnée par la forte baisse des taux d’oxygène au fond du lac. Cette

comparaison a montré que la réduction du taux d’oxygène des lacs correspondant à

l’occupation du sol de 2030 devrait être autour de 1mg/l ; elle allongera la durée de

déplétion de 6 à 8 jours.

177

Concernant l’impact du changement climatique, une diminution importante du taux

d’oxygène des eaux tant au niveau des lacs que des rivières a été enregistrée. Cette

diminution est principalement due au réchauffement climatique, mais en liaison avec

la baisse de débit accompagnée par la baisse des apports de précipitations et donc une

diminution des volumes d’eau des lacs qui réduisent par conséquent les temps de

renouvellement. La diminution maximale du taux d’oxygène des rivières devrait

atteindre 0.6 et 1.1 mg/l tandis que cette diminution au fond des lacs pourrait atteindre

0.3 et 0.6 mg/l correspondant aux deux scénarios climatiques 1A et 2A. Parallèlement

à la diminution des taux d’oxygène au fond des lacs, nous avons également trouvé que

la période de stratification s’allongera d’environ 7 jours. A titre d’exemple, le nombre

de jours de déplétion correspondant au scénario 2A donne un allongement pouvant

atteindre 57, 30 et 97 jours/année, soit une augmentation de 7.6, 5.3 et 8.8 jours pour

les lacs d’Ilay, de Bonlieu et de Narlay.

Généralement, les analyses des résultats du modèle WARMF couplé avec les scénarii de

changement de l’occupation des sols et de changement climatique aboutissent à des

augmentations des surfaces forestières ainsi que de la température ; ils entraînent d’importants

changements de la qualité des eaux, surtout des milieux lacustres. Une des conséquences du

changement de l’occupation des sols est l’augmentation des apports de carbone organique qui

se traduit directement par la baisse du taux d’oxygène et par l’acidification des lacs.

Face aux changements de l’occupation des sols et du climat, les baisses prévues de l'oxygène

dissous dans l'hypolimnion des lacs pourraient conduire à des concentrations de 0 à 2 mg /l

pour la période de stratification, ce qui représenterait certainement une menace pour la vie en

profondeur.

Les résultats présentés dans cette étude ont démontré qu’il est possible de créer un système

d’aide à la décision fiable pour la gestion intégrée des bassins versants. Ce système est le

résultat d’une approche hybride de l’analyse des données réelles, des données prédites et des

modèles hydrogéochimiques. Dans cette approche, la télédétection, les systèmes

d’information géographiques (SIG) et le modèle hydrogéochimique (WARMF) constituent la

base de ce système d’aide à la décision et donc à la gestion. Le modèle proposé permet

d’estimer la variabilité du taux d’oxygène en milieu lacustre, fluviale et plus largement la

dynamique hydrologique et physico-chimique des grands bassins versants. Grâce à ce

système, les études qui ont trait à l’évaluation de la qualité de l’eau peuvent estimer les

fluctuations de l’oxygène dans les rivières et ainsi obtenir une meilleure évaluation du niveau

d’oxygénation des lacs. L’oxygène étant une variable clé pour le fonctionnement des

écosystèmes aquatiques, ceci peut avoir des implications majeures dans un cadre décisionnel.

Les résultats de cette étude permettent d'améliorer notre compréhension de la sensibilité des

objectifs clés de gestion selon le changement du climat et de l’occupation des sols, et de

présenter une gamme plausible des changements potentiels de ressource en eau dans le bassin

versant de l’Ain. Ces conclusions peuvent être utilisées dans un contexte de gestion des

risques pour aider à guider le développement des stratégies afin de répondre au changement

climatique. Ce travail permettra également d'identifier les besoins de recherche pour

l'amélioration de la science et de la pratique de l'évaluation des impacts du changement

climatique et de l’occupation des sols.

La généralisation de l’approche utilisée dans la présente étude implique son application

éventuelle à d’autres bassins versants, notamment ceux soumis à de fortes influences

anthropiques et naturelles et présentant de grandes variations de teneurs en oxygène.

L’application de cette approche pourra également être étendue à d’autres paramètres

physico-178

chimiques des eaux. Elle pourra ainsi devenir un outil important pour le diagnostic et la

gestion de la qualité de l’eau des rivières et des lacs.

Perspectives

Dans cette étude, la combinaison des techniques nouvelles (télédétection), des systèmes

d’Information Géographique (SIG) et du modèle hydrogéochimique (WARMF) apporte

certainement une nouvelle dimension pour une approche intégrée de la ressource en eau et

faire face aux problèmes des changements environnementaux. Même si ses avantages ont été

démontrés à travers cette étude de cas réel, de nombreux créneaux de recherche existent pour

étendre davantage la méthodologie. A titre d’exemple, cette approche peut être étendue pour

étudier la production des gaz à effet de serre (CH4, CO2, H2S).

Dans la modélisation de l’évolution du taux d’oxygène des lacs du chapitre 4, nous avons

trouvé que parallèlement à la consommation d’oxygène, le processus de décomposition de

carbone organique produit des gaz comme le CO2, le SO4. En effet, le processus de

décompasition du carbone organique dans l’eau peut être représentée par l’équation suivante

[Chen et al,. 2001b] :

COD aO₂ →CO₂H₂O bNH₄cSO₄ (1)

Où : COD = carbone organique dissous ; a, b et c = constantes.

De plus, la quantité du gaz de CO2 peut être ajustée par le processus de décomposition des

matières organiques des sédiments. Ce processus est représenté par la relation suivante [Chen

et al,. 2001b] :

DOS + O2→CO2 +H2O (2)

Dans l’équation (2), la DOS est considérée comme la demande en oxygène des sédiments de

lac (g/m²/j). Elle représente exclusivement la demande carbonatée en oxygène et ne produit

que du CO2.

Les relations (1) et (2) montrent que les lacs peuvent être une source ou un puits important de

gaz.

Deux éléments se retrouvent au centre du débat scientifique quant au devenir de ces entités

environnementales fragiles ; il s’agit de la baisse du pH et de la hausse de matière organique.

Les investigations géophysiques effectuées sur les lacs de Narlay et d’Ilay, pris comme lacs

témoins, révèlent une charge gazeuse non négligeable entravant considérablement la

circulation du signal. Cette présence laisse penser à un stock de CO2 ou de CH4 dans les

sédiments. La question que nous nous sommes posée est : Quel rôle jouent les lacs dans la

séquestration du CO2 ?.

Dans le document Impact du changement du mode d'occupation des sols sur le fonctionnement hydrogéochimique des grands bassins versants : cas du bassin versant de l'Ain (Page 186-200)