L’ interface rivière-océan Hétérogénéité spatiale des systèmes aquatiques

LES FLEUVES ET L’INTERFACE CONTINENT OCEAN(River and Land/ocean interface)

M. Meybeck UMR Sysiphe, CNRS/Paris 6

• L’ interface rivière-océan• Hétérogénéité spatiale des systèmes aquatiques

• Changements du fonctionnement des bassins: accélération ou ralentissement ?• Réponse sociétale/réponse du mileiu• Visions partielles et acteurs sociaux

• River Ocean interface• Spatial heterogeneity of aquatic systems

• Anthropogenic pressures: accelerated or decreased fluxes ?• Societal response/ Environmental response

• Partial vision of stakeholders

Programmes PIREN-Seine, EUROCAT (DGXII), IGPB-BAHC

EUROCAT Work Package 5 http://www.iiacnr.unical.it/EUROCAT/project.htmKabat et al., (2004). Vegatations, Water, Humans and the climateLudwig et al. (2003) MAP Tech. Rpt. Ser. 141, UNEP AthensMeybeck (2002) Aquatic Sc, 64. (2004). Phil Trans Royal. Soc. B., 354

RIVER BASIN

F1

F4

F3

F2

F5 F8

F7B

F6

FR

B

A

S5TL

ESTUARY

S6DIFFUSE SOURCES

EXTERNAL

OPENSEA

F12

F9F10

ATMOSPHERIC INPUTS

COASTAL ZONE EXTERNAL

F11

POINT SOURCES

FE

F7A

STRUCTURE GENERALE DES TRANSFERTS DE MATIERE FLUVIALE A LA ZONE COTIERE

C

Suivant les types côtiers, on peut différencier une zone estuarienne(ZE) d’une zone côtiere (ZC). Les stations de bouclage des bilans (S5 et S6) sont situés en amont de la Z.E. (S5) ou au sein de la ZE (S6). La compréhension et la modélisation du système côtier nécessitent la quantification de nombreux flux (atmosphères, océans...) en plus des apports fluviaux.

Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

PRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA CONNEXION FLEUVE -

ZONE COTIERE: CAS DES DELTAS

ATMOSPHERIC INPUTS

RIVER BASIN

F1

F4

F3

F2

F8

F7B

F6

FR

C

COASTAL ZONE

ESTUARY

S6

DIFFUSE SOURCES

EXTERNAL SOURCES

OPEN SEA

EXTERNAL SOURCES

I

V

S5

F8

F

5Catchment area at control station S5/S6

Additional coastal catchment

F1

2

F1

1

F9

III

III F9F5

S6a

S6b

F5

S5

POINTSOURCES

F7A

F5III

outer coastal zone

Interactions côte/fleuveInteractions côte/fleuve

Pour les deltas les stations de contrôle 100% fleuve (S5) et 0 % fleuve (S6) sont souvent très proches et on néglige alors les apports et les processus entre les deux.


I

F2

F1

S5

TL IV

F

5F8

AF9A

Catchment area at control station S5

Direct estuarine catchment area

Inner coastal zone (estuary)

III

III

II

V

F8

B

F9B

Outer coastal zone

RIVER/COAST SYSTEM

RIVER BASIN

F1

F4

F3

F2

F5

F8

F7B

F6

FR

CB

A

S5 TL

ESTUARY

S6

DIFFUSE SOURCES

EXTERNAL

OPENSEA

F12

F9F10

ATMOSPHERIC INPUTS


F11POINT SOURCES

FE

F7A

S6

PRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA

CONNEXION FLEUVE - ZONE COTIERE: CAS DES

ESTUAIRES A MAREES

Interactions côte/fleuveInteractions côte/fleuve

Pour les systèmes macrotidaux, les stations de contrôles des transferts fluviaux (S5) doivent être placées très en amont: un important domaine d’apports directs apparaît, dont le bilan n’est observable qu’à la sortie de l’estuaire (S6).


TYPES DE SURVEILLANCE DU SYSTEME FLUVIAL ET DE SES FILTRES

S3a S3b S2

S4b

S7

S1A

UA

UB

IA

R

FP

ABP IRR. a

IRR.b

GBR

GBL

S1A

S1A

S4b

L

S2

S5

S6a

IB

S6bS6c

S1A: stations located on pristine representative watersheds (1-10 km2); S1B: stations representative of agricultural impacts; S2 to S4: impact and water uses stations along main tributaries and main river courses with possible influence of lakes (L) and/or reservoirs (R); S5: river basin output control station. S6: estuarine output station, S7: outer coastal zone network: general survey, impact stations. Ua, Ub, Ia, Ib: major urban and industrial pollution sources; IRR: irrigation from river water. APB: administrative/political border. GBL and GBR Ghost basins related to lake L and reservoir R.

La surveillance de la qualité environnementale et des flux doit prendre en compte la complexité

naturelle et anthropique des milieux, y compris les filtres naturels: (sols, lacs, zones humides, plaine d’inondation) et

artificiels (réservoirs, périmètres irrigués... )


* headwaters wetlands (other wetland types are included in lake, floodplain and estuary).

SCHEMA DES FILTRES EN CASCADE DANS LE SYSTEME BASSIN VERSANT/ ZONE COTIERE (CONDITIONS NATURELLES)

Chaque type de filtre peut stocker et/ou transformer les nutriments (C, N, P, S) et les contaminants (métaux) La modélisation complète du système doit prendre en compte tous ces processus majeurs

SOIL WETLAND*

LAKE FLOODPLAIN

ESTUARY OPENCOAST

INPUT TO THE ATMOSPHERE

PARTICULATE SETTLING


SCHEMA DES FILTRES EN CASCADE DANS LE SYSTEME BASSIN VERSANT / ZONE COTIERE (ANTHROPOSYSTEME)

De nombreux filtres naturels sont réduits (zone humide, plaine inondable, estuaire) alors que des filtres nouvaux sont créés (réservoirs, périmètres irrigués. Dans beaucoup de systèmes les changements de flux nets à lazone côtière sont mal déterminés.

INPUT TO THE ATMOSPHERE

PARTICULATE SETTLING

SOIL

WL

* LAKE

FL

.P

L.

ES

T

OPENCOASTRES

IRRIGLAND


STRUCTURE SPATIAL DES PRESSIONS ANTHROPIQUES SUR LE BASSIN DE LA SEINE

La Seine combine la plupart des pressions - à l’exception des mines. Beaucoup sont dues à l’agglomération parisienne (2 500 km2, 10 M hab)

Meybeck et al., 2004. Cahiers IAURIF

QUALITES RELATIVES DU MILIEU AQUATIQUE (SEINE)

Chaque critère peut être analysé selon une échelle d’impacts, ce qui permet la comparaison.

Les profils moyens d’impact combinent les ordres hydrologiques et l’ impact de Paris: ils sont tous différents.

Les impacts de Paris s’exercent sur l’amont du bassin et très en aval (Baie de Seine), après le filtre estuarien.

Meybeck et al., 2004. Cahiers IAURIF

BAIESSA

Mégalopole ParisienneOrdres 6 et 7

Ordre 4 à 6 Amont paris

Petits Bassins AgricolesOrdres 1 à3

Petits Bassins ForestiersOrdres 1 à 3

POSES

ECHELLE D’IMPACT

ESTUAIRE

BV

D

5

2

4

1

1A

3

4A

TRES FAIBLE

FAIBLE

MOYEN

FORT

TRES FORT

NEGLIGEABLE

Ordre 8

PRESENTATION SCHEMATIQUE DES LIMITES ADMINISTRATIVES ET/OU POLITIQUES DANS LE SYSTEME FLEUVE / ZONE COTIERE

International Waters

S5c

A

B

C

DE1

E2

Natural Limit of Coastal Zone

III

II

I

IV

V

2

1

S5bS5a

Extended basin-coast entity (1): A: Limits across river network. B: limits following river courses.C: coincidence of river catchment control station (S5) with international boundary.D: shared estuary between regions or countries. Limits of international waters exclusive economic zone outside (E1) and (E2) the geomorphic limit of the coastal zone. Political or administrative entities: I to V.

The smaller basin/coast entity (2) is entirely within IV.

Le partage des grands bassins et/ou des estuaires (1) ajoute un degre de complexite

aux systèmes. Les limites spatiales des systèmes peuvent dépendrent des administrations, des conventions

binationales ou internationales. Les petites entités (2) sont souvent plus homogènes


SCHEMA D’UNE RESTORATION REUSSIE DE LA QUALITE DES EAUX, CUMULANT LE STEMPS DE REACTION DU MILIEU NATUREL ET DE LA

SOCIETE

La détection dse impacts, les lacunes et incertitudes scientifiques, les inerties sociétales, la résistance de secteurs économiques responsables des pressions, la difficulté d’obtenir des consensus entrainent des réponses insuffisantes ou tardives. Il en résulte une dégradation du milieu suivi d’impacts socio-économiques importants. Le cycle pression-réponse-amélioration de l’état s’étend sur des décades.


T0

10 ans

LE SCHEMA “DPSIR” APPLIQUE A L’IMPACT

FLUVIAL SUR LA ZONE COTIERE

PRESSURES

DRIVERS

STATES

IMPACTS

RESPONSES

TRANSFERS

RIVER BASIN

F1

F4

F3

F2

F5 F8

F7B

F6

FR

CB

A

S5 TL

ESTUARY

S6

DIFFUSE SOURCES

EXTERNAL OPENSEA

F12

F9

F10

ATMOSPHERIC INPUTS


F11

POINT SOURCES

F7A

F10b

F13

Geographic colour code: brown = river basin,blue = coastal segment; interactions colour code: black arrows = fluxes of information and social interactions; green arrows = financial fluxes; red arrows = fluxes and concentrations of materials; S5 river control station; S6 estuary control station.

L’application du concept DPSIR dans les interactions fleuves / zones côtières est complexe car elle nécessite au moins la connaissance de 3 types de flux (information, économie, matériaux) et la prise en compte de relations de causalité decalées dans l’espace et letemps


DECOMPOSITION SCHEMATIQUE DU CONCEPT DPSIR DANS LES INTERACTIONS FLEUVE-ZONE COTIERE

SPHERE DE DECISION

MILIEU NATUREL

BASSIN FLUVIAL

SPHERE SOCIO ECONOMIQUE

POLITIQUES ENVIRONNEMENTALESBASSIN / ZONE COTIERE

REPONSES

ECONOMIE DU BASSIN

PRESSIONS

TRANSFERTS MATERIAUX DANS LE BASSIN

ETATS

BASSINDETERMINANTS

ECONOMIECOTIEREIMPACTS

ZONE COTIERE ETATS

Z. COTIEREDETERMINANTS

DOMAINE COTIER

A

B D

EGF

C

temps de réaction économique, social, politique, et biogéochimique, Station de contrôles du milieu


BASIN STAKE HOLDERS

C

F

ED1

URBAN

E

C

O

N

O

M

I

C

P

R

E

S

S

U

R

E

S

RIVER QUALITYWATER RESOURCE

RES FL.

PL.

IRR

RIVER BASIN

DEMAND PRESSURES

AGRIC.

INDUS MINING

TRANSPORT

BASIN MANAGEMENT COAST

POLICY BASIN COAST

ESTUARY

COASTALZONE

LE SYSTEME BASSIN FLUVIAL/ZONE COTIERE(vu par le gestionnaire du bassin)

BASSIN VERSANT ZONE COTIERE

S5S6

AB

D2

CONTRAINTES DE GESTION

UTiLISATION DE LA RESSOURCE

ETAT DE LA RESSOURCE

temps de réaction économique, social, politique, et biogéochiomique, Station de contrôles du milieu Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

COASTALREGULATION

COASTAL STAKE HOLDERS

COASTAL USERSINLAND

MARINE

IMPACT INDICATORS

ESTUARY COASTAL ZONE

S6S5

RIVER BASIN

AGRIC. DEFENCE

TRANSPORTINDUSTRYURBAN FISHING

TOURISMSHELLFISH

E

C

O

N

O

M

I

C

D

R

I

V

E

R

S

ARRIERE PAYS DOMAINE MARIN

temps de réaction économique, social, politique, et biogéochiomique, Station de contrôles du milieu

LE SYSTEME BASSIN FLUVIAL / ZONE COTIERE (vu par l’économiste de la zone côtière)


SYSTEME ECONOMIQUE

RESSOURCES NATURELLES

CONTRAINTES DE REGULATION DE L’ENVIRONNEMENT

LE SYSTEME BASSIN FLUVIAL / ZONE COTIERE (vu par les scientifiques naturalistes)

RIVER BASINUSERS / PRESSURES

COASTAL ZONE

RIVER BASIN FILTERS

BASIN REGULATION

ESTUARIES

Hydrodynamic

Water/sed

Biota

Hydrodynamic

Water/sed

Biota

A

C DE

G

F

B WETL LAKE RES FL.PLSOIL IRRs s s s s

S5

S6Hydrodynamic

Water/sed

Biota

temps de réaction économique, social, politique, et biogéochiomique, Station de contrôles du milieuB, E: Apports atmosphériques G: Apports océaniques

BASSIN VERSANT DOMAINE MARIN

INTERACTIONS ÉCONOMIQUES

INTERACTIONS BIOPHYSIQUES

POLITIQUE


LE SYSTEME BASSIN FLUVIAL/ZONE COTIERE(vu par les responsables des politiques environnementales)

CONTINENT ZONE COTIERE

ACTEURS SOCIO-ECONOMIQUES

GEOSYSTEMES

RIVER BASIN TREATY

RIVER COAST

RIVER COAST

RIVER COAST

REGIONAL SEAS TREATY

BASIN STAKE HOLDERS COASTAL STAKE HOLDERS

RIVER BASINUSERS/

PRESSURES

COASTAL CRITERIA

COASTAL ZONE

RIVER CRITERIA

COAST

EUROPEAN DIRECTIVES

S5

INTERNAT.

NATIONAL

PROVINCIAL

BASIN

?

?

?

?

?

A1 A2H4

H4

C

D1

E

G

F

D2

H3

H2

H1

H

SPHERES DE DECISION


RIV ER B EDINCISI ON

SLO PES LAK ES ALLUVI AL P LAI NSDELT AIC

SEDIM ENT

COAS TALSEDIM ENT

NAT URA L SOILWEA TH ERI NG

LEAC HING EROSI ON

RIV ERBED

AT MOSP HERICFAL LOU T

UPPER COURSE MID DLE/LOW ER COURSE

ESTUARY /DELTA

COAS T

1

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1314

15 a15 b

16

SOU RC ES

RIV ERI NE NET EXP ORTTO OCEA N

SI NKS ANDEX CHANGE

ORIGINES NATURELLES ET TRANSFERTS DES MATERIAUX PARTICULAIRES DANS LES SYSTEMES FLUVIAUX NATURELS

Les transferts sont largement régulés par les processus d’ érosion/sédimentation à diverses échelles de temps (< 1 an à >> 100 ans).

SOURCES

TRANSFERS

FILTERS


TYPES DE SURVEILLANCE DANSLES SYSTEMES FLEUVES / ZONE COTIERE

GROUNDWATER

MINING

RESERVOIRS

CITIES & INDUSTRIES

PARTICULATE MATERIAL

DEPOSITORIES

SLOPES ALLUVIAL PLAINS

DELTAIC SEDIMENT

COASTAL SEDIMENT

RIVER BED

ATMOS. POLLUTION

ATMOSPHERIC FALLOUT

SOURCES

TRANSFERS

SINKS & EXCHANGES

UPPER COURSEMIDDLE/LOWER COURSE

ESTUARY/DELTA COAST

A

B

CD

E

1

3 4 5 6 7 8

H

9 10 11 12

13

16

F2F1 G1

G2

O

15 a

V

T

15 b

U

14

NATURAL SOIL EROSION

AGRICULTUREENHANCED

EROSION

J3

J1 J2

W

S1A

S2 S3

S4 S5 S6 S7

S9A S10A S11 S12

S8A S8B S14 S15B

S17

S1B

S9B

LAKES

S10B

S18

S15A

P

S16A S16B

La connaissance des flux et leur modélisation nécessite de très nombreux réseaux d’observation depuis les ruisseaux (S1, S2) jusqu’aux stations de bouclage du bassin (S5, S6) pour quantifier la rétention et la transformation des matériaux dans les filtres du système, pour estimer les fuites de l’anthroposystème vers le milieu aquatique

(FILTERS)


LAKES

GROUNDWATER

CONTAMINATION

ORES BUILDINGSIMPORTED PRODUCTS

MINING

RESERVOIRS

CITIES & INDUSTRIES

DUMPS PARTICULATE MATERIAL DEPOSITORIES

SLOPESWETLANDS

ALLUVIAL PLAINS

AQUIFERS

DELTAIC SEDIMENT COASTAL

SEDIMENT

EXPORTEDPRODUCTS

RIVER BED

ATMOS. POLLUTION

ATMOSPHERIC FALLOUT

SURFICIAL FILTERS

RIVERINETRANSFERS

SINKS & EXCHANGESUPPER COURSE

MIDDLE/LOWER COURSEESTUARY/DELTA COAST

A

B2

C D

E

H I NJ

K

M

P

1

3 4 5 6 7 8

H

9 10 11 12

13

Q

16

F2F1 G1

G2

L

O

15 a

ANTHROPOSPHERE FLUXES

T

15 b

U

14

TAILINGS

PRISTINE LAND SURFACE

IMPACTED

LANDSURFACE

W

V

R

B1

B3

URBAN / INDUS. SOILS

Z

B2J3

ECONOMY/POLICY

TRANSFERTS DE MATERIAUX AU SEIN DES ANTHROPOSYSTEMES

Surveys of anthroposphere leaks Surveys of economic material fluxes

Dans les systèmes influencés par l’Homme, les transferts de matériaux deviennet extrêmeement complexes. Les transferts fluviaux peuvent être alors largement influencés par les activités humaines. Leur modélisation fait alors intervenir de très nombreuses disciplines autres que les sciences de laterre

I.F.


CONCLUSIONS (1/2)

• La gestion Bassin/ zône côtière suivant l’approche DPSIR est difficile à mettre en oeuvre :

• Basin coast management according to the DPSIR approach is actually very difficult to carry out:

1. La complexité spatiale doit être prise en compte dans toutes ces dimensions: hétérogénéité du bassin versant, d’interface, natures des pressions, diversité des gestions et des régulations sur les bassinsSpatial complexityshould be fully understood : river basin heterogeneity, multiple types of Land Ocean interface; pressures types, management and regulation diversity within basins

2. L’interface bassin/zone côtière peut être modifiée par les activités humainesLand/ocean interface can be gratly modified by human activities

3. Dans les bassins anthropisés (« anthroposystèmes ») l’évolution des flux nets à la mer dépend à la fois de (i) l’accélération des cycles (C, N, P, Si) (ii) l’augmentation des sources (métaux, POPs), (iii) la diminution des filtres naturels (iv) l’apparition de nouveaux filtres comme les réservoirs. In basins under pressures (« anthroposystems ») the evolution of net river fluxes to ocean depends on (i) biogeochemical cycles acceleration (C, N, P, Si) (ii) increaed sources of metals and POPs (iii) decreased natural filters (e.g. wetlands), (iv) creation of man-made filters (e.g. reservoirs).

CONCLUSIONS (2/2)

4. Les réponses sont généralement apportées après le début des changements d’Etat, ou même des impacts. Ce décalage est souvent de 10 à 20 ans pendant lequel la dégradation du milieu progresse.Societal responses to environmental impacts are generally brought in after State changes and impacts generation. This time lag is often 10 to 20y during which the environmental state is degrading.

5. Les acteurs ont chacun leur vision partielle sur l’ensemble bassin/Interface/zone côtièreet ne considèrent pas l’ensemble déterminants socio-économiques - Pressions (sur le milieu) - Etat (du milieu) - Impact (socio-économique) - Réponse (sociétale) (i) les réponses à certains impacts côtiers doivent être anticipées et apportées très en amont dans le bassin (ii) certains impacts actuels peuvent être liés à des pressions passées (Héritages)Each stakeholder has a biased view point on the basin/Interface/coast interactions and generally fails to consider the space and time dimension of Drivers - Pressures - States - Impacts - Responses: (i) many responses to coastal impacts should actually be anticipated and developed far upstream in the river basin (ii) some current impacts may be linked to past pressures (Heritages)

EUROCAT Work Package 5 http://www.iiacnr.unical.it/EUROCAT/project.htmKabat et al., (2004). Vegatations, Water, Humans and the climateLudwig et al. (2003) MAP Tech. Rpt. Ser. 141, UNEP AthensMeybeck (2002) Aquatic Sc, 64. (2004). Phil Trans Royal. Soc. B., 354

Documents

L’ interface rivière-océan Hétérogénéité spatiale des systèmes aquatiques