Un Enseignement Intégré de Science et Technologie au collège

Ecole Normale Supérieure, le 14 mai 2008

“Nouvelles histoires d’eau”Ghislain de Marsily

Professeur émérite à l’Université Paris VIAcadémie des Sciences, Paris

Allons nous manquer d’eau ?

(Xian, Chine)

Tozeur (oasis du Djerid, Tunisie)

Seulement au désert ?

Hier….

Demain….

Salinisation des sols…

Chutes d’Iguassu, Argentine-Brésil, 30 octobre 2005, 18.000 m3/s

Ou partout dans le monde ?

Plan de l’exposé

1. Cycle de l’eau2. Changements climatiques3. Croissance démographique

et production agricole4. Sécheresses

Trois références :• Comptes Rendus Geoscience de l’Académie des

Sciences, “Les Eaux Continentales”, tome 337, fasc. 1-2, janvier 2005

• Rapport “Science et Technologie” n°25 de l’Académie des Sciences, “Les EauxContinentales” EDP Sciences, Paris, Oct. 2006.

– Chapitre 1 : eau, aménagement et usages - Daniel Zimmer et Pierre Alain Roche– Chapitre 2 : écosystèmes aquatiques- Henri Décamps– Chapitre 3 : eau et santé - Jacques Labre– Chapitre 4 : eau et climat – Jean-Claude André– Consultable sur www.Academie-sciences.fr

• “Nourrir la Planète”, Michel Griffon, Odile Jacob, Paris, 2006

Continents

Océans

119.000 km3/a

74.000 km3/a

Crues : 32.500 km3/a

Ecoulementssouterrains :10.000 km3/a

Fusion des icebergs :2.500 km3/a

1 km3 = 1 milliard de m3; 1 m3 = 1000 litres

Bilan….

7.800 km3/a

2.200 km3/a

(Shiklomanov, 1999, 2003)

Ecoulement généralement dit “récupérable”: 13.500 km3/a

Ecoulements : 45.000 km3/an

1. Le Cycle de l’eau…

L’eau est-elle disponible ?

• Eau de Pluie…• Eau qui s’écoule…

Chutes du Nil bleu près du lac Tana (Ethiopie)

Delta de l’Okavango, Namibie

L’eau est-elle disposnible ?

• Non, elle est déjà utilisée par l’ensemble des écosystèmes continentaux, fluviaux, lacustres, marécageux, estuariens et côtiers de la planète, jusqu’à la dernière goutte, ce n’est qu’au détriment de ces écosystèmes que l’homme peut augmenter la part qu’il utilise à ses fins.

• La question essentielle est de connaître la résilience de ces écosystèmes et combien d’eux et de biodiversité la planète a besoin pour perdurer….

Popula-tion

millions

Eau domestique

prélevéekm3/an

Eau Agricole pluviale

consomméekm3/an

Eau Agricole d’irrigation

prélevée km3/ an

Eau d’irrigation consommée

km3/an

Eau Industrielle

prélevéekm3/an

Europe 512 80 420 225 100 285Asie 3.612 290 2900 1.800 830 330

Afrique 853 40 700 200 90 32Amérique du Nord

489 130 400 400 185 390Amérique

du Sud367 50 300 100 45 105

Australie, Iles

Pacifique

30 8 30 25 20 3

Russie et ex URSS

310 62 250 500 230 145TOTAL 6.200 660 5.000 3.250 1.500 1.290

Consommée 40 5 000 1 500 130

Demande en eau, 2000

2. Les Changements climatiques

Zones sèches actuelles….

Conséquences du réchauffementsur le régime hydrologique :

grosses incertitudes…

• Accélération générale de la “machine” hydrique (plus d’évaporation sur les océans…)

• Déplacement vers les pôles des zones climatiques

• Augmentation globale des précipitations• Mais importantes variations régionales• Incertitudes sur les événements extrêmes

Variation de la pluie (de pôle à pôle) pour 15 modèles de climat, et observations

Variation de la pluie (de pôle à pôle) pour 15 modèles de climat, et observations

Météo-France, scénario B22xCO2

Variations (en %) des Précipitations entre 2050-99 et 1950-99Décembre Janvier Février Mars

J.C. André et al., RST 25 “Les Eaux Continentales”

Variations (en %) des Précipitaions entre 2050-99 et 1950-99

Juin Juillet Août SeptembreJ.C. André et al., RST 25 “Les Eaux Continentales

Météo-France, scénario B22xCO2

Changements vraisemblables après 2050

ZoneGéographique

Décembre à Mars

Juin à Septembre

Afrique Équatoriale

Sahel Africain

Afrique du Nord

Europe du Sud

France en moyenne

Scandinavie, Siberie

Amérique du Nord

Nord Canada

+10%+25%Incertain, +/- 10%

-15%Incertain, +/-10%

+15%+25%

Incertain, +/- 10%

+30%-10%-20%

Incertain, +/- 10%+15%

Incertain, +/- 10%+20% Incertain, +/- 10%

Eau du sol• Réduction importante de l’humidité du sol dans les

zones Méditerranéennes, évapotranspiration plus élevée, pluies plus réduites en été: sécheresseédaphique plus qu’hydrologique…Risques renforcés de feu de forêt…

• Fusion des glaciers (Cordillères des Andes, Montagnes Rocheuses, Alpes, Himalaya…) et des pôles

• Pour 1à 3°C et plus de CO2, légère augmentation des rendements des cultures en Europe et Amérique du Nord, réduction au Sud et en milieu tropical

• Pour plus de 3°C, réduction des rendementspartout

Conséquences pour l’Europe

Stress en Eau en en Europe, 2030(From EU Water saving potential, Fig 12, July 2007)

Grosse inconnue :

• Changements des fréquences des événements extrêmes….?

• Pas de preuve d’une variation récente des fréquences d’anomalies (crues ou sécheresses), mais indices sérieux (GIEC, 4° Rapport, 29 janvier 2007)

• Pas de tendance claire dans les modélisations avant 4 fois le CO2 actuel

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

ActuelCC moyenCC variabilité

Représentation schématique de la variation de la probabilité d’apparition d’événements extrêmes dans le cas d’un changement climatique

(par variation de l’aire sous les différentes courbes à droite d’un seuil considéré)

Fréquence

Intensité d’une grandeur hydrologique(pluie moyenne annuelle, débit…)

Faut-il économiser l’eau ?• Périodes normales et périodes de pénuries…• Economies “sèches”, ex. du Nil• Economies “humides”, ex. de Marseille• Economies d’eau ici ne donne pas tj de l’eau là-bas…• Economie d’eau = économie d’énergie :

100 l d’eau froide ~ 1h d’une ampoule de 75 W; 100 l d’eau chaude ~40h d’une ampoule de 75 W 1 km en voiture ~18h d’une ampoule de 75 W…

• Economies de nourriture :– 100 g de viande représente 1300 l d’eau– 100 g de pain représente 100 l d’eau

3. Démographie• Aujourd’hui, 6,2 milliards d’habitants• Dont 856 millions sous-alimentés en 2003, ce chiffre

diminuait depuis 50 ans, car la production montait plus vite que la consommation, mais s’est mis à remonter depuis 3-4 ans.

• Nourris par :– 264 millions d’ha irrigués, (consommant 1 500 km3/an)– 1240 millions d’ha d’agriculture pluviale (consommant 5 000

km3/an)• Total 1 500 + 5 000 = 6 500 km3 pour 6,2 milliards

~1000 m3/an.habitant, ou 1 million de litres/an.habitant

Zones avec manque chronique d’eau en 2000, d’après IWMI [2007].

Rouge : Déficit physique ; plus de 75% du débit des rivières est prélevé pour les besoins de l’homme, en tenant compte des recyclages.

Rose : Plus de 60% du débit des rivières est prélevé. Ces bassins vont bientôt devenir rouge Orange : Déficit économique en eau. Les ressources sont abondantes par rapport aux usages

avec moins de 25% de prélèvements du débit des rivières, mais la sous-alimentation sévit. La capacité financière en moyens d’équipement fait défaut.

Bleu : Ressources en eau abondantes. Prélèvements inférieurs à 25% du débit des rivières.

En 2050

• Environ 9 milliards d’habitants, soit environ 70 millions de plus par an…

• Pour les nourrir, et éradiquer la malnutrition actuelle des 856 millions d’habitants, il faudrait utiliser en plus environ 4 500 km3/an

• Mais les habitudes alimentaires….• Comment faire ?

Eau et habitudes alimentairesProduitsVégétaux

EauConsommée

ProduitsAnimaux

EauConsommée

Huiles 5 000 Bœuf 13 000

Riz 1 500 – 2 000 Volailles 4 100

Pommes de terre 100

Blé, céréales C3 1 000 Œufs 2 700

Maïs, céréales C4 700 Lait 800

Agrumes 400

Maraîchage 200-400

Quantités d’eau requises en m3/t pour produire les bases alimentairesPartie consommée brute (non en matière sèche) des différents produits.

Facteur d’augmentation de laconsommation de nourriture 2050/2000

D’après P. Collomb et M. Griffon (2006).* : calculs d’après les données des pays ** :hypothèses

Régions Asie AmériqueLatine

Moyen Orient et Afrique du Nord

AfriqueSub-

Saharienne

OCDE et Russie

Multiplicateur de la

consommation 2050/2000

2.34 1.92 ≈2.5* 5.14 ≈1**

Production 2000

1800 272 154 262 -

Production nécessaire en

2050

4150 520 390 1350 Idem 2000

Que peut-on faire ?

• Augmenter la productivité, l’efficacitéde l’eau utilisée… développer des cultures hors-sol…

• Augmenter les surfaces irriguées…• Augmenter les surfaces d’agriculture

pluviale…

Augmenter la productivité…• Efficacité d’utilisation de l’eau… 25% …???• Développement de nouvelles variétés, par

exemple pour des conditions semi-arides et des sols salés, mais les échanges CO2 – eaux par les stomates sont limitants … 10%...???

• La production d’eau par dessalement n’est pas une options significative pour la production vivrière … trop cher et énergétivore… 5%...???

• Production hors-sol… trop cher…5%...????

• Très insuffisant…

Agriculture irriguée…• Aujourd’hui 264 million ha• Rythme actuel d’augmentation: 1.34 millions ha/a• En 2050, à ce rythme, il y aura 331 millions ha• Consommation d’eau en plus 500 km3/a

• Très insuffisant…comparé aux besoins de 4.500 km3/a nécessaires ….

→ L’augmentation de l’agriculture pluviale semble être la seule solution

Monde Asie Améri-que

Latine

MoyenOrient

Afr. Nord

AfriqueSub-

Saharienne

OCDE Russie

Surfacecultivée 2000 (a)

1600 439 203 86 228 387 265

SurfaceCultivable

(b)

4400(IIASA)4152(FAO)

586 1066 99 1031 874 497

a/b 39% 75% 19% 87% 22% 44% 53%

Surface disponible pour l’agriculture en 2000 (106ha)

Données FAO NB : surface du Globe : 13,4 Milliards d’ha

Asie Am. Latine M.O, Af.N Afr.sub-sahA: augmentation (106ha) de l’agr. Pour les aliments en 2050

+50 (100 pour les aires protégées)

+185 0 Tout l’espace utilisé

+600 (200 pour les aires réservées)

B: rendements supposés

+50% (possible mais difficile)

4t/ha=>6t/ha

Sans changements1.35t/ha

Difficile d’augmenter les rendements

+40% les bas rendements actuels (1.15t/ha) pourraient atteindre 1.60t/ha

C: augmentation de la production (Mt)

≈+1200 +250 0 +1090

D: Production totale attendue en 2050 (prod 2000+C)

3000 ≈520 154 1350

E: Besoins en 2050 4150 520 154 1350

F:Deficit en 2050 (D-E)

-1150 0 -236 0

Surface totale disponible avec aires protégées

100 678 0 203

Scenario 1: Tendanciel; peu de changements technologiques. Augmentation de l’agriculture pluviale (Griffon, 2006)

Asie Amer. Latin M.O., Af.N Afri.Sub-SA: AgriculturePluviale, production 2050 (106Mt)

3000 520 154 1350

B: Agriculture irrigué 2050/2000

+100 à 280 (+10)

+20 à 60 (+100%)

+4 à 24 (sans chgement)

+30 à 70 (x2)

Production totale 2050 (A+C)

3100 à 3280

532 à 568 156 à 176 1370 à 1395

Déficit ou excédents 2050 (Mt)

-870 à -1150

+12 à 48 -214 à-234

+20 à +55

Scenario 2: Scenario 1 + investissement irrigation (Griffon, 2006)

Asie AmériqueLatine

Moyen Or.Afr. Nord

AfriqueSub-Sahar.

Besoins 4150 520 390 1350

Production locale

3190±100 1704±100 166±10 1350

Déficits / excédents

-960±100

+1184±100

-224±10

0

Scenario 3(Griffon, 2006)

Que se passe-t-il si les sols arables sont aussi utilisés pour la production

de biomasse énergétique ?

Asie AmériqueLatine

Moy. Ori.Afr. Nord

AfriqueSub-Sahar.

OCDE Russie et ass.

Total

SurfaceCultivable

585 1066 99 1031 874 497 4152

1000

2587

413

2174

565

ZonesProtégées

100 300 0 200 300 100

CulturesVivrières

460 646 99 711 424 247

Cultures irrigués

250 26 49 17 24 47

Agriculture pluviale

210 620 50 694 400 200

CulturesÉnergétiques

25 120 0 120 150 150

Scenario 5: Combinaison nourriture et énergie pour 2050(Griffon, 2006)

Eau-Terre-Environnement 45

Eau virtuellebilans pour 1997-2001

* flèches pour flux > 10 Gm3/anSource : A.K. Chapagain et A.Y. Hoekstra (2004). Water Footprints of Nations. UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands.

Et les ecosystèmes ?

Conclusions :• Il faudrait défricher 1 milliard d’ha supplémentaires

pour l’agriculture pluviale d’ici 2050, surtout en Amérique du Sud et en Afrique, aux dépens de la biodiversité et de l’environnement….

• Asie et le Moyen-Orient – Afrique du Nord vont dépendre fortement de “l’eau virtuelle”

• La gestion des ressources en eau et en sol devrait se faire à l’échelle mondiale :

-allocation des ressources hydriques entre pays dépendants, -allocation optimale des cultures entre agriculture pluviale et

irriguée,-conservation des écosystèmes et de la biodiversité-amélioration des rendements des cultures,-gestion des crises en cas de sécheresse…

Sécheresses… ?

Expériences sur les sièclespassés…

Sécheresses, 1876-1878, et 1896-1900

Prof. Amartya SEN, Prix Nobel d’Economie

FAD, “Food availability Decline”, i.e. Famines

Inde 1876-18791896-1902

10 millions20 millions

Chine 1876-18791896-1900

20 millions10 millions

Brésil 1876-18791896-1900

1 million?

Total 30 à 60millions

Mortalité due au “FAD”

NB : Population Mondiale : 1 milliard en 1820, 2 milliards en 1925….

~1,5 milliards en 1875, 60 millions = ~4% de la population mondiale

Zones de mousson, influence El Niño

Davis, 2006

Années El Niéno fortes et très fortes,1525 – 2000 (Ortlieb, 2000) :

1539, 1546, 1552, 1559, 1567,1574, 1578, 1589, 1600, 1604, 1607, 1614, 1618, 1621, 1630, 1640, 1650, 1652, 1661, 1671, 1681, 1687, 1694, 1703, 1715, 1723, 1728, 1737, 1747, 1761, 1776, 1782, 1790, 1802, 1814, 1824, 1827, 1832, 1837, 1844, 1850, 1854, 1864, 1867, 1876, 1877, 1887, 1891, 1899, 1904, 1913, 1918, 1925, 1940, 1998,

en moyenne, 2/siècles

Stocks Mondiaux

• Actuellement 400 millions de tonnes de céréales (2006)

• El-Niño 1998, fort déficit en Chine et Indonésie, achat massifs, stocks très bas

• Stocks ne cessent de décroître• Consommation 2270 millions de tonnes/an

de céréales (2004), représentant 60% de l’alimentation mondiale, 1/3 blé, riz, maïs

• Stock de viande sur pied très important

Conclusion• Avec la forte augmentation des besoins en nourriture, et

le risque afférant de diminution des stocks, une crise majeure de “Food Availability Decline” (Famines) risque de se produire incessamment…

• Des sécheresses de plusieurs années successives affectant simultanément plusieurs continents ne sont pas improbables…

• L’augmentation possible de la variabilité climatique avec les changements climatiques annoncés rend ce risque plus menaçant.

• La mondialisation des échanges et la part croissante de « l’eau virtuelle » laisse à penser que les cours mondiaux des céréales pourraient subir de très fortes variations (blé a plus que doublé, maïs aussi depuis 2005, riz un peu moins)

Merci !