Un modèle hydro-économique pour optimiser le programme de mesures à l'échelle du bassin versant

24.07.2015
L’objectif principal du projet consistait à développer un prototype de modèle hydro-économique, appliqué à un bassin français caractérisé par une situation de tension sur les ressources. Le bassin versant de l’Orb, dans le département de l’Hérault, a été retenu en raison de la forte croissance des demandes en eau agricole et urbaine qui le caractérise.

Dans le cadre de l’application de la DCE, les études économiques et hydrologiques sont souvent conduites en parallèle sans aucune intégration. Les nombreuses interactions entre processus biophysiques et sociétaux ne sont donc pas prises en compte, ce qui peut conduire à élaborer des programmes de mesures sous-optimaux en termes de coûts ou d’efficacité. Les modèles hydro-économiques (MHE) permettent de dépasser ce cloisonnement disciplinaire. Utilisés comme outils exploratoires aux États-Unis ou au Royaume-Uni, ils permettent de d’optimiser les caractéristiques de programmes de mesures au regard de critères économiques (coûts, bénéfices) ou environnementaux (débits objectifs, fréquence de défaillance). 

Dans le cadre de sa convention pluriannuelle avec l’ONEMA, le BRGM a entrepris la réalisation d’un bilan des modèles existants ayant donné lieu à la publication d’un document de valorisation paru dans la série « comprendre pour agir ». Un prototype de modèle hydro-économique a également été développé dans le bassin versant de l’Orb (Hérault). Appliqué à la gestion quantitative des ressources, il a permis de tester le potentiel de cet outil pour l’élaboration de politiques de gestion de l’eau, considérant le changement climatique et les tendances d’évolution des activités économiques basées sur l’eau (et des demandes associées) à long terme.

Le barrage des Monts d’Orb dont les lâchers peuvent être optimisés pour répondre à la demande des usages et des milieux. © BRGM-JD Rinaudo 2012

Le barrage des Monts d’Orb dont les lâchers peuvent être optimisés pour répondre à la demande des usages et des milieux. © BRGM-JD Rinaudo 2012

Contexte

Dans le Sud et le Sud-Ouest de la France, de nombreux bassins sont caractérisés par une situation de déficit en eau, se traduisant par des restrictions d’usage et le non-respect temporaire des débits ou des niveaux piézométriques objectifs à l’étiage. Un programme de mesures doit dès lors être élaboré, combinant la mise en œuvre d’actions visant à la fois à réduire la demande en eau et à créer de nouvelles ressources. Cette combinaison doit être optimisée, pour permettre d’atteindre les objectifs environnementaux de la Directive Cadre européenne sur l’Eau et afin de satisfaire les besoins des différents usagers, tout en minimisant le coût total du programme. Les modèles hydro-économiques visent à assister les gestionnaires dans cet exercice d’optimisation.

Objectifs 

L’objectif principal du projet consistait à développer un prototype de modèle hydro-économique, appliqué à un bassin français caractérisé par une situation de tension sur les ressources. Le bassin versant de l’Orb, dans le département de l’Hérault, a été retenu en raison de la forte croissance des demandes en eau agricole et urbaine qui le caractérise. Le modèle développé a été utilisé pour concevoir un programme de mesures, permettant d’adapter la gestion du bassin aux évolutions induites par le changement climatique, d’une part, et le développement des usages de l’eau, d’autre part. Il a permis d’explorer les arbitrages à réaliser entre coût du programme, ambitions en matière d’objectifs environnementaux et objectifs en termes de développement de l’agriculture irriguée. 

Programme des travaux

La démarche générale mise en œuvre est pluridisciplinaire : elle a mobilisé des compétences en agronomie, hydrologie, économie et prospective. Le modèle développé permet d’intégrer le résultat des différentes approches. 

  • Un modèle hydrologique semi-distribué a été développé pour simuler les écoulements dans le bassin versant. Il a ensuite été utilisé pour évaluer les conséquences du changement climatique sur les ressources disponibles ; 
  • Un modèle agronomique a été établi pour calculer le besoin en eau d’irrigation de l’agriculture ; il a ensuite été utilisé en simulation pour évaluer les besoins en eau futurs associés à différents scénarios de changement climatique et d’évolution économique ;
  • Un modèle de prévision des besoins en eau potable, basé sur une approche statistique, a été utilisé pour évaluer la demande en eau future des zones urbaines ;
  • Une analyse technico économique a permis d’identifier une quinzaine de mesures afin soit d’économiser des ressources en eau (modernisation des périmètres irrigués et des réseaux d’eau potable, changement de comportement des usagers), soit de mobiliser de nouvelles ressources (eau souterraine profonde, dessalement). Le coût de la mise en œuvre de ces mesures et les volumes d’eau associés ont été estimés dans chaque contexte spécifique (plusieurs centaines de mesures) ;
  • Le modèle hydro-économique, intégrant ces différentes composantes dans un unique algorithme d’optimisation, a ensuite été développé et utilisé pour évaluer divers scénarii. 

Résultats

Le coût du programme de mesures optimisé est fonction de deux variables sur lesquelles les décideurs peuvent exercer une influence : la première est le développement de l’irrigation à l’horizon 2030, encouragé ou non par des politiques publiques d’aides financières ; la seconde est le niveau d’ambition environnementale fixé lors du choix des valeurs de débits objectifs d’étiage. 

L’application au bassin versant de l’Orb met en évidence trois principaux résultats opérationnels :

  • Dans les affluents amont de l’Orb, qui ne bénéficient pas de la régulation du barrage des Monts d’Orb, le déficit actuel risque de s’aggraver à l’horizon 2030, compte tenu de l’augmentation des demandes en eaux agricoles et urbaines. Ce déficit ne peut pas être résorbé par les mesures considérées dans le modèle ;
  • Dans les tronçons de cours d’eau bénéficiant de la régulation des lâchers de ce barrage, leur gestion optimisée permettrait de compenser l’augmentation des prélèvements anticipés à l’horizon 2030 et de respecter les débits d’étiages établis au titre de l’application de la directive cadre sur l’eau ;
  • Cependant, cette capacité de régulation du barrage devient insuffisante si l’on tient compte à la fois de l’augmentation prévisible des demandes en eau et des effets du changement climatique sur l’hydrologie et les besoins en eau des cultures. Le modèle permet d’identifier un programme de mesures à mettre en place dans ce contexte. Trois principales mesures contribuent à économiser près de 85% du volume déficitaire : la recherche et réparation de fuites dans les réseaux d’eau potable, la modernisation des périmètres gravitaires et le passage à l’irrigation au goutte à goutte à la parcelle. Ces mesures représentent 36% du coût total du programme. Le dessalement est la 4ème mesure en termes de volumes mobilisables (10%), mais elle serait aussi la plus coûteuse, puisqu’elle représenterait 57% du coût total du programme.

Globalement, les modèles hydro-économiques (MHE) sont appréhendés comme des outils intégrateurs, permettant de lier les connaissances issues d’études indépendantes et souvent réalisées selon des logiques mono-disciplinaires. Ils sont donc utilisables dans les contextes caractérisés par un niveau élevé de connaissance scientifique. L’un des enjeux de la recherche à venir est de préciser les conditions d’utilisation de ce type d’outils dans le cadre de plateformes d’acteurs, comme les commissions locales de l’eau. En effet, si les MHE ouvrent des perspectives intéressantes pour accompagner l’élaboration de programmes de mesures, ils ne doivent pas faire oublier la complexité des systèmes considérés et les incertitudes associées aux processus représentés, qui nécessitent encore de nombreux développements pour assurer une validité scientifique lors du passage du prototype à l’usage opérationnel.

 
Représentation schématique de l’approche pluridisciplinaire mise en œuvre pour développer le modèle hydro-économique. © BRGM

Représentation schématique de l’approche pluridisciplinaire mise en œuvre pour développer le modèle hydro-économique. © BRGM

Évolution du coût et de la composition du programme de mesures pour différents niveaux de demande agricole à l’échelle du bassin. © BRGM

Évolution du coût et de la composition du programme de mesures pour différents niveaux de demande agricole à l’échelle du bassin. © BRGM

Partenaires

Le modèle informatique a été développé en partenariat avec le laboratoire IIAMA de l’université Polytechnique de Valence (Espagne). Le développement du modèle a été cofinancé par l’ONEMA dans le cadre de sa convention pluriannuelle avec le BRGM. Le Syndicat Mixte de la Vallée de l’Orb et du Libron a contribué à la réflexion générale et remis à l’équipe de projet l’ensemble des données dont il dispose.