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Les impacts du changement climatique en Aquitaine

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Hervé Le Treut

Défis pour les ressources, les activités et la qualité de vie en Aquitaine

Chapitre 8 : L’air et l’eau

Éric Villenave, Hélène Budzinski, Henri Etcheber et Alain Dupuy

Texte intégral

Préambule

1On ne peut pas évoquer le changement climatique sans s’arrêter sur le rôle de l’atmosphère ou celui des océans, ni sur les échanges continus entre les deux compartiments. Si les impacts de la composition de l’air ou ceux du moteur océanique sur le climat sont globalement aujourd’hui bien appréhendés, ce n’est pas toujours le cas des effets rétroactifs que les changements climatiques peuvent exercer sur la qualité de l’air ou l’hydrosphère en général. Dans ce chapitre, l’eau sera plutôt envisagée en tant que ressource (qualité de l’eau, eaux de surface et souterraines) qu’en milieu de vie, aspect traité par ailleurs dans le chapitre 6.

2Les qualités de l’air et de l’eau font partie depuis plusieurs années des préoccupations majeures de la société. Leurs évolutions sont très souvent directement reliées au développement économique et à l’accroissement de la population mondiale. S’il est déjà reconnu que l’accessibilité aux ressources comme l’eau, la nourriture ou l’énergie n’est pas distribuée équitablement, il est également attendu que les changements climatiques contribueront à détériorer cette situation dans un futur proche. En outre, les conséquences des changements climatiques ne seront pas les seules priorités auxquelles notre société devra faire face. Les changements progressifs mais rapides de la composition de l’air que nous respirons ou de l’eau affecteront, en premier lieu, la santé humaine, mais également la production agricole, et par conséquent l’économie dans sa globalité. Les enjeux autour de l’air et de l’eau sont donc déjà multiples et il apparaît indispensable d’évaluer les conséquences des changements climatiques sur leur évolution.

3L’objectif du chapitre 8.1 est de résumer quels peuvent être les impacts du changement climatique sur la qualité de l’air en terme de pollution, quelles sont les limites des législations et réglementations mises en place pour contraindre les émissions atmosphériques face aux polluants formés de façon indirecte dans l’air, en se focalisant particulièrement sur les spécificités de l’Aquitaine, même si, contrairement aux autres compartiments environnementaux, l’atmosphère ne présente horizontalement pas de frontière réelle.

4Du fait du rejet direct de nombreux polluants, de leur transport atmosphérique, des processus de dépôts et des phénomènes de ruissellement qui en découlent, l’eau, élément indispensable à la vie est et deviendra de plus en plus une ressource rare à protéger. Au cours des temps, les usages de l’eau se sont peu à peu diversifiés et intensifiés. La préservation de la qualité de l’eau est donc un enjeu majeur tant pour l’environnement que pour l’Homme. Dans cette optique, il est important de comprendre les facteurs qui peuvent l’altérer. Le chapitre 8.2 fait le point sur les connaissances encore incomplètes des impacts sur la qualité de l’eau via l’évaluation de différents paramètres, des plus simples aux plus complexes.

5Au-delà de la qualité intrinsèque de l’eau qui est primordiale, la prise en compte de l’ensemble des composantes du cycle de l’eau est fondamentale pour toute réflexion sur une gestion efficace des eaux. Or, la diminution globale de la ressource en eau devrait se confirmer si les modifications du climat annoncées, ajoutées aux diverses pressions anthropiques, sont avérées, ce qui semble d’ores et déjà se vérifier. Le partage de l’eau entre ses différents usages affecte directement les fluctuations temporelles des débits des fleuves et des rivières. Comprendre les tendances évolutives des débits des dernières décennies et prévoir par modélisation ce qui pourrait advenir dans un futur proche, afin de mettre en place des politiques de gestion pertinentes, font l’objet du chapitre 8.3.

6Si les eaux de surface sont pour partie directement liées au climat actuel, les eaux souterraines le sont moins directement. Le contexte du changement climatique et les modifications engendrées notamment sur les températures et les précipitations, induisent aussi des questionnements sur le devenir des ressources en eau souterraine, leurs disponibilités futures et leurs multiples utilisations ainsi que les futurs conflits d’usage potentiels. Si les aquifères profonds des grands bassins sédimentaires constituent une ressource potentielle considérable tout en étant quasiment insensible aux phénomènes anthropiques de surface, ils représentent aujourd’hui un véritable enjeu analysé dans le chapitre 8.4, dans le contexte d’un développement durable des ressources.

8.1 Qualité de l’air

7Coordination : Eric Villenave
Rédacteurs :
Emilie Perraudin, Eric Villenave
Contributeurs :
Gwenaël Abril, David Amouroux, Eric Lamaud, Denis Loustau

Climat et qualité de l’air sont intimement liés. Si certains composants atmosphériques ont un impact reconnu sur la santé humaine, d’autres, tels que les gaz à effet de serre, ont un impact direct sur le réchauffement climatique. Parfois, lan diminution des émissions de gaz à effet de serre ou de certains polluants ne va pas dans le sens d’une amélioration de la qualité de l’air. Il est important de rappeler qu’une difficulté majeure rencontrée dans la description des processus physico-chimiques impliqués dans la pollution de l’air est non seulement leur complexité mais leur caractère éminemment nonlinéaire. Ainsi, un des enjeux majeurs lors des prochaines décennies, en termes d’impact du changement climatique sur la qualité de l’air au niveau régional, sera la bonne appréhension du problème des polluants atmosphériques secondaires, tels que l’ozone ou les particules ultrafines, qui ne peuvent être réglementés directement à l’émission, et dont les impacts à la fois sanitaires et climatiques ne peuvent plus être traités de façon dissociée.

Introduction

8La Loi sur l’air de décembre 1996 définit le droit à chacun de respirer un air qui ne nuise pas à la santé et d’en connaître sa qualité. Ainsi, constitue une pollution atmosphérique au sens de la présente loi, l’introduction par l’homme, directement ou indirectement, dans l’atmosphère et les espaces clos, de substances ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre en danger la santé humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels et à provoquer des nuisances olfactives [1]. Au-delà du contenu de cette loi, la qualité de l’air fait partie depuis plusieurs années des préoccupations majeures de la société, au même titre par exemple que la qualité de l’eau ou les nuisances sonores.

9L’évolution de la qualité de l’air est en lien direct avec le développement économique de la population mondiale et son augmentation. S’il est déjà reconnu que l’accessibilité aux ressources comme l’eau, la nourriture ou l’énergie n’est pas distribuée équitablement, il est également attendu que les changements climatiques contribueront à détériorer cette situation dans un futur proche. En outre, les conséquences des changements climatiques ne seront pas les seules priorités auxquelles notre société devra faire face. Les changements progressifs mais rapides de la composition de l’air que nous respirons affecteront, en premier lieu, la santé humaine, mais également la production agricole, et par conséquent l’économie. Les enjeux de la qualité de l’air sont donc déjà multiples et il apparaît indispensable d’évaluer les conséquences des changements climatiques sur son évolution.

10L’objectif de ce chapitre est donc de résumer quels peuvent être les impacts du changement climatique sur la qualité de l’air avec un focus particulier sur la région Aquitaine.

Composition de l’atmosphère

11L’atmosphère n’est pas figée mais dynamique et contrairement aux autres compartiments environnementaux, celle-ci ne présente pas de « frontière » réelle dans ses basses couches ; aussi, elle ne peut être abordée, dans une première approche, que de façon globale avant toute focalisation sur ses spécificités régionales. L’ensemble des espèces composant l’atmosphère est en perpétuelle interaction et des substances chimiques y sont continuellement formées ou détruites ainsi qu’échangées avec les autres compartiments comme les océans et la biosphère (Figure 1). Ainsi, la composition atmosphérique n’est pas homogène, ni spatialement, ni temporellement, et varie, par exemple, selon l’altitude, la latitude, l’heure de la journée ou la saison et la spécificité ou le contexte géographique rencontré localement (ville, industrie, etc.).

Figure 1 : Représentation schématique des interactions entre les processus physico-chimiques se déroulant dans l’atmosphère, les cycles biogéochimiques et le système climatique terrestre (IPCC, 2007).

  • 1 Usuellement appelé gaz carbonique : d’origine naturelle ou résultant des processus de combustion.
  • 2 Constituant principal du gaz naturel.
  • 3 Issu principalement des processus de combustion incomplète (pauvres en oxygène).
  • 4 Issus principalement des processus de combustion.
  • 5 Composé issu principalement dans la basse atmosphère de processus photochimiques en lien avec l’act (...)
  • 6 Libéré dans l’atmosphère terrestre par les volcans et par de nombreux procédés industriels, ainsi q (...)
  • 7 Issu principalement des activités agricoles.
  • 8 Considéré comme le « nettoyeur » principal de l’atmosphère car très réactif.
  • 9 Composé à usage industriel (électronique, réfrigération).

12L’air contient essentiellement de l’azote, de l’oxygène, de l’eau, des gaz rares comme l’argon (Ar) et du dioxyde de carbone (CO2)1. Viennent ensuite d’autres constituants gazeux, présents à des teneurs beaucoup plus faibles, comme le méthane (CH4)2, le monoxyde de carbone (CO)3, les oxydes d’azote (NOx)4, l’ozone (O3)5, le dioxyde de soufre (SO2)6, l’ammoniac (NH3)7. Les durées de vie moyennes des composés atmosphériques sont très variables et s’étendent de la seconde pour les espèces radicalaires très instables (comme le radical hydroxyle (OH)8), à 8 ans pour le méthane, 120 ans pour CO2 ou plus de 50 000 ans pour une espèce aussi stable que CF49. Par ailleurs, l’atmosphère est aussi constituée d’aérosols qui sont des particules solides ou liquides plus ou moins finement dispersées en suspension dans l’air. Ces particules peuvent contenir des acides, des métaux, des composés organiques, de la suie, etc. Le temps de vie des particules dans l’atmosphère est de quelques jours en moyenne.

13Parmi les nombreux composés présents dans l’atmosphère, certains ont un impact reconnu sur la santé humaine (comme les composés organiques volatils (COV), le dioxyde de soufre, le monoxyde de carbone, etc.), alors que d’autres, tels que les gaz à effet de serre (H2O, CO2, CH4, N2O, etc.) (qui absorbent une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre) ont un impact direct sur le réchauffement climatique. Néanmoins, un composé associé aux problématiques de la qualité de l’air, peut aussi avoir un impact sur le climat : c’est par exemple le cas de l’ozone troposphérique. De même, les particules atmosphériques peuvent aussi avoir un impact sur la santé, notamment les plus fines, et le climat : celles qui contiennent une fraction importante de carbone élémentaire (ou « black carbon ») ont globalement un effet positif sur la température moyenne tandis que celles qui contiennent une fraction importante de sulfates contribuent plutôt à un refroidissement global. Ainsi, il apparaît de plus en plus clairement que les impacts climatique et sanitaire des polluants atmosphériques ne peuvent plus être traités de façon dissociée.

Sources des principaux constituants atmosphériques

14Les sources d’émission de composés gazeux ou de particules dans l’atmosphère peuvent être d’origines naturelles ou anthropiques. Les sources naturelles principales sont la végétation, les sols, les océans, les émissions biologiques aérobies et anaérobies pour les gaz et l’érosion des sols par le vent, les embruns marins, les éruptions volcaniques et les feux de forêt pour les particules. Les sources d’origine humaine sont, à la fois pour les composés gazeux et particulaires, principalement la combustion de la matière organique (bois, pétrole, gaz, charbon) que l’on retrouve dans les secteurs du transport routier, du chauffage résidentiel, des procédés industriels, du traitement des déchets, mais aussi les cimenteries, les papeteries, la fabrication/utilisation de solvants, etc.

15Les polluants peuvent être primaires lorsqu’ils sont directement issus de sources d’émission (comme les oxydes d’azote par exemple lors de combustions) ou secondaires quand ils sont formés dans l’atmosphère suite à des processus physico-chimiques plus ou moins complexes. C’est le cas de l’ozone troposphérique, qui n’est pas directement émis dans l’atmosphère mais formé par une série de réactions photochimiques impliquant les hydrocarbures, les oxydes d’azote et le rayonnement solaire.

Qualité de l’air et santé10

  • 10 cf. aussi le chapitre 9.

16Plusieurs polluants atmosphériques comme l’ozone ou les aérosols sont connus pour générer des affections respiratoires ou cardiovasculaires. Les symptômes sont souvent multipliés autour ou à l’intérieur des grandes villes, du fait de la forte concentration de polluants et de la proximité de leurs sources. Mais ces niveaux élevés de pollution peuvent aussi impacter les écosystèmes comme les forêts ou le rendement des cultures. Du fait de la propension à ce qu’une majorité de la population mondiale se réunisse au sein de mégapoles dans les prochaines décennies, la qualité de l’air devrait être grandement affectée, malgré les efforts déployés dans l’optimisation des développements technologiques comme par exemple pour rendre plus propres les procédés de combustion. Selon le temps de résidence dans l’atmosphère des polluants et leur transport dû à la circulation atmosphérique des masses d’air, les changements induits de la qualité de l’air peuvent s’étendre au-delà des milieux urbains et péri-urbains, à une échelle régionale, voire continentale ou globale. Les émissions locales de polluants primaires et la formation de polluants secondaires dans les panaches de pollution contribuent ainsi à l’augmentation des teneurs de fond des polluants atmosphériques.

17Les changements climatiques et la dégradation de la qualité de l’air peuvent simultanément affecter la santé, par exemple lors d’événements extrêmes comme les vagues de chaleur, dont la fréquence devrait augmenter dans le futur [2]. Ainsi, la canicule qui s’est étendue sur toute l’Europe de l’Ouest lors de l’été 2003 a entraîné une surmortalité d’environ 35 000 personnes [3]. Cette canicule a par ailleurs créé des conditions propices à une formation et à une accumulation importantes d’ozone. Même si la cause de la surmortalité observée est évidemment multifactorielle, cet épisode souligne qu’il devient, par conséquent, primordial d’évaluer les impacts des changements climatiques sur la qualité de l’air et, en particulier, lors d’événements extrêmes, de chaleur ou de précipitations.

18Or, il est essentiel, pour comprendre les conséquences de ces changements climatiques, de mieux appréhender la physico-chimie de l’atmosphère en lien avec la qualité de l’air. Il est important de rappeler qu’une difficulté majeure pour la description des processus physico-chimiques impliqués dans la qualité de l’air est liée à leur complexité et à leur caractère non-linéaire. Ainsi, une évaluation précise des impacts des changements climatiques sur la qualité de l’air nécessite une connaissance détaillée des processus physico-chimiques atmosphériques.

Quelle politique de gestion des émissions atmosphériques ?

Figure 2 : Synergies et compromis entre les politiques de gestion de la qualité de l’air et de lutte contre les changements climatiques (d’après Monks et coll. [5]).

19Bien que climat et qualité de l’air soient intimement liés et qu’il paraisse indispensable que les politiques de gestion des émissions anthropiques prennent en compte ces deux enjeux majeurs, il est extrêmement difficile de les traiter par une seule approche, simultanément.

20En effet, la diminution des émissions de gaz à effet de serre polluants ne va pas toujours dans le sens d’une amélioration qualité de l’air. Par exemple, les émissions de NOx, CO et CH4, en modifiant les concentrations oxydants, notamment celles OH, ont des impacts indirects par exemple sur l’oxydation de SO2 en sulfates et par conséquent sur la formation de particules secondaires, dont les effets sur la santé et le climat ont été évoqués précédemment [4]. Ceci est très bien illustré sur la Figure 2 où sont décrits les synergies et les compromis entre les politiques de gestion de la qualité de l’air et de lutte contre les changements climatiques [5]. Ainsi, résoudre les problèmes liés à la qualité de l’air n’a pas systématiquement un impact positif sur le réchauffement climatique, et inversement.

I- Interactions Climat – Qualité de l’air globale

  • 11 Couche atmosphérique comprise entre le sol et environ 15 km d’altitude. La stratosphère, où se situ (...)

21Dans la troposphère11, qui correspond à la couche atmosphérique dans laquelle nous vivons, les masses d’air se déplacent et se mélangent rapidement, selon la température, le vent, l’humidité, les nuages, etc. À des latitudes moyennes, le temps moyen de transport d’une masse d’air autour de la Terre est d’environ quelques semaines. Ce temps est beaucoup plus court que celui, de quelques décennies, associé aux changements climatiques. À cette échelle de temps, des polluants s’ils ont un temps de vie suffisant, comme l’ozone ou les aérosols, ont le temps de se répartir sur les deux hémisphères pour atteindre des zones éloignées des sources d’émission. Plus près des sources et pour des échelles de temps inférieures, la distribution des polluants est moins homogène : elle est influencée par le relief, les différentes émissions, la réactivité photochimique et le climat régional ou local. La qualité de l’air résulte alors des interactions entre la composition atmosphérique de fond, influencée par les émissions globales et les changements globaux, et les polluants d’origine régionale [6].

  • 12 Composés chimiques émis par des processus impliquant le vivant.

22En dépit de la littérature abondante sur la relation entre la qualité de l’air et le climat, la contribution respective des facteurs à l’origine des changements climatiques pouvant influencer la composition de l’atmosphère que sont les émissions de polluants (primaires ou secondaires) ou des paramètres météorologiques tels que la température, l’humidité relative, la couverture nuageuse et/ou particulaire, la circulation atmosphérique, etc., est relativement incertaine et dépendante de la localisation géographique [2]. Par exemple, l’augmentation prévue de température et de vapeur d’eau devrait entraîner une diminution de l’ozone troposphérique en régions tropicales et équatoriales, mais la récurrence d’épisodes de sécheresse dans nos latitudes moyennes devrait favoriser la photochimie et donc la formation d’ozone [7]. Les processus impliqués dans les changements climatiques vont également perturber de façon efficace les émissions naturelles de différents composés précurseurs. C’est le cas par exemple des oxydes d’azote formés lors des orages, ou relargués par la décomposition thermique du PAN (le peroxyacetylnitrate, qui agit comme espèce-réservoir pour les NOx), des émissions biogéniques12 de composés organiques volatils ou semi-volatils (COSV) ou du protoxyde d’azote (N2O), issu de l’activité microbienne dans les sols [8][9][10]. De la même façon, les émissions de méthane issues des terres inondées/humides et du pergélisol seront impactées même si l’effet est encore difficile à quantifier.

Émissions de gaz à effet de serre par le fleuve et les zones inondées
dans l’estuaire de la Gironde et le bassin d’Arcachon
Les émissions de gaz carbonique, de méthane et de protoxyde d’azote par l’estuaire de la Gironde et le bassin d’Arcachon ont fait l’objet de nombreuses études. L’estuaire de la Gironde émet en moyenne 0,7 million de tonnes de CO2 par an [11], que l’on peut comparer au 1,9 million de tonnes émis par l’agglomération bordelaise en 2005 [12]. Ces émissions estuariennes sont alimentées en majorité par du carbone érodé sur l’ensemble du bassin-versant de la Garonne et la Dordogne, mais aussi par des rejets d’eaux usées au niveau de Bordeaux. La lagune d’Arcachon au contraire, se comporterait de manière pratiquement neutre vis-à-vis du CO2, en grande partie grâce à la présence du plus grand herbier de zostères naines d’Europe qui fixe des quantités importantes de CO2 atmosphérique [13].
Les émissions de CH4 de la Gironde et du bassin d’Arcachon sont modestes, les conditions physico-chimiques de ces milieux (salinité, oxygène, turbidité…) limitant la production de ce biogaz et favorisant au contraire son oxydation [14][15].

23Un autre effet des changements climatiques sur la qualité de l’air est leur impact sur les retombées (dépôts) des polluants. Les dépôts secs, qui sont des puits majeurs pour des espèces comme l’ozone, peuvent en effet être perturbés par la modification de la turbulence dans les couches basses atmosphériques et leur impact sur les écosystèmes [16]. La façon dont va s’adapter la végétation face aux changements climatiques et à l’augmentation des niveaux de concentration en CO2 est très complexe et non linéaire, et dépendra non seulement de la disponibilité en eau [17] mais aussi de la concentration en ozone [18]. En effet, l’influence du stress hydrique, combinée aux dommages causés par de forts niveaux d’ozone sur la végétation, entraîne des modifications de la couverture végétale qui tendent à limiter le dépôt et augmenter l’érosion éolienne, entraînant une rétroaction positive sur la concentration en O3 mais aussi en aérosols [19].

24La concentration moyenne d’ozone de surface devrait augmenter d’ici la deuxième moitié du XXIe siècle de 5 à 10 ppb (partie par milliard) aux latitudes moyennes [20], comme le montre la Figure 3, du fait principalement de l’augmentation de l’irradiation solaire et de la température, et ce malgré l’augmentation de la concentration en vapeur d’eau (et la destruction associée de l’ozone). L’augmentation de la concentration d’ozone de fond pose un vrai problème car elle pourrait réduire l’efficacité des mesures locales de contrôle des émissions, rendant les objectifs de qualité de l’air encore plus difficiles à atteindre [21].

25Les émissions des COV et des COSV biogéniques devraient augmenter d’ici 50 ans du fait de l’effet de fertilisation du CO2 sur la végétation et de la hausse des températures. Indépendamment des effets inhérents aux composés eux-mêmes (isoprène, terpènes, sesquiterpènes, etc.), il est aujourd’hui bien connu que les composés biogéniques sont parmi les précurseurs les plus importants d’aérosols organiques secondaires [22]. Ces derniers résultent en effet de l’oxydation atmosphérique par l’ozone (et dans une moindre mesure par les radicaux nitrate (NO3) et hydroxyle) des terpènes émis par la végétation (arbres, arbustes et cultures).

Figure 3 : Différence estivale près de la surface entre la concentration moyenne journalière d’ozone simulée (en ppb) pour la période A2 (2071-2100) et pour l’époque actuelle (1961-1990) [20] (© 2007, Académie des Sciences, publié par Elsevier Masson SAS, tous droits réservés).

  • 13 Quantité d’énergie reçue par le système climatique Terre-atmosphère et quantité d’énergie réémise v (...)
  • 14 Fraction du rayonnement solaire réfléchi par une surface (comme celle de la Terre).

26La formation supplémentaire d’aérosols or-ganiques due au changement climatique va avoir elle-même une répercussion immédiate (rétroaction) sur la cause de leur origine. Si cet effet n’est pas encore bien évalué [2], on sait cependant que deux types d’effets (direct et indirect) dus aux aérosols affectent de façon significative le bilan radiatif terrestre13 (Figure 4). La présence de particules supplémentaires dans l’atmosphère va donc entraîner une diminution du flux incident qui arrive sur la surface de la Terre (tel un parasol) et donc globalement, un refroidissement. Les effets indirects résultent des interactions entre les nuages et les aérosols : lors de la formation des nuages, les aérosols peuvent servir de noyaux de condensation. Ainsi, pour un contenu en eau fixé, un nuage issu d’une masse d’air pollué contiendra plus de gouttelettes qu’un nuage « classique ». Un tel nuage sera alors plus réfléchissant que celui issu d’une masse d’air sans ces aérosols, modifiant ainsi l’albédo14 planétaire et diminuant donc le flux lumineux arrivant à la surface terrestre. De plus, le nombre de gouttelettes et leur taille ne pourront pas permettre au nuage d’atteindre rapidement la taille critique au-delà de laquelle il y a précipitation (pluies, etc.). Ainsi, l’augmentation de la durée de vie du nuage entraînera une hausse de la couverture nuageuse sur Terre, ce qui aura, selon l’altitude du nuage, un effet refroidissant ou réchauffant. Les modèles concluent aujourd’hui qu’une nette réduction des émissions/générations d’aérosols aggraverait le réchauffement climatique [23]. Or, bien qu’étant la cible d’un effort de recherche important de la part de la communauté scientifique, les aérosols organiques secondaires sont encore mal caractérisés, non seulement pour leurs impacts climatiques direct et indirect, mais aussi pour leurs sources et quantités formées dans l’atmosphère (voir ci-après).

  • 15 Qui change le génome (en général l’ADN) d’un organisme.
  • 16 Qui provoque le développement de cellules anormales au cours de la croissance fœtale.

27Les changements climatiques peuvent aussi influer sur les émissions anthropiques, même si cet effet est lui aussi encore difficile à quantifier. Les émissions supplémentaires de COV par évaporation (transport routier, remplissage de réservoirs) vont augmenter avec la température jusqu’à 30 % d’ici la fin du XXIe [24]. Or, la majeure partie de ces COV est des hydrocarbures dont certains comme les composés monoaromatiques (BTEX ou benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes) présentent des activités cancérigènes, mutagènes15 ou teratogènes16. Les émissions de particules primaires (poussières) issues de l’érosion des sols seront favorisées par les épisodes de sécheresse. La demande de production énergétique suivra un cheminement moins saisonnier : dans les latitudes moyennes, les hivers moins rigoureux devraient limiter l’utilisation de chauffage, mais les étés plus chauds devraient augmenter les besoins en climatisation.

28La composition atmosphérique globale évoluera aussi indépendamment des changements climatiques, du fait de l’augmentation de certaines émissions primaires, dues au développement économique et à l’augmentation de la population dans plusieurs pays en voie de développement. Ceci a déjà été démontré par l’augmentation des émissions en CO2 [25], mais il reste bien sûr une large incertitude quant à l’amplitude de cette variation [2]. Néanmoins, l’ensemble des scénarios tend vers une détérioration de la qualité de l’air, particulièrement illustrée par les évolutions dans les prochaines décennies des concentrations d’ozone et d’aérosols atmosphériques. Et comme l’ozone (qui est aussi un gaz à effet de serre) et les aérosols ont un effet sur le bilan radiatif terrestre [2], ces évolutions auront à leur tour un impact sur les changements climatiques démontrant ainsi, de nouveau, que le climat et la qualité de l’air ne peuvent être envisagés de façon séparée.

  • a Variation de l’éclairement énergétique net due à une modification externe du rayonnement solaire ou (...)

Figure 4 : Forçage radiatifa moyen à l’échelle globale, ainsi que l’étendue géographique et le niveau de compréhension scientifique [2].

II- Qualité de l’air et climat à l’échelle régionale

29Dans la problématique des changements climatiques en lien avec la qualité de l’air, il y a aujourd’hui un intérêt de plus en plus grand à se focaliser sur l’échelle régionale, en raison de la différence des conditions atmosphériques, de la composition et de l’évolution des masses d’air, entre par exemple les latitudes moyennes, les régions tropicales ou les régions polaires. La qualité de l’air en milieu urbain et péri-urbain (problématique exacerbée dans les mégapoles) focalise particulièrement l’attention depuis une quinzaine d’années maintenant. En Europe, les agences de surveillance de la qualité de l’air mesurent les principaux polluants réglementés. En France, cette mission est assurée par le réseau national ATMO, chargé entre autre de mesurer les concentrations en ozone, oxydes d’azote, particules PM10 (matière particulaire dont le diamètre aérodynamique est inférieur à 10 µm) et dioxyde de soufre. Si cette approche est indispensable, dans le sens où elle permet d’alerter la population du dépassement des seuils sensibles de concentrations en polluants atmosphériques, elle est aussi limitée par le peu d’espèces régulièrement suivies, le choix de ces espèces et parfois par les méthodologies utilisées pour les mesurer.

30Dans beaucoup de régions européennes ou américaines, si les émissions de polluants ont globalement largement diminué, ce n’est pas toujours le cas par exemple des polluants secondaires comme l’ozone ou les aérosols organiques secondaires (AOS) dont la présence est toujours mal prise en compte. Il est particulièrement difficile de prendre en compte l’effet des changements climatiques sur l’évolution de la qualité de l’air à l’échelle régionale lorsque l’on se focalise sur les aérosols atmosphériques. Peu d’études sont encore proposées aujourd’hui. Cela est notamment dû à la complexité de l’objet à considérer dans les approches de modélisation, les aérosols n’ayant ni les mêmes sources, ni la même taille (diamètre aérodynamique) ou la même composition chimique. Une étude récente de Kleeman [26] a par exemple montré qu’une hausse de la température peut réduire les concentrations en particules fines du fait de la plus grande volatilisation du nitrate d’ammonium qui est un de leurs composants majeurs. Mais cette hausse peut aussi dans l’autre sens entraîner une augmentation de leur concentration du fait de l’augmentation des concentrations en sulfates dues à la chaleur [26].

Figure 5 : Carte de la concentration d’ozone (en µg.m-3) en Aquitaine suite à la canicule de l’été 2003 (AIRAQ).

31Si, en Europe du Nord, le climat devrait au-delà de 2030 être plus humide [27], ce qui est favorable à l’amélioration de la qualité de l’air, ce n’est pas le cas de l’Europe du Sud qui devrait présenter un climat beaucoup plus sec qu’aujourd’hui. La multiplication des événements extrêmes devrait favoriser la présence de plus en plus courante de grandes vagues de chaleur dont celle de l’été 2003 peut servir de modèle pour comprendre et mieux modéliser l’effet d’épisodes de sécheresse sur la composition atmosphérique (Figure 5 ; [28]). D’autres événements extrêmes devraient affecter la qualité de l’air, comme par exemple l’augmentation des risques de feux de forêt. Ces derniers devraient amener notamment à une augmentation des émissions de particules de suies et de monoxyde de carbone dans l’atmosphère. Une étude réalisée en Californie en 2006 montre par exemple qu’une hausse de 12 à 53 % de l’occurrence de grands incendies de forêt est envisageable d’ici la fin du siècle [29].

Cas de l’Aquitaine

32Pour aller plus loin dans la compréhension de l’impact des changements climatiques sur la qualité de l’air régional, il est nécessaire malgré l’évaluation des variations globales des principaux polluants atmosphériques détaillée précédemment, d’étudier plus particulièrement les spécificités de l’Aquitaine en termes d’émission de polluants. Il n’existe aujourd’hui que peu de travaux publiés dans la littérature scientifique, sur l’évolution de la qualité de l’air en Aquitaine, hormis ceux concernant les émissions de gaz à effet de serre d’origine naturelle (et qui font l’objet ici d’autres chapitres dont ceux sur l’agriculture ou la forêt).

33Les inventaires d’émissions atmosphériques en Aquitaine ont été coordonnés par AIRAQ qui est le réseau de surveillance de la qualité de l’air en Aquitaine. Ces données sont nécessaires pour permettre une meilleure modélisation de la qualité de l’air régionale et les plus récentes actuellement disponibles ne sont que pour l’année de référence 2006 [30].

34Les sources fixes comprennent principalement les industries, les activités et surfaces agricoles, le secteur résidentiel et le secteur tertiaire. Les sources mobiles sont essentiellement le transport (routier, ferroviaire, aérien, fluvial et maritime).

35En Aquitaine, les substances les plus particulièrement prises en compte sont :

  • Les substances relatives à l’acidification, l’eutrophisation et à la pollution photochimique : dioxyde de soufre, oxydes d’azote, monoxyde de carbone, ammoniac et composés organiques volatils non méthaniques (COVNM).

  • Les substances relatives à l’accroissement de l’effet de serre : le dioxyde de carbone, le méthane et le protoxyde d’azote. Les métaux lourds : arsenic, cadmium, chrome, cuivre, mercure, nickel, plomb, sélénium, zinc. Les particules en suspension : poussières, PM 10 et PM 2, 5.

  • Le benzène, les dioxines, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP).

36Rappelons que l’ozone n’apparaît pas dans cette liste, du fait qu’il ne présente pas de sources d’émission directe (primaire).

Le bilan des émissions atmosphériques en Aquitaine est présenté dans le Tableau 1 ci-dessous :

Tableau 1 : Bilan des émissions en Aquitaine en 2010 (en tonnes/an ; version revue en 2012) (AIRAQ [30]).

Écotoxicité des polluants atmosphériques et changement climatique
Afin d’améliorer les projections climatiques régionales, il est nécessaire de se focaliser sur les sources des différents polluants, qu’ils soient primaires ou secondaires. La prise en compte de grandes familles de polluants comme les polluants organiques persistants ou les métaux lourds, dont la présence dans l’atmosphère est intimement liée à la matière particulaire, doit aussi être mieux considérée dans les modèles [31]. Par exemple, dans le contexte de l’accroissement du trafic routier transfrontalier entre la France et l’Espagne, les dépôts secs azotés et en métaux lourds, transportés par les particules atmosphériques ont été suivis à proximité d’axes routiers comme dans la Vallée d’Aspe et le Tunnel du Somport pendant plusieurs années dans le but de connaître leurs sources et d’évaluer l’impact du transport routier sur les écosystèmes [32][33]. Une autre étude liée à l’impact de la pression anthropique croissante sur le littoral aquitain, conduite actuellement dans le cadre du projet régional OSQUAR, étudie les concentrations en hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) gazeux et particulaires afin de mieux évaluer les apports atmosphériques à la pollution globale du bassin d’Arcachon [34].

37Un exemple de cartographie des émissions de particules en suspension (PM 10) par communes en Aquitaine en kg/km2 est proposé sur la Figure 6. Comme on peut le voir, les particules se répartissent essentiellement au niveau des grandes agglomérations, laissant entrevoir l’importance des secteurs résidentiels, du transport routier mais aussi des secteurs industriels et agricoles.

38Si on étudie attentivement la répartition des différents polluants atmosphériques sur l’ensemble du territoire aquitain [30], on conclut que le dioxyde de soufre est essentiellement émis dans les Pyrénées-Atlantiques (secteur industriel de Lacq), que les oxydes d’azote et le monoxyde de carbone sont principalement émis en Gironde (avec comme source majoritaire le transport routier), que l’ammoniac est principalement émis dans les Pyrénées Atlantiques et le Lot-et-Garonne (source agricole quasi exclusive), tandis que les émissions des COVNM sont relativement réparties sur l’ensemble de la Région.

39Si les sources de gaz à effet de serre restent essentiellement agricoles pour le méthane et le protoxyde d’azote, elles sont clairement identifiées comme liées au transport routier, au chauffage et à l’industrie dans le cas du dioxyde de carbone.

Figure 6 : Cartographie des émissions de particules en suspension (PM 10) en Aquitaine en 2010, par communes en kg/km2 (AIRAQ [30]).

40Devant le peu de travaux ayant modélisé de façon spécifique à l’Aquitaine les concentrations en polluants atmosphériques, il est intéressant de regarder les tendances des variations des espèces réglementées, mesurées sur les dix dernières années [35].

41La concentration en ozone de fond a par exemple augmenté en Aquitaine de 5 % entre 2001 et 2010. Cette augmentation est à rapprocher de la baisse globale de 15 % observée pour les stations installées en zone rurale (au Temple et à Iraty). Il est à noter que la norme relative à la protection des végétaux en ce qui concerne les niveaux d’ozone (AOT 40) n’a été respectée pour aucune des stations concernées en Aquitaine en 2010. Comme expliqué précédemment, l’augmentation attendue d’ici la fin du siècle des niveaux d’ozone de fond de 5 à 15 ppb du fait de la hausse des températures et de l’irradiation solaire aura des conséquences importantes à la fois sur la santé mais aussi sur les écosystèmes. Même si les émissions de dioxyde d’azote et de composés organiques volatils qui sont à l’origine de la formation de O3 sont limitées, la législation ne permettra pas une diminution des concentrations d’ozone du fait de la non-linéarité de sa réponse aux variations en concentration de ses précurseurs.

42La diminution observée depuis dix ans des concentrations massiques en particules de type PM10 en Aquitaine est de-10 à-30 % selon le type de stations de mesure (respectivement de fond ou de proximité). Si ce chiffre est très encourageant, et correspond à une amélioration des procédés de combustion et des méthodologies de traitement des effluents atmosphériques, il ne doit pas masquer le fait que la masse des particules atmosphériques, dont le suivi est jusqu’ici préconisé par les référentiels de mesure, n’est pas le paramètre le plus pertinent pour juger de leur impact, par rapport au suivi de leur distribution en taille. En effet, les particules ultrafines, de diamètres inférieurs à 100 nm, ont un impact direct très important sur la santé en pouvant pénétrer dans le système respiratoire jusqu’aux alvéoles pulmonaires, alors que leur masse est négligeable par rapport à celles de particules plus grossières (micrométriques), issus par exemple de l’érosion des sols ou de certaines catégories d’industries. De plus, comme cité plus haut, les mécanismes de rétroaction entre les changements climatiques et les aérosols sont particulièrement actifs, même s’ils vont plutôt dans le sens d’un refroidissement global du climat.

  • 17 Composés chimiques de la famille des terpènes, produits en particulier par des conifères.

La forêt source d’ozone et de particules ultrafines ?
Une des particularités de l’Aquitaine est sa forêt de pins maritimes. Les premiers travaux de recherche menés régionalement [36][37][38] ont permis d’identifier les composés organiques biogéniques générés par la forêt des Landes et de mesurer leurs concentrations. Il a été observé que celles-ci variaient selon un cycle journalier, allant de 0,5 ppbV (partie par milliard en volume) le jour à 2-4 ppbV la nuit pour l’α-et le β-pinène17. Ceci est principalement dû à la forte réactivité de ces composés qui vont réagir le jour avec les principaux oxydants atmosphériques (dont le radical hydroxyle) pour notamment former secondairement de l’ozone [39]. Ensuite, leur réaction avec l’ozone formé entraîne la formation d’aérosols organiques secondaires dont on sait aujourd’hui l’importance dans le bilan particulaire global [22]. D’un autre côté, la forêt est le siège d’un flux de dépôt d’ozone à la fois sur sa surface mouillée par les pluies et à travers les stomates des aiguilles [16]. Face aux changements climatiques, il faudra surveiller les émissions de terpènes, dont on sait qu’elles sont largement corrélées avec la température et l’intensité lumineuse [38].
Des recherches sont aujourd’hui conduites en Aquitaine pour mieux évaluer la formation des aérosols secondaires à partir des composés biogéniques, afin notamment de mieux appréhender la contribution des émissions d’origine naturelle au bilan particulaire global.

43Les concentrations en dioxyde d’azote dans l’atmosphère enregistrent une nette diminution globale (Figure 7) même si cellesci se maintiennent à un niveau constant pour les stations mesurant la pollution automobile. Ces variations sont essentiellement dues à l’amélioration des procédés de combustion (industrie), à l’optimisation des systèmes de chauffage et à la baisse de la consommation des véhicules malgré l’augmentation du trafic. Notons que si l’épisode de la canicule de 2003 est envisagé comme modèle simplifié de d’azote en Aquitaine entre 2001 et 2010 (AIRAQ). climat futur (à émissions constantes), il n’a pas été mesuré de hausses notables de concentrations en NOx cette période sur l’Aquitaine [40], ce qui est plutôt positif au niveau sanitaire.

Figure 7 : Évolutions en pourcentage des concentrations en dioxyde

44La complexité des liens entre les changements climatiques et la qualité de l’air peut particulièrement s’illustrer dans le cas du dioxyde de soufre. Si les émissions de soufre sont en baisse constante (de -50 à -60 % en 10 ans sur l’Aquitaine) grâce à la mise en place de législation ayant imposé une baisse des émissions industrielles (à cause notamment du rôle joué par SO 2 dans la formation des pluies acides) mais aussi la désulfurisation des produits pétroliers, cette diminution couplée à l’augmentation de la température et à la baisse de l’humidité relative entraîne une diminution de la couverture nuageuse due au smog (= smoke + fog) au-dessus des villes européennes, favorisant l’augmentation de la pénétration du rayonnement solaire au-dessus du tissu urbain. Néanmoins, tout n’est pas si simple et des travaux ont montré par exemple que la modélisation des impacts d’une hausse de température sur le cycle de vie des acides dans l’atmosphère prévoit une production supplémentaire de sulfates d’un facteur 2,5 par tranche d’augmentation (locale) de 10 °C [41]. Mais pour conclure, la diminution progressive des activités de Lacq en lien avec les émissions de soufre a un impact beaucoup plus important que ne l’auront les changements climatiques sur sa concentration.

45En France, dans le cadre de la Loi Grenelle II, les schémas régionaux Climat Air Énergie (SRCAE [42]) imposent de mettre en place la cartographie des zones sensibles en termes de dépassement des valeurs réglementaires en polluants atmosphériques, de façon à notamment anticiper au mieux l’impact des changements climatiques sur la qualité de l’air. En Aquitaine, ce travail effectué par AIRAQ [43] a mis en évidence l’importance du couloir routier Nord-Sud (vers l’Espagne) et dans une moindre mesure l’axe Bordeaux-Toulouse, qui se traduisent par des surémissions d’oxydes d’azote dus au transport routier [32]. En recoupant ces trajets avec la carte des zones protégées en Aquitaine (protection de biotope, réserve naturelle, parc national), ce travail a abouti à définir la cartographie des communes dites sensibles, où la qualité de l’air sera jugée prioritaire dans les prochaines années (Figure 8).

Figure 8 : Cartographie des communes dites sensibles à la pollution atmosphérique en Aquitaine [43].

46Malgré tout l’intérêt de cette démarche de zonage, celle-ci est néanmoins limitée par la nonprise en compte de l’ozone dont les émissions ne peuvent être réglementées directement, mais dont la concentration sera un des enjeux majeurs, avec celle des particules fines, en termes d’impact du changement climatique sur la qualité de l’air au niveau régional.

Conclusion

47Jusqu’à maintenant, la majorité des études sur l’atmosphère s’est plutôt intéressée à l’impact de la qualité de l’air sur le changement climatique, du fait notamment du rôle des gaz à effet de serre ou encore plus récemment de celui de la matière particulaire en suspension. Les différents processus décrivant leurs actions sont extrêmement complexes car souvent imbriqués, entraînant certaines rétroactions qu’on ne pourra limiter par la seule diminution des émissions atmosphériques. Une meilleure compréhension de l’impact du changement climatique sur la qualité de l’air au niveau régional passera notamment par une bonne maîtrise de la connaissance des processus physico-chimiques formant les polluants atmosphériques secondaires, tels que l’ozone ou les aérosols organiques secondaires, dont les impacts sur le climat et la santé ne peuvent être envisagés de façon dissociée.

8.2 Qualité de l’eau

48Coordination : Hélène Budzinski
Rédacteurs :
Magalie Baudrimont, Gérard Blanc, Hélène Budzinski, Nicolas Mazzella, Patrick Mazellier, Soizic Morin, Jörg Schäfer
Contributeurs :
Alexandra Coynel, Marie-Hélène Devier, Patrice Gonzalez, Jean-Pierre Rebillard

Climat et qualité de l’eau sont liés. Si l’impact du climat sur la qualité de l’air a été depuis longtemps étudié et documenté, celui sur l’eau n’est étudié que depuis peu. Ce chapitre fait le point sur les connaissances encore incomplètes concernant cet impact sur la qualité de l’eau via différents paramètres des plus simples comme les paramètres physico-chimiques (pH, salinité) aux plus complexes comme l’apport et la présence des micro-polluants organiques et inorganiques. S’il est communément admis que le changement climatique ira dans le sens d’une diminution de la qualité des eaux (et ce pour l’ensemble des paramètres), il est encore impossible de rationaliser les choses d’un point de vue général. Les études apparaissent essentiellement mono-factorielles et manquent d’un positionnement dans un contexte global. Ainsi, un des enjeux majeurs lors des prochaines décennies, en termes d’étude et de prédiction d’impact du changement climatique sur la qualité de l’eau au niveau régional, sera la bonne appréhension du problème des pollutions aquatiques en lien avec les usages, occupations des sols, et modes de consommation au-delà de l’aspect climatique seul.

Introduction

49L’eau, élément indispensable à la vie (elle est en effet indispensable à la vie humaine et à de très nombreuses espèces comme source d’eau potable et sous-tend également la vie de très nombreuses espèces en tant que milieu de vie) recouvre plus de 70 % de notre planète. Malgré tout, seul un très faible pourcentage de cette eau est directement disponible pour notre consommation. Ainsi l’eau douce représente seulement 2,6 % de l’ensemble de la ressource, dont 1,6 % est actuellement sous forme de glace. À l’heure actuelle la planète compte environ 6 milliards d’habitants à se partager cette ressource en eau ; vraisemblablement nous serons 8 milliards à l’horizon de 2025. La quantité d’eau douce renouvelable et disponible par habitant qui était de 17 000 m3 en 1950 ne sera plus que de 5 100 m3 en 2025 ([1] ; Figure 1) par une simple règle de trois sans compter d’autres facteurs concomitants dont le changement climatique et global (diminution potentielle de cette ressource).

50L’eau est et deviendra de plus en plus une ressource rare à protéger. La préservation de la qualité de l’eau est donc un enjeu majeur tant pour l’environnement que pour l’Homme. Dans cette optique il est important de comprendre les facteurs qui peuvent l’altérer.

Figure 1 : Évolution de la quantité d’eau douce en fonction du nombre d’habitants à l’échelle de 2025 [1].

51Au cours des temps, les usages de l’eau se sont peu à peu diversifiés et intensifiés passant d’un simple usage alimentaire (eau de boisson), à un usage agricole (irrigation), puis industriel, domestique et enfin récréatif. Cette utilisation croissante de la ressource en eau a entraîné peu à peu sa pollution selon un double phénomène : utilisation de la ressource elle-même et rejets directs ou indirects du fait de l’anthropisation croissante. En effet les activités humaines se sont souvent installées à proximité de l’eau, comme en témoigne par exemple actuellement la localisation géographique de nombreuses grandes capitales mondiales. De plus, au-delà des rejets directs de nombreux polluants, les transports atmosphériques et les phénomènes de ruissellement participent à l’apport des contaminants chimiques dans les milieux aquatiques. Les écosystèmes aquatiques sont directement impactés, notamment les écosystèmes côtiers qui, à l’interface entre le bassin-versant et la mer, sont le réceptacle de toutes les formes de pollution générées par les activités continentales. Les zones côtières sont des milieux d’interface affectés par de nombreux apports continentaux notamment en contaminants chimiques [2] [3][4][5][6][7][8]. L’importance de la pollution des zones côtières et estuariennes est avérée [9] et son implication dans la dégradation de ces biotopes sensibles prouvée [10]. Cette altération peut rendre l’utilisation de l’eau dangereuse pour la santé et/ou perturber l’équilibre des écosystèmes aquatiques. Ces risques sanitaires et environnementaux ont conduit à une prise de conscience sociétale sur l’importance de la préservation de la qualité de l’eau.

52L’évolution de la qualité de l’eau est donc en lien direct avec le développement économique de la population mondiale et son augmentation. S’il est déjà reconnu que l’accessibilité aux ressources comme l’eau, la nourriture ou l’énergie n’est pas distribuée équitablement, il est également prévisible que les changements climatiques contribueront à détériorer cette situation et ce dans un futur proche. Les changements de la qualité des eaux affecteront, en premier lieu, la santé humaine, mais également la santé des écosystèmes et par là même la production agricole, la pêche, l’aquaculture, et par conséquent l’économie. Les enjeux liés à la qualité de l’eau sont donc déjà multiples et il apparaît indispensable d’évaluer les conséquences des changements climatiques sur son évolution (ou de faire le point de l’état des connaissances).

53Un premier constat peut être fait : en comparaison aux études et à la compréhension des impacts du changement climatique sur la disponibilité de l’eau et sur les risques hydrologiques, les conséquences de ceux-ci sur la qualité de l’eau sont très peu documentées et étudiées [11][12]. Les inondations et les sécheresses apparaissent comme des moteurs majeurs quant à la disponibilité de l’eau. Néanmoins à côté de ces impacts majeurs et quantitatifs, la qualité des eaux (de surface et souterraines) peut être affectée par les changements climatiques. Une sécheresse par exemple peut par le simple fait d’un phénomène d’étiage et de basses eaux concentrer les polluants chimiques et amener à un arrêt de son utilisation en tant qu’eau potable. De la même façon suite à une inondation et à un phénomène de crue violent, l’alimentation en eau potable peut être suspendue du fait de l’arrivée massive de polluants dans l’eau suite à un lessivage intense des sols du bassin-versant ou suite à une saturation des usines de traitement des eaux usées.

I- Réglementation en lien avec la qualité des eaux

  • 18 Rejets industriels, domestiques… plus ou moins traités vers le milieu aquatique.

54La qualité des eaux de surface et des nappes souterraines a généralement diminué au cours des dernières décennies, principalement en raison de l’augmentation des activités agricoles et industrielles [13]. Pour résoudre ce problème, de nombreux pays (par exemple, des pays de l’Union européenne et le Canada) ont établi des normes ou renforcé les normes existantes en matière d’effluents18 et ont remis en état des stations de traitement des eaux usées [14].

55La production mondiale de substances chimiques est passée d’un million de tonnes en 1930 à 400 millions aujourd’hui [15]. Le nombre de substances chimiques pouvant impacter la ressource en eau augmente donc tous les jours. Dans ces conditions, la notion de pollution chimique d’une eau (ou Chapitre 8 : L’air et l’eau à l’inverse sa bonne qualité chimique) est délicate à définir. Par exemple, une même masse d’eau peut être considérée comme non polluée sur un paramètre tel que la teneur en nitrates et comme polluée par les métaux lourds. Il a donc fallu définir des critères d’évaluation, des paramètres précis à prendre en compte, ainsi que des moyens de quantification de ces paramètres pour qualifier la pollution chimique de l’eau.

56Dans la deuxième moitié du XXe siècle, les préoccupations environnementales et les premiers questionnements réels sur la qualité chimique de l’eau ont conduit à l’élaboration de la première loi sur l’eau (loi du 16 décembre 1964). Cette loi a organisé la gestion décentralisée de l’eau par bassin-versant et a créé les agences de l’eau et les comités de bassin. Depuis les années 1970, la politique publique de l’eau s’inscrit dans un cadre européen. La législation communautaire s’est d’abord intéressée aux usages de l’eau, puis à la réduction des pollutions et comprend environ une trentaine de directives sur l’eau. Au niveau français la deuxième loi sur l’eau du 3 janvier 1992 consacre l’eau en tant que « patrimoine commun de la nation » et renforce ainsi l’impératif de protection de la qualité et de la quantité des ressources en eau. Elle a également mis en place de nouveaux outils de la gestion des eaux par bassin : les SDAGE (schémas directeurs d’aménagement et de gestion des eaux) et les SAGE (schémas d’aménagement et de gestion des eaux). Afin d’harmoniser la politique de protection des ressources et des milieux aquatiques, l’Europe a adopté le 23 octobre 2000 la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) (Directive 2000/60/CE) établissant une politique communautaire dans le domaine de l’eau. Cette directive-cadre, traduite en droit français par la loi du 21 avril 2004, fixe l’objectif de « bon état » pour toutes les masses d’eau (cours d’eau, lacs, eaux côtières, eaux de transition, eaux souterraines) qui doit être atteint par les États membres à l’horizon 2015. Pour les eaux de surface, les critères de bon état reposent sur des paramètres biologiques (état écologique) et chimiques (état chimique lié à la conformité à des normes de qualité environnementale NQE fixées à l’échelle de l’union européenne), alors que pour les eaux souterraines, le bon état se réfère aux aspects quantitatifs (équilibre entre recharge et captage) et chimiques (conformité à des normes de qualité établies au niveau de l’UE, ou par les États membres à l’échelle locale, régionale ou nationale). Une masse d’eau de surface est en bon état, au sens de cette directive, dès lors qu’elle est à la fois en bon état écologique et en bon état chimique. La DCE établit une liste de 33 substances prioritaires à rechercher dans les masses d’eaux, parmi lesquelles des métaux comme le cadmium ou le nickel, des pesticides comme le diuron ou l’isoproturon, ou des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) comme le naphtalène ou le benzo(a)pyrène.

57Pour l’évaluation de l’état chimique, la Directive fille de la DCE (Directive 2008/105/EC) définit des normes de qualité environnementale (NQE) à ne pas dépasser pour les 33 substances prioritaires ainsi que pour 8 autres polluants. Les masses d’eau sont classées soit en « bon état chimique » si les concentrations de ces 41 substances sont inférieures à leurs NQE respectives, soit en « mauvais état chimique » si au moins une substance analysée dépasse la NQE. La liste de substances prioritaires et leurs NQE associées doivent être revues tous les 4 ans. Une nouvelle proposition de directive a été publiée récemment [16] dans laquelle les NQE de certaines substances ont été revues et de nouvelles substances prioritaires ont été ajoutées. Pour la première fois, trois substances issues de médicaments entreraient dans cette liste : 17-α-éthinylœstradiol (EE2), 17-β-œstradiol (E2) et diclofénac. Les autres molécules sont soit des dérivés de combustion (dioxines et composés de type dioxine), soit des substances issues de produits phytopharmaceutiques (aclonifène, bifénox, cyperméthrine, dicofol, heptachlore, quinoxyfène), de produits biocides (cybutryne, dichlorvos, terbutryne), ou de produits chimiques industriels (acide perfluorooctanesulfonique [PFOS], hexabromocyclododécane [HBCDD]). Six de ces quinze nouvelles substances entrent directement dans la catégorie « substances dangereuses prioritaires », qui implique la suppression progressive de leur déversement dans l’eau dans un délai de vingt ans : dicofol, PFOS, quinoxyfène, dioxines et composés de type dioxine, HBCDD, heptachlore.

58Cependant, il ne faut pas oublier qu’à côté de ces polluants dits « prioritaires » ou « spécifiques », il reste le cortège de toutes les substances chimiques utilisées par l’homme ; 100 000 substances sont recensées sur le marché communautaire dont 30 000 sont soumises à enregistrement selon la réglementation REACH (Registration, Évaluation, Authorisation and Restriction of CHemical substances). Ces substances chimiques à l’heure actuelle non considérées dans les listes de polluants prioritaires peuvent potentiellement devenir les nouveaux polluants de demain ; ainsi des molécules comme les substances pharmaceutiques ou les produits de soin corporels qui ont été synthétisées pour soigner sont aujourd’hui retrouvées dans les écosystèmes aquatiques où elles sont considérées comme des polluants « émergents ».

II- Sources de pollutions des eaux

59Les polluants chimiques qu’ils soient considérés comme prioritaires ou émergents peuvent être introduits dans l’eau tout au long du grand cycle de l’eau (Figure 2).

Figure 2 : Cycle de l’eau (http://www.services.eaufrance.fr/​services/​grand-cycle-l-eau).

60Ils ont des sources communes, ponctuelles ou bien diffuses, qui peuvent être regroupées en quatre grandes familles :

Origine naturelle

61Certaines substances chimiques sont présentes naturellement dans notre environnement ou peuvent être émises lors de phénomènes naturels. Des composés comme les métaux par exemple sont des éléments constitutifs de l’écorce terrestre et peuvent être introduits dans les masses d’eau par des mécanismes d’érosion ou de dégradation des sols. De la même façon, des molécules comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) peuvent être notamment produites lors d’incendies de forêts ou d’éruptions volcaniques.

Origine industrielle

62Les activités industrielles rejettent de façon directe ou indirecte des substances chimiques dans l’environnement via les rejets dans l’atmosphère, les stations d’épuration ou des infiltrations par exemple. En fonction de l’activité industrielle considérée les polluants émis vont bien sur être différents. Sur le plan national les rejets industriels via les stations d’épuration ont été évalués dans le cadre du RSDE (Recherche des Substances Dangereuses dans l’Eau), ce qui permet d’avoir une idée de la typologie des polluants rejetés. Parmi les polluants recherchés on retrouve par exemple des métaux indestructibles comme le chrome, le zinc, le cuivre et des substances synthétiques comme le DEHP (Phtalate : Di(2-éthylhexyl) phtalate), les BTEX (Benzène, Toluène, Éthylbenzènes, Xylènes) ou le dichlorométhane, ou encore des produits formés lors des processus mis en œuvre comme les HAP (formés lors des phénomènes de combustion incomplète).

Origine agricole

63Les activités agricoles utilisent des substances chimiques pour le traitement des sols, des cultures ou pour le traitement des animaux. Les polluants classiquement associés à l’activité agricole sont les nitrates, les pesticides et les substances vétérinaires pour le traitement des animaux, les antibiotiques par exemple. Plusieurs métaux, dont le cuivre majoritairement, entrent dans la composition des produits épandus plusieurs fois par an sur les surfaces agricoles (e.g. Cuivre - Bouillie Bordelaise ; Argent comme agent anti-grêle).

Origine urbaine et domestique

64La pollution d’origine domestique englobe toutes les substances que nous pouvons émettre ou utiliser au quotidien et qui finissent dans les écosystèmes aquatiques en tant que polluants. Cela va des rejets d’hydrocarbures et de métaux lors des déplacements en voitures, en passant par les produits de nettoyage utilisés dans les maisons ou les pesticides et engrais utilisés dans les jardins jusqu’aux médicaments utilisés pour soigner et les métaux provenant des toitures/canalisations en contact avec les eaux pluviales.

65Néanmoins, il ne faut pas perdre de vue qu’un polluant ne provient pas nécessairement d’une seule source ; de très nombreux polluants pouvant avoir des origines multiples comme les HAP notamment (d’origine naturelle, industrielle ou urbaine) les alkylphénols (d’origine urbaine, industrielle ou agricole), ou l’Argent (d’origine urbaine, industrielle ou agricole) [17][18].

III- Interactions changement climatique – qualité de l’eau

66De façon générale, plusieurs moteurs non associés au climat influencent les ressources en eau douce à toutes les échelles, notamment l’échelle mondiale [19]. Les ressources en eau sont fortement touchées, tant en termes de quantité que de qualité, par l’activité humaine, à savoir l’agriculture et les changements d’affectation des terres, la construction et la gestion des réservoirs, les émissions de polluants, et le traitement de l’eau et des eaux usées. L’utilisation de l’eau est principalement liée aux changements démographiques, à la consommation d’aliments (notamment le type de régime), à la politique économique (notamment la tarification de l’eau), à la technologie, au mode de vie et à la perception de la valeur des écosystèmes d’eau douce par la société. Afin d’évaluer la relation entre le changement climatique et l’eau douce, il est nécessaire d’analyser comment l’eau douce a été influencée (et sera influencée dans l’avenir) par les changements de ces moteurs non associés directement au climat [20].

67La pollution des milieux aquatiques (continentaux, littoraux ou océaniques) est directement liée aux activités humaines variées de type urbain, agricole, ou industriel (cf. paragraphe ci-dessus). Le changement climatique ou le changement global peut en influant sur ces activités avoir un impact indirect sur la qualité de l’eau. Par exemple des changements de pratiques viticoles auront une incidence sur l’utilisation de pesticides (qualitativement et quantitativement) et donc sur leur apport vers le milieu aquatique. L’utilisation des sols aura aussi une forte incidence : l’imperméabilisation par exemple peut être un vecteur non négligeable de polluants vers les milieux aquatiques empêchant une infiltration de ceux-ci et donc limitant leur dégradation par les bactéries des sols.

  • 19 Désigne la forme chimique et structurale sous laquelle se trouve un élément métallique ou une moléc (...)

68En Europe les rejets industriels et domestiques sont de mieux en mieux maîtrisés du fait d’une réglementation de plus en plus sévère mais aussi du fait de l’amélioration des procédés d’épuration. En revanche les pollutions dites diffuses pourraient augmenter du fait d’événements climatiques extrêmes entraînant un lessivage accru des contaminants chimiques stockés dans les sols, ou un relargage des contaminants piégés dans les sédiments du fait des phénomènes de crues et de remise en suspension de ces derniers entraînant une remobilisation des contaminants piégés dont certains depuis longtemps (cas des métaux ou des PolyChloroBiphényles (PCB) par exemple). Les phénomènes hydrologiques peuvent avoir une influence directe sur la qualité des eaux : une augmentation des matières en suspension pourrait entraîner une augmentation de la part des contaminants hydrophobes associés mais pourrait aussi entraîner une fixation plus importante pour certains d’entre eux qui passeront ainsi de la phase dissoute à la phase particulaire (changement de spéciation19) ; des régimes d’étiage pourraient amener à une reconcentration des espèces chimiques et donc à une augmentation des concentrations pouvant amener à des dépassements de seuils réglementaires (NQE ou seuil de potabilité) mais aussi à des concentrations à partir desquelles des effets toxiques peuvent se produire vis-à-vis de la faune et flore aquatique (concentrations dites sans effet ou PNEC [Predicted Non Effect Concentration]). Les alternances sécheresses-précipitations en lien avec l’évolution des sols des bassins versants auront aussi une incidence forte sur la mobilité des contaminants et leur apport vers les milieux aquatiques. Au-delà des phénomènes hydrologiques, les autres facteurs associés au changement climatique qui peuvent directement influer sur la qualité de l’eau sont la température, les radiations solaires car ces deux paramètres vont avoir une influence sur la physico-chimie des milieux et des composés et donc sur leur spéciation (ou distribution) et leur réactivité et donc in fine sur leur toxicité.

Paramètres basiques (T, pH, salinité, radiations solaires)

69Le changement climatique contribue aux multiples perturbations des systèmes écologiques comme l’acidification des océans ou la multiplication des phénomènes d’eutrophisation en milieu côtier [21], l’augmentation de la température de l’air et de l’eau [20].

70Concernant la température, une augmentation de la température des eaux de surface, de 0,2 °C à 2 °C selon les cas, a été observée depuis les années 1960 en Europe, Amérique du Nord, Asie [20] en relation avec le réchauffement global. De façon plus régionale on peut noter que l’estuaire de la Gironde a vu sa température augmenter régulièrement en période estivale : presque 2,5 °C en 30 ans [22].

71La température est un paramètre clé en ce qui concerne les équilibres physico-chimiques et les phénomènes biologiques (le métabolisme par exemple dépend de la température ; les phénomènes de ventilation chez les poissons également). Ainsi des variations de température auront des incidences sur la solubilité, la complexation, la volatilisation, la dégradation des contaminants chimiques, influant ainsi directement sur la spéciation de ces derniers et donc sur leur transfert inter-compartiments environnementaux et in fine sur leur biodisponibilité.

72De façon générale la solubilité des contaminants chimiques augmente avec la température alors que la concentration en espèces gazeuses dissoutes diminue. Ceci est particulièrement important dans le cas de l’oxygène dissous qui diminuera de façon notable avec l’augmentation de la température accentuant les phénomènes d’hypoxie en milieu aquatique. Dans le même temps certains contaminants chimiques verront leur concentration dissoute augmenter, ce qui peut en première approximation s’apparenter à une part biodisponible de la contamination plus importante.

73Les variations de température modifiant les réactions biologiques, la température peut aussi avoir un effet sur les impacts toxiques par modification du métabolisme [23]. Ainsi les changements de température induiront des changements quant aux effets toxiques des micro-polluants, de nombreuses études montrant une augmentation de la toxicité avec une augmentation de la température [23][24] [25].

74Le pH va également avoir un rôle sur la solubilité et donc sur la spéciation et in fine sur la biodisponibilité des contaminants chimiques. De nombreux contaminants chimiques organiques sont des acides ou des bases faibles et seront donc dépendants quant à leur forme chimique prédominante du pH du milieu récepteur. Si le pH évolue leur spéciation évoluera ; ainsi par exemple pour des acidifications du milieu, les acides faibles de types phénoliques (ex : pentachlorophénol, pKa = 5,1) seront préférentiellement sous forme associée organique, donc plus hydrophobes et potentiellement plus bioaccumulables.

75Les interactions salinité-contaminants sont complexes car multifactorielles. La salinité a une influence sur la spéciation des contaminants chimiques mais elle aura aussi un impact sur la toxicité et la physiologie des espèces elles-mêmes [26][27]. Les composés organiques sont moins solubles et plus biodisponibles (car extractibles) dans les eaux salées que dans les eaux douces du fait de ce qui est communément appelé « l’effet de sel ». En effet les molécules d’eau sont fortement liées par les sels ce qui les rend indisponibles pour solvater et donc dissoudre les composés organiques [28]. On peut donc s’attendre à une augmentation et de la biodisponiblité et de la toxicité en parallèle d’une augmentation de la salinité [23][29][30].

76Les changements climatiques globaux ont un impact sur la qualité et la quantité de rayonnement solaire transmis à la surface des eaux. En effet, l’impact sur la couche d’ozone aboutit à une augmentation des rayonnements UV-B (280-320 nm) reçus par les eaux superficielles [31]. Ce phénomène peut donc favoriser les réactions photochimiques impliquant directement le carbone organique dissous (matière organique naturelle) et donc les grands cycles biogéochimiques concernant les nutriments et les contaminants organiques et inorganiques [32]. En effet, le carbone organique dissous, origine organique de la coloration des eaux va subir plus de réactions photochimiques aboutissant à une modification de sa structure et donc à une diminution de la coloration associée [33]. Parallèlement, les rayonnements UV-B vont donc être plus disponibles pour provoquer des réactions de photodégradation à partir des contaminants notamment organiques, aboutissant à la formation de produits de photodégradation dont les propriétés physico-chimiques et écotoxicologiques sont inconnues la plupart du temps mais qui peuvent aboutir à la formation de photo-produits plus toxiques que les composés parents. Ce phénomène est documenté pour nombre de pesticides ou de composés pharmaceutiques comme par exemple la ranitidine (médicament anti-ulcères) [34] ou le sulfaméthoxazole (antibiotique) [35]. Les phénomènes de phototransformation des contaminants organiques sont actuellement imparfaitement documentés et devront être mieux prix en compte dans le futur en relation avec la qualité des masses d’eau.

Nutriments

77Le réchauffement du sol augmente la part de phosphore et d’azote extractibles [11]. Des températures plus fortes augmenteront les processus de minéralisation et l’apport d’azote et de phosphore (ainsi que de carbone organique) des sols vers les eaux par lessivage. Un climat plus chaud devrait donc être à l’origine d’une augmentation des nutriments dans les eaux de surface et les eaux souterraines [36]. De nombreux auteurs prédisent ainsi une augmentation des concentrations et des flux en nitrates dans les 50 prochaines années [37][38].

Figure 3 : Concentrations en nitrates dans les eaux superficielles et les eaux souterraines françaises entre 1992 et 2005 [39].

78Si l’on s’intéresse de plus près à la situation française, les nitrates sont actuellement un facteur déclassant des masses d’eau, en particulier pour les masses d’eaux souterraines. Leurs concentrations suivent la même tendance que celle observée à l’échelle européenne, avec les teneurs qui demeurent constantes dans les masses d’eau suivies (Figure 3). La mise en œuvre en 1991 de la « directive nitrates » (directive 91/676/CEE du Conseil) qui vise à lutter contre la pollution des eaux par les nitrates à partir de sources agricoles, après avoir eu un effet se traduisant par une baisse, actuellement ne semble pas avoir d’incidence forte sur les concentrations de nitrates observées dans les eaux continentales françaises ; on observe une stabilisation des concentrations. Les eaux de surface et les eaux souterraines les plus impactées par les nitrates se trouvent en Bretagne et en Charente (Figure 4).

79À l’échelle du bassin Adour-Garonne, les tendances locales s’inscrivent dans la tendance nationale. Globalement les concentrations en nitrates augmentent au fil des années quel que soit le type de bassin-versant considéré (agricole, équilibré, exutoire ou littoral) jusqu’aux années 1990 mais se stabilisent ensuite avec les mesures prises dans le cadre de la « directive nitrates ». Dans ce contexte les impacts du changement climatique pourraient tendre à ré-aggraver la situation et contrebalancer les mesures de réduction d’usage et d’amélioration des systèmes d’épuration.

Matière organique

80La matière organique dissoute (MOD) est reconnue comme ayant une influence non négligeable sur la qualité de l’eau : influence sur le pH, la spéciation des contaminants chimiques. La source principale de MOD dans les eaux de surface est due au lessivage des sols, lesquels sont directement impactés par le changement climatique. Un changement de la qualité et de la quantité de MOD en lien avec le changement climatique est donc fortement probable (notamment une augmentation des apports en carbone organique dissous) et pourrait avoir une incidence directe sur la qualité des eaux et sur la toxicité et le devenir des contaminants chimiques présents dans les écosystèmes aquatiques.

81L’interaction des polluants avec la matière organique est en effet un fait bien établi, bien que les mécanismes par lesquels elle se produit ne soient pas toujours bien compris. La MOD est en effet connue pour interagir avec les polluants et affecter leur transport et leur devenir dans l’environnement aquatique [40][41], mais également leur biodisponibilité, leur biodégradation et leur toxicité vis-à-vis des organismes [42][43]. Le piégeage des contaminants par la MOD dépend de nombreux facteurs tels que les caractéristiques de la MOD et des contaminants (nature, structure, taille des molécules, polarité…) et les paramètres physico-chimiques du milieu (pH, concentration ionique…) [44].

Figure 4 : Concentrations en nitrates dans les eaux supericielles et les eaux souterraines françaises en 2007 [39].

82Une augmentation significative de la teneur en matière organique naturelle (MON) a été observée au niveau international au cours des 30 dernières années (Scandinavie, Angleterre, Allemagne, Amérique du Nord…) [45][46][47]. Les modifications observées (augmentation de la teneur en carbone organique dissous (COD), modification de la couleur de l’eau…) peuvent être expliquées par les changements climatiques [11], entre autres par l’augmentation du volume des pluies ou le changement des radiations UV. Une augmentation potentielle de la matière organique dissoute (MOD) pourrait avoir des impacts importants sur les écosystèmes aquatiques. Cette augmentation de la concentration en matière organique est d’autre part accompagnée d’un changement des caractéristiques physiques et chimiques (modification de la polarité, de l’hydrophobicité, du caractère anionique…) des molécules qui la composent [48]. Les changements climatiques entraînent par exemple une augmentation des radiations solaires, ce qui tend à augmenter la photo-oxydation de la MOD, produisant ainsi des molécules de poids moléculaire inférieur. Un autre mécanisme lié au réchauffement climatique est l’augmentation de la productivité primaire [49] à l’origine d’une augmentation et d’une modification de la MOD dans les milieux aquatiques. Dans les régions tempérées, le changement climatique induirait une diminution du nombre de jours pluvieux, mais augmenterait le volume moyen de chaque événement [50] entraînant alors de forts apports en MOD d’origine terrigène.

Microalgues toxiques et leurs toxines

83Le changement global peut (1) favoriser le développement d’espèces phytoplanctoniques et de cyanobactéries introduites dont celles qui ont la capacité à émettre des molécules naturelles toxiques que l’on rassemble sous le nom de toxines algales (cyanotoxines, phycotoxines…), (2) augmenter l’abondance et la fréquence d’occurrence d’espèces autochtones responsables de toxicité, (3) générer une plus forte production de toxines par ces microalgues.

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  • 21 Les ciguatoxines ont été répertoriées en Europe africaine depuis plusieurs années (provenance proba (...)
  • 22 Les pinnatoxines ont causé des toxicités atypiques en France (étang d’Ingril) depuis 2006.

84En raison de l’évolution des températures et de l’acidité des eaux, des espèces allochtones (par exemple importées dans les eaux de ballast) peuvent trouver des conditions favorables à leur développement dans nos eaux. C’est le cas par exemple d’Ostreopsis (palytoxines)20, de Gambierdiscus (ciguatera)21 et de Vulcanodinium (pinnatoxines)22. Une nouvelle espèce de cyanobactérie tropicale a commencé à coloniser nos régions tempérées, Cylindrospermopsis raciborskii, en lien avec l’augmentation des températures [51] ; cette cyanobactérie est connue pour produire une toxine dangereuse la cylindrospermopsine (cytotoxique et hépatotoxique) qui est maintenant détectée dans les eaux européennes [52][53].

85L’augmentation de fréquence des tempêtes peut créer des conditions favorables au développement de certaines espèces toxiques, par exemple en libérant dans les eaux des nutriments stockés dans les sédiments. On peut par exemple s’interroger sur les efflorescences exceptionnelles de Pseudonitzchia spp. observées dans les eaux du Bassin de Marennes-Oléron pendant les semaines qui ont suivi l’ouragan Xynthia.

  • 23 Pression de CO2.

86Des résultats expérimentaux publiés en 2011 montrent que la diatomée Pseudo-nitzschia multiseries produit de plus grandes quantités d’acide domoïque (phycotoxine amnésiante, amnesic shellfish poisoning ou ASP) quand la p (CO2)23 augmente, spécialement lorsque les nutriments sont limitants [54]. En 2010, un protocole expérimental semblable appliqué au dinoflagellé Karlodinium veneficum avait également mis en évidence une augmentation de la production d’une ichthyotoxine (la karlotoxine 1) dans les mêmes conditions [55]. Ces récents résultats sont en concordance avec l’existence d’un lien direct entre la biosynthèse de phycotoxines et le métabolisme de la plupart des algues responsables d’efflorescences à caractère toxique – même si l’on ne connaît pas les mécanismes biochimiques qui contrôlent la production de toxine en fonction de la p (CO2) et du pH. Globalement, ces premières expériences suggèrent que les efflorescences toxiques pourraient devenir plus fréquentes et plus intenses dans un océan acidifié, augmentant ainsi les risques liés aux phycotoxines.

Micropolluants

87La présence des micro-polluants dans les écosystèmes aquatiques est le fait de sources directes et indirectes ou diffuses (Figure 5). Leur présence est conditionnée par leur cycle biogéochimique et différents phénomènes très complexes, tant physico-chimiques que biologiques, qui peuvent être affectés par les changements climatiques (Figure 5).

88La distribution des contaminants chimiques dans l’environnement au sens large et plus particulièrement dans l’eau est conditionnée par les phénomènes de partition et d’équilibre entre les différents compartiments environnementaux (air, eau, sols, biote), par les sources et les voies d’introduction (apports directs par rejets, apports par lessivage, apports par dépôts secs ou humides), par les phénomènes de dégradation biotiques et abiotiques. L’ensemble de ces phénomènes et processus sont impactés par le changement climatique et les changements globaux. Il en résulte que la présence, la distribution, et in fine l’impact toxique des contaminants chimiques seront donc impactés par le changement climatique (Figure 5).

Figure 5 : Sources et processus conditionnant la présence des micro-polluants chimiques dans l’environnement aquatique [23].

Micropolluants inorganiques

89Les métaux représentent une grande majorité des micropolluants inorganiques. Ils constituent une source majeure minérale et énergétique, dont l’exploitation et la diversification des applications vont fortement accroître pendant les 30 prochaines années. Ainsi, ils continueront à jouer un rôle majeur dans la pollution des milieux aquatiques.

90Les métaux sont des éléments chimiques non-synthétiques et sont indestructibles. Du fait de leur persistance absolue, leur introduction dans les milieux aquatiques nécessite donc des stratégies de gestion adaptées. On distingue ici des métaux qui sont essentiels à la vie (oligo-éléments ; e.g. cuivre, zinc, arsenic, etc.) et des métaux auxquels on attribue aujourd’hui seulement des propriétés toxiques (e.g. plomb, uranium, thallium). La présence et la disponibilité des éléments du premier groupe dans le milieu naturel sont essentielles, sinon il existe un risque de carence qui peut être aussi problématique que celui de la pollution en cas de présence/disponibilité excessive de ces éléments. De nouvelles technologies et applications de certains métaux utilisés par l’homme depuis des millénaires (e.g. argent) et qui sont des contaminants classiques en font également des contaminants émergents à travers des nouvelles utilisations et formes introduites dans l’environnement. L’utilisation de nouvelles formes d’argent (nano-particules d’argent) dans notre vie quotidienne et leur introduction dans les eaux usées et les milieux aquatiques en sont un exemple actuel [18].

91Parmi les métaux, le cadmium, le mercure, le nickel et le plomb sont considérés comme polluants prioritaires par la DCE. Dix-huit autres sont pris en compte pour la définition de NQE provisoires dans la circulaire du 7 mai 2007 (antimoine, argent, arsenic, baryum, beryllium, bore, chrome, cobalt, cuivre, étain, molybdène, sélénium, tellurium, thallium, titane, uranium, vanadium, zinc). Si l’on s’intéresse à la qualité des cours d’eau européens de façon très générale, les concentrations en cadmium et mercure diminuent depuis le début des années 1980 (Figure 6) du fait de réglementations de plus en plus drastiques et de mise en œuvre d’opérations de réhabilitation des sites sources contaminés.

Figure 6 : Évolution des concentrations de deux métaux cibles, le cadmium et le mercure, dans les eaux européennes [56].

92Bien que le changement climatique ne contribue pas de façon majeure (sauf cas de modification des processus d’altération des roches dans les bassins versants) directement à la contamination des systèmes aquatiques par les éléments traces métalliques (ETM), il jouera probablement un rôle très important sur leur transport et leur réactivité dans les systèmes aquatiques et plus particulièrement dans les continuums fluvio-estuariens. Il faut préciser que leur transport, leur réactivité et leur biodisponibilité dans les eaux douces, intermédiaires et côtières sont principalement contrôlés par les interactions spatiales et temporelles entre les phases dissoutes et particulaires. De plus, de nombreux paramètres et processus contrôlant la mobilité et le potentiel écotoxicologique des ETM seront directement affectés par un changement climatique (tant via les phénomènes hydologiques et via l’augmentation de la température). La baisse des débits avérée et l’augmentation prévisible de l’intensité des crues extrêmes auront probablement un fort impact sur le transport des ETM (e.g. érosion des sols avec les dépôts atmosphériques, érosion de sédiments de barrage, transport rapide des particules vers le milieu marin, etc. [57]) ; et leurs transformations dans les gradients bio-géochimiques des milieux aquatiques (les phénomènes de complexation pourraient être déplacés entraînant un relargage des métaux vers la phase dissoute ; une augmentation du carbone organique dissous associée à un changement des conditions redox pourraient favoriser également une augmentation des teneurs en ETM dissous ; les phénomènes microbiens dépendant de le température pourront être amplifiés et conduire à un changement de la spéciation de certains ETM…).

Cas des ETM dans le système « Gironde »
Le système fluvio-estuarien de la Gironde draine ~ 18 % de la superficie de la France métropolitaine et constitue ainsi un système aquatique majeur à l’échelle Européenne. De nombreuses sources de contaminants inorganiques, principalement d’Élé-ments Traces Métalliques (ETM : métaux lourds et métalloïdes ; Cd, Zn, Pb, Cu, As, Hg, Ag ; [4][58]) existent dans ce bassin-versant, ils sont dus aux diverses activités industrielles (e.g. miniers, métallurgiques), agrico-les et domestiques historiques et actuelles. Ainsi, le système girondin est atteint par une pollution poly-métallique principalement due à l’activité métallurgique (extraction de Zn) historique sur le site de la Vieille Montagne (Aveyron). Suite à l’arrêt de l’activité métallurgique en 1987, les efforts de surveillance et de restauration du site ont nettement réduit la pression directe de cette source sur le continuum Riou-Mort-Lot-Garonne-Gironde. L’amélioration générale de la qualité des eaux dans ce système a rendu visible d’autres sources non négligeables d’ETM comme les sédiments pollués du Lot qui peuvent être mobilisés lors de travaux d’aménagements fluviatiles [59] ou des crues [57], l’agriculture [60] et le milieu urbain [18]. Cet exemple montre clairement que, dans un contexte de changement global qui modifie les diverses pressions anthropiques sur les systèmes aquatiques, il y a des facteurs (e.g. activités minières et industrielles, urbanisation, occupation des sols, législation, gestion de sédiments pollués, etc.), plus ou moins dépendants du changement climatique qui contrôlent majoritairement la présence des contaminants métalliques dans le milieu aquatique et les organismes bioaccumulateurs (e.g. huîtres ; [18]). L’exemple régional montre les conséquences importantes sur la qualité du milieu et sur le plan socio-économique (e.g. interdiction d’ostréiculture en Gironde), avec une nette influence sur les milieux voisins (e.g. la Baie de Marennes-Oléron, première zone Française d’ostréiculture).
Sans être exhaustif on peut citer quelques exemples. Dans un scénario de réchauffement régional, il faut s’attendre à une augmentation de la température des eaux de surface et des nappes peu profondes. Ainsi la prolongation des périodes où les températures des eaux sont supérieures à ~ 12-15°C contribuera fortement à la mobilisation (microbienne) d’arsenic dans les rivières [61]. Ce métalloïde très toxique montre de fortes anomalies géochimiques dans les rivières drainant le Massif Central avec des concentrations dissoutes proches des limites admissibles pour la production d’eau potable (e.g. dans l’Isle ; dans les coteaux de Gascogne), notamment en période estivale. Si les situations de débits faibles en période estivale continuent à s’accentuer (intensité et/ou durée) les temps de stagnation estivale des eaux dans l’estuaire fluvial se prolongeront, ce qui augmentera clairement la minéralisation de la matière organique dans cette partie de l’estuaire, mobilisant d’importantes quantités de cuivre (actuellement ~ 3,6 t/an) dans l’eau [62]. La baisse des débits fluviaux et l’élévation prévue du niveau marin favoriseront l’intrusion de masses d’eau salines dans l’estuaire de la Gironde ce qui déplacera inévitablement les processus estuariens de dissolution de métaux par chloro-complexation (e.g. cadmium, argent) vers l’amont [18] (Figure 7).

Figure 7 : Évolution des concentrations en argent dans les huîtres de la Gironde à trois sites de l’embouchure montrant un gradient de contamination du plus interne (La Fosse) vers le plus marin (Bonne Anse ; données RNO ; [18]). À noter que les concentrations en Argent dans les huîtres reflètent les concentrations en Argent dissous dans le gradient de salinité de l’estuaire de la Gironde et que les dernières données (2008-2011 ; non publiées) montrent une augmentation des valeurs actuelles à un niveau maximum (i. e. égal ou supérieur à celui des années 1999-2002).

Micropolluants organiques

93Les micropolluants organiques se comptent en milliers de molécules et en dizaines de classes différentes. Ils sont pour la majorité d’entre eux synthétiques et utilisés dans de nombreux usages domestiques (ex. : produits ménagers, plastifiants…), agricoles (ex. : pesticides, agent de formulation…) ou industriels. Ils sont aussi pour certains d’entre eux formés non intentionnellement lors de processus variés comme par exemple la combustion (ex. : HAP) ou les opérations de synthèse industrielle (ex. : bisphénol) ou encore d’origine naturelle (ex. : les alcanes). Les impacts du changement climatique seront très variables selon les caractéristiques physico-chimiques de ces composés. On peut distinguer deux grandes classes : les composés persistants (ou appelés POP pour polluant organiques persistants) et les non persistants parmi lesquels on compte de nombreux pesticides, la majorité des composés pharmaceutiques, des détergents…

94Le changement climatique influencera le devenir environnemental et le comportement (donc l’impact) des micro-polluants organiques en ayant une action importante sur tous les mécanismes conditionnant leur distribution environnementale (spéciation) : augmentation des phénomènes de volatilisation, de dépôt humide, de dégradation.

Cas des POP

95Le changement climatique aura une incidence assez forte sur le devenir et le comportement des POP [23] selon des phénomènes qui peuvent d’ailleurs avoir des conséquences contradictoires. Avec le réchauffement global, la volatilisation et donc la partition des POP vers le compartiment atmosphérique devraient augmenter de même que les phénomènes de dégradation tant dus à la photo-oxydation qu’à la dégradation liée aux microorganismes [63][64] ce qui conduirait à une diminution des concentrations en POP dans les milieux aquatiques et donc à une exposition plus faible des organismes aquatiques à ces composés. À côté de cette tendance globale, les schémas régionaux associés à une augmentation des précipitations et à des apports d’eau via la fonte des glaces et des neiges amèneraient à une augmentation des apports humides en POP vers les systèmes aquatiques et donc à une augmentation de leurs concentrations [63][65]. En effet les sols et les glaciers sont des réservoirs de POP accumulés au cours des années. Ainsi des lessivages importants de sols avec une remobilisation de matériel ancien ou la fonte des glaciers permettraient la libération d’anciens stocks de ces composés persistants piégés des années en arrière (à l’époque de leur utilisation par exemple pour les PCB) [66] (Figure 5). Les phénomènes de crues pourraient également en remobilisant de vieux sédiments permettre la libération dans le milieu aquatique d’anciens stocks de composés piégés et conservés sur du long terme. Ce phénomène d’apports plus importants associés à des phénomènes d’étiage plus fréquents et plus marqués pour des composés stables et persistants pourrait donc conduire à des augmentations sensibles des concentrations en POP dans les milieux aquatiques de type rivières et estuaires.

Cas des pesticides

96Depuis près d’un demi-siècle, la modernisation de l’agriculture a été marquée par l’introduction et l’utilisation massive des pesticides dans les pratiques culturales. Actuellement, la surface agricole utile française occupe près de 30 millions d’hectares et la France est le troisième consommateur mondial de produits phytosanitaires. L’excès ou l’utilisation mal appropriée de produits phytosanitaires peuvent engendrer la contamination des différents compartiments (eau, air et sol) et notamment altérer la ressource en eau. Compte tenu des risques qu’ils représentent tant pour les milieux aquatiques que pour la production d’eau potable, la présence de pesticides dans les eaux fait l’objet d’un suivi régulier qui n’a cessé de se renforcer lors de la dernière décennie. Les données acquises par les réseaux de surveillance de la qualité des eaux (superficielles et souterraines) témoignent d’une présence quasi généralisée de pesticides dans les eaux françaises. Cette dégradation est variable dans le temps (Figure 8), et dépend des caractéristiques intrinsèques des molécules (persistance ou non) ainsi que du type de milieu/matrice, voire de territoire, considéré… À titre d’exemple, la dernière étude du Service de l’Observation et des Statistiques (SOeS) du Ministère de l’Écologie, du Développement Durable, des Transports et du Logement, reporte des quantifications de pesticides pour la période 2007-2009 dans 92 % des points de mesure en cours d’eau (58 % pour les territoires d’outre-mer), 70 % en plans d’eau et en eaux souterraines [67]. Dans les sédiments des rivières et des plans d’eaux où les pesticides sont par contre peu présents, on retrouve plus fréquemment des insecticides et des fongicides.

97Les molécules les plus rencontrées dans les cours d’eau sont des herbicides (glyphosate, diuron, atrazine – Figure 8), et certains ont été retirés de l’homologation depuis 2003. On note également l’importance quantitative des produits de dégradation des pesticides, qui peuvent résulter de transformations biologiques (métabolisation) ou abiotiques (par exemple, photo-dégradation).

Figure 8 : Principales molécules présentes dans les eaux superficielles sur la période 2007-2009 en métropole, tous réseaux confondus, et pourcentages de quantification en 2001 [67][68].

98Outre des effets sur la transformation des composés résultant d’évolution des conditions lumineuses (UV), le changement climatique pourrait également affecter les transferts de pesticides de la parcelle agricole au milieu aquatique, lesquels dépendent non seulement des caractéristiques des zones d’application (vulnérabilité), des usages (itinéraires techniques), mais également de la climatologie locale (durée et intensité des événements pluvieux).

99Les différents phénomènes liés au changement climatique auront comme pour les POPs des conséquences parfois contradictoires. De façon générale le réchauffement global associé au changement climatique devrait participer à réduire les concentrations en pesticides tant au niveau des sols que des eaux en raison de la combinaison d’une augmentation, de la volatilisation des pesticides et de leur dégradation [23][69]. En revanche les augmentations de l’intensité et de la fréquence des précipitations devraient favoriser l’apport de pesticides vers les milieux aquatiques [70][61]. Bloomfield et al. [72] ont observé que les changements des rythmes et des intensités des précipitations saisonnières ainsi que l’augmentation de la température de l’air sont les principaux moteurs liés au changement climatique qui interagiront sur le devenir et le comportement des pesticides. Probst et al. [73] ont montré que pour certains pesticides (isoproturon et bifenox) des scénarios de précipitations intenses (augmentation de 10 à 20 mm/jour) augmenteraient le risque écotoxicologique lié aux pesticides avec une concentration en pesticides accrue dans le milieu aquatique. Indépendamment de ces phénomènes variés le changement climatique aura une action forte sur les traitements utilisés en agriculture tant qualitativement que quantitativement [74][75].

100Cas des autres micro-polluants organiques (composés pharmaceutiques, plastifiants, cosmétiques, détergents…) En ce qui concerne les autres micro-polluants les mêmes tendances que celles explicitées ci-dessus s’observeront selon les caractéristiques physico-chimiques et le caractère persistant ou non persistant. Un focus intéressant peut être fait sur les composés pharmaceutiques considérés comme des contaminants émergents depuis le début des années 2000 et entrés pour quelques-uns d’entre eux dans la liste des polluants prioritaires de la Directive Cadre sur l’Eau.

101Ainsi plusieurs travaux ont démontré que certains composés pharmaceutiques étaient photo-dégradables [76][77]. On peut donc conclure que l’augmentation du rayonnement solaire devrait amener à une diminution de leurs concentrations en milieux aquatiques (en association ou non avec la dégradation bactérienne) [78]. Néanmoins il faut garder en tête que nous connaissons peu de chose sur les potentiels produits de dégradation formés qui pourraient être plus toxiques que les composés parents [34]. Plusieurs études ont montré que les concentrations en composés pharmaceutiques étaient corrélées au taux de carbone organique dissous et qu’elles dépendaient des débits et de l’intensité des précipitations [79][80]. Des phénomènes d’étiage marqués pourraient ainsi amener à une augmentation notable des concentrations en composés pharmaceutiques. Ces derniers sont majoritairement amenés vers les milieux aquatiques par les rejets des stations d’épuration qui dans de nombreux cas (à population constante) sont assez constants ; ainsi les apports seront amenés à être constants ou à augmenter (en lien avec l’augmentation de la population), ceci bien évidemment à procédé d’épuration constant, amplifiant l’augmentation des concentrations liées aux phénomènes d’étiage. Certains composés pharmaceutiques sont assez stables tout en étant très mobiles (comme l’acide clofibrique ou l’iopromide) ; ils ont un potentiel de lessivage important et peuvent donc être entraînés vers les eaux de surface mais aussi les eaux souterraines par des phénomènes de précipitations intenses [81].

Impacts écotoxicologiques

102Les mécanismes de prise en charge des polluants par les organismes aquatiques, et par conséquent leurs effets potentiels, vont fortement dépendre de la structure chimique des molécules (taille, polarité, liposolubilité…), des organismes biologiques concernés, des barrières biologiques concernées (épithélium branchial, revêtement cutané, tractus digestif…) et des capacités de métabolisation ou élimination par les organismes aquatiques. Le changement climatique a une incidence sur différents paramètres comme la température, l’ensoleillement, la salinité, la solubilité, la matière organique… eux-mêmes ayant une influence sur la réactivité des molécules, le métabolisme, la biodisponiblité… Il aura par voie de conséquence une incidence notable sur les phénomènes de bioaccumulation et de bioamplification et sur la toxicité des micro-polluants [23][82][83][84].

103Les métaux comme les contaminants organiques peuvent être bioaccumulés par les organismes aquatiques à tous les niveaux d’organisation trophique. Leur accumulation dépend de leur biodisponibilité dans le milieu qui varie fortement selon les caractéristiques physico-chimiques de l’eau (notamment pH, salinité, quantité et qualité des MES, oxygénation…), des mécanismes de traversée des barrières biologiques qu’ils empruntent (par exemple, diffusion passive principalement pour le mercure, transport facilité pour le cadmium ou autre type de transport actif) et des capacités des organismes à les métaboliser et/ou éliminer, qui sont conditionnées par l’état physiologique des individus [85]. La pollution des cours d’eau affecte toute la chaîne écologique vivant dans ces environnements, du phytoplancton aux carnivores situés au sommet de la pyramide alimentaire. Elle modifie la quantité, et la qualité, de la production primaire [86][87] qui est à la base du recyclage des nutriments, et sert de nourriture aux organismes supérieurs. Les effets délétères des métaux s’observent également aux niveaux d’organisation supérieurs (par exemple invertébrés, poissons), avec des impacts génotoxiques divers, une diminution de la fécondité et une augmentation de la mortalité [88][89]. Combinée avec les conséquences du changement global, la pollution est susceptible d’avoir des impacts écotoxicologiques accrus. Par exemple, les conditions hypoxiques rencontrées en milieu naturel en lien avec l’augmentation de la température des eaux et l’augmentation de la durée des périodes d’étiage estivales conduit d’une part à une hyperventilation des organismes provoquant une plus forte bioaccumulation des contaminants [90] et d’autre part à un affaiblissement des organismes par une diminution de leur métabolisme général de façon à « s’économiser », ce qui peut conduire à des atteintes toxiques plus sévères au niveau cellulaire [91].

104Bien que moins étudiés au niveau régional que les métaux, les impacts des contaminants organiques s’observent également aux différentes échelles d’organisation biologique (subcellulaire, cellulaire, individu, population…) et trophique. Certains de ces composés sont bioaccumulables, d’autres peuvent générer des effets sur le vivant sans nécessairement être accumulés. Les effets des pesticides sur les écosystèmes aquatiques dépendent du mode d’action toxique de ces substances, et des organismes-cibles : ainsi, les herbicides impactent la composante végétale aquatique (par exemple [92]), mais les pesticides pourront également avoir des effets indésirés, directs ou indirects, vis-à-vis d’organismes non-cibles (par exemple : toxicité d’insecticides sur les algues, ou d’herbicides sur les poissons). De nombreux travaux montrent une toxicité accrue des pesticides avec une élévation de la température et de la salinité [27][82]. Le changement climatique affectant de façon générale les structures des réseaux trophiques, les sources de nourriture et sa disponibilité (qualitativement et quantitativement), les voies de migration, les comportements alimentaires, il affectera notamment les phénomènes de bioaccumulation et de bioamplification ce qui aura des conséquences importantes dans le cas des polluants persistants (comme les POP) et en retour sur les mécanismes de toxicité [63][93][94]. Parmi ces phénomènes on peut citer la remobilisation lors de périodes de sous-alimentation de contaminants stockés dans les graisses. Cet effet de toxicité « retard » qui touche les ours polaires peut être généralisé à d’autres espèces comme les saumons, les oiseaux marins, la morue arctique [95] et aussi à des espèces plus classiques comme les esturgeons, les anguilles… On ne peut pas non plus exclure une bioaccumulation moins importante si les réseaux trophiques changent et si les organismes supérieurs se nourrissent sur des proies moins contaminées [94].

Conclusion

105Si jusqu’à maintenant, des études ont permis de cerner l’impact du changement climatique sur la qualité de l’eau en ciblant des paramètres basiques comme la température de l’eau ou encore le pH, la salinité et la quantité d’oxygène dissous, il y a un manque avéré de connaissances quant à son impact sur l’apport, le devenir et la toxicité des micro-polluants chimiques. Les travaux existants s’accordent malgré tout à prévoir que le changement climatique aura globalement un impact négatif engendrant des situations à risques de plus en plus fréquentes en lien avec les événements climatiques extrêmes, comme les situations d’étiage ou les épisodes de fortes précipitations. Les concentrations en micro-polluants, les quantités de matière organique dissoute ou encore les épisodes d’apports de toxines algales devraient augmenter en lien par exemple avec l’augmentation de la température. Il est avéré qu’il y a un fort besoin de travaux complémentaires sur le sujet notamment sur le devenir des contaminants et sur leur impact toxique en lien avec le changement climatique.

106Une meilleure compréhension de l’impact du changement climatique sur la qualité de l’eau au niveau régional passera en premier lieu notamment par une meilleure connaissance des pressions de contamination, de leur source et du devenir de ces contaminations en termes d’apports et d’évolution, en lien avec les activités anthropiques associées, les modes de vie, les usages (qualitatifs et quantitatifs) et les occupations des sols. Il est en particulier important de documenter la question des micro-polluants organiques et plus particulièrement des contaminants dits émergents et ce, en tenant compte des effets de mélange.

8.3 Disponiblité des eaux de surface

107Coordination : Henri Etcheber
Rédacteurs : Bruno Coupry, Alexandra Coynel, Henri Etcheber, Eric Sauquet
Contributeurs : Jérôme Baron, Clément Bernard, François-Xavier Cuende, Timothée Leurent

En Aquitaine, dont la grande majorité des débits des cours d’eau dépend strictement de ceux d’affluents amont prenant leur source dans des régions limitrophes, comprendre les tendances évolutives des débits fluviaux des dernières décennies et prévoir par modélisation ce qui pourrait advenir dans un futur proche, afin de mettre en place des politiques de gestion pertinentes, est une problématique encore faiblement abordée et devra faire l’objet d’études concertées et approfondies à mettre d’urgence enplace.
Néanmoins, des études parcellaires montrent que la tendance des débits de la plupart des rivières aquitaines est à la baisse, avec renforcement des périodes d’étiages estivaux, en durée et en intensité. Les réseaux des petits cours d’eau peuvent être gravement affectés (mise à sec de cours d’eau en Dordogne fluviale amont, par exemple).
Il ressort qu’à l’horizon 2030, il est prévu une baisse de 20 à 30 % des débits moyens annuels, déjà en baisse dans des proportions proches par rapport aux années 1950 à 1960 du siècle dernier : ceci avec des tendances marquées pour les périodes d’étiage par rapport aux événements de crues, où toute évolution significative est plus floue. Mais en fonction du degré d’évolution du climat à prendre en compte, et du fait de l’évolution difficilement prévisible des actions anthropiques, de la diversité des caractéristiques des bassins versants, les incertitudes restent encore notables. Les projections à des laps de temps plus conséquents (fin du siècle), encore peu documentées, présentent des incertitudes plus fortes et affichent des baisses de 50 à 60 % des débits par rapport aux actuels.
Les conséquences sur la qualité des eaux (élévation de leur température, pollutions accrues) risquent de toucher irréversiblement les populations biologiques de ces cours d’eau fluviale et de générer une marinisation prévisible de l’estuaire de la Gironde avec toutes les conséquences écologiques connues.

Introduction

108La question de la disponibilité et de l’accès à l’eau potable est et sera l’un des enjeux majeurs auquel l’humanité devra faire face au XXIe siècle. Dans ce contexte, la mesure quantitative et qualitative (chapitre 8.2) des composantes du cycle de l’eau est fondamentale pour toute réflexion sur une gestion efficace des eaux. Or, de lourdes menaces pèsent sur la ressource en eau si les modifications du climat annoncées par les projections des modèles numériques, ajoutées aux diverses pressions anthropiques devaient se confirmer.

109La hausse des températures du globe et les évolutions des précipitations pourraient affecter la totalité du cycle de l’eau d’un bassin-versant : extension du manteau neigeux, processus d’évapotranspiration, d’infiltration, de stockage dans les nappes et de ruissellement des eaux sont tous concernés. Si l’on ajoute à cela, les prélèvements d’eaux de surface (et même d’eaux profondes) dus à l’action humaine (irrigation, industrie, Alimentation en Eau Potable), il est fondamental de se pencher avec attention sur les problèmes du partage de l’eau entre des usages, incluant les services écologiques, aux besoins parfois totalement antagonistes.

110Tous ces problèmes affectent directement les fluctuations temporelles des débits des fleuves et rivières en Aquitaine, comme dans la plupart des autres régions françaises et ressortent les questions majeures suivantes :

111- Quelles sont les tendances actuelles de l’évolution des débits des rivières de notre région ?

112- Peut-on bénéficier de prévisions suffisamment fiables sur leur devenir au cours de ce siècle ?

113- Quelles conséquences doit-on attendre sur l’évolution de la qualité des eaux de surface, des cycles biologiques de ces milieux et des usages que l’on compte en faire ?

114- Peut-on remédier à des évolutions qui pourraient sembler néfastes et comment ?

115Pour mesurer les effets du climat sur l’hydrosystème, il convient de procéder à deux approches complémentaires :

  • L’approche statistique (méthode rétrospective) : basée sur l’analyse de séries chronologiques longues, elle permet de dégager des tendances passées et présentes suivies par les principales variables du cycle de l’eau (précipitations, température et débit examinés sur différents pas de temps - mois, saison ou année). Cette analyse faite, il s’agit de comprendre les origines des variations de ces caractéristiques par rapport à leur environnement ; de plus, il peut résulter de cette phase la mise en évidence d’une relation entre le climat et l’évolution d’un des paramètres examinés ;

  • La modélisation (méthode prospective), qui propose une simulation de l’évolution future des principales variables relatives au cycle de l’eau et à la gestion de la ressource à partir d’un modèle de fonctionnement de l’hydrosystème validé par des données enregistrées en temps présent. La modélisation climatique est réalisée à grande échelle par les Modèles de Circulation Générale (GCMs), du fait des coûts de calcul ; les échelles de gestion étant plus fines, il est nécessaire de mettre en place des méthodes de descente d’échelle pour représenter des phénomènes météorologiques d’extension géographique limitée. Outre cette difficulté à décrire le climat à échelle spatio-temporelle fine, s’ajoute une connaissance très disparate des actions anthropiques, elles aussi locales, concernant les prélèvements et la consommation en eau.

I- Contexte

116À l’échelle globale, existent de nombreuses situations critiques relatives à la disponibilité des ressources en eau. Or, le réchauffement climatique entraînerait une augmentation des précipitations consécutives à celle des évaporations, avec de fortes perturbations sur leur cyclicité connue jusqu’à présent.

117En Europe, le changement le plus probable devrait correspondre à une intensification des contrastes hydrologiques avec des risques accrus d’inondation à l’automne-hiver et d’étiage très prononcé en été.

118Les études menées sur la problématique climat/hydrologie de surface sont nombreuses en France (plus de 46 articles/rapports référencés dans l’étude Explore2070 in Synthèse bibliographique, Lot 3 « Ressources superficielles » réalisée par BRLi – Météo France – Irstea pour le compte du MEDDTL). Les hypothèses, stratégies et options techniques retenues sur l’effet du changement climatique (modèles climatiques et hydrologiques, entrée climatique, etc.) ne sont pas précisément les mêmes entre ces études. De ce fait les résultats ne sont pas strictement comparables. Peu ont abordé la question de l’effet sur les modes de gestion. À l’échelle nationale, il faudrait s’attendre à une augmentation des températures, une réduction des écoulements en été et en automne et des débits d’étiage, une réduction de la couverture neigeuse, spécialement à basse et moyenne altitude. Les évolutions sur les crues semblent en revanche incertaines.

Figure 1 : Réseau hydrographique du Sud-Ouest de la France : affluents majeurs de Garonne, Dordogne, Adour (Coynel, [1]).

119Au vu de la Figure 1 et conformément à la notion bien connue de continuum fluvial (dépendance à l’aval des phénomènes enregistrés à l’amont), il ressort que débattre du devenir des débits fluviaux en Aquitaine demande de comprendre ce qui se passe dans les régions connexes, du fait des deux origines majeures de ces cours d’eaux (Massif Central ou Pyrénées) et des différents régimes hydrologiques en place (nival, pluvio-nival, pluvial) selon les ensembles étudiés. De plus, en fonction des actions humaines (irrigation, barrages hydro-électriques, aménagements pour navigation…) induisant des débits très influencés, ne pas maîtriser cette composante anthropique conduit à des projections futures erronées des débits.

120Les études publiées les plus poussées sur la problématique climat/débits ont été menées en Garonne amont [2] et estuarienne [3]. Sur la Dordogne, aux débits régentés par les barrages EDF, l’essentiel des préoccupations actuelles (non publiées) porte sur les étiages estivaux dramatiques des petits cours d’eaux (mises à sec qui sont de plus en plus fréquentes). Enfin, ce sont les évolutions des étiages de la rivière Adour qui sont présentement étudiés, alors que pour les Gaves et les Nives ce sont les phénomènes de crues plus que les périodes d’étiage qui sont suivies (études non publiées).

II- Impacts observés et attendus

A- Les tendances actuelles

Fleuves Garonne et Dordogne

121L’analyse des débits moyens annuels de la Garonne et de la Dordogne, à leur entrée dans le système estuarien de la Gironde (données de la banque HYDRO), révèle une forte variabilité annuelle (30-900 m3s-1 et 210-480 m3s-1 respectivement pour la Garonne et la Dordogne), mais surtout une diminution significative de ceux-ci sur les cinquante dernières années (Figure 2) : de l’ordre de 25-30 % pour la Garonne et de 20 % pour la Dordogne.

Figure 2 : Moyenne annuelle des débits de la Garonne à Tonneins et de la Dordogne à Pessac Sur Dordogne à l’entrée de l’estuaire de laGironde.

122Si les bassins versants, impactés par les changements climatiques, intègrent la réponse hydrologique, les modifications du milieu physique d’origine anthropique (changement d’usage des sols, aménagements hydrauliques…) rendent difficiles l’identification des liens entre la variabilité climatique et celle hydrologique. Pour la Garonne, il est maintenant admis que sa variabilité hydrologique à son exutoire est influencée par l’indice climatique dominant en Europe, l’Oscillation Nord Atlantique (NAO), qui correspond à la différence de pression entre les deux centres d’action dans l’Atlantique Nord (Islandes, Açores) contrôlant la position du centre de dépression sur l’Europe.

Figure 3 : Nombre de jours au-dessous du débit objectif d’étiage en Garonne à Tonneins.

123Une simple observation sur l’évolution du nombre de jours durant une année, pour lesquels on se situe au-dessous du Débit Objectif d’Étiage (DOE) en Garonne, fixé ici à 100 m3s-1, montre que, depuis les années 1980, ce nombre a considérablement augmenté (Figure 3) à l’entrée du système estuarien de la Gironde. Ainsi, la période d’étiage est-elle de plus en plus marquée avec des débits fluviaux de plus en plus faibles. Il en va différemment pour la Dordogne.

124En effet, si, pour la Garonne, les débits les plus forts et les plus faibles révèlent une tendance à la baisse sur une période de cinquante ans (Figure 4), ce schéma d’évolution est beaucoup plus complexe pour la Dordogne, où les stratégies de production électrique d’EDF perturbent profondément les évolutions temporelles de ce paramètre (Figure 5). En période d’étiage, les débits minima observés restent relativement stables, tout au plus une légère augmentation de leur durée est-elle apparente, mais sans être significative. À l’échelle saisonnière, ce sont bien sûr les influences liées à l’hydroélectricité qui sont les plus significatives, mais il ne faut pas négliger le rôle possible des formations calcaires karstiques, lieux d’infiltrations connues des eaux, pouvant influencer les variations observées des débits.

125L’interprétation des données relatives aux périodes de crues soulève plus de problèmes : ces dernières sont moins fréquentes et moins intenses en Garonne d’année en année, mais le phénomène est moins évident en Dordogne, où, là encore, les activités EDF peuvent vraisemblablement jouer un rôle perturbateur significatif. De plus, il est certain que, si les tempêtes marquées sont associées à des pluviométries conséquentes, ce qui se traduit le plus souvent par des augmentations de débits, l’étude de leur fréquence sur les dernières cinquante années ne montre pas de tendance significative, que ce soit au niveau national ou pour l’Aquitaine (Figure 6). Il s’en suit que les phénomènes de crue ne montrent pas d’évolution nette d’années en années, tant dans leurs intensités que dans leurs fréquences.

Figure 4 : Débits minima et maxima sur la Garonne entre 1959 et 2010 à Tonneins.

Figure 5 : Débits minima et maxima sur la Dordogne entre 1959 et 2010 à Pessac Sur Dordogne.

Affluents de la Garonne et de la Dordogne

126Les affluents majeurs de la Garonne et de la Dordogne suivent dans leurs grandes lignes des variations interannuelles des débits du même type que celles données pour la Dordogne et la Garonne et qui ne seront pas illustrées ici : à savoir, des débits annuels moyens en baisse, des étiages plus prononcés, qui, par exemple, dans la haute Dordogne, donnent lieu actuellement à la mise à sec des petites rivières, lourde de conséquences pour le bon état écologique de ces cours d’eau et pour les cultures environnantes nécessitant de gros efforts d’irrigation, comme les étendues de maïs nouvellement implantées dans ce milieu.

Figure 6 : Nombre de tempêtes observées chaque année en France entre 1950 et 1999.

127Précisons encore que c’est la conjonction de la baisse progressive de ces divers flux d’eau de surface en amont qui induit les réponses enregistrées en aval en Aquitaine.

Systèmes Adour, Gaves et Nives

128Selon que l’on considère la rivière Adour ou les autres cours d’eau de ce système pyrénéen occidental, les études sur l’évolution actuelle des débits, qui sont encore très fragmentaires et peu abordées, n’ont pas porté sur les mêmes aspects.

129L’évolution des débits de l’Adour révèle des situations problématiques en périodes d’étiage, dans une région où les demandes d’irrigation sont fortes, principalement du fait du développement très prononcé de la maïsiculture.

130Il n’en est pas de même pour les Gaves et les Nives, bassins caractérisés par des débits spécifiques élevés (débits ramenés à une surface, exprimés en l/km2/s), où ce sont essentiellement les périodes de crues qui font l’objet d’études plus poussées ; cette zone considérée comme une hydro-écorégion, homogène du point de vue de la géologie, du relief et du climat [4], voit évoluer les cours d’eau montagnards d’un régime nival (dans le Béarn) ou pluvio-nival (dans le Pays Basque) à un régime pluvio-nival à pluvial, respectivement. Ceci a des conséquences directes sur la cyclicité des débits : débits printaniers décalés et moins forts, débits estivaux en baisse.

131Dans un travail sur l’impact du Changement Climatique sur le bassin-versant du Rhône dans les Alpes [5], pour des altitudes comparables aux Pyrénées occidentales, un schéma similaire a été proposé.

Hydrologie à l’échelle du Sud-Ouest

132Notons enfin le travail réalisé à l’échelle de la France qui vise à identifier les tendances récentes observées sur les débits caractéristiques des étiages et de la ressource [6]. Cette étude s’appuie sur un jeu de chroniques longues (autour de 40 ans) de bonne qualité hydrométrique et relatives à des bassins peu influencés. Ici on cerne mieux les évolutions hydrologiques liées au climat. Une des conclusions est la présence d’une tendance à la baisse du débit annuel pendant la période 1968-2008 (Figure 7).

133

Figure 7 : Tendances régionales observées sur le débit annuel sur la période 1968-2008. Les points représentent les stations hydrométriques incluses dans l’analyse (extrait de Giuntoli et Renard, 2010).

134Ceci s’inscrit dans une sévérité des étiages accrue perceptible sur la moitié sud de la France. De plus, un décalage de la période d’étiage vers plus de précocité est également observé. Une analyse plus précise montre qu’en changeant la période d’analyse les tendances temporelles ne restent pas stables ; ce qui induit une certaine prudence dans l’attribution à la seule hausse des gaz à effet de serre.

B- Les modélisations du futur

135Les Modèles de Circulation Générale (GCMs) tentent d’appréhender les impacts du changement climatique dû à l’augmentation des gaz à effet de serre sur les hydrosystèmes continentaux, sujets à de nombreuses incertitudes (paragraphe suivant).

136Actuellement, des approches modélisatrices performantes n’ont été proposées que pour le système hydrologique Garonne amont, intégrant tous les affluents majeurs, avec pour station aval celle de Lamagistère (Tarn et Garonne). De plus, le travail le plus complet [2] ne porte que sur des prévisions à l’échelle de temps 2030, horizon utile pour les décideurs comme l’Agence de l’Eau, d’autres auteurs [3][7] [8][9] abordant quelques décennies supplémentaires, mais aucune étude ne modélise jusqu’à la fin de ce siècle.

137Il ressort de ces études que, si le choix des modèles utilisés a une influence majeure sur les résultats obtenus (Figure 8) et si des spécificités locales bien tranchées peuvent être mises en évidence, une tendance majoritaire à la baisse des débits est révélée en quasiment toute saison.

Figure 8 : Évolution des débits mensuels en relatif entre les périodes 2046-2065 et 1970-1999. Le trait noir est la moyenne d’ensemble, la zone en gris clair est délimitée par la moyenne d’ensemble plus ou moins un écart-type intermodèle, la zone en gris foncé est délimitée par les valeurs maximales et minimales parmi les 14 GCMs. (Extraits de Boé 2007 [8]).
0 : l’Ariège à Foix
10 : le Tarn à Marsal
12 : l’Aveyronà Piquecos [Loubejac]
17 : Le Lot à Villeneuve sur Lot
13 : la Garonne à Lamagistère
19 : la Dordogne à Pessac sur Dordogne

138Comme il sera évoqué dans le paragraphe sur les incertitudes, toute la difficulté d’appliquer ces modèles à des échelles d’espace plus réduit, où les spécificités locales, dont les usages anthropiques, doivent être prises en compte, entraîne ces différences de résultats.

139De tels résultats régionaux sont en parfait accord avec les résultats obtenus sur les prévisions de données précipitation et évapotranspiration dans le bassin de la Garonne (Figure 9) : diminution de la pluviométrie, bouleversement des processus d’évaporation en relation avec les élévations de température de l’air engendrant ces baisses de débits, qui sont confirmées par tous les modèles, certes avec des gammes d’estimation relativement larges, mais qui abondent toutes dans le même sens.

Figure 9 : Changements relatifs (sans unités) dans les précipitations (PR), l’évapotranspiration (ET) et les débits (Q) dans le bassin de la Garonne entre les périodes 2046-2065 et 1971-2000. La longueur des barres larges correspond à la moyenne des données multimodèles, alors que les barres minces représentent les valeurs minimales et maximales de 14 modèles climatiques utilisés (Boé 2007 [8]). DJF = Décembre, Janvier, Février, etc.

140Toutefois, les résultats obtenus sur le système Garonne s’inscrivent parfaitement dans ceux proposés au niveau global français qui, quel que soit le modèle adopté, annonce une baisse générale des débits dans les décennies à venir (Figure 10).

Figure 10 : Changements relatifs annuels des débits sur la France entre les périodes 2046-2065 et 1971-2000 pour chaque modèle climatique CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project Phase3), Boé et al [10].

141Ces études, faites pour la plupart sur des bases d’élévation de température raisonnables (de l’ordre de 2 °C en moyenne annuelle à l’horizon 2030 et de 4 °C à 5 °C à l’horizon des décennies proches de la fin du siècle), donnent des réponses concordantes entre modèles et pour des zones géographiques variées : en moyenne, sur la Garonne amont, pour les années 2030, les baisses de débits annuels prévues tournent autour de 20 à 30 % selon les modèles hydrologiques utilisés pour les projections.

142Il n’existe pas de prévisions chiffrées à l’horizon 2100 qui, si les mêmes tendances perdurent tant du point de vue climatique que d’utilisation des eaux, devrait voir s’afficher des baisses très problématiques des débits. Du fait de la concordance de plusieurs des approches proposées actuellement et sans utilisation de modèle bien établi, des scénarios locaux à forte probabilité d’existence devraient se dessiner : par exemple, augmentations des débits en hiver, débits printaniers plus précoces et sans doute moins importants, ce qui devrait induire des réductions plus ou moins drastiques des débits estivaux et pourrait générer de graves nuisances.

III- Incertitudes

143Le traitement du changement climatique et de ses impacts sur l’hydrologie requiert un enchaînement de modélisation depuis le climat jusqu’aux modes de gestion. Chaque niveau est sujet à des hypothèses et porteur de biais et d’imprécision du fait de représentation forcément incomplète de la complexité. Il est indispensable d’examiner les résultats en intégrant les incertitudes. Une manière de prendre en compte les incertitudes au niveau du climat est de manipuler les sorties de plusieurs GCMs. Pour ce qui est de la réponse hydrologique, les modèles de transformation pluie-débit sont en général calés sur des données actuelles, et soumis à des conditions inédites (en particulier climatiques), ils ont, de fait, chacun une sensibilité propre aux évolutions du climat. Les incertitudes sur la représentation pluie-débit seront examinées en alimentant plusieurs modèles pluie-débit avec les mêmes projections climatiques.

144Il est donc possible qu’à partir de modèles établis pour des échelles plus ou moins larges et dans lesquels on introduit des spécificités locales, tant du point de vue du fonctionnement naturel que des usages locaux de l’eau, on puisse arriver à des propositions cohérentes d’évolution des débits des cours d’eau en fonction du changement climatique.

145De la simple étude des débits à Lamagistère (Tarn et Garonne), enregistrés sur les années 1971-1999 et reproduits par utilisation de quatre modèles hydrologiques différents (Figure 11), il ressort que des résultats cohérents sont enregistrés. Des résultats aussi probants ont été obtenus sur les bassins de la Loire et de la Seine, avec un peu plus de dispersion pour le Rhône pendant les périodes d’étiage. Néanmoins, on réalise déjà que des différences significatives peuvent exister.

146Au niveau des prévisions et à des échelles régionales, les incertitudes sont généralement fortes [11] et ce d’autant plus que les projections abordées sont à des échéances de temps éloignées. Les raisons en sont multiples.

  • Identification des scénarios de développement qui conditionnent les scénarios d’émission ;

  • Problème de désagrégation d’échelle et nécessité d’introduire des spécificités locales concernant les caractéristiques environnementales diverses, mais aussi les usages de l’eau ;

  • Dans des configurations de bassins versants complexes avec usages multiples, difficultés à se projeter dans le futur relativement à l’évolution de l’ensemble de ces activités et des transformations des bassins versants (occupation des sols, irrigation, hydroélectricité, aménagements divers…) ;

  • Choix des hypothèses climatiques à l’échelle régionale, quand l’étude porte sur des échéances lointaines, ne serait ce que pour les élévations de température, qui auront un rôle si important sur les bilans hydriques.

Figure 11 : Évolution saisonnière des débits à la Magistère sur la période 1971-1999, observés (trait noir) et simulés par 4 modèles hydrologiques différents (Boé et al. [10]).

Conclusion

147Une démarche prospective vise à analyser la possibilité de rééquilibrer les quantités d’eau (à travers le paramètre débit) suite à des modifications des usages de l’eau dans les bassins versants. La réflexion devra porter également sur des définitions appropriées des niveaux d’eaux minima qu’il sera souhaitable de garder sur les rivières et à l’exutoire des trois grands bassins (Garonne, Dordogne, Adour).

148Il n’existe pas d’actions envisageables permettant de modifier l’évolution prévisible des températures et des précipitations, qu’elles soient raisonnées en termes de moyennes ou de variabilité à toutes échelles de temps : interannuelle, saisonnière ou plus courte (événement pluvieux, tempête…).

149Ainsi, sur la plupart des aspects bilans hydrologiques, aucune possibilité d’intervenir : l’équilibre pluie, évapotranspiration, infiltration, ruissellement dépendra quasi-strictement de l’évolution du climat. Seuls les prélèvements d’eau qui se répartissent en alimentation en eau potable (AEP), en bassins industriels et agricoles peuvent faire l’objet d’aménagements. Or, des décisions draconiennes, qui semblent inévitables et concernent l’ensemble du problème de l’usage de l’eau, vont devenir incontournables.

150Penser à moins consommer d’eau, ne serait-ce qu’en l’utilisant de façon plus rationnelle, doit être la ligne directrice des politiques futures, plus recommandable qu’un développement immodéré de retenues d’eau de toutes sortes, qui ont parfois des effets néfastes sur les équilibres biogéochimiques et écologiques des cours d’eau :

  • Meilleur système d’irrigation et/ou changement de pratiques agricoles (culture à moindre consommation d’eau) à prévoir ;

  • Utilisation industrielle de l’eau plus efficace avec traitement plus performant de la qualité des rejets divers ;

  • Devant le processus inscrit d’une population croissante, utilisation plus parcimonieuse de l’eau à usage domestique.

151Comme la région Aquitaine est caractérisée par la réunion de sous-bassins aux caractéristiques propres très diversifiées, tant des points de vue structurels que d’usages de l’eau, les priorités affectées ne seront pas les mêmes d’une aire géographique à une autre.

152Dans le système Garonne amont, selon l’origine des affluents (Pyrénées ou Massif Central), soumis à des types de climat et à des usages différents, notamment agricoles et/ou industriels, les décisions à prendre seront spécifiques en fonction du cours d’eau concerné. De tout ceci, il faut garder à l’esprit que la qualité et l’abondance des eaux de la Garonne à son entrée en Aquitaine dépendront beaucoup plus des décisions prises en Midi-Pyrénées qu’en Aquitaine elle-même.

153Dans le système Dordogne amont, il est actuellement admis que, si la variabilité des débits saisonniers est très marquée par la gestion des barrages EDF, ce sont les plus petits cours d’eau qui subissent au plus fort les périodes d’étiages estivaux, avec des mises à sec désastreuses pour la faune aquatique locale. De même, en périodes printanière et estivale, des développements de macrophytes, en progression annuelle significative, pourraient être à l’origine d’apparitions saisonnières et ponctuelles de mousses qui, par leur présence, dénaturent immanquablement l’esthétisme de ce magnifique cours d’eau. Tous ces phénomènes influencent, là encore, la qualité des eaux de la Dordogne à son entrée en Aquitaine.

154Dans la rivière Adour, l’évolution des débits à prévoir est similaire à celle de la Garonne (renforcement de l’intensité et de la durée des étiages), ce qui nécessitera aussi des décisions à prendre sur les usages agricoles en vue de l’élaboration d’une gestion plus rigoureuse de consommation d’eau. Ce ne sera peut-être pas le cas des gaves pyrénéens qui voient leurs débits hivernaux perturbés plus par les effets du changement climatique que par leurs débits de période d’étiages.

8.4 Disponibilité des eaux souterraines24

  • 24 Nappe d’eau souterraine : Ensemble des eaux comprises dans la zone saturée d’un aquifère et dont to (...)

155Coordination : Alain Dupuy
Rédacteurs : Alain Dupuy, Bruno de Grissac, Frédéric Huneau
Contributeurs :
Cyril Lucas, Pierre Marchet

Il est juste d’affirmer que le climat et les ressources en eau sont interdépendants. Les eaux de surface sont pro parte directement liées au climat actuel, alors que les eaux souterraines le sont moins directement. Certains systèmes aquifères, notamment profonds, comme ceux présents en Aquitaine, ont des cycles de fonctionnement pluriséculaires voire plurimillénaires. Dans ces conditions, le changement climatique doit s’envisager d’une part en fonction de la nature de la ressource en eau (superficielle ou profonde) et d’autre part selon la nature directe ou indirecte des effets potentiels.
Actuellement des hypothèses sur le fonctionnement des hydrosystèmes permettent de relier les évolutions passées du climat avec la disponibilité actuelle des ressources en eaux souterraines. De nombreux travaux de recherche sont nécessaires afin d’établir les relations d’interdépendances entre le climat et la disponibilité des ressources en eau.
Malgré la complexité et la diversité géologique souterraine de l’Aquitaine, la sauvegarde et la pérennisation de cette richesse en termes de ressources en eau souterraine imposent une politique de gestion raisonnée, basée sur des travaux de recherche, afin de se prémunir vis-à-vis des multiples effets directs ou indirects du changement climatique.

Introduction

  • 25 Corps de roches perméables comportant une zone saturée en eau, suffisamment conducteur d’eau souter (...)
  • 26 http://www.aqui.fr/environnements
  • 27 Aquifère contenant une nappe généralement libre située entre la surface et quelques dizaines de mèt (...)
  • 28 Aquifère contenant une nappe généralement captive située entre plusieurs dizaines de mètres et quel (...)

156Les eaux souterraines représentent aujourd’hui un véritable enjeu dans le contexte d’un développement durable des ressources. Les aquifères25 profonds des grands bassins sédimentaires constituent une ressource potentielle considérable tout en étant quasiment insensibles aux phénomènes anthropiques de surface comme les pollutions. En France en 2012, tous usages confondus, 46 % des eaux prélevées proviennent des nappes souterraines (hors usage pour le refroidissement des centrales nucléaires et autres usines)26. En Aquitaine en 2010, quelque 310 millions de m3 (Mm3) ont été prélevés dans le milieu naturel pour l’alimentation en eau potable des populations. Ces prélèvements ont été satisfaits à 36 % dans les eaux superficielles et donc à 64 % dans les nappes de surface27 et dans les nappes et aquifères profonds28. En comparaison environ 510 mm3 ont été prélevés pour l’agriculture à 38 % dans les eaux superficielles et les retenues et à 62 % dans les eaux souterraines. Pour l’Aquitaine, cette part des eaux souterraines plus importante que la moyenne nationale s’explique par le potentiel hydrogéologique du Bassin aquitain, avec ses nombreux aquifères profonds renfermant des eaux de très bonne qualité et naturellement protégées des activités anthropiques de surface potentiellement polluantes.

157Le contexte du changement climatique et son cortège de modifications notamment sur les températures et la distribution spatio-temporelle des précipitations, induit des questionnements sur le devenir des ressources en eau souterraine, leurs disponibilités futures et leurs multiples utilisations ainsi que les futurs conflits d’usage potentiels. Des éléments de réponse peuvent se trouver dans l’aspect prospectif abordé à l’aide de modèles numériques, mais également sur des retours d’expérience tels que l’épisode caniculaire de l’été 2003 et son impact, riche de signification, sur les consommations en eau sur la Communauté Urbaine de Bordeaux (CUB) [1].

I- Contexte

État de la Recherche en France et en Aquitaine

158Afin d’échanger à propos des changements globaux et de leurs impacts sur les ressources en eau, l’Agence de l’Eau Adour-Garonne a organisé un colloque lors de l’année 2007. Ces rencontres entre acteurs locaux et membres de la communauté scientifique ont permis d’évoquer de nombreux sujets dont la gestion des ressources en eau souterraine. Ce colloque a mis en exergue un manque de connaissances concernant l’impact des changements climatiques sur les ressources en eau du bassin Adour-Garonne [2].

  • 29 Fraction des précipitations totales, exprimée sous forme de lame d’eau, qui atteint la nappe.
  • 30 Apports d’eau externe de toutes origines à un aquifère.

159À l’échelle du grand cycle de l’Eau, et notamment sur les relations entre eaux de surface et souterraines, de nombreuses méthodes permettent d’évaluer (avec plus ou moins de précision) la pluie efficace29, il reste cependant très difficile de distinguer et d’estimer la part de l’eau qui contribue à l’infiltration (recharge des nappes30) et celle qui contribue aux écoulements de surface. Ceci résulte des nombreux facteurs à prendre en considération tels que le volume et la durée des précipitations, la saison (ensoleillement et température), la pente du terrain et la nature des sols (perméabilité, végétation…). Afin d’établir des cartes nationales ou régionales de vulnérabilité intrinsèque des systèmes hydrogéologiques, le BRGM (Bureau de Recherche Géologique et Minières) a développé une méthode qui permet de produire un indicateur spatial nommé « Indice de Développement et de Persistance des Réseaux » (IDPR). Basé sur l’analyse du modèle numérique de terrain et des réseaux hydrographiques naturels qui sont partiellement conditionnés par le contexte géologique, cet indice permet alors de traduire l’aptitude des formations de sous-sol à laisser ruisseler ou s’infiltrer les eaux de surface [3]. Cet indice est utilisé par le BRGM pour la réalisation d’une carte de vulnérabilité des masses d’eau souterraines vis-à-vis du changement climatique.

160Des programmes de recherche sur le changement climatique et ses effets sur les eaux souterraines sont en cours de réalisation en Aquitaine. Le projet OPURES-Climat (OPtimisation des Usages des Ressources en Eaux Souterraines) a pour objectif la simulation des effets du changement climatique sur la gestion de ressources en eaux souterraines stratégiques en Aquitaine (2010-2012). Un autre programme se focalise sur les aspects paléoclimatiques, et notamment l’existence de traces ou signes antérieurs de changements climatiques mémorisés dans les systèmes aquifères profonds très inertiels, ainsi que sur l’adaptation de ces systèmes. Des travaux sont également menés en s’appuyant sur les grands modèles numériques hydrodynamiques Nord et Sud Aquitain utilisés pour la gestion active des ressources en eau souterraine, en simulant des tendances d’évolution des prélèvements en fonction de contraintes climatiques.

Spécificités régionales

161Le Bassin aquitain se présente comme une vaste dépression triangulaire limitée par des reliefs et largement ouverte vers l’Ouest sur l’Océan Atlantique. Sa bordure est constituée au Nord par la partie australe du Massif Armoricain, à l’Est par le Massif Central et au Sud par la Chaîne Pyrénéenne. Ces reliefs sont séparés par le seuil du Poitou au Nord et par le seuil de Naurouze au Sud-est, seuils qui le délimitent du Bassin Parisien et du Bassin Méditerranéen. Vers l’Ouest, le Bassin aquitain se prolonge sous l’océan par le plateau continental du golfe de Gascogne. À l’intérieur de ce cadre géographique se développe le bassin formé par une série de dépôts sédimentaires hétérogènes, datant essentiellement des ères Secondaire et Tertiaire (Figure 1).

Figure 1 : Bloc-diagramme géologique du Bassin d’Aquitaine (d’après BRGM-ANDRA, 1986).

  • 31 Accident tectonique structural de direction NO-SE (d’Arcachon à Carcassonne) qui divise le Bassin a (...)

162L’accident structural de la « Flexure Celtaquitaine »31, qui s’étend selon une ligne Arcachon-Toulouse sépare le Bassin aquitain en deux entités distinctes : au Sud une série sédimentaire marine, au Nord domaine de plate-forme de haut-fond.

  • 32 Aquifère dont les conditions et le comportement correspondent au karst (massif calcaire dans lequel (...)
  • 33 Formations constituées par des particules provenant des roches en place, mais ayant subi des modifi (...)
  • 34 Subdivision supérieure de l’ère cénozoïque – qui comprend aussi le système tertiaire –, le quaterna (...)

163De cette hétérogénéité géologique, découle une répartition spatiale et verticale des réservoirs aquifères relativement hétérogène. Au Nord de l’Aquitaine se développe le système Multicouche Nord-Aquitain qui fournit l’alimentation en eau potable du département de la Gironde, et une partie de la Dordogne, du Lot-et-Garonne et des Landes, au Sud, l’aquifère profond des Sables Infra-Molassiques (SIM) est commun avec Midi-Pyrénées. Au Nord-Est et au Sud, les formations calcaires des Causses et des Chaînons Béarnais renferment de puissants aquifères karstiques32. Superposées à ces grands systèmes aquifères, les formations alluviales33 du Quaternaire34 sont le siège des nappes d’accompagnement des grands cours d’eau, et de la nappe phréatique du Sable des Landes (Figure 2).

Figure 2 : Carte des systèmes aquifères aquitains à l’affleurement (d’après Atlas de l’Aquitaine, Conseil régional d’Aquitaine).

  • 35 Aquifère entièrement saturé comportant une nappe captive, donc sans surface libre ni zone non satur (...)

164Forte de tous ces systèmes aquifères, l’Aquitaine apparaît relativement bien lotie dans un contexte de changement climatique. Toutefois, ces systèmes, notamment profonds, se caractérisent par un fonctionnement très inertiel : ainsi le taux de renouvellement des eaux est extrêmement faible à l’échelle humaine, et seuls des événements climatiques majeurs sont capables de générer des recharges notables. Les grands systèmes aquifères captifs35 européens ont ainsi connu leurs dernières grandes périodes de recharge au cours du petit âge glaciaire (cf. chapitre 2) et à la débâcle de la dernière glaciation il y a environ 10 000 ans [4].

165Différents indicateurs géolo-giques permettent de retracer l’allure générale de la courbe des changements de température de la Terre depuis son origine, il y a 4,6 milliards d’années (Figure 3). Ces derniers mettent en évidence un climat généralement plus chaud que celui des 2 derniers millions d’années. À l’échelle des temps géologiques, les variations de température moyenne ont été très importantes tant en ampleur qu’en fréquence.

  • 36 Volume distinct d’eau souterraine à l’intérieur d’un ou de plusieurs aquifères.

166Afin de répondre aux exigences de la DCE et dans le cadre du SDAGE actuel, les différents aquifères présents sur le bassin Adour-Garonne ont été subdivisés en masses d’eau souterraines36 (MESO). Les 105 masses d’eau souterraines répertoriées sur l’ensemble du bassin concernent, pour 85 d’entre elles, des masses d’eau souterraines libres, les 20 masses d’eau restantes étant captives.

167Selon un classement des différents systèmes en fonction de leurs propriétés physiques et de leurs modes de fonctionnement, une typologie permettant de les distinguer a été mise en place dans le cadre d’une étude pour le compte de l’Agence de l’Eau Adour-Garonne en 2011 [6].

168Elle comprend sept grandes classes de systèmes, dont 6 sont présentes en Aquitaine :

  • Les systèmes libres sédimentaires,

  • Les systèmes captifs,

  • Les systèmes alluviaux,

  • Les systèmes situés sur la frange littorale,

  • Les systèmes karstiques,

  • Les systèmes de socle cristallin.

169Le sous-sol de l’Aquitaine se caractérise par différents types de systèmes hydrogéologiques induits par les caractéristiques géologiques de ce dernier. Chaque type de système se distingue par des conditions de gisement et/ou un fonctionnement hydrodynamique différent.

170Il est de plus admis qu’au regard du fonctionnement des différents systèmes, de leurs diverses relations (ou interrelations) avec des composantes externes (climatique, hydrologique, océanique…), la signature des effets du changement climatique sera différente en fonction du type de système observé.

Figure 3 : Tendance d’évolution des températures au cours de 4,5 milliards d’années BP [5].

II- Impacts observés et attendus

Modification des modalités d’alimentation

171Induite par les changements climatiques, la modification des différentes composantes du cycle hydrologique devrait avoir un impact plus ou moins important sur les flux entrants au sein des différents systèmes hydrogéologiques du bassin.

  • 37 Flux d’eau souterraine à composante essentiellement verticale, passant d’un aquifère à un autre au (...)

172La recharge des aquifères s’effectue d’une part au niveau des zones d’affleurement des formations aquifères par infiltration directe de l’eau de pluie, et d’autre part par le phénomène de drainance37, caractérisé par des flux issus des systèmes hydrogéologiques encadrant. Dans une moindre mesure, le réseau hydrographique peut également constituer un soutien à la recharge des aquifères par l’interaction directe entre nappe et cours d’eau. Ces derniers et notamment les débits des rivières sont spécifiquement abordés dans le chapitre 8.3.

  • 38 Aquifère contenant une nappe libre et comportant une surface libre (lieu des points d’une nappe où (...)

173Les précipitations constituent une composante importante dans la recharge des aquifères libres38. Cependant, les anomalies de précipitation issues des simulations climatiques restent actuellement marquées par de nombreuses incertitudes et il s’avère difficile de quantifier précisément l’évolution de ce paramètre essentiel, notamment pendant la période hivernale. En effet, contrairement à la période estivale, pour laquelle les modèles simulent une baisse des précipitations, une forte divergence des anomalies simulées par ces derniers caractérise la période hivernale, période qui contribue à la recharge des systèmes hydrogéologiques. À l’échelle régionale, les derniers résultats issus des projections du Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique (CERFACS) semblent indiquer malgré tout une baisse des précipitations au cours des mois de décembre, janvier et février. La moyenne annuelle multimodèles des anomalies simulées se situe entre -5 et -25 mm/an à l’horizon 2046-2065. Cette baisse serait plus conséquente dans la partie Sud-Ouest du bassin.

174Une diminution de la pluviométrie et une éventuelle modification de la distribution temporelle de cette dernière au cours de l’hiver pourraient avoir une influence sur la recharge des systèmes hydrogéologiques du bassin. Les masses d’eau souterraine libres, principalement rechargées par les apports météoriques, seront particulièrement concernées par ces évolutions. L’estimation de la modification des flux entrants au sein des différents systèmes reste cependant très difficile à réaliser. D’autres facteurs pourraient en effet modifier la recharge comme la diminution des précipitations solides, associées à une hausse des précipitations dans les zones de basse et moyenne montagne [7] ou encore la modification des phénomènes d’évapotranspiration. Régulés par de nombreux phénomènes physiques, chimiques et biologiques, ces derniers sont également associés à de nombreuses incertitudes et il s’avère actuellement difficile d’estimer exactement leur évolution.

175Conditionnées directement par les précipitations et l’évapotranspiration, les pluies efficaces risquent ainsi d’être plus ou moins modifiées en fonction de l’évolution de ces paramètres. Ces modifications seront d’ordre quantitatif mais pourraient également concerner la nature des écoulements associés à ces dernières. En effet, une modification de la répartition des flux qui contribuent aux écoulements de surface et à l’infiltration est largement envisageable. Régie par de multiples paramètres (climat, nature des sols et occupation, état hydrique des sols et de la végétation, type de végétation, topographie…), la distribution exacte de ces flux s’avère difficilement estimable pour une période en cours et pour un secteur donné et l’est donc d’autant plus dans un cadre prospectif.

176L’approche classique utilisée par la communauté scientifique afin d’estimer les futures conditions de recharge des systèmes hydrogéologiques consiste à développer des modèles continentaux de surface qui prennent en compte l’ensemble du continuum sol/végétation/atmosphère et qui sont souvent désignés par l’acronyme anglais SVAT (Soil Vegetation Atmosphere Transfer). Une étude menée en 2010 par Mc Callum et al. [8] a par exemple permis de démontrer, que la recharge d’un aquifère n’était pas seulement conditionnée par les précipitations mais par un ensemble de paramètres (concentration en dioxyde de carbone, température, précipitation, pression de vapeur saturante, radiation solaire et intensité des précipitations). En effectuant différentes analyses de sensibilité pour chaque critère et des analyses multicritères sur un modèle SVAT, les auteurs ont ainsi mis en évidence l’influence de l’ensemble des facteurs étudiés sur les modalités d’alimentation des aquifères.

177En France, une étude intitulée RExHyss [9] menée dans le cadre du programme GICC (Gestion et Impacts du Changement Climatique) a permis, à l’aide de différentes projections climatiques régionalisées et de différents types de modèles couplés, d’estimer à 30 % la diminution de la recharge moyenne annuelle des systèmes hydrogéologiques des bassins de la Seine et de la Somme pour une diminution moyenne des précipitations hivernales estimée à 12 % pour la fin du XXIe siècle.

178La partie nord de l’Aquitaine a servi de site test dans le projet Explore 2070 du Ministère de l’Environnement (2010-2012) qui visait à proposer une vision systémique des impacts liés aux évolutions du cycle de l’eau et à construire les stratégies d’adaptation. Toutefois, aucune étude académique spécifique n’a été réalisée sur le bassin Adour-Garonne ni en Aquitaine afin d’estimer la recharge des systèmes face aux changements climatiques. Comme précisé ci-avant, cette dernière sera largement influencée par la modification des précipitations et devrait concerner les différents types de masses d’eau souterraines libres du bassin (sédimentaire libre, socle, karstique, alluvial…). Les stocks disponibles au sein de ces différents systèmes et l’amplitude saisonnière qui les caractérise pourraient alors diminuer au cours des prochaines décennies.

  • 39 Aquitard : corps de roches peu perméables pouvant contenir et stocker d’importantes quantités d’eau (...)

179Induits par une différence de pression de part et d’autre des aquitards39, les phénomènes de drainance constituent une autre forme de recharge. Ces derniers concernent l’ensemble du système aquifère multicouche du bassin sédimentaire aquitain et peuvent représenter une composante majeure dans la recharge des aquifères, notamment les grands systèmes captifs au sein desquels de nombreux transferts s’effectuent ainsi. Les systèmes libres peuvent également être alimentés par des flux ascendants issus des formations sous-jacentes.

  • 40 État énergétique de l’eau souterraine mesuré au toit d’un aquifère et exprimé par unité de poids et (...)

180Conditionnée par l’état piézométrique40 des aquifères, la recharge par flux de drainance pourrait alors, suite à l’évolution de ce dernier, être indirectement modifiée par les changements climatiques. Compte tenu de l’extension régionale de certains aquifères du système multicouche, ces modifications pourraient ainsi concerner d’importants volumes d’eau. Hormis ce type d’impact, les grands systèmes captifs se caractérisent par un fonctionnement fortement inertiel et présentent a priori une faible vulnérabilité vis-à-vis des impacts directs des changements climatiques.

181Comme mentionné précédemment, la recharge des systèmes peut également être réalisée, dans une moindre mesure, par des apports directs issus du réseau hydrographique. Ces derniers concernent tous les systèmes qui présentent des interrelations étroites avec les cours d’eau (systèmes sédimentaires libres, alluviaux, karstiques). Ces apports s’effectuent généralement en période de hautes eaux, sous l’effet d’une différence de charge entre les cours d’eau et les aquifères. Ainsi, la modification des écoulements de surface durant la période hivernale pourrait engendrer une évolution des flux entrant au sein du compartiment souterrain. L’évolution des débits des cours d’eau à cette période reste pour le moment associée à de plus fortes incertitudes que pour la période estivale donc il s’avère difficile d’évaluer précisément ce type d’impact. Cependant, une étude menée en 2003 sur l’impact du changement climatique sur les ressources en eau du bassin Adour-Garonne [10] a permis de montrer que certains cours d’eau pourraient passer d’un régime nival à un régime d’écoulement pluvial, caractérisé par une augmentation des débits en période hivernale. Une hausse de la recharge de certains systèmes pourrait ainsi être envisagée si cette augmentation des débits engendrait une hausse de la ligne d’eau suffisante pour permettre à cette dernière d’être supérieure à la surface piézométrique des nappes.

Modification des interactions nappes/cours d’eau

182Certains systèmes du bassin se caractérisent par d’importantes interrelations avec le réseau hydrographique. Conditionnés par l’état quantitatif de chacun des compartiments (superficiel et souterrain) en un endroit donné, les échanges entre les cours d’eau et les aquifères se font, soit directement lorsque les alluvions sont peu ou pas développés et que le cours d’eau est en contact direct avec l’aquifère, soit par l’intermédiaire des nappes d’accompagnement. Généralement, les cours d’eau alimentent les nappes en périodes hivernales et sont alimentés par ces dernières en période estivale. Le compartiment souterrain joue un rôle majeur dans le soutien des débits d’étiage, permettant au cours d’eau de conserver un débit de base par drainage des aquifères.

183La modification de l’état quantitatif de chacun de ces compartiments, induite par les changements climatiques, devrait alors modifier ces échanges. Si l’évolution de ces derniers présente de nombreuses incertitudes pour la période hivernale, la période estivale se caractérise par un signal beaucoup plus robuste. De nombreuses études prospectives ont mis en évidence une réduction des débits au cours de la période d’étiage, associée à un allongement de cette dernière dû à une diminution des apports issus de la fonte des neiges (impact associé au cours d’eau caractérisé par un régime d’écoulement nival). Cette baisse de la ligne d’eau en période estivale entraînera alors un renforcement du drainage des systèmes hydrogéologiques et une vidange plus rapide de ces derniers car plus intense et débutant parfois plus tôt dans l’année. Quelques études hydrologiques prospectives ont été réalisées sur le bassin Adour-Garonne mais aucune d’entre elles n’a permis d’estimer ce type d’impact [11][12][13].

Modification des flux sortants

184Les systèmes hydrogéologiques présentent différents types de flux sortants. Ces flux peuvent subvenir, soit sous forme de sources, soit par la vidange naturelle dans le réseau hydrographique, ou encore par les effets des drainances entre différentes formations.

185De ce fait, si l’évolution du climat entraîne des modifications du fonctionnement des systèmes hydrogéologiques et a un impact sur les flux entrants par effet de drainance, une modification des flux sortants sera in fine également observée. Cet impact concerne essentiellement les aquifères du système multicouche présents au sein du bassin sédimentaire aquitain.

186En ce qui concerne les flux sortants par effet de vidange dans le réseau hydrographique, la modification de ces derniers, en réponse aux changements climatiques, est également présentée ci-dessus car ce phénomène constitue une composante des interactions nappes/rivières.

187Enfin, les flux sortants des systèmes peuvent également se présenter sous forme de sources. L’Aquitaine compte un nombre important de sources, principalement présentes au sein des systèmes karstiques et de socles-cristallin mais également au sein de certains systèmes de type sédimentaire ou encore alluvial. Ces dernières présentent des débits variables qui résultent du mode de fonctionnement des aquifères et de leurs conditions de gisement. Certaines sources sont pérennes et présentent des débits plus ou moins constants tout au long du cycle hydrologique alors que d’autres sont transitoires et ne fonctionnent qu’en période de hautes eaux. Ce type de flux sortant varie donc en fonction des systèmes concernés et il serait incohérent de généraliser l’impact du changement climatique sur cette composante des systèmes hydrogéologiques.

188Cependant, il apparaît important de remarquer que la modification de l’état quantitatif de certains systèmes, accompagnée d’une hausse de la fréquence des périodes sèches, pourraient avoir un réel impact sur certaines sources du bassin. Les sources qui présentent la plus grande vulnérabilité face aux changements climatiques sont celles qui se caractérisent actuellement par des fonctionnements saisonniers avec de faibles débits en périodes de basses eaux. Des observations effectuées sur certaines sources de la chaîne des Pyrénées montrent que ces dernières peuvent présenter des épisodes de tarissement au cours de certaines années sèches [14]. Ces épisodes pourraient alors se multiplier dans les années à venir pour les systèmes qui présentent ce type de source et qui se caractérisent par une faible fonction capacitive et des temps de résidence très courts.

Intrusions marines (surcote et biseau salé)

189L’élévation du niveau moyen des océans, induite par les changements climatiques et engendrée principalement par la fonte des calottes polaires et la dilatation thermique des eaux océaniques, pourrait avoir un impact sur les systèmes hydrogéologiques côtiers. De nombreux travaux de recherche ont été effectués ces dernières années afin d’estimer cette variation du niveau moyen des océans en tenant compte de l’ensemble des facteurs responsables de cette dernière [15][16]. Les valeurs obtenues sont très différentes et témoignent de l’incertitude qui caractérise l’ensemble des résultats et de la complexité de l’exercice.

190Différents intervalles de valeurs en fonction des différents scénarios SRES (Special Report on Emissions Scenarios) ont été présentés au sein du 4e rapport d’évaluation du GIEC. Ces derniers vont de 0,18 m à 0,59 m pour la fin du XXIe siècle et constituent actuellement des estimations relativement basses par rapport à l’ensemble des résultats proposés par la communauté scientifique.

191Une étude récente du BRGM menée sur la montée du niveau marin induite par les changements climatiques [17] précise que, quelle que soit la nature de cette variation, nous sommes actuellement entrés dans une dynamique qui engendrera une remontée du niveau marin bien au-delà de l’horizon 2100.

192L’intrusion marine résulte d’un équilibre naturel et se présente sous la forme d’un biseau salé plus ou moins développé (caractérisé par une interface eau douce/eau salée). Certains systèmes hydrogéologiques côtiers pourraient être impactés par une surcote du niveau marin et un déplacement du trait de côte vers l’intérieur du domaine continental. Ces deux facteurs pourraient en effet perturber l’équilibre actuellement existant par un déplacement du front de salinité et une modification du biseau salé (géométrie et position).

193Certains aquifères côtiers représentent une ressource en eau essentielle et sont donc associés à des enjeux importants. De nombreuses études ont été menées ces dernières années afin d’améliorer les connaissances de ces phénomènes et d’appréhender la sensibilité des systèmes côtiers face à une évolution du niveau marin. Différentes méthodes telles que le développement de modèles hydrodynamiques/hydrodispersifs ou encore les méthodes de cartographie de la vulnérabilité des aquifères permettent d’aborder ce type de phénomènes et de caractériser la sensibilité des systèmes côtiers.

  • 41 Formations rocheuses qui se forment en même temps que les montagnes et constituées par des successi (...)
  • 42 Terme groupant le Pliocène et le Quaternaire, soit un laps de temps de 5 à 6 millions d’années.
  • 43 Époque de l’ère Tertiaire d’une durée approximative de 18 à 20 millions d’années, soit de-23,03 à-5 (...)

194Situé sur la façade Atlantique, le Bassin aquitain présente une sensibilité relativement faible vis-à-vis des intrusions salines. Constitué de flyschs41, le secteur du Pays Basque ne présente pas d’aquifères côtiers et le reste du littoral, caractérisé par la présence du système multicouche du bassin sédimentaire aquitain, présente peu de secteurs sensibles à ces phénomènes. En effet, comme précisé précédemment, les principaux aquifères du système multicouche qui pourraient présenter une sensibilité vis-à-vis d’une hausse du niveau marin sont les aquifères peu profonds du Plio-Quaternaire42 et du Miocène43. Les autres formations qui composent ce système sont des aquifères captifs, de grande extension, qui entrent en contact avec le milieu océanique au droit du talus continental et pour lesquels, même une surcote de 2 mètres aurait une influence insignifiante sur l’équilibre naturel actuellement en place. Les enjeux les plus importants concernent les aquifères qui présentent actuellement une interface eau douce/eau salée au droit de la frange littorale. La surcote représente pour ces systèmes un facteur d’évolution mais c’est surtout la modification du trait de côte induite par cette dernière qui constitue un risque. La modification du trait de côte sera largement conditionnée par la topographie et il est donc important de souligner que les zones les plus sensibles du bassin Adour-Garonne vis-à-vis des intrusions salines sont celles qui ne sont pas protégées par le cordon dunaire et qui présentent une topographie relativement basse par rapport au niveau marin actuel. Les aquifères du bassin concernés par une modification de l’interface eau douce/eau salée suite à une hausse du niveau marin pourraient, par exemple, être ceux situés actuellement au droit de la zone estuarienne de l’Adour, du bassin d’Arcachon, de la partie nord de la zone estuarienne de la Gironde…

Impacts indirects sur les ressources en eau souterraine

195Les changements climatiques auront des répercussions directes sur les ressources en eau souterraine. La modification de certains facteurs climatiques et hydrologiques tels que les régimes de pluie, la température, les phénomènes d’évaporation et l’infiltration engendreront certainement une modification du fonctionnement de certains systèmes hydrogéologiques, en particulier celui des systèmes libres. En effet, contrairement aux eaux superficielles, les eaux souterraines présentent une inertie plus ou moins importante vis-à-vis des facteurs de stress surfaciques. Cette caractéristique inertielle est d’autant plus importante pour les systèmes captifs qui peuvent présenter un temps de réponse particulièrement long face à un événement (effet différé), du fait de leur composante capacitive qui leur confère un grand potentiel à enregistrer et amortir les effets de la variabilité climatique.

196Si les travaux sur les impacts directs se multiplient, il reste cependant primordial de prendre en considération les effets induits des changements climatiques qui pourraient s’avérer être tout aussi conséquents et concerner l’ensemble des aquifères (libre et captif). Ces impacts indirects se traduiront par une augmentation des pressions anthropiques sur les eaux souterraines causées par exemple par :

  • Augmentation des volumes prélevés pour la consommation domestique, particulièrement pendant les événements extrêmes tels que les épisodes de sécheresse qui pourraient être de plus en plus fréquents dans le futur ;

  • Augmentation des volumes prélevés pour l’irrigation afin de limiter le stress hydrique des cultures en périodes estivales (en considérant un maintien des pratiques agricoles actuelles) ;

  • Augmentation des prélèvements dans le compartiment souterrain induite par la diminution des ressources disponibles en surface, notamment en période d’étiage.

Enseignement de la canicule 2003 et des années 2007 et 2008 pour la prise en compte des changements climatiques dans l’estimation des besoins futurs en eau potable : les enjeux pour le SAGE Nappes Profondes de Gironde.
Réalisée en 2009 cette étude avait pour objectif d’étudier l’impact des phénomènes caniculaires sur l’usage eau potable, dans la perspective de leur multiplication, pour la prise en compte dans le dimensionnement des infrastructures d’eau potable, et notamment des projets de substitution des ressources destinés à préserver les nappes profondes. Cette dernière était donc liée à la révision du SAGE Nappes profondes et s’inscrivait dans le projet Eau& 3E du programme « villes durables » de l’Agence Nationale de la Recherche.
Dans le cadre de cette étude, une analyse statistique et une recherche de corrélation ont été effectuées entre les volumes utilisés pour l’eau potable et les indicateurs climatologiques pour les dernières années caractérisées par des conditions climatiques particulières (été caniculaire en 2003 et frais et humide en 2007 et 2008). Ces dernières ont été réalisées à partir de données de prélèvements ou de production fournies par les services d’eau potable de Gironde (au mieux sur les trente dernières années) et de données climatiques issues de plusieurs stations météorologiques, dont Mérignac, la plus ancienne et la plus complète du département.
Les principales conclusions, issues du compte rendu de cette étude, sont les suivantes :
- Les phénomènes climatologiques extrêmes et ponctuels n’expliquent pas à eux seuls les prélèvements atypiques des années 2003 ou 2007-2008. Les variations sont plutôt dues à des écarts à la moyenne climatologique sur plusieurs mois (années globalement plus chaudes et sèches, ou fraîches et humides) ;
- La production d’eau potable réagit immédiatement aux variations de température maximale (pas d’effet retard ni de perturbation du phénomène) ; des corrélations linéaires entre les prélèvements et températures maximales ont été mises en évidence. Les meilleures (R2 de 0,8 à plus de 0,9) correspondent à des périodes courtes sans précipitations durant lesquelles la température ne varie que dans un sens, et en distinguant les jours ouvrables et le week-end (le nombre d’usagers présents étant le paramètre le plus influent) ;
- La pluviométrie interfère dans la relation entre prélèvements AEP et température maximale : une même augmentation de température génère une augmentation de prélèvements d’eau potable nettement plus faible (environ 2 fois) si la période est pluvieuse ;
- Sur la Communauté Urbaine de Bordeaux (CUB), le lien linéaire entre l’augmentation de température maximale et l’augmentation de volume d’eau potable produit a pu être quantifié. Par exemple, pour les jours ouvrables des années chaudes et sèches, sur la base d’une production moyenne estivale actuelle d’environ 155 000 m3/j, une augmentation de 1,6 % de la consommation par degré d’augmentation de température a été constatée.
- À partir de ce dernier résultat, une simulation de la production d’eau potable de la CUB à l’horizon 2050 a été effectuée, sur la base des projections climatiques issues du GIEC. L’ordre de grandeur obtenue est de 4 à 8 % d’augmentation moyenne pour la période estivale et de 10 à 12 % pour la semaine de pointe. Ces résultats ont ainsi permis d’apporter des éléments de réflexion qui pourront être utilisés pour certains aspects de la gestion des ressources en eau, notamment pour le dimensionnement des infrastructures d’alimentation en eau potable.

Conclusion

  • 44 Flux d’eau extrait du sol par évaporation et par prélèvement par la végétation.

197Le changement climatique et ses conséquences peuvent s’envisager sous forme d’effets directs ou indirects vis-à-vis des ressources en eau souterraine. Parmi les effets directs, les principaux questionnements portent sur les modifications du mode d’alimentation et de recharge des aquifères en fonction des perturbations climatiques telle que la modification du régime spatio-temporel des précipitations. In fine la question porte sur les effets des modifications climatiques (durée, fréquence, répartition des précipitations, températures moyennes, évaporation, évapotranspiration44…) sur le fonctionnement hydrodynamique des systèmes aquifères et plus spécifiquement sur la fonction de recharge et d’alimentation des nappes. On peut également évoquer l’effet de ces changements sur la qualité des réserves et donc leur usage futur.

198Les effets indirects soulèvent également d’importants questionnements comme l’effet d’un report des prélèvements de surface vers les aquifères profonds. Le manque potentiel de précipitations et donc le déficit de ressources de subsurface devront être palliés par les ressources souterraines, tant du point de vue de l’eau potable que du point de vue des besoins en irrigation. La question est donc posée de l’effet des reports de prélèvement des eaux superficielles vers les eaux souterraines pour l’eau potable ainsi que pour l’irrigation. Les questionnements portent à la fois sur le court terme avec la gestion des périodes de demandes sévères et ponctuelles comme la période d’irrigation, mais également sur le long terme avec l’effet cumulé d’un déficit de recharge ou d’alimentation associé à une forte augmentation des prélèvements.

Industrie chimique dans le secteur du Bec d’Ambès en Gironde (© T. Auly, Université de Bordeaux 3).

Notes

1 Usuellement appelé gaz carbonique : d’origine naturelle ou résultant des processus de combustion.

2 Constituant principal du gaz naturel.

3 Issu principalement des processus de combustion incomplète (pauvres en oxygène).

4 Issus principalement des processus de combustion.

5 Composé issu principalement dans la basse atmosphère de processus photochimiques en lien avec l’activité humaine.

6 Libéré dans l’atmosphère terrestre par les volcans et par de nombreux procédés industriels, ainsi que par la combustion de combustibles fossiles.

7 Issu principalement des activités agricoles.

8 Considéré comme le « nettoyeur » principal de l’atmosphère car très réactif.

9 Composé à usage industriel (électronique, réfrigération).

10 cf. aussi le chapitre 9.

11 Couche atmosphérique comprise entre le sol et environ 15 km d’altitude. La stratosphère, où se situe notamment la couche d’ozone qui nous protège des rayonnements UV nocifs, se situe au dessus, entre 15 et 50 km d’altitude.

12 Composés chimiques émis par des processus impliquant le vivant.

13 Quantité d’énergie reçue par le système climatique Terre-atmosphère et quantité d’énergie réémise vers l’espace. Lorsque le bilan est nul, la température moyenne de la planète est stable.

14 Fraction du rayonnement solaire réfléchi par une surface (comme celle de la Terre).

15 Qui change le génome (en général l’ADN) d’un organisme.

16 Qui provoque le développement de cellules anormales au cours de la croissance fœtale.

17 Composés chimiques de la famille des terpènes, produits en particulier par des conifères.

18 Rejets industriels, domestiques… plus ou moins traités vers le milieu aquatique.

19 Désigne la forme chimique et structurale sous laquelle se trouve un élément métallique ou une molécule.

20 Les algues du genre Ostreopsis causent des nuisances dans les eaux de baignades en Méditerranée depuis 2006, elles sont aussi déjà détectées en petit nombre sur les côtes atlantiques françaises.

21 Les ciguatoxines ont été répertoriées en Europe africaine depuis plusieurs années (provenance probable des Caraïbes), un premier cas a été rapporté en France méditerranéenne en 2011.

22 Les pinnatoxines ont causé des toxicités atypiques en France (étang d’Ingril) depuis 2006.

23 Pression de CO2.

24 Nappe d’eau souterraine : Ensemble des eaux comprises dans la zone saturée d’un aquifère et dont toutes les parties sont en liaison hydraulique.

25 Corps de roches perméables comportant une zone saturée en eau, suffisamment conducteur d’eau souterraine pour permettre l’écoulement d’une nappe d’eau souterraine et le captage d’une quantité d’eau appréciable.

26 http://www.aqui.fr/environnements

27 Aquifère contenant une nappe généralement libre située entre la surface et quelques dizaines de mètre de profondeur.

28 Aquifère contenant une nappe généralement captive située entre plusieurs dizaines de mètres et quelques milliers de mètres de profondeur.

29 Fraction des précipitations totales, exprimée sous forme de lame d’eau, qui atteint la nappe.

30 Apports d’eau externe de toutes origines à un aquifère.

31 Accident tectonique structural de direction NO-SE (d’Arcachon à Carcassonne) qui divise le Bassin aquitain en une province septentrionale (plate-forme continentale) et une province méridionale (fosses de subsidence très profondes de Parentis et de l’Adour).

32 Aquifère dont les conditions et le comportement correspondent au karst (massif calcaire dans lequel l’eau a creusé de nombreuses cavités).

33 Formations constituées par des particules provenant des roches en place, mais ayant subi des modifications plus ou moins importantes du fait de leur transport par les eaux courantes.

34 Subdivision supérieure de l’ère cénozoïque – qui comprend aussi le système tertiaire –, le quaternaire a débuté il y a 2,6 millions d’années, avec l’apparition de l’homme.

35 Aquifère entièrement saturé comportant une nappe captive, donc sans surface libre ni zone non saturée, délimité au toit par des formations à perméabilité très faible faisant obstacle à tout flux appréciable.

36 Volume distinct d’eau souterraine à l’intérieur d’un ou de plusieurs aquifères.

37 Flux d’eau souterraine à composante essentiellement verticale, passant d’un aquifère à un autre au travers d’une couche moins perméable.

38 Aquifère contenant une nappe libre et comportant une surface libre (lieu des points d’une nappe où la pression de l’eau égale la pression atmosphérique) et une zone non saturée.

39 Aquitard : corps de roches peu perméables pouvant contenir et stocker d’importantes quantités d’eau mais dont les vitesses de circulation sont faibles.

40 État énergétique de l’eau souterraine mesuré au toit d’un aquifère et exprimé par unité de poids et de volume de la colonne d’eau.

41 Formations rocheuses qui se forment en même temps que les montagnes et constituées par des successions de bancs de grès à la base de la formation et de schistes vers le haut de la formation.

42 Terme groupant le Pliocène et le Quaternaire, soit un laps de temps de 5 à 6 millions d’années.

43 Époque de l’ère Tertiaire d’une durée approximative de 18 à 20 millions d’années, soit de-23,03 à-5,332 millions d’années.

44 Flux d’eau extrait du sol par évaporation et par prélèvement par la végétation.

Notes de fin

a Variation de l’éclairement énergétique net due à une modification externe du rayonnement solaire ou de la concentration d’un composé dans l’atmosphère.

Table des illustrations

Légende Figure 1 : Représentation schématique des interactions entre les processus physico-chimiques se déroulant dans l’atmosphère, les cycles biogéochimiques et le système climatique terrestre (IPCC, 2007).
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Légende Figure 2 : Synergies et compromis entre les politiques de gestion de la qualité de l’air et de lutte contre les changements climatiques (d’après Monks et coll. [5]).
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Légende Figure 3 : Différence estivale près de la surface entre la concentration moyenne journalière d’ozone simulée (en ppb) pour la période A2 (2071-2100) et pour l’époque actuelle (1961-1990) [20] (© 2007, Académie des Sciences, publié par Elsevier Masson SAS, tous droits réservés).
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Légende Figure 4 : Forçage radiatifa moyen à l’échelle globale, ainsi que l’étendue géographique et le niveau de compréhension scientifique [2].
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Légende Figure 5 : Carte de la concentration d’ozone (en µg.m-3) en Aquitaine suite à la canicule de l’été 2003 (AIRAQ).
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Légende Figure 6 : Cartographie des émissions de particules en suspension (PM 10) en Aquitaine en 2010, par communes en kg/km2 (AIRAQ [30]).
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Légende Figure 7 : Évolutions en pourcentage des concentrations en dioxyde
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Légende Figure 8 : Cartographie des communes dites sensibles à la pollution atmosphérique en Aquitaine [43].
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Légende Figure 1 : Évolution de la quantité d’eau douce en fonction du nombre d’habitants à l’échelle de 2025 [1].
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Légende Figure 2 : Cycle de l’eau (http://www.services.eaufrance.fr/​services/​grand-cycle-l-eau).
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Légende Figure 3 : Concentrations en nitrates dans les eaux superficielles et les eaux souterraines françaises entre 1992 et 2005 [39].
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Légende Figure 4 : Concentrations en nitrates dans les eaux supericielles et les eaux souterraines françaises en 2007 [39].
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Légende Figure 5 : Sources et processus conditionnant la présence des micro-polluants chimiques dans l’environnement aquatique [23].
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Légende Figure 6 : Évolution des concentrations de deux métaux cibles, le cadmium et le mercure, dans les eaux européennes [56].
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Légende Figure 7 : Évolution des concentrations en argent dans les huîtres de la Gironde à trois sites de l’embouchure montrant un gradient de contamination du plus interne (La Fosse) vers le plus marin (Bonne Anse ; données RNO ; [18]). À noter que les concentrations en Argent dans les huîtres reflètent les concentrations en Argent dissous dans le gradient de salinité de l’estuaire de la Gironde et que les dernières données (2008-2011 ; non publiées) montrent une augmentation des valeurs actuelles à un niveau maximum (i. e. égal ou supérieur à celui des années 1999-2002).
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Légende Figure 8 : Principales molécules présentes dans les eaux superficielles sur la période 2007-2009 en métropole, tous réseaux confondus, et pourcentages de quantification en 2001 [67][68].
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Légende Figure 1 : Réseau hydrographique du Sud-Ouest de la France : affluents majeurs de Garonne, Dordogne, Adour (Coynel, [1]).
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Légende Figure 2 : Moyenne annuelle des débits de la Garonne à Tonneins et de la Dordogne à Pessac Sur Dordogne à l’entrée de l’estuaire de laGironde.
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Légende Figure 3 : Nombre de jours au-dessous du débit objectif d’étiage en Garonne à Tonneins.
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Légende Figure 4 : Débits minima et maxima sur la Garonne entre 1959 et 2010 à Tonneins.
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Légende Figure 5 : Débits minima et maxima sur la Dordogne entre 1959 et 2010 à Pessac Sur Dordogne.
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Légende Figure 6 : Nombre de tempêtes observées chaque année en France entre 1950 et 1999.
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Légende Figure 7 : Tendances régionales observées sur le débit annuel sur la période 1968-2008. Les points représentent les stations hydrométriques incluses dans l’analyse (extrait de Giuntoli et Renard, 2010).
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Légende Figure 8 : Évolution des débits mensuels en relatif entre les périodes 2046-2065 et 1970-1999. Le trait noir est la moyenne d’ensemble, la zone en gris clair est délimitée par la moyenne d’ensemble plus ou moins un écart-type intermodèle, la zone en gris foncé est délimitée par les valeurs maximales et minimales parmi les 14 GCMs. (Extraits de Boé 2007 [8]).0 : l’Ariège à Foix10 : le Tarn à Marsal12 : l’Aveyronà Piquecos [Loubejac]17 : Le Lot à Villeneuve sur Lot13 : la Garonne à Lamagistère19 : la Dordogne à Pessac sur Dordogne
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Légende Figure 9 : Changements relatifs (sans unités) dans les précipitations (PR), l’évapotranspiration (ET) et les débits (Q) dans le bassin de la Garonne entre les périodes 2046-2065 et 1971-2000. La longueur des barres larges correspond à la moyenne des données multimodèles, alors que les barres minces représentent les valeurs minimales et maximales de 14 modèles climatiques utilisés (Boé 2007 [8]). DJF = Décembre, Janvier, Février, etc.
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Légende Figure 10 : Changements relatifs annuels des débits sur la France entre les périodes 2046-2065 et 1971-2000 pour chaque modèle climatique CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project Phase3), Boé et al [10].
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Légende Figure 11 : Évolution saisonnière des débits à la Magistère sur la période 1971-1999, observés (trait noir) et simulés par 4 modèles hydrologiques différents (Boé et al. [10]).
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Légende Figure 1 : Bloc-diagramme géologique du Bassin d’Aquitaine (d’après BRGM-ANDRA, 1986).
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Légende Figure 2 : Carte des systèmes aquifères aquitains à l’affleurement (d’après Atlas de l’Aquitaine, Conseil régional d’Aquitaine).
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Légende Figure 3 : Tendance d’évolution des températures au cours de 4,5 milliards d’années BP [5].
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Légende Industrie chimique dans le secteur du Bec d’Ambès en Gironde (© T. Auly, Université de Bordeaux 3).
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Auteurs

Professeur des universités (UB1), EPOC CNRS, Bordeaux.
Directeur de l’Observatoire Aquitain des Sciences de l’Univers (OASU).
e.villenave@epoc.u-bordeaux1.fr
Chimiste de l’atmosphère, ses travaux portent sur la compréhension des processus de formation et de dégradation des polluants atmosphériques, dans le but d’une meilleure appréhension des problèmes de qualité de l’air et du climat.

Directeur de Recherche au CNRS, EPOC, Bordeaux.
h.budzinski@epoc.u-bordeaux1.fr
Spécialiste en chimie de l’environnement et écotoxicologie. Ses travaux portent sur l’écodynamique des contaminants chimiques organiques et sur leur impact toxique sur les écosystèmes environnementaux. Ils s’inscrivent dans une logique d’intégration et d’appréhension des effets mélanges et des effets cumulés associant plusieurs types de pressions anthropiques.

Chercheur honoraire Université UB1, Bordeaux.
h.etcheber@epoc.u-bordeaux1.fr
Ses travaux portent sur les cycles du carbone et de l’azote en milieux estuariens et fluviatiles avec une attention toute particulière prêtée à l’oxygénation de leurs eaux présente et future en réponse aux changements environnementaux attendus dans le futur.

Maître de Conférences (ENSEGID-IPB), Géoressources et Environnement, Bordeaux.
Alain. Dupuy@ ensegid. fr
Hydrogéologue spécialiste en hydrodynamique souterraine et en transferts de pression, masse et énergie dans les systèmes aquifères. Ses travaux sur les aspects quantitatifs et qualitatifs des eaux souterraines contribuent à la gestion durable des ressources en eaux continentales.

© Presses Universitaires de Bordeaux, 2013

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