L’eau’gique #3 : Les ressources en eau souterraine moins résilientes aux variabilités climatiques dans les régions humides que dans les régions arides ?

Classification des aquifères en fonction des temps de réponse des aquifères (GRT) et du « Water Table Ratio » (WTR) issu de Cuthbert et al. (2019)

Pour faire écho au billet « L’eau’gique » n°2, nous allons aujourd’hui continuer à explorer l’hydrologie planétaire en examinant plus en détail les propriétés des aquifères (les réservoirs géologiques d’eau souterraine), et leur interaction avec le climat mais aussi la topographie. Ces propriétés, nous le verrons, ont des conséquences très concrètes pour la gestion raisonnée des ressources sur le long – et même très long – terme.

Je m’appuierai ici sur une publication intitulée «  Global patterns and dynamics of climate–groundwater interactions » (en français : Tendances et dynamiques des interactions climat-eaux souterraines à l’échelle planétaire) parue début 2019 dans la revue Nature Climate Change et signée par M. O. Cuthbert et collaborateurs. Dans ce travail, les chercheurs se frottent à une question qui revient souvent dans la profession : comment réagissent les eaux souterraines, dans le temps et dans l’espace, à une modification des conditions climatiques ? Il est important de garder à l’esprit que cette question est sujette à de vigoureux débats au sein de la communauté, et que dans les détails, on trouvera presque autant de réponses qu’il y a d’équipes de chercheurs en hydrologie sur Terre (j’exagère peut-être un peu, mais vous avez l’image). En effet, les approches et les données sont très diverses et évidemment, à l’échelle du globe, il n’est pas simple de les faire parler et d’établir un consensus. Cependant, j’ai choisi l’étude de Cuthbert et al. (2019), non pas parce que je pense qu’ils ont résolu le problème définitivement, mais parce que leur approche a le mérite de revenir aux fondamentaux et d’amener des éléments de réponses tangibles sans sombrer dans une complexité démentielle.

Ce sur quoi la plupart des hydrologues s’accorde, c’est que les aquifères forment les compartiments ayant le plus d’inertie au sein des hydrosystèmes. En clair, cela signifie qu’un aquifère mettra beaucoup de temps à retrouver l’équilibre après avoir subi une perturbation à ses frontières, comme une variation du taux de recharge par exemple (la recharge est la lame d’eau qui s’infiltre depuis la surface vers les profondeurs, généralement en deçà des systèmes racinaires, jusqu’à la partie où tout l’espace poreux des roches est saturé en eau). C’est justement ce que les auteurs de l’étude ont effectué : une analyse de la sensibilité des eaux souterraines à la recharge dans le monde ; la recharge étant en grande partie contrôlée par le climat.

Pour ce faire, ils font intervenir une méthode que j’affectionne aussi particulièrement et qui est diablement efficace pour comprendre comment réagissent, dans les grandes lignes, les systèmes complexes : l’utilisation de la modélisation dite « analytique ». Les modèles analytiques simplifient drastiquement notre représentation d’un système. Ils gomment à la fois les hétérogénéités, les anisotropies, les non-linéarités et j’en passe… Contrairement aux modèles distribués à base physique (MDBP) évoqués dans le précédent numéro de « L’eau’gique », le modèle analytique ne permet pas de décrire AVEC finesse l’objet naturel étudié, mais plutôt EN finesse. L’avantage ici, c’est que la conceptualisation très simplifiée du fonctionnement des aquifères autorise l’utilisation de formulations mathématiques pour lesquelles des solutions exactes existent, tout en conservant un nombre de paramètres limité. Cela rend bien plus aisé la manipulation et l’interprétation des résultats de modèles, et cette facilité est la clé pour obtenir une compréhension très profonde et robuste des principaux phénomènes en jeu. Dans cette étude, les écoulements souterrains sont représentés par l’équation de Boussinesq 1D linéarisée (si ça ne vous parle pas, ce n’est pas grave, retenez juste que c’est une façon classique de décrire les écoulements dans un aquifère en se reposant une base physique robuste mais avec une représentation très idéalisée du problème). L’entrée du modèle est une estimation de la recharge à l’échelle mondiale issue d’une étude antérieure.

A partir de ce socle conceptuel et méthodologique, les chercheurs distinguent deux grands ensembles d’aquifères dans le monde sur la base d’un indicateur appelé « water table ratio », qui mesure le remplissage relatif de l’aquifère :

  1. les aquifères dont les niveaux d’eau sont principalement contrôlés par la topographie. Les nappes ont ici beaucoup d’interactions avec la surface, avec des échanges bidirectionnels fréquents (notamment via la végétation). Ces aquifères couvrent 46% des terres émergées et sont rencontrées dans les zones plutôt humides, avec une topographie relativement lissée et/ou des aquifères à faible perméabilité ;
  2. Les aquifères dont les niveaux sont principalement contrôlés par la recharge elle-même (et j’ajouterais personnellement la lithologie), avec peu d’interaction avec la surface. Les échanges sont donc unidirectionnels, dans le sens surface-souterrain. On trouve ces aquifères plutôt dans les régions sèches, montagneuses ou à forte perméabilité.

Les auteurs arrivent alors à un premier constat de taille : ces deux grands régimes sont pratiquement insensibles à une variation de la recharge. Autrement dit, en variant de 50% le taux de recharge moyen observé, seulement 5% des aquifères passeraient théoriquement d’un régime à l’autre. Comme le rappellent Cuthbert et al., une variation de 50% de la recharge se situe dans la gamme haute des scénarios climatiques à l’horizon 2100. Par conséquent, cela signifie que l’origine même de cette structuration en deux ensembles n’est pas à chercher directement dans le facteur climatique, sinon dans les aspects hydromorphologiques.

En revanche, ils remarquent que 44% du flux de recharge dans le monde concerne des aquifères dont le temps de réponse caractéristique (GRT, pour « Groundwater Response Time ») est inférieur ou égale à 100 ans, ce qui correspond grosso modo à l’échelle de temps d’une vie humaine. Une centaine d’année pour les aquifères régionaux, c’est court, car la médiane mondiale du GRT est autour de 1200 années (hors régions hyper-arides). Ainsi, ce sont les régions plutôt humides qui possèdent les aquifères les plus « réactifs » sur une échelle des temps géologiques. Elles couvrent un quart des continents. A l’inverse, les zones les plus arides possèdent des GRT bien plus élevés, tellement élevés qu’il existe des régions du monde où les conditions hydrauliques en subsurface sont les reliques des conditions climatiques datant de 100 000 ans à plus d’1 million d’années (ce qui est corroboré par des observations d’anomalie des niveaux piézométriques, appelés « des gradients fossiles »).

Bien que les trouvailles de Cuthbert et al. (2019) ne soient pas spectaculaires sur le plan phénoménologique, les ordres de grandeurs qu’ils établissent ont tout leur intérêt pour comprendre comment les enjeux de gestion diffèrent d’une région du globe à l’autre. D’un côté les régions humides, où les variations rapides du climat sont retransmises rapidement dans l’état des nappes. Ainsi, les sécheresses climatiques se traduisent potentiellement plus rapidement en sécheresses hydrologiques. De l’autre côté les régions arides, où l’état quantitatif naturel des eaux souterraines ne tremble aucunement face à une modification du climat intervenant à l’échelle d’une vie humaine. Néanmoins, une modification substantielle de la recharge ou bien des pompages massifs laisseront des traces irréversibles pendant des dizaines de générations. Les fluctuations absolues des niveaux de nappes dans ces aquifères, bien que très lents, sont aussi bien plus sensibles à la recharge dans ces régions d’après Cuthbert et al.

Encore une fois, à l’échelle régionale et globale, la planification court et long-terme des modes de gestion de la ressource en eau passe par une bonne compréhension et une prise en compte avérée de la dynamique des systèmes aquifères. Ce n’est malheureusement pas toujours le cas…

Référence

Cuthbert, M.O., Gleeson, T., Moosdorf, N., Befus, K.M., Schneider, A., Hartmann, J., Lehner, B., 2019. Global patterns and dynamics of climate–groundwater interactions. Nat. Clim. Chang. 9, 137–141. https://doi.org/10.1038/s41558-018-0386-4

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