Prévoir l’avenir des ressources en eau et l’impact des changements climatiques

Tiré du Bulletin de l’AIEA

Comment les changements climatiques influenceront-ils les réserves d’eau dans cent ans ?

Le modèle de bilan hydrique de l’AIEA reposant sur les isotopes aide les experts à prédire de manière exacte et fiable l’impact que les changements climatiques auront sur les ressources en eau à très long terme.(Photo : L. Toro/AIEA)

Comment les changements climatiques influenceront-ils les réserves d’eau dans cent ans ? Pour répondre à ce type de question, les hydrologues ont recours à des modèles scientifiques. Le modèle de bilan hydrique de l’AIEA reposant sur les isotopes, par exemple, aide les experts à prédire de manière exacte et fiable l’impact que les changements climatiques auront sur les ressources en eau à très long terme. Les informations recueillies par les experts permettent aux décideurs d’élaborer des politiques d’utilisation durable de l’eau pour les générations futures.

Les modèles s’appuient sur les données disponibles et permettent d’étudier et de comprendre des idées, des objets et des processus qui sont difficiles à observer directement. Ils servent notamment à établir des prévisions, concernant par exemple les conditions météorologiques de la semaine à venir ou le taux de chômage des cinq prochaines années. Si les modèles présentent une version simplifiée et généralisée du monde réel, chaque aspect est calibré de façon à rendre une image fidèle de la réalité.

Les modèles de bilan hydrique décrivent le cycle de l’eau : précipitations, évapotranspiration, écoulement et évolution des réserves d’eau. Contrairement à de nombreux modèles traditionnels, le modèle de l’AIEA est ajusté et sa précision vérifiée au moyen d’isotopes, chacun se comportant de manière distincte mais constante. Au moyen d’un modèle de bilan hydrique correctement ajusté et vérifié, les scientifiques peuvent estimer avec justesse ce que l’avenir nous réserve, notamment l’impact que les changements climatiques auront sur les ressources en eau dans cent ans, voire à plus longue échéance.

Des prévisions précises à long terme

D’après Dessie Nedaw Habtemariam, professeur associé de l’Université d’Addis-Abeba (Éthiopie), la précision est primordiale dans les études hydrologiques à long terme, quel que soit le pays ou le climat auquel elles se rapportent, car une mauvaise estimation des réserves d’eau futures peut avoir des conséquences néfastes.

« Si nous surévaluons la vitesse de recharge des réserves d’eau, par exemple, et que nous transmettons les résultats de cette évaluation aux décideurs, ceux-ci pourraient adopter des politiques susceptibles d’aboutir à une situation où les eaux souterraines seraient prélevées plus vite qu’elles se ne rechargent », explique-t-il. Les eaux souterraines – c’est à dire les eaux contenues dans la couche de roche perméable située sous la surface terrestre – sont une des principales sources d’eau potable pour la majorité de la population éthiopienne. « Il s’ensuivrait une forte diminution des réserves d’eau souterraine disponibles, ce qui pourrait provoquer l’abandon de puits, voire des pénuries d’eau potable. »

À l’inverse, une sous-évaluation pourrait conduire à l’adoption de politiques plus strictes que nécessaire en matière d’eau ou influencer les décisions relatives au développement, notamment freiner l’expansion urbaine en raison du manque de ressources en eau.

Tricia Stadnyk, professeur associée en ingénierie hydraulique à l’Université du Manitoba (Canada), explique que, pour les études sur 100 ans ou plus, il a été très difficile d’obtenir des résultats précis avec les modèles de bilan hydrique ne reposant pas sur les isotopes. « De nombreux modèles proposent une très bonne simulation du débit des sources, des rivières et des autres masses d’eau mais sont très mauvais pour évaluer l’évapotranspiration, dit-elle, faisant référence au processus par lequel l’eau s’évapore depuis la surface de la terre et est transférée à l’atmosphère par la transpiration des végétaux. C’est extrêmement problématique pour les prévisions des changements climatiques, qui reposent fortement sur les données de l’évapotranspiration ».

Au fur et à mesure que les températures tendent vers des extrêmes sous l’effet des changements climatiques, le taux d’évapotranspiration augmente. Plus l’évapotranspiration est élevée, moins il y a d’eau à la surface de la terre, et inversement. Cela influence l’ensemble du cycle hydrologique annuel et peut conduire à des extrêmes imprévisibles : trop peu d’eau, synonyme de sécheresse, ou trop d’eau, d’inondation.

Aucun climat n’est à l’abri de ces changements. Tant le Canada, où plus de 60% de la masse terrestre est composée d’une forme de pergélisol - sol gelé - et où l’on dénombre quatre saisons distinctes, que l’Éthiopie, où la plupart du territoire connaît un climat tropical et où la température reste plus ou moins constante tout au long de l’année, peuvent être touchés.

Le modèle peut être ajusté de manière à tenir compte de ces conditions diverses, ce qui le rend universel. Les scientifiques de plusieurs pays collaborent avec l’AIEA pour apprendre à utiliser le modèle de bilan hydrique reposant sur les isotopes et d’autres modèles en vue d’améliorer la gestion des ressources en eau et pour recevoir un appui en la matière. En Éthiopie, par exemple, un projet de coopération technique de trois ans concernant l’étude du bassin supérieur de l’Awash - un vaste réservoir d’eau souterraine assurant l’approvisionnement en eau potable de plus de 2,6 millions de personnes - est en cours de lancement. D’autres pays, comme le Canada, établissent ou ont établi des réseaux d’échantillonnage des isotopes en vue d’obtenir des résultats plus précis avec des modèles comme celui de l’AIEA.

Precise long-term predictions

For any country and climate, precision in these long-term water studies is important because an over or underestimation of future water supplies can have detrimental effects, said Dessie Nedaw Habtemariam, Associate Professor at Addis Ababa University in Ethiopia. 

“If we misestimate how fast water is replenished, for example, and our estimate is too high, and then communicate these results to the decision makers, they could implement policies that result in groundwater being extracted faster than it can be recharged,” Habtemariam said. Groundwater — water in the layer of permeable rock under the earth’s surface — is a primary source of fresh water for the majority of Ethiopia’s population. “This would lead to a sharp decline in available groundwater supplies, which could mean an abandonment of boreholes and may even lead to drinking water shortages.”

Underestimation, on the other hand, could lead to unnecessarily stringent water policies or influence development decisions, such as hampering urban expansion due to a lack of water resources.

For these long-term studies of over 100 years or more, getting accurate results using other water balance models has been a major challenge, said Tricia Stadnyk, Associate Professor of water resources engineering at the University of Manitoba in Canada. “Many water balance models do a very good job at simulating the flow of water in streams, rivers and other water bodies, but are very bad at getting the amount of evapotranspiration right,” she said, referring to the process of evaporation of water from land and the movement of water from plants to the atmosphere. “For climate change predictions, this is a huge problem because one of the big things we look at is evapotranspiration.”

As temperatures become more extreme due to climate change, the rate of evapotranspiration does too. The more evapotranspiration, the less water on the earth’s surface, and vice versa. This, in turn, influences the entire annual water cycle and can lead to unpredictable extremes that swing from too little water, causing drought, to too much water, causing floods.

No climate is immune to these changes.  They can affect a climate like Canada’s, where more than 60% of the land mass is some form of permafrost — frozen ground — and there are four distinct seasons, or one like Ethiopia’s, where much of the country is tropical and the temperature remains more or less constant throughout the year.

These diverse conditions can be captured by adjusting the model, which makes it globally applicable. Scientists from several countries are working with the IAEA to receive training and support in using the IAEA’s isotope-enabled water balance model and other models for improving water resource management. In Ethiopia, for example, a three-year technical cooperation project is being launched to study the upper Awash Basin — a large groundwater reservoir supplying fresh water to more than 2.6 million people. Other countries, like Canada, are setting up or have set up isotope sampling networks to improve accuracy when using models such as the IAEA’s.

This article was featured in the April 2019 Bulletin edition on Water.