SEMEAU 2009-2013 www.life-semeau.eu LIFE07 ENV /FR/000173 Rapport «Layman» Application de la Directive Cadre sur l Eau (DCE) par la mise en œuvre d une méthodologie de modélisation totale d une masse d eau A methodology for the complete modeling of a water mass and the application of the Water Framework Directive (WFD) Stakeholders Modeling Ref.N.: SQERRE/E&RE/R034/13_PL/Fr
PROJET LIFE+ SEMEAU 2009-2013 : Application de la Directive Cadre sur l Eau (DCE) par la mise en œuvre d une méthodologie de modélisation totale d une masse d eau Bénéficiaires SEMEAU A joint surface and groundwater modeling methodology was developed within the framework of the SEMEAU project. It allows us to simulate all water fluxes at the catchment scale. It integrates, in particular, the hydrological role of forested areas. This methodology was developed on the Volvic (France) watershed, and also set up on the Vals-les-Bains test site. It was used to understand the hydrological functioning of the studied catchments as well as to define management scenarios aiming to protect water resources and promote the local socioeconomic development. These scenarios were accepted by the local stakeholders and the population. They have been designed both for the current conditions as well as for those that will prevail in the future, as a result of global change. The SEMEAU project shows that the forest cover plays a major beneficial role in the protection of water quality, subject to some simple precautions. But it also shows that afforestation (often related to farmland abandonment in Europe) can have significant quantitative adverse effects on catchment water budgets. The good transferability of the SEMEAU methodology to other water bodies in Europe was demonstrated, particularly for the implementation of the WFD. The obtained results were disseminated as part of the project. Partenaires et acteurs SEMEAU Une méthodologie de modélisation couplée des eaux de surface et souterraines a été mise au point dans le cadre du projet SEMEAU. Elle permet de simuler l ensemble des flux hydriques à l échelle du bassin versant. Elle intègre tout particulièrement le rôle hydrologique de la forêt. Cette méthodologie a été développée sur le bassin versant de Volvic (France) et appliquée aussi au site expérimental de Vals-les-Bains. Elle a été utilisée pour comprendre le fonctionnement hydrologique (s.l.) des bassins versants étudiés et pour définir des scénarios de gestion destinés à protéger les ressources en eau et à favoriser le développement économique local. Ces scénarios ont été acceptés par les parties prenantes locales et par la population. Ils ont été conçus à la fois pour les conditions actuelles et pour celles qui prévaudront dans le futur du fait du changement global. Le projet SEMEAU montre que le couvert forestier joue un rôle protecteur majeur en termes de qualité de l eau, sous réserve de précautions simples. Cependant, il montre aussi que la reforestation (souvent reliée en Europe à la déprise agricole) peut avoir un impact quantitatif négatif fort sur la ressource en eau des bassins versants. La bonne transférabilité de la méthodologie SEMEAU à d autres masses d eau a été démontrée, en particulier pour la mise en œuvre de la DCE. Le projet a aussi comporté d importantes actions de dissémination des résultats obtenus.
1. CONTEXTE ET OBJECTIFS DU PROJET SEMEAU La Directive Cadre sur l Eau (DCE) est une directive de l Union Européenne qui engage les états membres à atteindre le bon état quantitatif et qualitatif de toutes les masses d eau (de surface, souterraines et marines) d ici 2015. Sa mise en œuvre requiert des stratégies et méthodologies appropriées. A cet effet, le projet LIFE+ SEMEAU a les principaux objectifs suivants : - développer un outil de modélisation des eaux de surface et souterraines à l échelle du bassin versant, échelle adaptée pour la gestion et la protection de la ressource en eau, intégrant le rôle hydrologique de la forêt ; - le mettre au point sur des sites test : Volvic, Saint-Etienne et Vals-les-Bains ; - définir, en collaboration avec les acteurs locaux, des scénarios de gestion intégrant protection de la ressource en eau et développement économique local sur ces sites test. Ces scénarios sont conçus tant pour les conditions climatiques actuelles que pour celles du futur, en intégrant les impacts des changements d occupation du sol et climatiques ; - mettre en œuvre des actions pilotes démonstratives en lien avec la gestion forestière et la protection des ressources en eau. 2. LES SITES TESTS DU PROJET SEMEAU L impluvium de Volvic (Puy-de-Dôme, France) est le bassin versant de l eau minérale naturelle (EMN) «Volvic». Avec une superficie de 38 km², boisé à plus de 50% et comprenant aussi landes et prairies, il recueille les eaux de pluie et de fonte de neige qui s infiltrent et s écoulent lentement, à travers une succession de roches volcaniques, acquérant ainsi une composition minérale unique et donnant naissance à l Eau Minérale Naturelle Volvic. L usine d embouteillage Volvic produit 1.3 milliards de bouteilles par an, exportées à plus de 70%, dans 65 pays du monde. L impluvium de Volvic est particulièrement adapté pour le développement de la méthodologie SEMEAU. Son fonctionnement hydrologique et hydrogéologique a fait l objet d études détaillées. Ce bassin versant est très fortement boisé et fait l objet de politiques de protection de la ressource en EMN. Zones boisées de l impluvium de Volvic (vert et jaune) Le bassin versant expérimental de la vallée du Furan (Saint-Etienne, Loire, France), a une 2 superficie de 20 km et est situé en amont du barrage et de la retenue du «Pas-de-Riot». Cette ressource en eau de surface est primordial pour l alimentation en eau potable de Saint-Etienne, une ville de 400.000 habitants. Aperçu de l impluvium de Volvic
3. LA METHODOLOGIE SEMEAU 3.1. L impluvium de Volvic Le projet SEMEAU a permis d améliorer les connaissances sur la structure géologique et le fonctionnement hydrogéologique de l impluvium La retenue et le barrage du «Pas-de-Riot» (Saint-Etienne) Son occupation du sol est majoritairement forestière et agricole. Afin de protéger cette ressource en eau, la ville de Saint-Etienne a constitué, depuis 1861, un patrimoine forestier qui atteint aujourd hui 670 ha sur le bassin versant. Cette forêt fait face à plusieurs enjeux clés : la protection de la ressource en eau et notamment la lutte contre l eutrophisation de la retenue, le développement de la biodiversité, la production de bois et l accueil du public. Modèle géologique 3D (Rouquet et al., 2012a, b) et modèle conceptuel hydrogéologique et de son couvert forestier. Le SITHERE (Syndicat Intercommunal pour le Thermalisme et l Environnement), Vals-les-Bains, Ardèche, France, a mis en œuvre, depuis plus de 20 ans, une politique de développement de l économie locale ardéchoise, sur la base des ressources en EMN (thermalisme médical et de bien-être, embouteillage de l EMN de Vals-lesBains, etc.) et de leurs bénéfices indirects (tourisme, hébergement, etc.). La ville de Vals-lesBains (3.500 habitants) comporte ainsi plus de 140 sources d EMN sur un territoire limité. Pour protéger cette ressource, la commune a acheté plus de 80 hectares de forêt méditerranéenne sur le bassin versant des sources d EMN. Ce site accueille les actions du projet SEMEAU. Données dendrométriques sur la forêt de Volvic 3.2. La méthodologie SEMEAU Une méthodologie de modélisation des eaux de surface et souterraines, basée sur le modèle MODCOU (Ecole des Mines de Paris) a été développée. Vals-les-Bains La méthodologie de modélisation SEMEAU-MODCOU, intégrant les fonctionnalités SEMEAU (voir la numérotation dans le texte)
La méthodologie SEMEAU-MODCOU comprend les fonctionnalités classiques d un modèle de bassin versant discrétisé (calcul du bilan hydrique, des flux d eau, débits de surface et souterrains, débit des sources, niveaux piézométriques, etc.). Le développement de la méthodologie SEMEAU a été particulièrement orienté vers les fonctionnalités suivantes : modélisation de l hydrogéologie volcanique, en prenant en considération, entre autres, les flux d eau souterraine sur le substratum granitique imperméable, sous couverture volcanique, ainsi que les écoulements en zone non saturée (module MODSUR2) ; calcul précis du bilan hydrique des sols des zones boisées avec le développement du module «Forêt et autres landuse/landcover», un élément clé de la méthodologie SEMEAU (Rouquet et al., soumis) ; 4. PRINCIPAUX RESULTATS DE LA METHODOLOGIE SEMEAU 4.1. Calcul des impacts de la reforestation et des changements d occupation du sol (Volvic) Simulion du débit mensuel de la source (L/s) pour différentes occupations du sol (Volvic) Bilan hydrique sous couvert forestier modélisation du transport de traceurs 18 conservatifs (tels que chlorures, O) au sein de tous les compartiments de l outil SEMEAUMODCOU. Architecture du modèle de transport SEMEAUMODCOU (flèches rouges) La couverture forestière joue un rôle majeur en ce qui concerne le bilan en eau du bassin versant. A l échelle de l impluvium de Volvic, 3800 ha, boisé à 52% : la poursuite de la déprise agricole jusqu à 80% de couverture forestière réduirait le débit de la source de 6% une augmentation de 10% de la surface boisée réduirait le débit de la source de 2% la conversion des résineux (425 ha) en forêt feuillue augmenterait le de la of source de 9% 4.2. débit Impacts afforestation, and la conversion des accrus (390 ha) en landuse/lancover change (Vals prairies extensives augmenterait le débit de la source de 5% et réduirait les risques de lessivage des nitrates dus au labour des prairies cultivées.
4.2. Le changement climatique peut fortement impacter l impluvium de Volvic 4.4. Comment réduire l eutrophisation de la retenue du Furan Les mesures et études SEMEAU montrent que le phosphore (P) dans la retenue du «Pas-de-Riot» provient en majorité des eaux usées des villages (2/3) et de l agriculture (1/3). Simulation du débit journalier de la source (L/s) pour différents scénarios climatiques du GIECC (Volvic) À Volvic, limiter la reforestation permettra de réduire les effets du changement climatique La réduction des flux de P requiert donc d agir sur ces deux sources. Par conséquent, le plan d actions SEMEAU a été adapté et complété avec l objectif de mieux piéger les phosphates : le traitement tertiaire des eaux usées par infiltration en forêt a été étudié. Il apparaît cependant inefficace en contexte de montagne (climat froid, faible croissance des arbres, fortes pentes). D autres solutions sont à l étude : traitement tertiaire physique, mais aussi sensibilisation de la population; 4.3. La reforestation devrait très peu influencer la minéralisation des sources profondes d EMN (Vals-les-bains) L applicabilité de la méthodologie SEMEAU a été testée sur le site méditerranéen de Vals-les-Bains. La reforestation et le changement des pratiques de gestion des eaux de surface (abandon des canaux è d irrigation traditionnels au début du XX siècle) a modifié le bilan hydrique de surface : augmentation de l évapotranspiration et du ruissellement, diminution de l infiltration et de la recharge des aquifères de subsurface. Néanmoins, aucun changement de la composition minérale des sources n a été observé et les impacts simulés avec le modèle SEMEAU sont très faibles. Simulation de la minéralisation de l EMN en profondeur pour différents scénarios d ocupation du sol et de recharge (Vals-les-Bains) la réduction des flux de P agricole est en cours via l augmentation des capacités de stockage de fumier, insuffisantes en hiver. Des capacités plus importantes permettront d épandre le fumier au printemps lorsque les nutriments (et le P) pourront être consommés par les cultures et les prairies. Le comportement du P dans le lac et ses sédiments a aussi été caractérisé. Pour réduire efficacement l eutrophisation, les flux de P doivent d abord être réduits avant d agir sur le lac luimême.
4.5. Des coupes forestières importantes peuvent temporairement augmenter les teneurs en nitrate dans les aquifères (i) Pas d impact sur les aquifères inertiels tel que celui de Volvic Simulation d importantes coupes rases (contours rouges) sur les surfaces boisées (vert foncé) de l impluvium de Volvic 1 (ii) Impact potentiel sur les petits aquifères superficiels Construction d un modèle simple de dilution (feuille de calcul MSExcel1) utilisable par les forestiers et les gestionnaires de la ressource en eau 5. ELABORER DES POLITIQUES FORESTIERES DE PROTECTION DE LA RESSOURCE EN EAU A VOLVIC 5.1. La forêt protége la qualité de l eau 5.2. Elaborer des politiques forestières de protection de la ressource en eau à Volvic Avec les acteurs locaux, la Société des Eaux de Volvic (SEV) a développé, depuis plusieurs années, une efficace politique de protection de l impluvium de Volvic afin de garantir à long terme la pureté de l EMN. Le CEPIV (Comité Environnement pour la Protection de l Impluvium de Volvic) réunit la SEV et les 4 maires des communes de l impluvium. Il est cofinancé par la SEV (2/3 du budget) et par la ville de Volvic (1/3 du budget). Il finance des projets dont l objectif est de protéger la ressource en EMN et de favoriser le développement local. Plusieurs types de politiques ont été développés : collecte et traitement des eaux usées, agriculture, protection des zones humides, etc.. Une politique forestière de protection a été élaborée durant le projet SEMEAU, sur la base d une Entrée/sorties du modèle simple de dilution SEMEAU connaissance précise de la forêt ( ) et de la structure foncière forestière, principalement privée et dispersée ; les plus grandes parcelles boisées - > 300 m2 - appartiennent à 471 propriétaires différents et ne couvrent que 80% de la surface boisée de l impluvium! Fréquence de la coupe rase X Surface maximale de la coupe rase = Âge du peuplement lors de la coupe SIMULATION DE L AUGMENTATION DE LA TENEUR EN NITRATE POUR UNE COUPE RASE DE 8% DU BASSIN VERSANT TOUS LES 8 ANS, DANS LE CAS D UN AQUIFERE DE 20 M D EPAISSEUR ET D UN BASSIN VERSANT INITIALEMENT BOISE A 60% 1 Feuille de calcul MSExcel disponible sur demande : patrick.lachassagne@danone.com accueil.volvic@danone.com Le Scénario 2 a été retenu par le CEPIV et s avère une solution gagnant-gagnant pour : les propriétaires privés : de 20 à 160 /ha/an d augmentation du revenu, 3000 /ha d augmentation du patrimoine, large acceptation durant les réunions publiques (voir ci-dessous) ; les élus du CEPIV ; la protection de l Eau Minérale Naturelle.
L étude économique confirme l intérêt du scenario 2 tant à l échelle du CEPIV (avec des subventions nationales et du CEPIV) que pour les propriétaires privés. 6. BONNES PRATIQUES FORESTIERES POUR LA PROTECTION DES CAPTAGES ET DES DRAINS (SAINT ETIENNE) Il y a un siècle, avant la construction de la retenue de «Pas-de-Riot», les besoins en eau de la ville de SaintEtienne étaient croissants, notamment pour ses activités industrielles. Les ingénieurs décidèrent alors de capter les ressources en eau du Massif du Pilat. Ils creusèrent un dense réseau de plusieurs kilomètres de drains, collectés par l aqueduc des «sources». Scénario 2: bénéfice pour les propriétaires privés Un ensemble d outils a été développé et disséminé durant le projet SEMEAU : le schéma de desserte forestière, permettant exploitation du bois, protection de l EMN et accueil du public Pour protéger ces captages des pollutions dues au bétail, les parcelles concernées ont été progressivement boisées. La forêt du «Grand Bois» était née. le guide de bonnes pratiques pour les propriétaires privés des sessions de formation et le martéloscope de Volvic des cahier des charges pour les relations contractuelles entre les propriétaires privés et les exploitants forestiers (protection des propriétaires, de l environnement et de l eau) une stratégie pour adapter les activités agricoles Depuis cette époque, Saint-Etienne achète régulièrement des parcelles pour protéger cette ressource en eau. Néanmoins, cette forêt est toujours multifonctionnelle : exploitation forestière, préservation de la biodiversité, accueil du public, etc.. Durant le projet SEMEAU, de bonnes pratiques pour la gestion conjointe de la forêt et la protection des drains ont été élaborées et sont maintenant pleinement opérationnelles. L audit des pratiques actuelles montre que l exploitation du bois et la protection de l eau sont pratiquées conjointement de manière efficace grâce à la supervision de l ONF (Office National des Forêts) et à la bonne connaissance tant de la forêt que des captages d eau.
7. ACTIONS DE DEMONSTRATION ET DE DISSEMINATION Le projet SEMEAU comprend plusieurs types d actions de démonstration et de dissémination. Des réunions publiques ont été tenues à Volvic, avec le comité de pilotage local, le CEPIV, les propriétaires forestiers privés, etc., durant chaque phase du projet et notamment pour la définition de la stratégie d adaptation des activités agricoles et forestières et pour sensibiliser les propriétaires forestiers privés à la protection des ressources en eau. Réunion publique sur l impluvium de Volvic avec les propriétaires forestiers privés (8/12/2011) Le projet SEMEAU a aussi été présenté aux plus de 80.000 visiteurs annuels de la source Volvic. Le sentier de découverte de Saint-Etienne sensibilise la population du bassin versant au rôle protecteur joué par la forêt vis-à-vis de la qualité de l eau et de l environnement naturel. Il est visité par des randonneurs et des scolaires et n a de ce fait pas eu besoin d être entretenu depuis 2011. Une brochure explicative a été éditée (ci-dessous). Un sentier éducatif sur l «eau et la forêt» relie le centre de la ville de Vals-lesBains à la zone boisée du «Mas de Fargeon». Ce sentier a déjà accueilli plusieurs milliers de visiteurs. Le Mas a été rénové et équipé avec une exposition audio-visuelle permanente. Les anciens canaux d irrigation ont été reconstruits et le vieux verger reconstitué. Ce site éducatif est très apprécié des promeneurs, randonneurs, mais aussi par les écoles primaires qui visitent régulièrement le site et étudient la thématique de l eau. La sensibilisation du jeune public a été facilitée par la distribution, par le CDDP (Centre Départemental de Documentation Pédagogique), aux 398 écoles primaires du département, de la «valise pédagogique SEMEAU» traitant de la gestion de l eau en Ardèche.
8. COMMUNICATION Le site web SEMEAU http://www.life-semeau.eu/ Tous ces documents sont téléchargeables sur le site web SEMEAU ou à la demande Articles scientifiques Rouquet et al., 2012a. Etude du fonctionnement hydrogéologique et modélisation de l'hydrosystème de Volvic. Prise en compte du rôle hydrologique joué par la forêt. Doctorat Mines ParisTech,464 p. Rouquet, Boivin, Lachassagne, Ledoux, 2012b. A 3-D genetic approach for the high resolution geological modelling of the volcanic infill of a paleovalley system. Application to the Volvic catchment (Chaîne des Puys, France). Bulletin de la Société Géologique de France, t. 183, N 5, pp. 395-407 Rouquet, Lachassagne, Ledoux, soumis. Distributed hydrological modelling integrating the behavior of the forest cover at the catchment scale. Application to the Volvic watershed (France). Journal of Hydrology Rapports techniques A date (2 Août 2013): 12.559 visites, parmi lesquelles 9.894 visiteurs uniques de 132 pays. Conférence Internationale SEMEAU Presse 131 chercheurs, techniciens eau & forêt de 15 pays différents issus de 5 continents 10 présentations SEMEAU parmi un total de 30