Reducing the gap between water demand and availability under climate and water use changes: assessing the effectiveness and robustness of adaptation

Réduction du déficit entre demande et disponibilité en eau sous scénarios de changements climatiques et d'usages de l'eau : efficacité et robustesse de mesures d'adaptation

¹ CNRS, Hydrosciences Montpellier Laboratory
² IRD, Hydrosciences Montpellier Laboratory

Abstract

This study presents an original method to assess the effectiveness and robustness of measures aimed at reducing the gap between water resources and demand under climate and water use changes. A modeling framework integrating human and hydro-climatic dynamics and accounting for interactions between resource and demand was developed and applied in two basins of different scales and with contrasted water uses: the Herault (2 500 km², France) and the Ebro (85 000 km², Spain) basins. Natural streamflow was evaluated using a conceptual hydrological model. A demand-driven reservoir management model was designed to account for streamflow regulations from the main dams. Municipal water demand was estimated from population and unit water consumption data, and irrigation water demand was computed from crop and soil data, agricultural practices (irrigated areas and irrigation efficiency) and climate forcings. Environmental flows were accounted for by defining streamflow thresholds under which water withdrawals were strictly limited. Climate simulations from the CMIP5 exercise were used to generate 18 climate scenarios at the 2050 horizon, and a trend water use scenario was built based on demographic and local socio-economic trends by the mid-century. Indicators comparing water availability to demand were computed. To assess the efficiency of potential adaptation measures under climate change scenarios, the sensitivity of water stress to variations in the main drivers of water demand was tested. The effectiveness and robustness of individual measures varied between the basins and inside each basin, depending on the demand nodes. Finally an adaptation scenario combining different measures was tested in both basins, using the integrative modeling framework. This scenario led to encouraging results regarding the decrease of water stress. However, the effectiveness of the combined adaptation strategies was shown to be insufficiently robust to climate change uncertainties.

Résumé

Cette étude propose une approche originale pour évaluer l'efficacité et la robustesse de mesures d'adaptation visant à réduire le déficit entre demande et disponibilité en eau sous scénarios de changements climatiques et d'usages de l'eau. Un cadre de modélisation prenant en compte explicitement les dynamiques hydro-climatiques et des activités humaines ainsi que les interactions entre demandes et ressources en eau a ainsi été développé et appliqué sur deux bassins d'échelles différentes et aux usages de l'eau contrastés : le bassin de l'Hérault (2 500 km², France) et le bassin de l'Ebre (85 000 km², Espagne). Les écoulements naturels ont été simulés avec un modèle hydrologique conceptuel. Les dynamiques de stockage/restitution des principaux ouvrages hydrauliques ont été prises en compte dans un contexte multi-usage à travers l'implémentation d'un modèle de gestion de barrage piloté principalement par les besoins d'irrigation et les contraintes de gestion. La demande en eau municipale a été estimée à partir de données de population et de demande unitaire en eau et la demande en eau d'irrigation a été simulée à partir de données sur les sols, les types de cultures, les pratiques agricoles (surfaces irriguées, efficience hydraulique) et les conditions climatiques. Des débits environnementaux seuils, en-dessous desquels les prélèvements sont strictement limités, ont également été pris en compte. Des simulations climatiques de l'exercice CMIP5 de l'IPCC ont été utilisées pour générer 18 scénarios climatiques à l'horizon 2050, et un scénario tendanciel des usages de l'eau a été proposé sur la base de tendances démographiques et socio-écononomiques locales. La disponibilité en eau a été comparée à la demande à travers des indicateurs de fréquence et d'intensité de satisfaction. Pour évaluer l'efficacité de mesures d'adaptation sous changement climatique, une analyse de sensibilité de ces indicateurs aux principaux facteurs d'évolution de la demande a été préalablement réalisée. Les résultats montrent que l'efficacité et la robustesse de mesures individuelles varient entre les bassins et selon les différents nœuds de demande. Un scénario d'adaptation combinant les mesures d'adaptation les plus sensibles a enfin été testé avec l'ensemble de la chaîne de modélisation. Ce scénario pourrait conduire à réduire sensiblement le stress hydrique par rapport au scénario tendanciel. Néanmoins, sa robutesse semble insuffisante au regard des incertitudes liées aux projections de changement climatique testées.