Hydrosystèmes continentaux anthropisés : ressources, risques, restauration

Natural hazards, such as extreme weather events, are exacerbated by climate change. As a result, emergency responses are becoming more protracted, expensive, frequent, and stretching limited available resources. This is especially apparent in rapidly warming regions. MedEWSa addresses these challenges by providing novel solutions to ensure timely, precise, and actionable impact and finance forecasting, and early warning systems (EWS) that support the rapid deployment of first responders to vulnerable areas. Specifically, MedEWSa will deliver a sophisticated, comprehensive, and innovative pan-European–Mediterranean–African solution comprising a range of complementary services. Building on existing tools MedEWSa will develop a fully integrated impact-based multi-hazard EWS. This call contained five expected outcomes, all of which will be specifically addressed by MedEWSa. Led by JLU, MedEWSa will be an exemplar of the UN Secretary General’s March 2022 call to ensure that everyone on Earth is protected from extreme weather and climate-related hazards by EWS within the next five years. Through eight carefully selected pilot sites (areas in Europe, the southern Mediterranean, and Africa with a history of being impacted by natural hazards and extreme events with cascading effects), four twins will be created: ● Twin #1: Greece (Attica) – Ethiopia (National Parks): wildfires and extreme weather events (droughts, wind) ● Twin #2: Italy (Venice) – Egypt (Alexandria / Nile Delta): coastal floods and storm surges ● Twin #3: Slovakia (Kosice) – Georgia (Tbilisi): floods and landslides ● Twin #4: Spain (Catalonia) – Sweden (countrywide): heatwaves, droughts and wildfires. The twins will bridge areas with different climatic/physiographic conditions, yet subject to similar hazards, and are well positioned to deliver long-term bi-directional knowledge transfer. They will demonstrate the transferability and versatility of the tools developed in MedEWSa.

Les aires de captage d’eau destinées à la consommation humaine sont menacées par des pollutions pouvant être d’origine agricole, industrielle voire domestique, ce qui peut conduire à fermer définitivement des captages d’eau potable. Parallèlement, certains sols cultivés voient diminuer leur teneur en matières organiques, notamment du fait de la réduction des ressources organiques dans des territoires où l’élevage a quasiment disparu, ce qui conduit à terme à une perte de leur fertilité. La transition des systèmes agricoles doit inverser ces tendances et l’agriculture peut au contraire devenir régénératrice en participant à la régénération des biens communs comme l’eau et le sol. Le miscanthus, une graminée pérenne ne nécessitant pas d’intrants chimiques à l’exception de désherbage en début de culture, permettrait d’accélérer la reconquête de la qualité de l’eau en le cultivant dans les aires d’alimentation de captage (AAC). Les contaminations ciblées sont les nitrates et les résidus de pesticides (matières actives et produits de transformation) qui restent problématiques dans de très nombreuses AAC. Valoriser la paille de miscanthus par les agriculteurs situés en périphérie de l’aire de captage, en litière puis amendement organique, engendrerait une circularité de la bioéconomie à l’échelle du territoire. Mais un seul clone étant cultivé pour cette culture récente en France, la diversification variétale s’impose. Dans ce contexte, quatre unités de recherche de l’Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’alimentation et l’Environnement (BioEcoAgro, EcoSys, HYCAR et IJPB) et l’entreprise privée Novabiom ont uni leurs compétences complémentaires (agronomie, écophysiologie, transferts hydrologiques, modélisation et génétique) pour proposer le projet finalisé MisEauVert qui s’intitule : « Les services écosystémiques du miscanthus pour restaurer la qualité de l’eau et la fertilité des sols ». Il est destiné à mettre en évidence les services écosystémiques fournis par l'implantation de cette culture pérenne pour préserver la qualité de l’eau et restaurer la fertilité des sols. Ainsi, du miscanthus a été implanté dès 2022 dans l’AAC de Vernouillet près de Dreux sous l’impulsion de l’agence de l'eau Seine-Normandie et la communauté d’agglomération « l’Agglo du Pays de Dreux » et va servir d’objet d’étude. Le projet est structuré selon quatre activités scientifiques : - Production de miscanthus dans l’aire de captage - Protection du sol et de l’eau au sein de l’aire de captage - Utilisation en cascade de la biomasse de miscanthus valorisant la litière animale puis l’amendement organique - Développement d’outils et de géniteurs pour élargir l’offre de variétés. Outre la gestion du projet, une dernière activité porte sur une analyse globale de la valeur ajoutée et de l’impact du projet ainsi que sur les synergies entre les parties prenantes (experts scientifiques, entreprises, agriculteurs, autorités locales et agences de l’eau) avec des intérêts et des contextes culturels différents, ce qui est nécessaire pour faire émerger un partenariat efficace de recherche-action à l'échelle des territoires agricoles.

Wetlands cover 5-8% of the world’s land area and have a huge capacity to sequester carbon (C). Healthy wetlands accumulate C effectively due to water-logged conditions promoting highly stable C content. The EU aims to cut GHG emissions by at least 55% by 2030.This ambition requires new GHG mitigation measures within all sectors including LULUCF sector, where wetlands as C rich ecosystem can contribute to efficiently to both EU's climate targets and biodiversity strategy. Currently there is still a high uncertainty prevails of wetlands’ spatial and C sink extent, as well as source estimates and sustainable alternatives in restoration. This hinders the efficient use of wetlands in C mitigation and adaptation in the context of other LULUCF mitigation options. We will advance the state-of-the-art on the geospatial knowledge base on wetlands and their use and degradation in Europe. We will apply a co-creation approach to develop procedural knowledge and find ways for integrating multiple targets, supporting more inclusive, community-based approaches to wetland restoration. Diverse novel experimental data on ecosystems’ responses to wetlands’ management and restoration regimes under different types of land-use and will be acquired and synthesised on biodiversity and other ecosystem services (BES). At the local level, Living Labs (LL) support and integrate interdisciplinary and multi-actor research on ecological, environmental, economic, and social issues. Models will be utilised to scale up experimental data from LLs, to gain an understanding of the potential impacts of upscaled wetland restoration options on BES provision, as well as changes in BES provision at the EU level for various policy-relevant time periods and the most policy-relevant CC mitigation and BD targets. We will assess the societal impacts of wetland restoration, especially on BES benefits and costs of different restoration approaches and wellbeing impacts at local, national, and EU levels.

Les modèles hydrologiques qui représentent le comportement du bassin versant, en transformant les données climatiques en débit et autres variables hydrologiques, sont encore d'une efficacité limitée, malgré les efforts de long terme pour améliorer leurs performances. À titre d'exemple, le développement de modèles hydrologiques GR a commencé dans les années 1980 en France, et ces modèles sont maintenant utilisés dans de nombreux pays pour diverses applications. Une caractéristique clé de leur développement empirique est l'utilisation de données sur un grand nombre de bassins versants. Aujourd'hui, le développement florissant des techniques d'intelligence artificielle (IA) et la disponibilité croissante d'échantillons de données à l'échelle mondiale offrent l'opportunité de revoir le développement de ces modèles hydrologiques et d'améliorer leurs capacités prédictives. Le paradigme principal de DRHYM sera de considérer le bassin versant comme une source d'information pour identifier des structures de modèles hybrides améliorés avec une applicabilité plus large dans le temps et l'espace. Cela se fera en plaçant la recherche de structures de modèles améliorés en hydrologie dans le cadre de techniques d'IA et de grandes bases de données mondiales. Trois défis principaux seront abordés dans le projet, à savoir (1) mettre en place un cadre méthodologique innovant pour développer des modèles hydrologiques hybrides améliorés, (2) concevoir des modèles GR avec des performances améliorées pour un large spectre d'échelles de temps et d'espace, et (3) aborder les limites des approches basées sur l'apprentissage automatique et les modèles GR dans un contexte de données limitées. Les principaux résultats du projet seront un cadre méthodologique pour le développement de modèles hybrides en hydrologie, une nouvelle génération de modèles GR et des codes open-source à partager avec la communauté des utilisateurs finaux.

River restoration projects have so far mainly focused on recreating local habitat diversity and thereby enhancing biodiversity. This habitat-based, local scale approach has been lately criticized as it does not consider the strong influence of large scale drivers on ecological outcomes. Furthermore, the societal needs for and benefits from restoration are still poorly documented and related to their local and regional context. Conceptualizations of the different relevant scales for restoration management have been developed lately but still lack proper analysis on large datasets of restoration projects, monitored over time. The quick development of new analysis methods allows getting further in integrating different scales of biological and physical patterns and processes to better understand local ecological observations. The COSAR project aims at assessing the influence of spatial and historical context of restoration projects on both their ecological and societal outcomes and related synergies and trade-offs. This project collates existing ecological monitoring data from 200 restoration projects, covering most Central and Northern European river types. In addition social media posts from restored sites will be analyzed to infer ecosystem services and how people interact with restored sites. The project is composed of three work stages. First, we define and quantify ecological and societal metricss of restoration success and integrate them in a framework to investigate their synergies and trade-offs. Second, we contextualize these ecological and societal restoration benefits with European datasets on biotic and abiotic context data at various spatial scales to identify the relevant drivers and scales enhancing or preventing restoration success. In this analysis, we also consider legacy effects of historical environmental conditions. Third, we produce and disseminate an interactive online decision support tool, which can be used by stakeholders to apply the knowledge gained in the first two stages to their own restoration scenarios. Additionally, we provide fact sheets and highlight best practice examples for restoration planning. To ensure a transdisciplinary approach, we pay particular attention to stakeholder involvement at all project stages. Stakeholders represent various interest groups and cover all participating nationalities in the project. They are expected to help identify the relevant set of metrics that will be studied, shape the focus of the context analyses, give advice to ensure the relevance and user-friendliness of the project outputs and act as ambassadors in the dissemination of the project results. With this project design, we provide new knowledge and tools to foster ecological and societal benefits of restoration, facilitate the planning of promising restoration projects and inform the next management plans in order to reach both the goals of the Water Framework Directive and Sustainable Development Goals 3, 6, 14 &15.

Les sécheresses sont une préoccupation croissante pour les gestionnaires de l'eau, avec la perspective d'événements plus sévères et plus fréquents dus au changement climatique. Une façon d'atténuer les conséquences des pénuries d'eau est d'utiliser des systèmes de prévision. En France, le projet PREMHYCE (2012-2019) a développé une approche multi-modèle pour la prévision des étiages et a prouvé sa capacité à devenir un système opérationnel en ligne. PREMHYCE a donné des résultats prometteurs dans un petit nombre de sites, ce qui a motivé la transposition du concept à plus grande échelle dans le cadre du projet CIPRHES. Le projet CIPRHES vise donc à faire un pas en avant par rapport aux approches existantes, en construisant une chaîne intégrée pour la prévision des étiages basée sur une approche multi-modèle originale, en développant des prévisions météorologiques « sans coutures » (d'un jour à plusieurs mois), une modélisation hydrologique intégrée et des méthodes de quantification des incertitudes. La chaîne de prévision fera l'objet de "crash-tests" sur un large échantillon de bassins versants afin d'évaluer ses performances et sa robustesse. Son utilité pour améliorer la gestion de l'eau dans quelques secteurs socio-économiques stratégiques sera également évaluée. Les méthodologies proposées utiliseront six modèles hydrologiques développés par les partenaires du projet. La base de données comprendra plus de 100 bassins versants répartis en France, représentant des conditions hydroclimatiques et d'usages de l'eau variées. Les données seront principalement extraites de bases de données nationales et de sources régionales ou locales pour des études de cas spécifiques. Le projet est prévu sur quatre ans et est organisé en six groupes d’actions portant sur : la coordination globale du projet (WP1) ; le développement de prévisions atmosphériques « sans coutures » en se concentrant sur la fiabilité des prévisions en conditions de sécheresse (WP2) ; le développement de modèles de prévision hydrologique pour les étiages adaptés à diverses échelles temporelles et spatiales (WP3) ; la quantification des incertitudes, l’analyse de leur propagation à travers la chaîne de prévision des ensembles hydrologiques, et l’amélioration de la combinaison multi-modèles (WP4) ; le test et l’évaluation de l'efficacité de la chaîne dans diverses conditions hydroclimatiques avec deux objectifs spécifiques de gestion de l'eau (hydroélectricité et agriculture) (WP5) ; le développement d’un démonstrateur de service hydrométéorologique en ligne, d’outils de formation et la diffusion des résultats scientifiques et techniques (WP6). Le consortium CIPRHES comprend cinq partenaires : INRAE (coord.), le BRGM, EDF, le CNRM et le LOTERR (Université de Lorraine). Les principaux résultats du projet CIPRHES seront (1) une chaîne hydrométéorologique intégrée multi-modèle de prévisions des étiages sur le territoire national à haute résolution spatio-temporelle, (2) un protocole détaillé et multi-objectif pour évaluer l'efficacité de la chaîne de prévision, (3) un démonstrateur en temps réel orienté web pour la prévision opérationnelle des sécheresses, et (4) des outils de communication et de formation pour les gestionnaires de l'eau. Des bénéfices du projet sont attendus à plusieurs niveaux : pour les politiques nationales de l'eau en aidant à anticiper les pénuries d'eau et donc à améliorer la gestion de l'eau et la préservation de l'environnement ; pour le secteur socio-économique en fournissant des outils pour des objectifs spécifiques dans des domaines comme l'hydroélectricité et l'agriculture ; pour la communauté de recherche en contribuant à plusieurs programmes sur l'évaluation des risques, les questions de modélisation et la quantification des incertitudes ; pour le grand public en améliorant la sensibilisation aux question de sécheresse.

Le rôle des retenues d’eau (collinaires, bassins d’orage, zones humides artificielles) dans le transfert de pesticides au sein des bassins versants agricoles reste largement méconnu, la majorité des processus impliqués dans la dissipation des pesticides n'ayant pas encore été élucidée. Ceci explique que cet aménagement du paysage soit sous-utilisé dans les stratégies de reconquête de la qualité de l’eau. En développant sur 3 sites expérimentaux, une approche hydro-biogéochimique de pointe combinée à une modélisation intégrative à différentes échelles, PESTIPOND vise à proposer de nouvelles lois, concepts et outils permettant de prédire l'impact cumulé de ces retenues dans la dissipation des pesticides au sein des agrosystèmes. PESTIPOND est un projet de recherche collaboratif innovant de 48 mois associant 4 partenaires issus de 4 unités de recherche et 15 partenaires socio-économiques ayant des domaines d'expertise complémentaires. Le concept innovant de PESTIPOND est de caractériser, quantifier et conceptualiser les processus de transformation in situ des pesticides dans les retenues d’eau pour développer des outils prédictifs de l’impact cumulatif de ces retenues à différents niveaux d’organisation du paysage. Ces outils génériques pourront s'appliquer à tout agrosystème sur lequel une gestion agroécologique à l'échelle du bassin versant est recherchée par les agences environnementales, les coopératives locales ou les bureaux de conseil en ingénierie. PESTIPOND ciblera les processus contrôlant les capacités des retenues à dégrader les pesticides et contribuant ainsi à une réduction des masses transférées vers les hydrosystèmes à l’aval. PESTIPOND est structuré en 3 tâches expérimentales interconnectées visant la caractérisation de la biogéochimie des pesticides dans les retenues d’eau et la prédiction de l’impact de ces retenues au sein d’agrosystèmes. Grâce à l'identification des paramètres clés de la dissipation des pesticides dans les retenues soumises aux cycles hydrologiques et biogéochimiques, mais aussi en permettant l’optimisation des services écosystémiques de dissipation de ces retenues pour une application ultérieure par les acteurs territoriaux, PESTIPOND s'inscrit dans le thème transversal B11-Axe 5 et Défi 1 (Axe B1-1), car il peut générer à la fois de nouvelles connaissances et un savoir-faire technologique indispensable pour comprendre et gérer la capacité de résilience des écosystèmes aquatiques face aux intrants anthropiques. Les partenaires du projet ont un accès privilégié aux sites expérimentaux, implantés dans les bassins versants OZCAR et RZA dans 3 régions françaises aux contextes agro-climatiques contrastés, et d'excellentes plateformes analytiques et numériques. Une expertise solide et complémentaire du consortium couvrant tous les aspects du projet proposé limite les obstacles potentiels au succès du projet. La faisabilité du développement analytique associé aux processus in situ de transformation des pesticides a ainsi été validée dans des études préliminaires. De même le consortium a déjà proposé des approches prédictives en liant les différentes échelles de bassins versants. Une évaluation approfondie des risques a été effectuée sur toutes les étapes du projet, et des solutions alternatives expérimentales ou de modélisation ont été identifiées et décrites. PESTIPOND aura un impact scientifique majeur, en apportant de nouveaux concepts et outils pour diagnostiquer et prédire le fonctionnement hydrobiogéochimique de ces retenues d’eau vis-à-vis des pesticides, transposables à d’autres contextes agro-écologiques. Les retombées technologiques seront également significatives en favorisant l’émergence d’approches optimisant les services écosystémiques de ces retenues, économiquement efficaces et socialement acceptables. D'un point de vue socio-économique, PESTIPOND facilitera l'émergence de scénarios de gestion territoriale des agrosystèmes, grâce à l'implication des 15 partenaires socio-économiques.