Préserver l'eau pour l'alimentation et les écosystèmes d'eau douce | Safeguarding water for food and ecosystems.

English. Freshwater ecosystems are among the most threatened ecosystems on Earth. At the same time, water demand for food is projected to increase with projected increase in population and diet shift putting part of the population under pressure in terms of food security. These projections are likely to be exacerbated by climate change. Over the past decades, irrigated areas have nearly tripled to meet actual human food requirements. Today, 40% of food production comes from irrigated production and about 30% from irrigated areas. This increasing share of irrigated production has come at the expense of freshwater ecosystems and river health. About half of the rivers have been fragmented and altered via the constructions of dams and reservoirs and via diversion of river flow to irrigated fields. Furthermore, water demand for industry, household and hydropower is predicted to increase and competition between water sectors will intensify. Under actual water competition, water availability for freshwater ecosystems has often been neglected.Over the past decade, awareness was given to define planetary boundaries for natural resources especially freshwater ones. While irrigation withdrawals and industries and household withdrawals already reach respectively about 2600 km3 yr-1 and 1000 km3 yr-1, planetary boundaries for freshwater have been defined to 4000 km3 yr-1. With the expected rise in water demand for food and industries, freshwater boundaries are likely to be exceeded in the coming decades and it is urgent to define global water availability and demand with accurate time and spatial resolutions. More specifically, it is necessary to develop a method that enables the calculation of water demand for freshwater ecosystems known as “Environment Flow Requirements” (EFRs). EFRs were often neglected in global assessments and/or defined with annual proxies.The overall objectives of this thesis were to redefine global water demand for freshwater ecosystems (EFRs) and set these last as a priority in global integrated assessments. For that, it was necessary to design a robust methodology that can be easily implemented in Global Hydrological Models (GHMs) and in global integrated assessments. In chapter 2, existing global and local Environmental Flow (EF) methods were reviewed. Three methods were selected among existing global methods, including the Smakhtin method, which is based on a combination of annual quantiles and proxies of annual flow, the Tennant method, which is based on annual proxies of flow, and the Tessman method, which is based on monthly proxies of flow. Two other methods were designed for this study: the Variable Monthly Flow (VMF) method, which is based on the allocation of the percentage of monthly flow to the environment and the Q90_Q50 method, which is based on the allocation of flow quantiles. These methods were compared with 11 local case studies from different ecoregions, for which EFRs have been defined locally with ecological and hydrological data collection. The VMF method showed the best performance against local case studies and demonstrated easiness of use and validation with different flow regime types. Among the five global EF methods, EFRs represent 20 to 50% of mean annual flow to maintain EFRs in “fair” ecological conditions.In chapter 3, the concept of “Environmental Flow (EF) deficit” was designed. It represents the lacking flow to meet EFRs. EF deficit was defined on a monthly basis at 0.5 deg. The originality of this study is that the origin of the deficit was characterized by the natural deficit and the anthropogenic deficit. Natural deficit is defined when EFRs are not met due to natural climate variability and anthropogenic deficit is defined when EFRs are not met due to water extractions for irrigation or other users. The frequency, timing and magnitude of each deficit were also calculated at global scale. The EF deficit was also studied for 23 river basins, which are located in different ecoregions, and it was shown that flow regime type, origin of deficit, magnitude of deficit and level of flow alteration were correlated. Perennial rivers such as the Congo River showed only natural deficit while very altered river such as the Godavari river showed high respective natural and anthropogenic deficit. In chapter 4, we set EFRs as a priority user in the global vegetation model LPJmL. It was shown that to sustain EFRs in “fair” ecological conditions, irrigation water use should be reduced by 30%, which would lead to 30% less food coming from irrigated area and a total of 5% loss in food production. Calorie loss per capita was really high in developing countries where population density is high such as in South-East Asia. This loss in food production can however be compensated by an increase of 50% in irrigation use efficiency.In chapter 5, we used an economic optimization model (GLOBIOM) to study future global change including different constrains of EFRs. It was shown that, under future climate change (RCP 8.5) and socio-economic development (SSP2), international trade should be increased by 15% to compensate for EFRs implementations compared to a business-as-usual scenario. The positive outcome is that it was demonstrated that food and water security for humans and ecosystems can be sustained with three levees: use of trade (+15%), conversion of irrigated land to rainfed land (60Mha) in South Asia and expansion of rainfed land into natural area in Latin America.In the chapter 6, we reviewed and analyzed each chapter as an ensemble. The new development of the VMF method is acknowledged thanks to its application in all chapters of this thesis and in many other global assessments. Among them, two studies redefined the freshwater planetary boundaries at 2,800 km3 yr-1 which is lower than previous estimates defined by Rockstrom et al. (2009). This thesis allowed the inclusion of EFRs in global integrated assessments with refined temporal and spatial scales and water demand for ecosystems are now recognized and acknowledged. The limitations of the VMF method are also discussed such as its weakness to be compatible with inter-annual studies considering extreme events such as floods and droughts. Further data collection on eco-hydrological relationships should be organized and harmonized at global scale to further improve EFRs at global scale. Characterization of EF deficit with differentiation of the anthropogenic and natural deficit can be used as a tool to prioritise actions in terms of river restoration/protection. In face of meeting future SDGs, we highlighted the complexity in meeting food and water security for humans and ecosystems. Competition between different water sectors already exist and require local, regional and international consensus to satisfy all water users while safeguarding water availability for freshwater ecosystems. For that, future improvement in agriculture and water management is fundamental to provide future sustainable water access to humanity.

French. Les écosystèmes d’eau douce contiennent les espèces les plus menacées de la planète. Parallèlement, les demandes en eau pour l’alimentation vont augmenter linéairement avec la croissance de la population et les changements de régimes alimentaires mettent en péril la sécurité alimentaire mondiale. Durant les dernières décennies, les surfaces en terres irriguées ont presque triplé pour satisfaire les besoins croissants de l’alimentation humaine. Aujourd’hui, 40% de l’alimentation humaine provient de la production agricole irriguée, laquelle recouvre 30% des surfaces agricoles. Cette croissance continue de la production des terres irriguées s’est développée au détriment des écosystèmes d’eau douce et au détriment de la qualité des rivières. Presque la moitié des rivières du monde ont été fragmentées et détruites via la construction de barrages et de réservoirs et via la déviation du débit des rivières vers les champs irrigués. De plus, il faut envisager que les demandes croissance en eau pour l’industrie, les foyers et les centrales hydro-électriques vont augmenter. La compétition entre les secteurs d’activités utilisant l’eau va donc s’intensifier et face à cette pression croissante, les disponibilités en eau pour les écosystèmes d’eau douce sont souvent négligées.Durant la dernière décennie, la définition « des limites planétaires » concernant l’utilisation des ressources naturelles est devenue critique, notamment pour les ressources en eau. Alors que l’utilisation de l’eau du secteur agricole et industriel atteint respectivement 2600 km3 par an et 1000 km3 par an, les limites planétaires pour l’eau douce ont été définies à 4000 km3 par an. Avec une projection croissante de demande en eau, le seuil des limites planétaires en eau douce est menace d’être dépassé. Il est donc urgent de redéfinir les disponibilités et les demandes mondiales en eau avec des échelles spatiales et temporelles fines. Il est aussi essential de développer une méthode permettant le calcul des demandes en eau pour les écosystèmes d’eau douce nomme : le « débit réservé ». Ce dernier a souvent été négligé dans les évaluations intégrées et/ou souvent défini seulement avec des pourcentages annuels du débit.Les objectifs de cette thèse sont de redéfinir les demandes mondiales en eau pour les écosystèmes d’eau douce et de leur donner une priorité dans les évaluations intégrées mondiales. Pour cela, il était indispensable de développer une méthode à la fois solide et facilement applicable dans les modèles hydrologiques à échelle mondiale et dans les évaluations intégrées à échelle mondiale Dans le chapitre 2, une étude bibliographique des méthodes du débit réserve est effectuée. Trois méthodes seront sélectionnées parmi les méthodes existantes : la méthode Smakthin basée sur les quantiles annuels et pourcentage du débit annuel, la méthode Tennant basée sur les pourcentages du débit annuel et la méthode Tessmann basée sur le pourcentage mensuel du débit. Deux autres méthodes sont conceptualisées : la «Variable Monthly Flow » méthode ou la méthode au « débit mensuel variable » basée sur le pourcentage du débit mensuel et la méthode du Q90_Q50 basée sur des quantiles du débit annuel. Ces méthodes ont été comparées à onze cas d’études locaux situés dans différentes écorégions du monde dont les débits réserves ont été définis avec la collecte de données écologiques et hydrologiques. La méthode VMF a révélé la meilleure performance par rapport aux cas d’études locaux et elle a démontré sa facilité d'utilisation et de validation avec différents types de régime d'écoulement. Parmi les cinq méthodes globales, le débit réservé représente 20 à 50% de l'écoulement annuel moyen pour maintenir les écosystèmes d’eau douce dans des conditions écologiques "acceptables".Dans le chapitre 3, le concept de «déficit du débit environnemental » ou « Environnemental Flow (EF) déficit » a été conçu. Il représente le manque de débit pour répondre au débit réservé. Le déficit de débit réserve a été calculé mensuellement avec une dimension spatiale de 0,5 degré. L'originalité de cette étude est que l’origine du déficit a été caractérisée par le déficit anthropique et naturel. Le déficit naturel est défini lorsque le débit réservé n’est pas satisfait en raison de la variabilité naturelle du climat et le déficit anthropique est défini lorsque le débit anthropique n’est pas suffisant pour l'irrigation. La fréquence, la durée, le timing et la magnitude de chaque déficit ont également été calculés à échelle mondiale. Le déficit du débit réservé a également été étudié pour 23 bassins situés dans différentes écorégions et il a été démontré que le type de régime d'écoulement, l'origine du déficit, l'ampleur du déficit et le niveau d'altération de l'écoulement étaient corrélés. Les rivières stables comme le fleuve Congo ont montré seulement un déficit naturel alors que les rivières très dégradées comme la rivière Godavari ont montré un haut déficit naturel et anthropique.Dans le chapitre 4, nous avons défini le débit réserve comme un utilisateur prioritaire dans le modèle de végétation globale LPJmL. Il a été démontré afin de maintenir le débit réservé dans des conditions écologiques "acceptables” que l'utilisation de l'eau pour l'irrigation devrait être réduite de 30%, ce qui entraînerait une baisse de 30% de moins de nourriture provenant des terres irriguées et une perte totale de production alimentaire de 5%. Il en résulterait une perte de calories très élevée par habitant dans les pays en développement. Cette perte de production alimentaire peut toutefois être compensée par une augmentation de 50% de l'efficacité de l'utilisation de l'irrigation.Dans le chapitre 5, nous avons utilisé un modèle d'optimisation économique (GLOBIOM) afin d’étudier les changements futurs à échelle mondiale, y compris les restrictions en eau par le débit réservé. Il est démontré que, dans le cadre du futur changement climatique (RCP 8.5) et du développement socioéconomique (scenario SSP2), l’utilisation du commerce devrait être augmentée de 15% pour compenser les mises en œuvre du débit réservé par rapport à un scénario normalisé. Le résultat positif et probant est le suivant : la sécurité alimentaire et hydrique pour les humains et les écosystèmes peut être maintenue sous trois conditions: l'utilisation du commerce (+ 15%), la conversion des terres irriguées en terres pluviales (60Mha) en Asie du Sud et l'expansion des terres pluviales notamment en Amérique latine.Dans le chapitre 6, nous avons examiné et analysé chaque chapitre sous forme d'ensemble. Le nouveau développement de la méthode VMF est reconnu grâce à son application dans tous les chapitres de cette thèse et ainsi que dans de nombreuses autres évaluations scientifiques. Parmi celles-ci, deux études ont redéfini les limites planétaires d'eau douce à 2800 km3 par an, ce qui est inférieur aux estimations précédentes définies par Rockstrom et al. (2009). Cette thèse a permis l'inclusion du débit réservé dans les évaluations mondiales intégrées avec des échelles spatiales et temporelles fine et la demande en eau pour les écosystèmes est désormais reconnue. Les limites de la méthode VMF sont également discutées, comme notamment sa faiblesse pour être compatible avec les études interannuelles tels les événements extrêmes incluant inondations et sécheresses. Il faudrait organiser et harmoniser la collecte de données sur les relations éco-hydrologiques à l'échelle mondiale afin d’améliorer les méthodes de débit réservé. La caractérisation du déficit avec la différenciation du déficit anthropique et naturel peut servir d'outil pour définir le niveau de priorité d’action en termes de restauration/protection des rivières. Dans le cadre de l’agenda des futurs SDG, nous avons souligné la complexité de satisfaire la sécurité alimentaire et hydrique pour les humains et les écosystèmes. La concurrence entre les différents secteurs de l'eau existe déjà et nécessite un consensus local, régional et international afin de satisfaire tous les utilisateurs d'eau tout en préservant la disponibilité de l'eau pour les écosystèmes d'eau douce. Pour cela, l'amélioration future de l'agriculture et de la gestion de l'eau est fondamentale, elle assurera un accès durable et pérenne à l'humanité.Les écosystèmes d’eau douce contiennent les espèces les plus menacées de la planète. Parallèlement, les demandes en eau pour l’alimentation vont augmenter linéairement avec la croissance de la population et les changements de régimes alimentaires mettent en péril la sécurité alimentaire mondiale. Durant les dernières décennies, les surfaces en terres irriguées ont presque triplé pour satisfaire les besoins croissants de l’alimentation humaine. Aujourd’hui, 40% de l’alimentation humaine provient de la production agricole irriguée, laquelle recouvre 30% des surfaces agricoles. Cette croissance continue de la production des terres irriguées s’est développée au détriment des écosystèmes d’eau douce et au détriment de la qualité des rivières. Presque la moitié des rivières du monde ont été fragmentées et détruites via la construction de barrages et de réservoirs et via la déviation du débit des rivières vers les champs irrigués. De plus, il faut envisager que les demandes croissance en eau pour l’industrie, les foyers et les centrales hydro-électriques vont augmenter. La compétition entre les secteurs d’activités utilisant l’eau va donc s’intensifier et face à cette pression croissante, les disponibilités en eau pour les écosystèmes d’eau douce sont souvent négligées.Durant la dernière décennie, la définition « des limites planétaires » concernant l’utilisation des ressources naturelles est devenue critique, notamment pour les ressources en eau. Alors que l’utilisation de l’eau du secteur agricole et industriel atteint respectivement 2600 km3 par an et 1000 km3 par an, les limites planétaires pour l’eau douce ont été définies à 4000 km3 par an. Avec une projection croissante de demande en eau, le seuil des limites planétaires en eau douce est menace d’être dépassé. Il est donc urgent de redéfinir les disponibilités et les demandes mondiales en eau avec des échelles spatiales et temporelles fines. Il est aussi essential de développer une méthode permettant le calcul des demandes en eau pour les écosystèmes d’eau douce nomme : le « débit réservé ». Ce dernier a souvent été négligé dans les évaluations intégrées et/ou souvent défini seulement avec des pourcentages annuels du débit.Les objectifs de cette thèse sont de redéfinir les demandes mondiales en eau pour les écosystèmes d’eau douce et de leur donner une priorité dans les évaluations intégrées mondiales. Pour cela, il était indispensable de développer une méthode à la fois solide et facilement applicable dans les modèles hydrologiques à échelle mondiale et dans les évaluations intégrées à échelle mondiale Dans le chapitre 2, une étude bibliographique des méthodes du débit réserve est effectuée. Trois méthodes seront sélectionnées parmi les méthodes existantes : la méthode Smakthin basée sur les quantiles annuels et pourcentage du débit annuel, la méthode Tennant basée sur les pourcentages du débit annuel et la méthode Tessmann basée sur le pourcentage mensuel du débit. Deux autres méthodes sont conceptualisées : la «Variable Monthly Flow » méthode ou la méthode au « débit mensuel variable » basée sur le pourcentage du débit mensuel et la méthode du Q90_Q50 basée sur des quantiles du débit annuel. Ces méthodes ont été comparées à onze cas d’études locaux situés dans différentes écorégions du monde dont les débits réserves ont été définis avec la collecte de données écologiques et hydrologiques. La méthode VMF a révélé la meilleure performance par rapport aux cas d’études locaux et elle a démontré sa facilité d'utilisation et de validation avec différents types de régime d'écoulement. Parmi les cinq méthodes globales, le débit réservé représente 20 à 50% de l'écoulement annuel moyen pour maintenir les écosystèmes d’eau douce dans des conditions écologiques "acceptables".Dans le chapitre 3, le concept de «déficit du débit environnemental » ou « Environnemental Flow (EF) déficit » a été conçu. Il représente le manque de débit pour répondre au débit réservé. Le déficit de débit réserve a été calculé mensuellement avec une dimension spatiale de 0,5 degré. L'originalité de cette étude est que l’origine du déficit a été caractérisée par le déficit anthropique et naturel. Le déficit naturel est défini lorsque le débit réservé n’est pas satisfait en raison de la variabilité naturelle du climat et le déficit anthropique est défini lorsque le débit anthropique n’est pas suffisant pour l'irrigation. La fréquence, la durée, le timing et la magnitude de chaque déficit ont également été calculés à échelle mondiale. Le déficit du débit réservé a également été étudié pour 23 bassins situés dans différentes écorégions et il a été démontré que le type de régime d'écoulement, l'origine du déficit, l'ampleur du déficit et le niveau d'altération de l'écoulement étaient corrélés. Les rivières stables comme le fleuve Congo ont montré seulement un déficit naturel alors que les rivières très dégradées comme la rivière Godavari ont montré un haut déficit naturel et anthropique.Dans le chapitre 4, nous avons défini le débit réserve comme un utilisateur prioritaire dans le modèle de végétation globale LPJmL. Il a été démontré afin de maintenir le débit réservé dans des conditions écologiques "acceptables” que l'utilisation de l'eau pour l'irrigation devrait être réduite de 30%, ce qui entraînerait une baisse de 30% de moins de nourriture provenant des terres irriguées et une perte totale de production alimentaire de 5%. Il en résulterait une perte de calories très élevée par habitant dans les pays en développement. Cette perte de production alimentaire peut toutefois être compensée par une augmentation de 50% de l'efficacité de l'utilisation de l'irrigation.Dans le chapitre 5, nous avons utilisé un modèle d'optimisation économique (GLOBIOM) afin d’étudier les changements futurs à échelle mondiale, y compris les restrictions en eau par le débit réservé. Il est démontré que, dans le cadre du futur changement climatique (RCP 8.5) et du développement socioéconomique (scenario SSP2), l’utilisation du commerce devrait être augmentée de 15% pour compenser les mises en œuvre du débit réservé par rapport à un scénario normalisé. Le résultat positif et probant est le suivant : la sécurité alimentaire et hydrique pour les humains et les écosystèmes peut être maintenue sous trois conditions: l'utilisation du commerce (+ 15%), la conversion des terres irriguées en terres pluviales (60Mha) en Asie du Sud et l'expansion des terres pluviales notamment en Amérique latine.Dans le chapitre 6, nous avons examiné et analysé chaque chapitre sous forme d'ensemble. Le nouveau développement de la méthode VMF est reconnu grâce à son application dans tous les chapitres de cette thèse et ainsi que dans de nombreuses autres évaluations scientifiques. Parmi celles-ci, deux études ont redéfini les limites planétaires d'eau douce à 2800 km3 par an, ce qui est inférieur aux estimations précédentes définies par Rockstrom et al. (2009). Cette thèse a permis l'inclusion du débit réservé dans les évaluations mondiales intégrées avec des échelles spatiales et temporelles fine et la demande en eau pour les écosystèmes est désormais reconnue. Les limites de la méthode VMF sont également discutées, comme notamment sa faiblesse pour être compatible avec les études interannuelles tels les événements extrêmes incluant inondations et sécheresses. Il faudrait organiser et harmoniser la collecte de données sur les relations éco-hydrologiques à l'échelle mondiale afin d’améliorer les méthodes de débit réservé. La caractérisation du déficit avec la différenciation du déficit anthropique et naturel peut servir d'outil pour définir le niveau de priorité d’action en termes de restauration/protection des rivières. Dans le cadre de l’agenda des futurs SDG, nous avons souligné la complexité de satisfaire la sécurité alimentaire et hydrique pour les humains et les écosystèmes. La concurrence entre les différents secteurs de l'eau existe déjà et nécessite un consensus local, régional et international afin de satisfaire tous les utilisateurs d'eau tout en préservant la disponibilité de l'eau pour les écosystèmes d'eau douce. Pour cela, l'amélioration future de l'agriculture et de la gestion de l'eau est fondamentale, elle assurera un accès durable et pérenne à l'humanité.