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Modelisation des Ecosystèmes Louise Karlberg, Ph. D Research Fellow Stockholm Environment Institute Stockholm Resilience Modelisation des Ecosystèmes Louise Karlberg, Ph. D Research Fellow Stockholm Environment Institute Stockholm Resilience Centre

Plan de présentation • Qu’est-ce que la modelisation d’ecosystème – exemple de l’irrigation goutte Plan de présentation • Qu’est-ce que la modelisation d’ecosystème – exemple de l’irrigation goutte à goutte • Quel modèl faut-il choisir? • Faire le travail: 1) Faire une model conceptuel 2) Collecter, préparer et ajouter les données • 3) Faire tourner le modèl et analyser les résultats • Quelques exemples de WEAP

Qu’est-ce qu’un modelisation d’écosystème? • • Expressions mathématique/equations Modèle conceptuel Etats et flux Etc Qu’est-ce qu’un modelisation d’écosystème? • • Expressions mathématique/equations Modèle conceptuel Etats et flux Etc Souvent nous avons beaucoup de variables (par exemple niveau de la nappe) dans un système qui change avec le temps d’une manière que nous pouvons décrire avec par des equations and des parameters. Si nous mettons tout ca dans un ordinateur nous avons crée un modèl!

Analyse d’un ecosystème R Leaf area index (m 2 m-2) Et Plant height (m) Analyse d’un ecosystème R Leaf area index (m 2 m-2) Et Plant height (m) Root depth (m) H A Ep S Actual transpiration before compensatory uptake (mm day-1) Response function for soil moisture content (-) Actual transpiration (mm day-1) Potential transpiration (mm day-1) L P Esd Esw I θ 1 2 W R where Lv, a, cp and are constants and is the slope of the saturated vapour pressure function. d Stomatal conductance per leaf area (m s-1)

But et objectifs Evaluer different techniques de gestion d’irrigation pour des kits goutte à But et objectifs Evaluer different techniques de gestion d’irrigation pour des kits goutte à goutte avec de l’eau salée en Afrique 1. Potentiel et contraintes 2. Rendements avec goutte à goutte et de l’eau salée 3. Developpement du modèl 4. Stresse saline, climat, evaporation du sol 5. Gestion 6. Rendements et durabilité

L’histoire de l’irrigation …est aussi l’histoire de la salinisation! After: Szabolcs (1985) L’histoire de l’irrigation …est aussi l’histoire de la salinisation! After: Szabolcs (1985)

Salinisation …endommage les plantes Manque de l’eau: effet osmotique Toxication: effet ionique spécifique Salinisation …endommage les plantes Manque de l’eau: effet osmotique Toxication: effet ionique spécifique

Irrigation goutte à goutte en Afrique Photo by: Lisa Andersson Kenya, Zimbabwe, South Africa Irrigation goutte à goutte en Afrique Photo by: Lisa Andersson Kenya, Zimbabwe, South Africa

Dispositif d’expérimentation • Deux systèmes d’irrigation goutte à goutte (flux de l’eau bas/elevé) • Dispositif d’expérimentation • Deux systèmes d’irrigation goutte à goutte (flux de l’eau bas/elevé) • 3 niveaux de salinité dans l’eau (CE 0, 3 and 6 d. S/m) • Sol nu et couverture plastique

Field experiment Irrigation tanks Plastic mulch Plant bed Microlysimeters Path Neutron probe access tubes Field experiment Irrigation tanks Plastic mulch Plant bed Microlysimeters Path Neutron probe access tubes

Rendements dans les essais Printemps Autumn Rendement minimum commerciable Rendements dans les essais Printemps Autumn Rendement minimum commerciable

Modelisation Donnes climatiques Photosynthèse Transpiration Characteristiques des plants Characteristique du sol Equations qui décrivent Modelisation Donnes climatiques Photosynthèse Transpiration Characteristiques des plants Characteristique du sol Equations qui décrivent notre l’écosystème • 2 approches physiologiques de stresse de salinité • 2 différent saisons dans deux localités • Evaporation du sol de deux surfaces

Analyse de l’ecosystème R Et H A Ep S L P Esd Esw I Analyse de l’ecosystème R Et H A Ep S L P Esd Esw I θ 1 2 W R d

Durabilité Durabilité

Salinité dans l’eau souterraine Afrique du Sud Data from 1995 -2003, DWAF, South Africa. Salinité dans l’eau souterraine Afrique du Sud Data from 1995 -2003, DWAF, South Africa.

a) 1063 831 b) 1145 T 683 T 1791 711 1624 665 P+I E a) 1063 831 b) 1145 T 683 T 1791 711 1624 665 P+I E 17 D Keimoes 276 D Letaba

Quel modèle est-ce qu’il faut choisir? But • • Connaissances • Disponibilité des données Quel modèle est-ce qu’il faut choisir? But • • Connaissances • Disponibilité des données • Accès au logiciel (licence) et capacité informatique Mais! Dans beaucoup des cas les ”modèles” sont si grandes et consiste en plusieurs modules. L’utilisateur a la liberté de adaper construire les outils lui même, ainsi c’est plutôt la manière d’utiliser le modèle que le choix de modèle qui est importante!

Modèls conseptuels Modèls conseptuels

Collecte des données • Données des essais • Données de la literature • Paramètres Collecte des données • Données des essais • Données de la literature • Paramètres et variables (ex ”drivers” climatiques)

Faire tourner le modèl • Resultats acceptables? NON – calibrer YES – prochaine étape Faire tourner le modèl • Resultats acceptables? NON – calibrer YES – prochaine étape • Valider (par ex. données d’une autre saison) • Faire des scenarios • Analyse statistique et simulations multiples

WEAP: Water Evaluation And Planning system • Developed and maintained by Stockholm Environment Institute, WEAP: Water Evaluation And Planning system • Developed and maintained by Stockholm Environment Institute, US • User-friendly tool for water resources planning • Home-page: General info, literature, down -load, support etc: www. weap 21. org • Licence fee: Non-profit, governmental or academic organization based in a developing country: no fee!!

WEAP – general features • Purpose: ease of use, overview, stimulate discussion and dialogue, WEAP – general features • Purpose: ease of use, overview, stimulate discussion and dialogue, aid in planning • Target group: mid-level planners or similar (i. e. government officials, NGO’s) • Participatory workshops with stakeholders

Working with scenarios • Base year: ”current accounts” = NOW • Projections into the Working with scenarios • Base year: ”current accounts” = NOW • Projections into the future: Often a ”reference scenario” or business as usual which is compared with several ”what if” scenarios

Example of questions • What if population growth and economic development patterns change? • Example of questions • What if population growth and economic development patterns change? • What if reservoir operating rules are altered? • What if groundwater is more fully exploited? • What if water conservation is introduced? • What if ecosystem requirements are tightened? • What if a conjunctive use program is established to store excess surface water in underground aquifers? • What if a water recycling program is implemented? • What if a more efficient irrigation technique is implemented? • What if the mix of agricultural crops changes? • What if climate change alters demand supplies? • How does pollution upstream affect downstream water quality? • How will land use changes affect runoff?

Ex 1. Green Water Credits • Green Water Credits (GWC) Project payment mechanism for Ex 1. Green Water Credits • Green Water Credits (GWC) Project payment mechanism for rural people in return for upstream water and land management activities that improve downstream water availability and/or quality (www. isric. org) • Green water is the water from precipitation, held in soil and available to plants, returning to the atmosphere via evapotranspiration

Green Water Credits cont. • Purpose: Visualize changes in water fluxes under different scenarios Green Water Credits cont. • Purpose: Visualize changes in water fluxes under different scenarios with WEAP model • Location: Upper Tana Catchment, Kenya • Target group: government + private stake-holders Kenya

Schematic Red dots: urban and irrigation water demand notes. Green triangle: dam. Green arrow: Schematic Red dots: urban and irrigation water demand notes. Green triangle: dam. Green arrow: water withdrawal. Red arrow: return flow

Scenarios • Reference – population & irrigation area increase • Climate change – irrigation Scenarios • Reference – population & irrigation area increase • Climate change – irrigation water demand evaporation increase • Grand Falls – new hydropower dam • Increased water use – for cities • Improved water efficiency – less loss for cities • Improved irrigation efficiency – cities and less irrigation water need • Upland management – less loss for reduced erosion

All scenarios - unmet demand 2020 Conclusion: Water efficiency reduces most of the unmet All scenarios - unmet demand 2020 Conclusion: Water efficiency reduces most of the unmet water demand

Ex 2. GLOWA Jordan River • Assessment of water vulnerability in the Jordan River Ex 2. GLOWA Jordan River • Assessment of water vulnerability in the Jordan River Basin under climate change • One of the most blue water scarce basins in the world (below 1000 m 3/cap/yr) • Increasing water demand due to population and economic growth • Increasingly arid due to climate change

GLOWA cont. • Blue water resources: 2/3 irrigation, fully exploited or over exploited • GLOWA cont. • Blue water resources: 2/3 irrigation, fully exploited or over exploited • Green water resources: potential to increase water productivity (T/ET ratio) • Transboundary resources: source of conflict (Jordan, Israel, Palestine)

Schematic Schematic

Climate change + pop Evaluating climate plus population change impacts – emerging gap 1900 Climate change + pop Evaluating climate plus population change impacts – emerging gap 1900 Mm 3 year 2050

Adaptation options Evaluating and comparing different adaptation options, e. g. demand management (here 25% Adaptation options Evaluating and comparing different adaptation options, e. g. demand management (here 25% reduction of all agricultural demands in one step in 2005) Unmet demand relative to BAU -400 Mm 3 year 2050

GLOWA - conclusion • Climate change and population growth will have a severe impact GLOWA - conclusion • Climate change and population growth will have a severe impact on the region • Agricultural demand management seems to hold great potential • Next step: add catchments • Scenarios for improving water productivity in agriculture

Merci Merci

WEAP: Water Evaluation And Planning system • Développé et maintenu par SEI-US • Outil WEAP: Water Evaluation And Planning system • Développé et maintenu par SEI-US • Outil ”relativement” facile pour la planification des ressources en eau • Site web: Info, littérature, télécharger, support etc: www. weap 21. org • Coût: ONGs, gouvernements et institutions basés dans les pays en développement – gratuit

WEAP – characteristiques générales • Objectif: facile à utiliser, donner une vue globale, stimuler WEAP – characteristiques générales • Objectif: facile à utiliser, donner une vue globale, stimuler la discussion et la dialogue, aid de planification/décision dans un bassin d’eau • Groupe cible: Planificateurs au niveau intermédiaire (gouvernement, ONG) • Ateliers participatives avec acteurs concernés • Pourtant ce n’est pas un outil de recherche pour étudier les processus hydrologiques

Travailler avec scénarios Année de réference = la situation actuelle Projections futures: Situation de Travailler avec scénarios Année de réference = la situation actuelle Projections futures: Situation de reference comparé avec plusieurs scenarios futures : ”Qu’est ce qui se passe si on fait. . . ”

Example de questions: Qu’est-ce que se passe. . . …si la croissance de la Example de questions: Qu’est-ce que se passe. . . …si la croissance de la population et le développement économique changent? …si les règles d’opération du réservoir sont modifiés? …si l’eau souterraine sera encore exploitée? …si la conservation de l’eau est introduite? …si la demande de l’eau des écosystèmes soit soutenu? …si un programme de remplissage des aquifères souterrains sera établit? …si un programme de recyclage de l’eau soit mise en œuvre? …si l’irrigation plus efficace soit établit? …si les cultures agricoles soient changés? …si le climat change l’offre et la demande? …comment la pollution en amont influence la qualité en aval? …comment l’utilisation des terres av affecter le ruissellement?

Ex. Green Water Credits project → Payer les populations ruraux en amont pour des Ex. Green Water Credits project → Payer les populations ruraux en amont pour des activités de gestion des ressources en eaux qui améliore la qualité/quantité en aval La raison pour utiliser WEAP ici: Visualiser les modifications dans les flux de l’eau sous différents scenarios à travers le model WEAP Lieu: Upper Tana Catchment, Kenya Groupes cibles: gouvernement et acteurs privés au Kenya

Schema Red dots: urban and irrigation water demand notes. Green triangle: dam. Green arrow: Schema Red dots: urban and irrigation water demand notes. Green triangle: dam. Green arrow: water withdrawal. Red arrow: return flow

Scenarios • • • Reference – population & irrigation augmentent CC – la demande Scenarios • • • Reference – population & irrigation augmentent CC – la demande de l’eau d’irrigation et de l’évaporation augmente Grand Falls – nouveau barrage hydro-électrique Utilisation de l’eau augment – dans les villes Efficience de l’eau amélioré – moins de perte dans les villes • Efficience de l’eau d’irrigation amélioré – moins de pertes dans les villes et moins d’eau utilisé pour l’irrigation • Gestion des terres en amont – érosion réduite

Tous les scénarios – demand non-satisfait en 2020 Conclusion: Mésures d’efficience de l’eau reduit Tous les scénarios – demand non-satisfait en 2020 Conclusion: Mésures d’efficience de l’eau reduit le plus la démande non satisfaite

Characteristiques générales Characteristiques générales

Characteristiques générales • Demande • Offre et ressources • Bassin versants • Qualité de Characteristiques générales • Demande • Offre et ressources • Bassin versants • Qualité de l’eau, finance etc • Scénarios

Demande Sites de demand : Utilisateurs qui partagent le même système physique de distribution Demande Sites de demand : Utilisateurs qui partagent le même système physique de distribution de l’eau – ex: ville, industrie, irrigation - Ont besion d’une ou plusieurs sites de provision de l’eau

Ajouter sites de demande Ajouter sites de demande

Offre et ressources de l’eau • Quantité, disponibilité et allocation de l’eau • Rivières, Offre et ressources de l’eau • Quantité, disponibilité et allocation de l’eau • Rivières, eau sou-terrain et réservoirs • Faire le lien entre ”offre” et ”demand”

Ajouter offre et ressources Ajouter offre et ressources