Assessing the risk of surface water contamination in agricultural watersheds. Multiscale approaches using spatial modelling and multi-criteria analysis for decision support
Évaluation des risques de contamination des eaux de surface sur des bassins versants agricoles. Approches multiscalaires par modélisation spatiale et analyse multicritère pour l'aide à la décision
Résumé
There is evidence that intensive farming practices applied in Europe since the 1960s are responsible for the degradation of certain ecosystems, and a reduction in the quality of surface and ground water. Excessive use of nitrogen-based fertilisers and pesticides have led to high concentrations of these substances being found in rivers, thus compromising raw drinking water sources. Soil erosion – caused by simplified crop rotations, feeding livestock on corn instead of grass, and the removal of elements such as embankments, trees, hedges, etc. – has been conducive to the transfer of these particles into surface water. The resulting turbidity has led to the clogging up of spawning grounds, with many negative effects on their biological quality. European and national public policies aimed at preserving water resources have not yet had enough time to make any real impact on the current situation, despite the European Water Framework Directive calling for certain objectives to be fulfilled as early as 2015. Water managers are now concentrating their efforts primarily on the protection of water abstraction sites, an initiative which requires a number of measures to be implemented. To analyse the effectiveness of these different environmental protection instruments (and, just as importantly, to convince farmers to adopt them) there needs to be a clear system of assessment applied at the appropriate spatial scale. Complementing existing approaches, this thesis will focus on the development of methods for carrying out territorial environmental analysis of farming activities. For our study, we used (i) a multicriteria analysis and modelling (ELECTRE) combined with a Geographic Information System (GIS) on a selection of small elementary watersheds (ranging in size from 2 km² to 5 km²). These were located in the Oir basin, in Lower Normandy Region, in northwest France, and the Auradé basin, in the hills of Gascony region, southwest. We also employed (ii) a spatial modelling approach (PIXAL) to represent agri-environmental risks. Applied to an environmentally-sensitive area (hills of Gascony region) of several thousand square kilometres, the PIXAL method involved evaluating agri-environmental risks through a combination of remote sensing and GIS. In both cases, we showed that choosing the most relevant criteria allows agri-environmental risks to be assessed at different organisational scales. Analysis at farm plot level (where decisions are made by stakeholders in the field) gives a representation of the elementary watershed. Pixel-based evaluation, using satellite imaging (Landsat TM5), provides a nested multi-aggregation view of different watersheds. These criteria indicate (1) the vulnerability of surface water (slopes on farm plots, connections between spatial objects – satellite mesh and parcels of land – and the hydrographic network, state of banks, role of embankments), (2) anthropological pressure caused by farming (land occupation by crop type and practices in use, and - within small watersheds - (3) the role of regulating certain improvements (protection of waterways using grass strips and riparian zones, limiting particle transfer with embankments downstream of parcels). Water samples were taken at around sixteen different sites, with the results in areas that our study had classed as "at risk" indicating a level of particles that seemed to confirm. By applying multi-criteria plot-by-plot parameters to our spatial model, we were able to refine the results of analyses carried out over a larger area. Placing this study in perspective, coupling ELECTRE-style multicriteria analysis with a spatial model could be an effective way to improve analysis at different policy-making and territorial scales, as well as providing additional support where assessment needs to switch between those varying scales.
Il est désormais avéré que les pratiques intensives de production agricole mises en ½uvre depuis les années 1960 en Europe, sont responsables de la dégradation des écosystèmes et notamment de la qualité des eaux de surface et souterraines. L'emploi excessif de fertilisants azotés et de produits phytosanitaires ont entraîné des concentrations élevées dans les cours d’eau, préjudiciables à la potabilisation des eaux brutes. L'érosion des sols liée aux rotations simplifiées, à la substitution de l’herbe par du maïs dans les régions d’élevage et à certains aménagements (suppression des talus, haies, arbres), a nettement favorisé le transfert de matières particulaires dans les eaux de surface. L’excès de turbidité a ainsi provoqué un colmatage des frayères et une dégradation de leur qualité biologique. Les politiques publiques, tant européenne que nationale, visant à préserver la ressource n’ont pas pour le moment été suffisamment efficaces, malgré les objectifs de résultat définis par la Directive Cadre sur l’Eau à l’échéance 2015. Les gestionnaires de la ressource ont désormais ciblé prioritairement la protection des zones d’alimentation des captages. Cela nécessite une évaluation environnementale à une échelle adaptée aux mesures mises en ½uvre, pour juger de leur efficacité et la démontrer auprès des agriculteurs. Ces éléments expliquent les objectifs de cette thèse, à savoir la contribution au développement de méthodes d’évaluation environnementale des activités agricoles à l’échelle des territoires, en complément de celles déjà existantes. Nous avons ainsi utilisé (i) des méthodes d’analyse et de modélisation multicritère (ELECTRE) combinées avec un système d’information géographique au niveau de petits bassins versants élémentaires de 2 à 5 km2 (sur le bassin de l’Oir, en Basse Normandie, Nord-ouest de la France et celui d’Auradé sur les Coteaux de Gascogne, Sud-ouest de la France) (ii) une approche par modélisation spatiale (dénommée PIXAL) des risques agro-environnementaux en utilisant la télédétection et un SIG, au niveau d'un grand espace à enjeu environnemental de plusieurs milliers de km2, (Coteaux de Gascogne). Dans les deux approches, nous avons montré que des critères choisis de façon pertinente, permettent d’évaluer les risques agro-environnementaux à différents niveaux d’organisation spatiale. L'évaluation à la parcelle agricole (niveau de la prise de décision par les acteurs de terrain) procure une représentation au niveau du bassin versant élémentaire. L'évaluation au pixel de l’image satellitale (Landsat 5-TM) permet une représentation à différents niveaux de bassins versants emboîtés par agrégation. Ces critères traduisent (1) la vulnérabilité des eaux de surface : pente des terrains agricoles, connectivité entre l’objet spatial à la base du calcul (parcelle ou maille de l’image satellitale) et le réseau hydrographique, état des berges ; (2) la pression anthropique agricole : occupation du sol par nature de culture et pratiques exercées ; (3) le rôle de régulation de certains aménagements : protection des cours d’eau (dispositifs enherbés, ripisylve) ou limitation du transfert de particules (talus en aval de parcelle). Ils sont appréciés dans les études sur les petits bassins versants. Les résultats d’évaluations des risques agro-environnementaux et des mesures de la qualité des eaux de surface en différents points (prises comme éléments de validation) montrent des gradients comparables. La prise en compte dans la modélisation spatiale, du paramétrage des modèles multicritères effectué à l’échelle de chaque parcelle, a permis d'affiner les résultats de l'évaluation faite sur un grand espace. En perspective, un couplage entre un modèle d'analyse multicritère type ELECTRE avec un modèle spatial, pourrait permettre d’améliorer la performance de l’évaluation aux différents niveaux de l’action publique ou de terrain et d’apporter des éléments de réponse supplémentaires à la problématique du changement d’échelle spatiale.
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