Transcript Slide 1

Modelisation des
Ecosystèmes
Louise Karlberg, PhD
Research Fellow
Stockholm Environment Institute
Stockholm Resilience Centre
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
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
Al  Cleaf  pl ,sp

H p  phmax 1  e

 ph1 Cleaf Cstem


Croot
zr  pzroot 
 C  pzroot
 root p
incroot


Eta  Eta  fupt  Etp  Eta
*
  
f ( ( z ))   c 
 ( z ) 

 1 e
 ph 2 t pl







*
Lv Etp 
Et
Plant height (m)
H

p1Etp  p2
S
Actual transpiration before
compensatory uptake (mm
day-1)
L
Response function for soil
moisture content (-)
I
P
 es  ea 
ra
 r 
   1  s 
 ra 
Actual transpiration (mm
day-1)
Potential transpiration (mm
day-1)
Esd
Esw
θ
1
2
W
R
where Lv, a, cp and  are constants and  is the slope of the saturated
vapour pressure function.
Ris
g max
gl 

Ris  g ris 1  es  ea
g vpd
A
Ep
Eta*  Etp  f (( z ))  f (( z ))  r ( z )dz
Rn  a c p
Leaf area index (m2 m-2)
Root depth (m)
0
zr
R
d
Stomatal conductance per
leaf area (m s-1)
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)
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
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
dS/m)
• Sol nu et couverture plastique
Field experiment
Irrigation tanks
Plastic
mulch
Plant bed
Microlysimeters
Path
Neutron probe
access tubes
Rendements dans les essais
Autumn
120
120
100
100
Yield (Mg/ha)
Yield (Mg/ha)
Printemps
80
60
40
80
60
40
20
20
0
0
L0
L3
L6
H0
H3
H6
L0
L3
L6
Mulch
H0
H3
Bare soil
Rendement minimum commerciable
H6
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
I
P
Esd
Esw
θ
1
2
W
R
d
19
75
01
06
19
77
10
02
19
80
06
28
19
83
03
25
19
85
12
19
19
88
09
14
19
91
06
11
19
94
03
07
19
96
12
01
19
99
08
28
20
02
05
24
Chloride content (kg/m2)
a)
10
350
8
300
6
250
4
200
2
150
0
100
-2
50
-4
0
Precipitation
3 dS/m
6 dS/m
Precipiation (mm)
Durabilité
9 dS/m
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
P+I
E
17
276
D
D
Keimoes
300
b) 300
250
250
200
200
Yield (Mg/ha)
Yield (Mg/ha)
a)
Letaba
150
100
150
100
50
50
0
0
L
H
Bare soil
0 dS/m
3 dS/m
L
H
L
Plastic mulch
6 dS/m
9 dS/m
H
Bare soil
0 dS/m
3 dS/m
L
H
Plastic mulch
6 dS/m
9 dS/m
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
Evaporation
Precipitation
Interception
Soil
Snow
evaporation
Surface pool
Water
uptake
by
roots
Surface
Runoff
Ground
water
outflow
Ground
water
inflow
Percolation
Soil surface temperature
or soil heat flow
External
sources/sinks
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
• 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, US
• User-friendly tool for water resources
planning
• Home-page: General info, literature,
down-load, support etc: www.weap21.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, 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 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?
• 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 and 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 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 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: water withdrawal.
Red arrow: return flow
Scenarios
• Reference – population & irrigation area increase
• Climate change – irrigation water demand and
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
water demand
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
m3/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
• Green water resources: potential to
increase water productivity (T/ET
ratio)
• Transboundary resources: source of
conflict (Jordan, Israel, Palestine)
Schematic
Climate change + pop
Evaluating climate plus population change impacts – emerging gap
Unmet Demand
Scenario: Climate Change, All months
1,900
1,850
1,800
1,750
1,700
1,650
1,600
1,550
1,500
1,450
1,400
1,350
1,300
1,250
1,200
1,150
1,100
1,050
1,000
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
g
b
c
d
e
f
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
1900 Mm3
year 2050
2005
2007
2009
2011
2013
2015
2017
2019
2021
2023
2025
2027
2029
2031
2033
2035
2037
2039
2041
2043
2045
2047
2049
All Others
NorthernGhor
NWC_pumping
MiddleGhor
Kinneret ag
JerusalemRamallah
Jericho Ag
Isr_W_aquifer
Isr_E_aquifer
Hula ag
HebronBethlehem
Amman
AZ Zarqa
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
Unmet
demand
relative to BAU
Scenario: demand_mgmt_agric, All months
g
b
c
d
e
f
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
b
c
d
e
f
g
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
-160
-180
-200
-220
-240
-260
-280
-300
-320
-340
-360
-400 Mm3 year 2050
-380
-400
-420
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2021
2023
2025
2032
2034
2036
2038
2040
2042
2045
2047
2049
All Others
TulkQalqSalfit ag
SouthernGhor
NorthernGhor
NablusTubasAg
NWC_pumping
MiddleGhor
Kinneret ag
Jericho Ag
Jenin Ag
Isr_W_aquifer
Isr_E_aquifer
Hula ag
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
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.weap21.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 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
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 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
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: water withdrawal.
Red arrow: return flow
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 le plus la
démande non
satisfaite
Characteristiques générales
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 de l’eau – ex: ville, industrie,
irrigation
- Ont besion d’une ou plusieurs sites de
provision de l’eau
Ajouter sites de demande
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