Comment calculer les besoins en eau d’une culture ?

Les pluies, en particulier leur part efficace, fournissent une partie de l’eau requise pour satisfaire les besoins d’évapotranspiration des cultures. Le sol, agissant comme un tampon, stocke une partie de l’eau de pluie et la restitue aux cultures en période de déficit. Sous des climats humides, ce mécanisme suffit pour assurer une croissance satisfaisante dans des systèmes de culture sans irrigation. Dans des conditions arides ou en cas de saison sèche prolongée, il est nécessaire d’irriguer pour compenser le déficit d’évapotranspiration (transpiration des cultures et évaporation à partir du sol) dû à l’insuffisance ou à l’irrégularité des précipitations. La consommation d’eau pour l’irrigation est définie comme étant le volume d’eau nécessaire pour compenser le déficit entre d’une part l’évaporation potentielle et d’autre part les pluies efficaces pendant la période de croissance des cultures et le changement dans la teneur en eau du sol. Elle varie considérablement en fonction des conditions climatiques, des saisons, des cultures et des types de sol. Pour un mois donné, le bilan hydrique des cultures peut s’exprimer comme suit:

ICU = ETc – P – DS

où:
ICU	= consommation d’eau pour l’irrigation nécessaire pour satisfaire la demande des cultures (mm)
ETc	= évapotranspiration potentielle de la culture (mm)
P	= pluie efficace (mm)
DS	= changement dans l’humidité du sol (mm)

Dans cette étude, la consommation d’eau pour l’irrigation est calculée par pays sur la base du calendrier cultural irrigué pour une année spécifique en établissant la différence entre les besoins en eau des cultures—c’est-à-dire l’évapotranspiration potentielle de la superficie des cultures irriguées et récoltées sous irrigation en maîtrise totale (AHI_full)—et le bilan hydrique en conditions naturelles—à savoir l’évapotranspiration réelle (ETa) sans irrigation. Dans le cas spécifique du riz paddy, un supplément d’eau est nécessaire pour inonder les rizières afin de faciliter la préparation des terres et de protéger les plantes. Cette quantité supplémentaire se calcule en multipliant la superficie récoltée et irriguée plantée de riz par une couche d’eau de 20 centimètres. En pareil cas, les besoins en eau sont la somme du déficit d’eau pluviale et de la quantité d’eau nécessaire pour inonder les terres rizicoles. Dans d’autres cas, ils sont équivalents à la consommation d’eau pour l’irrigation.

Les besoins en eau d’irrigation calculés dans cette étude sont disponibles dans la base de données AQUASTAT sous la variable ‘Besoins en eau d’irrigation’ [code 4260]. Ils sont également présentés par pays dans le Tableau 4 et par région dans le Tableau 5, qui comparent les prélèvements et les besoins d’eau.

Les méthodes de calcul des deux composantes de l’équation des besoins d’eau sont présentées en détail ci-dessous.

Bilan hydrique en conditions non irriguées (ou naturelles)

Les ressources en eau renouvelables constituent la somme des ressources renouvelables intérieures—les eaux de surface et souterraines produites à l’intérieur d’un pays—et des ressources extérieures—les eaux de surface et souterraines entrant et bordant un pays moins celles quittant le pays si elles font l’objet de traités ou d’accords conclus avec un pays en aval. La composante intérieure trouve son origine dans la partie des précipitations endogènes s’écoulant dans les cours d’eau et les lacs ou s’infiltrant dans les nappes aquifères après l’évapotranspiration des écosystèmes naturels, y compris des plantes herbacées et des arbres. Ainsi, le bilan hydrique annuel dans des conditions naturelles, c’est-à-dire sans irrigation—également considéré comme la quantité d’eau théorique maximum effectivement disponible pour une zone donnée au cours d’une année—peut se calculer en additionnant les précipitations annuelles et le bilan des ressources en eau renouvelables extérieures moins l’évapotranspiration (à l’exclusion de l’évapotranspiration causée par les flux d’eau souterraine et superficielle vers les surfaces d’eaux libres et les terres humides). L’une des activités d’AQUASTAT consiste à rassembler des informations par pays sur les ressources en eau renouvelables et, à partir de ces données, à estimer au mieux les principaux éléments du bilan hydrique de chaque pays.

Le bilan hydrique mondial est constitué de divers niveaux de données spatiales—tirées, dans la mesure du possible, du domaine public—réparties en différents ensembles de données relatifs aux précipitations, à l’évapotranspiration de référence et à la capacité de rétention de l’humidité du sol:

Le calcul du bilan hydrique s’effectue selon une résolution spatiale de 5 degrés par cellule de grille et pour des périodes journalières. Les opérations de calcul donnent des valeurs mensuelles par cellule pour les précipitations moyennes à long terme, l’évapotranspiration réelle, l’évapotranspiration supplémentaire causée par l’agriculture irriguée, le ruissellement de surface, la réalimentation des nappes souterraines et la rétention d’humidité dans le sol. On peut établir des bilans hydriques annuels synthétiques pour n’importe quelle échelle spatiale (un pays ou un bassin hydrographique, par exemple) et y inclure, outre les variables mentionnées ci-dessus, l’évapotranspiration supplémentaire sur des surfaces d’eau libre et sur des terres humides.

Pour chaque cellule de la grille, l’évapotranspiration potentielle de la culture (ETc) s’établit quotidiennement selon la méthodologie décrite dans l’Étude (N° 56) de la FAO sur l’irrigation et le drainage (FAO, 1998):

ETc(t) = Kc x ETo(t)

où:
t	= période de temps (jours)
ETc(t)	= évapotranspiration potentielle de la culture au cours de la période de temps donnée (mm)
ETo(t)	= évapotranspiration de référence au cours de la période de temps donnée (mm)
Kc	= coefficient cultural ou d’affectation des sols (-)

Le coefficient cultural ou d’affectation des sols Kc varie pendant la saison culturale en fonction du stade de croissance. Toutefois, pour les conditions pluviales il a été décidé de ne pas appliquer de facteurs Kc différenciés étant donné qu’aucune distinction n’a été faite entre les différentes cultures exploitées sur des terres non irriguées. L’évapotranspiration réelle (ETa) en conditions non irriguées est supposée égale à l’évapotranspiration potentielle des cultures (ETc) pendant les périodes de l’année où la pluviométrie est supérieure à l’évapotranspiration potentielle ou lorsqu’il y a suffisamment d’eau stockée dans le sol pour permettre une évapotranspiration maximum. Pendant les périodes plus sèches de l’année, le manque d’eau limite l’évapotranspiration réelle, qui dépend de la disponibilité, fortement réduite, de l’eau du sol.

L’évaporation et l’évapotranspiration sur les superficies d’eau libre, les marais et les terres humides est supposée dépasser de 10 pour cent l’évapotranspiration de référence pendant toute la période estimée.

Pour chaque cellule de la grille, l’humidité disponible du sol est calculée par jour en ajoutant les flux entrants et sortants à l’humidité disponible du sol de la veille. Il y a ruissellement lorsque le bilan des flux entrants et sortants dépasse la capacité de rétention maximum de l’humidité du sol. Le ruissellement se calcule donc comme la part des précipitations qui ne s’évapore pas et ne peut pas être stockée dans le sol. Il est toujours positif sauf pour les surfaces d’eaux libres ou les terres humides, où l’évapotranspiration réelle peut être supérieure à la pluviométrie. La réalimentation des nappes souterraines est supposée se produire uniquement au-delà d’un certain niveau, lorsqu’il y a assez d’eau disponible dans le sol pour permettre sa percolation.

Le modèle est calibré en comparant les valeurs calculées pour les ressources en eau par pays (indiquant la différence entre la pluviométrie et l’évapotranspiration) avec les données relatives aux ressources en eau renouvelables intérieures pour chaque pays extraites des études par pays d’AQUASTAT et présentées dans les fiches des ressources en eau par pays. Lorsque les différences entre les valeurs calculées et les statistiques nationales d’AQUASTAT ont été jugées trop importantes, des facteurs de correction ont été appliqués aux paramètres relatifs à la capacité de rétention de l’humidité du sol et aux flux de réalimentation maximum.

Le modèle a été validé en comparant les débits des principaux cours d’eau figurant dans la Base de données mondiale sur les débits des cours d’eau (SAGE, 2012) avec le ruissellement calculé pour les bassins de drainage de ces cours d’eau.

On utilise ce bilan hydrique spatial calibré et validé pour calculer les besoins en eau des cultures (ci-dessous) et les besoins en eau d’irrigation.

Besoins en eau des cultures

Pour le calcul des besoins en eau des cultures, c’est-à-dire de l’évapotranspiration potentielle des cultures irriguées, on utilise comme données d’entrée le bilan hydrique calibré en conditions naturelles, les statistiques de la carte mondiale des superficies irriguées (version 4.0.1; Siebert et al., 2007 et 2010) et les valeurs des calendriers culturaux irrigués. Comme pour le calcul du bilan hydrique en conditions naturelles, l’évapotranspiration potentielle s’établit quotidiennement selon une résolution spatiale de 5 degrés d’arc par cellule de grille. Elle peut être présentée sous forme de tableaux statistiques ou de cartes à différents niveaux d’agrégation spatiale.

L’évapotranspiration d’une culture irriguée (ETc en mm) s’obtient en multipliant l’évapotranspiration de référence (ETo) par un coefficient spécifique à la culture et au stade de croissance (ETc = Kc x ETo). Ce coefficient a été établi pour quatre stades: la phase initiale (juste après les semis), la phase de développement, la phase de mi-croissance et la phase tardive (mûrissement avant la récolte) (FAO, 1998). En général, ces coefficients sont faibles pendant la phase initiale, augmentent pendant la phase de développement, sont élevés à la mi-croissance et retombent au stade tardif. Il est supposé que les phases initiale, de développement et tardive durent chacune 1 mois pour chaque culture, tandis que la durée de la phase de mi-croissance varie selon le type de culture. Par exemple, la période de croissance végétale du blé au Bangladesh, indiquée dans l’exemple de calendrier cultural irrigué, commence en décembre et s’achève en avril selon le schéma suivant: phase initiale en décembre (Kc = 0,4), phase de développement en janvier (Kc = 0,8), phase de mi-croissance de février à mars (Kc = 1,15) et phase tardive en avril (Kc = 0,3). Les coefficients culturaux par cultures et stades de croissance sont présentés à l’Annexe 1. On suppose qu’il y a toujours assez d’eau disponible pour éviter le stress hydrique.

Le taux d’évapotranspiration mensuel produit par la superficie irriguée pour chaque cellule de grille est calculé en multipliant la superficie équipée pour l’irrigation par l’intensité de culture et l’évapotranspiration pour chaque culture:

ETc(t) = IA x Σc( CIc x Kc x ETo(t) )

où:
t	= période de temps (jours)
ETc(t)	= évapotranspiration d’une cellule irriguée pendant la période t (mm)
IA	= superficie réellement irriguée en pourcentage de la superficie de la cellule de grille pour la cellule donnée (ha)
c	= culture irriguée
Σc	= somme des différentes cultures
CIc	= intensité de culture c (-)
Kc	= coefficient cultural variant en fonction de la culture et du stade de croissance (-)
ETo	= évapotranspiration de référence (mm)

La différence entre l’évaporation calculée de la superficie irriguée (ETc) et l’évapotranspiration réelle en conditions non irriguées (ETa) est égale à l’évapotranspiration supplémentaire due à l’irrigation, également appelée « consommation d’eau pour l’irrigation » (ICU):

ICU(t) = ETc(t) – ETa(t)

Le volume d’eau consommé pour l’irrigation est établi par pays et pour une année donnée. Une quantité d’eau supplémentaire (20 cm) est nécessaire pour la préparation des terres rizicoles et leur inondation pour la protection des plantes ; ce volume supplémentaire est ajouté au déficit d’eau pluviale pour établir les besoins en eau pour l’irrigation.

IWR = ( ICU(an) x Acell + 0.2 x Apaddy(an) ) x 10

où:
IWR	= besoins totaux en eau d’irrigation par an (m3)
ICU(an)	= consommation d’eau pour l’irrigation par an (mm)
Acell	= superficie de la cellule de grille (ha)
Apaddy(an)	= superficie irriguée plantée de riz paddy par an (ha)

Comme cette quantité d’eau supplémentaire requise pour les rizières est en grande partie restituée aux cours d’eau ou aux nappes souterraines sous-jacentes, elle n’est pas intégrée dans la consommation d’eau d’irrigation. La composante des besoins en eau d’irrigation pour le lessivage des sels n’est pas incluse dans les estimations de la présente étude en raison du manque de données disponibles concernant la salinisation, fortement contextuelle. Les besoins en eau d’irrigation calculés correspondent à des besoins nets, qui excluent les eaux perdues en cours de livraison (transport, distribution, application).

Les besoins en eau issus des estimations, après corrections s’il y a lieu, sont disponibles par pays sous la variable ‘Besoins en eau d’irrigation’ [code 4260] dans la base de données AQUASTAT. Sur la base de ces résultats, les prélèvements d’eau pour l’irrigation (3^ème étape) sont estimés pour les pays ne disposant pas de telles données. Les estimations des besoins et des prélèvements sont comparées en synthétisant les données du Tableau 4 (par pays) ou du Tableau 5 (par région).

Source : fao.org