L’ interface rivière-océan Hétérogénéité spatiale des systèmes aquatiques

1. LES FLEUVES ET L’INTERFACE CONTINENT OCEAN(River and Land/ocean interface)M. Meybeck UMR Sysiphe, CNRS/Paris 6 • L’ interface rivière-océan • Hétérogénéité spatiale des systèmes aquatiques • Changements du fonctionnement des bassins: accélération ou ralentissement ? • Réponse sociétale/réponse du mileiu • Visions partielles et acteurs sociaux • River Ocean interface • Spatial heterogeneity of aquatic systems • Anthropogenic pressures: accelerated or decreased fluxes ? • Societal response/ Environmental response • Partial vision of stakeholders • Programmes PIREN-Seine, EUROCAT (DGXII), IGPB-BAHC EUROCAT Work Package 5 http://www.iiacnr.unical.it/EUROCAT/project.htm Kabat et al., (2004). Vegatations, Water, Humans and the climate Ludwig et al. (2003) MAP Tech. Rpt. Ser. 141, UNEP Athens Meybeck (2002) Aquatic Sc, 64. (2004). Phil Trans Royal. Soc. B., 354

2. STRUCTURE GENERALE DES TRANSFERTS DE MATIERE FLUVIALE A LA ZONE COTIERE • ATMOSPHERIC INPUTS F7A F7B F12 F11 F4 POINT SOURCES F3 F2 FR F5 F8 F1 FE   S5 TL  S6 F9 F10 DIFFUSE SOURCES F6 • A OPEN SEA • B EXTERNAL • C • ESTUARY • RIVER BASIN • COASTAL ZONE EXTERNAL Suivant les types côtiers, on peut différencier une zone estuarienne(ZE) d’une zone côtiere (ZC). Les stations de bouclage des bilans (S5 et S6) sont situés en amont de la Z.E. (S5) ou au sein de la ZE (S6). La compréhension et la modélisation du système côtier nécessitent la quantification de nombreux flux (atmosphères, océans...) en plus des apports fluviaux. Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

3. Interactions côte/fleuve • ATMOSPHERIC INPUTS F7A F7B F4 PRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA CONNEXION FLEUVE - ZONE COTIERE: CAS DES DELTAS POINT SOURCES F12 F11 F3 EXTERNAL SOURCES F2 F5 FR F1 S6   S5 F8 DIFFUSE SOURCES F6 F9 OPEN SEA Pour les deltas les stations de contrôle 100% fleuve (S5) et 0 % fleuve (S6) sont souvent très proches et on néglige alors les apports et les processus entre les deux. • C • ESTUARY • RIVER BASIN • COASTAL ZONE EXTERNAL SOURCES III • F8 S6a S5 V S6b I III III • F5 F5 • F9 F5 Additional coastal catchment Catchment area at control station S5/S6 outer coastal zone Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

4. Interactions côte/fleuve • ATMOSPHERIC INPUTS F7A F7B PRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA CONNEXION FLEUVE - ZONE COTIERE: CAS DES ESTUAIRES A MAREES F4 F12 F11 POINT SOURCES F3 F2 FR F5 F8 F1 FE   S5 TL  S6 F9 F10 DIFFUSE SOURCES F6 Pour les systèmes macrotidaux, les stations de contrôles des transferts fluviaux (S5) doivent être placées très en amont: un important domaine d’apports directs apparaît, dont le bilan n’est observable qu’à la sortie de l’estuaire (S6). • A OPEN SEA • B • C EXTERNAL • ESTUARY • RIVER BASIN • COASTAL ZONE EXTERNAL RIVER/COAST SYSTEM III V F5 F8B F8A TL F2 S5 IV F9A F9B S6 I II III F1 Catchment area at control station S5 Inner coastal zone (estuary) Direct estuarine catchment area Outer coastal zone Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

5. TYPES DE SURVEILLANCE DU SYSTEME FLUVIAL ET DE SES FILTRES GBL La surveillance de la qualité environnementale et des flux doit prendre en compte la complexité naturelle et anthropique des milieux, y compris les filtres naturels: (sols, lacs, zones humides, plaine d’inondation) et artificiels (réservoirs, périmètres irrigués... ) S1A S1A S2 L GBR S3a S2 S3b IA R S4b S1A: stations located on pristine representative watersheds (1-10 km2); S1B: stations representative of agricultural impacts; S2 to S4: impact and water uses stations along main tributaries and main river courses with possible influence of lakes (L) and/or reservoirs (R); S5: river basin output control station. S6: estuarine output station, S7: outer coastal zone network:  general survey,  impact stations. Ua,Ub, Ia, Ib: major urban and industrial pollution sources; IRR: irrigation from river water. APB: administrative/political border. GBL and GBRGhost basins related to lake L and reservoir R. UB UA S4b ABP IRR. a FP S1A S5 IRR.b IB S6b S6a S6c S7 Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

6. SCHEMA DES FILTRES EN CASCADE DANS LE SYSTEME BASSIN VERSANT/ ZONE COTIERE (CONDITIONS NATURELLES) INPUT TO THE ATMOSPHERE SOIL WET LAND* LAKE FLOODPLAIN ESTUARY OPEN COAST • PARTICULATE SETTLING * headwaters wetlands (other wetland types are included in lake, floodplain and estuary). Chaque type de filtre peut stocker et/ou transformer les nutriments (C, N, P, S) et les contaminants (métaux) La modélisation complète du système doit prendre en compte tous ces processus majeurs Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

7. SCHEMA DES FILTRES EN CASCADE DANS LE SYSTEME BASSIN VERSANT / ZONE COTIERE (ANTHROPOSYSTEME) INPUT TO THE ATMOSPHERE SOIL WL* LAKE RES FL. PL. IRRIG LAND EST OPEN COAST • PARTICULATE SETTLING De nombreux filtres naturels sont réduits (zone humide, plaine inondable, estuaire) alors que des filtres nouvaux sont créés (réservoirs, périmètres irrigués. Dans beaucoup de systèmes les changements de flux nets à lazone côtière sont mal déterminés. Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

8. STRUCTURE SPATIAL DES PRESSIONS ANTHROPIQUES SUR LE BASSIN DE LA SEINE La Seine combine la plupart des pressions - à l’exception des mines. Beaucoup sont dues à l’agglomération parisienne (2 500 km2, 10 M hab) Meybeck et al., 2004. Cahiers IAURIF

9. QUALITES RELATIVES DU MILIEU AQUATIQUE (SEINE) Chaque critère peut être analysé selon une échelle d’impacts, ce qui permet la comparaison. Les profils moyens d’impact combinent les ordres hydrologiques et l’ impact de Paris: ils sont tous différents. Les impacts de Paris s’exercent sur l’amont du bassin et très en aval (Baie de Seine), après le filtre estuarien. ECHELLE D’IMPACT 2 D TRES FORT FORT 1A 5 1 4A MOYEN FAIBLE 4 3 TRES FAIBLE NEGLIGEABLE Mégalopole Parisienne Ordres 6 et 7 Ordre 4 à 6 Amont paris Petits Bassins Agricoles Ordres 1 à3 Petits Bassins Forestiers Ordres 1 à 3 BAIE ESTUAIRE POSES Ordre 8 SSA BV Meybeck et al., 2004. Cahiers IAURIF

10. PRESENTATION SCHEMATIQUE DES LIMITES ADMINISTRATIVES ET/OU POLITIQUES DANS LE SYSTEME FLEUVE / ZONE COTIERE Le partage des grands bassins et/ou des estuaires (1) ajoute un degre de complexite aux systèmes. Les limites spatiales des systèmes peuvent dépendrent des administrations, des conventions binationales ou internationales. Les petites entités (2) sont souvent plus homogènes • I 1 • A • II • B • III • IV • S5c Extended basin-coast entity (1): A: Limits across river network. B: limits following river courses.C: coincidence of river catchment control station (S5) with international boundary.D: shared estuary between regions or countries. Limits of international waters exclusive economic zone outside (E1) and (E2) the geomorphic limit of the coastal zone. Political or administrative entities: I to V. The smaller basin/coast entity (2) is entirely within IV. • S5a • S5b • C 2 • V • E2 • D • E1 Natural Limit of Coastal Zone • International Waters Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

11. SCHEMA D’UNE RESTORATION REUSSIE DE LA QUALITE DES EAUX, CUMULANT LE STEMPS DE REACTION DU MILIEU NATUREL ET DE LA SOCIETE T0 10 ans La détection dse impacts, les lacunes et incertitudes scientifiques, les inerties sociétales, la résistance de secteurs économiques responsables des pressions, la difficulté d’obtenir des consensus entrainent des réponses insuffisantes ou tardives. Il en résulte une dégradation du milieu suivi d’impacts socio-économiques importants. Le cycle pression-réponse-amélioration de l’état s’étend sur des décades. Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

12. ATMOSPHERIC INPUTS F7A F7B LE SCHEMA “DPSIR” APPLIQUE A L’IMPACT FLUVIAL SUR LA ZONE COTIERE F12 F11 F4 POINT SOURCES F3 F2 FR F5 F13 F8 F1 L’application du concept DPSIR dans les interactions fleuves / zones côtières est complexe car elle nécessite au moins la connaissance de 3 types de flux (information, économie, matériaux) et la prise en compte de relations de causalité decalées dans l’espace et letemps  S5 TL S6 F10 F10b DIFFUSE SOURCES F9 F6 • A • B • C OPEN SEA EXTERNAL • RIVER BASIN • ESTUARY EXTERNAL • COASTAL ZONE DRIVERS • PRESSURES • TRANSFERS • STATES • IMPACTS • RESPONSES Geographic colour code:brown = river basin,blue = coastal segment; interactions colour code:black arrows = fluxes of information and social interactions; green arrows = financial fluxes; red arrows = fluxes and concentrations of materials; S5 river control station; S6 estuary control station. Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

13. DECOMPOSITION SCHEMATIQUE DU CONCEPT DPSIR DANS LES INTERACTIONS FLEUVE-ZONE COTIERE • BASSIN FLUVIAL • DOMAINE COTIER POLITIQUES ENVIRONNEMENTALES BASSIN / ZONE COTIERE REPONSES • SPHERE DE DECISION BASSIN DETERMINANTS F G E Z. COTIERE DETERMINANTS SPHERE SOCIO ECONOMIQUE A ECONOMIE DU BASSIN PRESSIONS • ECONOMIE • COTIERE • IMPACTS B D • MILIEU • NATUREL TRANSFERTS MATERIAUX DANS LE BASSIN ETATS • ZONE COTIERE • ETATS C temps de réaction économique, social, politique, et biogéochimique, Station de contrôles du milieu Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

14. E C O N O M I C P R E S S U R E S RIVER QUALITY WATER RESOURCE RES FL. PL. IRR BASSIN VERSANT ZONE COTIERE LE SYSTEME BASSIN FLUVIAL/ZONE COTIERE(vu par le gestionnaire du bassin) CONTRAINTES DE GESTION F E D1 • BASIN STAKE HOLDERS C D2 • RIVER BASIN • DEMAND PRESSURES UTiLISATION DE LA RESSOURCE INDUS MINING URBAN AGRIC. TRANSPORT B A ESTUARY S6 COASTAL ZONE ETAT DE LA RESSOURCE S5 temps de réaction économique, social, politique, et biogéochiomique, Station de contrôles du milieu Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

15. D R I V E R S E C O N O M I C LE SYSTEME BASSIN FLUVIAL / ZONE COTIERE (vu par l’économiste de la zone côtière) ARRIERE PAYS DOMAINE MARIN CONTRAINTES DE REGULATION DE L’ENVIRONNEMENT COASTAL REGULATION COASTAL STAKE HOLDERS • COASTAL USERS • INLAND MARINE • IMPACT INDICATORS SYSTEME ECONOMIQUE AGRIC. DEFENCE SHELLFISH TOURISM INDUSTRY FISHING URBAN TRANSPORT RESSOURCES NATURELLES ESTUARY COASTAL ZONE RIVER BASIN S5 S6 temps de réaction économique, social, politique, et biogéochiomique, Station de contrôles du milieu Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

16. LE SYSTEME BASSIN FLUVIAL / ZONE COTIERE (vu par les scientifiques naturalistes) BASSIN VERSANT DOMAINE MARIN • BASIN REGULATION POLITIQUE RIVER BASIN USERS / PRESSURES INTERACTIONS ÉCONOMIQUES A • RIVER BASIN FILTERS INTERACTIONS BIOPHYSIQUES s B SOIL s WETL LAKE s RES s FL.PL s IRR C D E S5 ESTUARIES COASTAL ZONE Hydrodynamic S6 G Hydrodynamic F Water /sed Hydrodynamic Biota Water /sed Biota Water /sed Biota temps de réaction économique, social, politique, et biogéochiomique, Station de contrôles du milieuB, E: Apports atmosphériques G: Apports océaniques Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

17. CONTINENT • ZONE COTIERE LE SYSTEME BASSIN FLUVIAL/ZONE COTIERE(vu par les responsables des politiques environnementales) INTERNAT. REGIONAL SEAS TREATY A1 A2 H4 EUROPEAN DIRECTIVES H4 NATIONAL • RIVER BASIN TREATY ? COAST • SPHERES DE DECISION C H3 RIVER ? COAST D1 H2 PROVINCIAL RIVER ? COAST D2 E H1 BASIN RIVER ? COAST G H BASIN STAKE HOLDERS COASTAL STAKE HOLDERS F • ACTEURS SOCIO-ECONOMIQUES ? RIVER BASIN USERS/PRESSURES COASTAL CRITERIA • RIVER CRITERIA • GEOSYSTEMES S5 COASTAL ZONE Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

18. ORIGINES NATURELLES ET TRANSFERTS DES MATERIAUX PARTICULAIRES DANS LES SYSTEMES FLUVIAUX NATURELS SOURCES TRANSFERS FILTERS Les transferts sont largement régulés par les processus d’ érosion/sédimentation à diverses échelles de temps (< 1 an à >> 100 ans). Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

19. P 14 La connaissance des flux et leur modélisation nécessite de très nombreux réseaux d’observation depuis les ruisseaux (S1, S2) jusqu’aux stations de bouclage du bassin (S5, S6) pour quantifier la rétention et la transformation des matériaux dans les filtres du système, pour estimer les fuites de l’anthroposystème vers le milieu aquatique TYPES DE SURVEILLANCE DANSLES SYSTEMES FLEUVES / ZONE COTIERE ATMOS. POLLUTION O V W MINING E CITIES & INDUSTRIES ATMOSPHERIC FALLOUT J1 J2 B S17   S16B S16A G2 16 U PARTICULATE MATERIAL DEPOSITORIES GROUND WATER AGRICULTURE ENHANCED EROSION H  S10B NATURAL SOIL EROSION SOURCES S15A S18  S8A  S8B S14 F1 G1 F2 S15B T J3 1 A S1A  S1B S6  S7  15 b S5  S4  15 a TRANSFERS  S3  S2 13 D C 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 RESERVOIRS S9B SLOPES DELTAIC SEDIMENT LAKES ALLUVIAL PLAINS RIVER BED COASTAL SEDIMENT SINKS & EXCHANGES S9A S10A S11 S12 (FILTERS) UPPER COURSE MIDDLE/LOWER COURSE ESTUARY/DELTA COAST Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

20. TRANSFERTS DE MATERIAUX AU SEIN DES ANTHROPOSYSTEMES 14 P R ECONOMY/POLICY ATMOS. POLLUTION BUILDINGS IMPORTED PRODUCTS K ORES M O V Q EXPORTED PRODUCTS H N I J W L B1 CITIES & INDUSTRIES MINING ATMOSPHERIC FALLOUT B3 ANTHROPOSPHERE FLUXES URBAN / INDUS. SOILS B2 TAILINGS G2 16 U DUMPS PARTICULATE MATERIAL DEPOSITORIES GROUNDWATER CONTAMINATION Z H IMPACTED LANDSURFACE E PRISTINE LAND SURFACE SURFICIAL FILTERS F1 G1 F2 T B2 1 J3 A 15 b 15 a RIVERINE TRANSFERS 13 C D 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 I.F. RESERVOIRS SLOPES WETLANDS DELTAIC SEDIMENT LAKES ALLUVIAL PLAINS AQUIFERS RIVER BED COASTAL SEDIMENT SINKS & EXCHANGES UPPER COURSE ESTUARY/DELTA COAST MIDDLE/LOWER COURSE Surveys of anthroposphere leaks Surveys of economic material fluxes Dans les systèmes influencés par l’Homme, les transferts de matériaux deviennet extrêmeement complexes. Les transferts fluviaux peuvent être alors largement influencés par les activités humaines. Leur modélisation fait alors intervenir de très nombreuses disciplines autres que les sciences de laterre Meybeck et al., EUROCAT WP5, 2004

21. CONCLUSIONS (1/2) • La gestion Bassin/ zône côtière suivant l’approche DPSIR est difficile à mettre en oeuvre : • Basin coast management according to the DPSIR approach is actually very difficult to carry out: • La complexité spatiale doit être prise en compte dans toutes ces dimensions: hétérogénéité du bassin versant, d’interface, natures des pressions, diversité des gestions et des régulations sur les bassins Spatial complexityshould be fully understood : river basin heterogeneity, multiple types of Land Ocean interface; pressures types, management and regulation diversity within basins • L’interface bassin/zone côtière peut être modifiée par les activités humaines Land/ocean interface can be gratly modified by human activities • Dans les bassins anthropisés (« anthroposystèmes ») l’évolution des flux nets à la mer dépend à la fois de (i) l’accélération des cycles (C, N, P, Si) (ii) l’augmentation des sources (métaux, POPs), (iii) la diminution des filtres naturels (iv) l’apparition de nouveaux filtres comme les réservoirs. In basins under pressures (« anthroposystems ») the evolution of net river fluxes to ocean depends on (i) biogeochemical cycles acceleration (C, N, P, Si) (ii) increaed sources of metals and POPs (iii) decreased natural filters (e.g. wetlands), (iv) creation of man-made filters (e.g. reservoirs).

22. Les réponses sont généralement apportées après le début des changements d’Etat, ou même des impacts. Ce décalage est souvent de 10 à 20 ans pendant lequel la dégradation du milieu progresse. Societal responses to environmental impacts are generally brought in after State changes and impacts generation. This time lag is often 10 to 20y during which the environmental state is degrading. Les acteurs ont chacun leur vision partielle sur l’ensemble bassin/Interface/zone côtièreet ne considèrent pas l’ensemble déterminants socio-économiques - Pressions (sur le milieu) - Etat (du milieu) - Impact (socio-économique) - Réponse (sociétale) (i) les réponses à certains impacts côtiers doivent être anticipées et apportées très en amont dans le bassin (ii) certains impacts actuels peuvent être liés à des pressions passées (Héritages) Each stakeholder has a biased view point on the basin/Interface/coast interactions and generally fails to consider the space and time dimension of Drivers - Pressures - States - Impacts - Responses: (i) many responses to coastal impacts should actually be anticipated and developed far upstream in the river basin (ii) some current impacts may be linked to past pressures (Heritages) CONCLUSIONS (2/2) EUROCAT Work Package 5 http://www.iiacnr.unical.it/EUROCAT/project.htm Kabat et al., (2004). Vegatations, Water, Humans and the climate Ludwig et al. (2003) MAP Tech. Rpt. Ser. 141, UNEP Athens Meybeck (2002) Aquatic Sc, 64. (2004). Phil Trans Royal. Soc. B., 354