Donkora Kambou, Dimitri Xanthoulis, Korodjouma Ouattara & Aurore Degré

Concepts d’efficience et de productivité de l’eau (synthèse bibliographique)

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Résumé

L’efficience et la productivité de l’eau sont des indicateurs utilisés dans de nombreuses disciplines scientifiques, généralement pour rendre compte des pertes en eau qui surviennent au cours de son usage ou des produits générés par unité d’eau consommée. Leur perception est très diversifiée dans la littérature. Mais les définitions les plus partagées présentent l’efficience de l’irrigation comme une mesure de l’efficacité de l’irrigation et l’efficience de la productivité de l’eau comme une mesure de l’efficacité du processus physiologique de production de biomasse et de formation de rendement des cultures, liée à leur consommation réelle en eau. Ainsi, un consensus semble se dégager en faveur de la considération de l’efficience d’application de l’eau (Ea) comme le rapport de l’évapotranspiration réelle à l’eau appliquée à la parcelle et de la productivité de l’eau comme le rapport du rendement à l’évapotranspiration réelle. Le point de divergence réside fondamentalement dans la compréhension des termes constitutifs des expressions de la productivité (PE, Produit/« eau consommée ») et de l’efficience d’application de l’eau (Ea, « eau consommée »/« eau appliquée »). En effet, le terme « eau consommée » est considéré selon les auteurs comme « l’évapotranspiration réelle », « l’irrigation brute plus l’eau de pluie », « l’évapotranspiration plus les eaux perdues à la parcelle mais profitables à d’autres usagers », etc. Par ailleurs, tout en apportant plus de précision sur les concepts d’efficience et de productivité de l’eau, cette revue montre que les facteurs qui affectent ces indicateurs sont peu élucidés. Ainsi, un des axes d’investigation pourrait être la modélisation de l’efficience d’application de l’eau en fonction des pratiques de gestion et de la productivité de l’eau en fonction de la période de mise en place de la culture.

Abstract

Water efficiency and productivity concepts. A review. Water efficiency and productivity indicators are used in many scientific disciplines, usually to account for water losses that occur during its use, or products generated per unit of water consumed. The interpretation of these indicators is very diverse in the literature. However, the majority of definitions consider water efficiency as a measure of the effectiveness of irrigation, and view water productivity as a measure of the effectiveness of the physiological processes of both biomass production and crop yield formation, linked to the actual consumption of water by the crops. Thus, the consensus seems to be for water application efficiency (Ea) to be considered as the ratio of actual evapotranspiration to the water applied and productivity as the ratio of yield to actual evapotranspiration. The point of divergence relates fundamentally to the understanding of the constituent expressions of productivity (PE, product/“water consumed”) and efficiency of water application (Ea, “water consumed”/“applied water”). Indeed, the term “water consumed” is referred to variously by several authors as “actual evapotranspiration”, “gross irrigation plus rainfall”, “evapotranspiration plus water lost at the plot but beneficial to other users”, etc. Furthermore, while providing more details on the concepts of efficiency and water productivity, this review shows that the factors affecting these indicators have not yet been sufficiently elucidated. Thus, one of the axes of investigation could be to model the application efficiency of water firstly, according to water management practices and secondly, in terms of productivity levels in relation to the crop establishment period.

Table des matières

1. Introduction

1La raréfaction des ressources en eau et l’augmentation croissante de leur demande globale, particulièrement dans le secteur agricole qui détient 70 % de la consommation en eau dans le monde (FAO, 2011), nourrit le débat sur la problématique de l’amélioration de l’efficience d’utilisation et de la productivité de l’eau (van Halsema et al., 2012). Les acteurs du secteur de l’irrigation, notamment les décideurs et les irrigants, ont besoin d’indicateurs sur l’efficience de l’irrigation et la productivité de l'eau afin de mettre en place des stratégies appropriées de gestion durable des ressources en eau. Cependant, ces concepts sont de plus en plus différemment perçus, entrainant des confusions dans leur appréhension, ce qui complique leur application et exploitation objective et consensuelle (Bluemling et al., 2007 ; Lankford, 2012 ; van Halsema et al., 2012). Le présent article est une revue bibliographique critique sur les approches d’évaluation des indicateurs d’efficience et de la productivité de l’eau des systèmes irrigués ainsi que les facteurs qui les affectent. L’objectif est de contribuer à apporter plus d’éclairage sur les différents concepts d'efficience et de productivité de l'eau. À cet effet, la méthodologie de recherche documentaire de Pochet (2005) a été utilisée pour la recherche des références bibliographiques traitant de ces concepts.

2La revue bibliographique est assortie de perspectives d’investigation sur les performances de l’irrigation à la parcelle.

2. Notion de systèmes d’irrigation

3Les systèmes d’irrigation permettent l’arrosage de superficies aménagées de plus ou moins grandes tailles. Les superficies aménagées peuvent être en maitrise totale1 ou partielle2 d’eau. Ainsi, selon les pays, des typologies des systèmes d’irrigation généralement basées sur la taille de l’aménagement sont proposées. Lorsque les superficies couvertes par le système d’irrigation permettent d’irriguer plusieurs centaines, voire des milliers d’hectares contigus, on parle de grands aménagements. Par contre, lorsque les superficies couvertes sont de l’ordre de quelques mètres carrés à des centaines d’hectares, on parle de petits et moyens aménagements. Les aménagements peuvent être communautaires ou individuels. Sur les aménagements communautaires, le réseau d’irrigation est collectif et l’approvisionnement en eau des parcelles se fait suivant le principe du tour d’eau. Les exploitants des aménagements communautaires sont souvent organisés en groupement coopératif. Dans la plupart des cas, les aménagements communautaires sont réalisés par l’État ou des organismes actifs dans le secteur du développement rural. Dans le cas de l’irrigation de surface, ils sont généralement assortis d’un plan de réseau d’irrigation définitif avec des canaux primaires en béton à ciel ouvert ou en tuyauterie enterrée (semi-californien) et des stations de pompages ou des vannes de régulation. Quant aux aménagements de type individuel, ils sont réalisés par les producteurs eux-mêmes, généralement sans aucune étude préalable. Ces aménagements sont installés anarchiquement autour des points d’eau, de façon éparse et les irrigants y travaillent individuellement ou en petits groupements. Ils utilisent des motopompes, des pompes à pédales ou des puisettes qui sont des équipements permettant de pomper ou de puiser l’eau. Les raies, planches et réseaux d’irrigation sont conçus juste pour une campagne de production.

4Les systèmes d’irrigation ont été décrits et classés en trois grandes catégories, à savoir l'irrigation de surface, l'irrigation sous pression (qui comprend l'irrigation goutte-à-goutte et l'irrigation par aspersion) et l’irrigation souterraine (Hlaveck, 1992 ; Rieul, 1997 ; Rieul et al., 2003 ; Compaoré, 2006 ; Tiercelin et al., 2006). En s’appuyant sur les descriptions de ces auteurs et bien d’autres, les systèmes d’irrigation et les techniques d’irrigation associées à chacune d’elles sont passés en revue dans le développement ci-dessous.

2.1. L’irrigation de surface

5L’irrigation de surface ou irrigation gravitaire est le mode d’irrigation le plus ancien et le plus répandu dans le monde (Rieul, 1997). Elle concerne les techniques d’irrigation pour lesquelles la répartition de l’eau à la parcelle se fait à l’air libre et par simple écoulement à la surface du sol (Compaoré, 2006). Les techniques d’irrigation de surface comprennent l’irrigation par planche, l’irrigation par submersion, l’irrigation à la raie et l’irrigation de surface mixte. Elles se distinguent par la méthode d’application de l’eau, qui peut être par ruissellement ou par submersion.

6Les techniques d’irrigation de surface entraineraient un apport excessif d’eau. L’irrigation par submersion engendrerait, par exemple, l’utilisation de plus de 2 000 t d’eau pour produire 1 t de riz, alors que le riz n’a besoin que de 800 t d’eau pour ses propres besoins physiologiques (Lage et al., 2004). Une grande partie de cette eau serait perdue par infiltration et percolation. Walker (1999) a montré que la culture du riz dans les rizières avec diguettes permanentes engendre des pertes importantes d’eau par infiltration latérale dans la digue et à partir de là, verticalement vers les eaux souterraines. Dans plusieurs pays rizicoles, l’efficience de l’irrigation est faible et varie entre 25 et 48 % (Walker, 1999 ; Lage et al., 2004). La cause majeure de cette faible efficience est due aux pertes élevées en infiltration latérale, qui s’accroissent avec l’augmentation de la hauteur de la lame d’eau dans la parcelle du riz. Ces pertes peuvent être minimisées par la réduction de la hauteur de la lame d’eau dans les diguettes, à un niveau inférieur à 5 cm (Walker et al., 1986 ; Lage et al., 2004).

7Pour réduire les pertes dans l’irrigation de surface, des améliorations ont été introduites à l’aide de dispositifs mécaniques qui permettent de mieux contrôler la répartition de l’eau en tête de parcelle et les débits délivrés dans les raies ou sur les planches et dans les bassins. Ce sont notamment les siphons, les gaines souples, les tubes à vannettes, les systèmes dits « californiens » et les dispositifs automatiques appelés « transirrigation » pour ce qui concerne l’irrigation à la raie. Au niveau des planches et bassins, les améliorations portent sur l’étanchéité du canal qui distribue l'eau en tête de parcelle et à son équipement en vannes de régulation qui permettent d’alimenter successivement les biefs de ce canal, et de vannes de prises latérales qui alimentent les planches ou bassins. Avec l’association de ces techniques, les rendements hydrauliques de l’irrigation de surface peuvent passer de moins de 50 % en irrigation traditionnelle à 70-80 % en irrigation modernisée (Rieul, 1997).

2.2. L’irrigation sous pression

8L’irrigation sous pression nécessite la mise en pression préalable de l’eau. Les techniques d’irrigation sous pression comprennent l’aspersion, qui est une imitation de la pluie et la micro-irrigation, qui permet de livrer l’eau et les fertilisants directement au pied de la plante. Ces deux techniques permettent d’apporter aux cultures les quantités d’eau qui cadrent avec leur besoin sans engendrer de pertes importantes. Les efficiences hydrauliques en irrigation sous pression sont de l’ordre de 90 à 95 % (Rieul, 1997 ; Compaoré, 2006). Il convient de noter qu’il s’agit ici en réalité des rendements hydrauliques qui mettent plus l’accent sur l’efficacité du système à convoyer l’eau depuis le dispositif de pompage jusqu’au champ. En effet, les rendements hydrauliques ne s’intéressent pas au devenir de l’eau livrée à la parcelle, notamment les pertes par dérive et par évaporation qui peuvent être importantes selon les conditions météorologiques, particulièrement en irrigation par aspersion et la consommation réelle de l’eau par les cultures par rapport au volume livré à la parcelle. Les nuances liées à la notion d’efficience sont discutées plus amplement dans la section (3).

9En plus des bons rendements hydrauliques, les techniques d’irrigation sous pression permettent un travail du sol sans nivellement. Cependant, elles sont relativement plus couteuses par rapport à la technique d’irrigation de surface.

2.3. L’irrigation souterraine

10L’irrigation souterraine serait un des ancêtres de la micro-irrigation (Hlaveck, 1992). Désignée sous le vocable de « subirrigation » dans les pays anglo-saxons, cette technique consiste à recharger une nappe par injection d’eau dans le sol en utilisant un réseau de drains enterrés ou, plus rarement, un réseau de fossé (Chossat et al., 2006). Une autre technique proche de l’irrigation souterraine est l’irrigation souterraine par tuyaux poreux, qui se caractérise par un apport d’eau à l’aide de conduites poreuses disposées à faible profondeur. Cette technique utilise le processus de diffusion capillaire pour assurer les transferts hydriques depuis les tuyaux jusqu’au système racinaire.

11L’application de cette technique exige l’abondance des ressources en eau et la présence soit d’une nappe souterraine permanente, soit d’une nappe perchée temporaire. La technique requiert également des sols hydromorphes, perméables et à topographie plane. Sa mise en œuvre nécessite l’installation de dispositifs expérimentaux représentatifs, répartis sur les sites à exploiter.

12D’après des mesures effectuées dans le Médoc par Chossat et al. (1987), les apports d’eau à l’aide de la technique d’irrigation souterraine correspondaient entre 2,7 à 3 fois l’évapotranspiration potentielle (ETP), avec des pertes latérales importantes. Compaoré (2006) pense que cette modeste efficience de la technique d’irrigation souterraine, dans un contexte de ressources en eau de plus en plus sollicitées et donc de plus en plus limitées, contribuera à réduire sa généralisation dans l’avenir.

13En termes d’avantage, le niveau d’investissement pour la technique d’irrigation souterraine est plus modeste que celui des techniques d’irrigation par aspersion et goutte-à-goutte. Par ailleurs, il n’y a pratiquement pas de perte par ruissellement et évaporation. Enfin, dans le cas d’un réseau de drains enterrés, la technique ne gêne en rien la circulation des engins agricoles.

14Les technologies d’irrigation, telles que décrites précédemment, affectent les efficiences de l’irrigation. En outre, les performances techniques et productives de l’irrigation peuvent aussi être affectées par les capacités techniques et organisationnelles des irrigants et gestionnaires des périmètres irrigués (IWMI, 1997 ; Wellens et al., 2009). Par ailleurs, le choix d’un système d’irrigation est délicat et doit tenir compte d’un certain nombre de paramètres, dont la disponibilité et la qualité des ressources en terre et en eau, les exigences financières et techniques du système d’irrigation et son aptitude à assurer convenablement l’irrigation de la culture à exploiter (Hlavek, 1992).

3. Notion d’efficience et de productivité de l’eau agricole

15La notion d’efficience de l’irrigation, qui se résumait encore au rapport de l’eau consommée dans la zone racinaire à celle appliquée (Israelsen et al., 19443 ; Israelsen, 19504) avant la deuxième guerre mondiale est devenue, dans les années 1950, un facteur utilisé dans l’ingénierie pour la conception et l’opérationnalisation des technologies d’irrigation (van Halsema et al., 2012). À partir des années 1990, le concept d’efficience s’est élargi aux études de performances technique et économique de l'irrigation et de comptabilité de l'eau à l’échelle de la ressource en eau, intégrant la notion de productivité (Lankford, 2012). De nos jours, le concept d’efficience est diversement perçu et utilisé aussi bien dans le domaine de l’irrigation que dans d’autres disciplines scientifiques, entrainant parfois des confusions qui compliquent leur application (van Halsema et al., 2011). Nous passons ici en revue les principales acceptions de la notion d’efficience.

3.1. Conception traditionnelle de l’efficience de l'irrigation

16La conception de l’efficience d’irrigation, définie comme le rapport :

17est le concept traditionnel de l’efficience d’irrigation du génie hydraulique (van Halsema et al., 2012). Cette perception de l’efficience met l'accent sur la quantité d'eau libérée à partir d'une source et la consommation réelle d'eau par les cultures. Un intérêt spécifique a été porté sur les phénomènes de déperdition d’eau qui surviennent au cours du transport de l’eau, de sa source à la parcelle, afin de définir l’aptitude du système de transport à assurer le transport de l’eau sans perte, conduisant à la notion d’efficience de transport ou efficience du réseau (Bos et al., 1990 ; Perry, 2007). En considérant séparément les évènements qui se passent à la parcelle ou au champ et ceux qui se passent au cours du transport de l’eau, il apparait dans le concept d’efficience de l’irrigation deux sous-concepts :

18– l’efficience de transport (Et), qui traduit la performance de la technologie (Brouwer et al., 1989 ; van Halsema, 2002 ; van Halsema et al., 2012). Les fourchettes d’efficience généralement utilisées pour caler les débits à libérer à la source selon la technique d’irrigation sont de l’ordre de 30 < EI < 70 en irrigation de surface et 70 < EI < 90 en irrigation sous pression (van Halsema et al., 2012) ,

19– l’efficience d’application (Ea), qui s’intéresse aux phénomènes de flux d’eau à la parcelle, est généralement définie comme le rapport entre l’eau consommée (Ec), « eau utilisée avantageusement par la plante » (Van Halsema et al., 2012) et l’eau effectivement appliquée à la parcelle (El) et s’exprime par :

20Les efficiences qui découlent de cette expression dépendent de la compréhension qu’on donne à eau « utilisée avantageusement » (Keller et al., 1995 ; Burt et al., 1997). En effet, certains auteurs proposent qu’il s’agit de l’évapotranspiration réelle de la plante (ETR) (Rao, 1993 ; van Halsema et al., 2011 ; van Halsema et al., 2012) et d’autres suggèrent la prise en compte des eaux supposées perdues à la parcelle, mais « profitables à d’autres utilisateurs » (Lankford, 2012). Pour Burt et al. (1997), le terme E_l du dénominateur doit correspondre à la différence entre le volume d’eau d’irrigation (VEi) et le stock d’eau d’irrigation (∆Si) soit E_l =VEi-∆Si, ce qui revient à considérer au dénominateur toutes les « pertes » (évapotranspiration, percolation, ruissellement).

21Dans le domaine de l’irrigation, cet indicateur (Ea) est défini pour fournir une idée sur l’adéquation des arrosages par rapport aux besoins effectifs en eau des cultures, mais ne considère pas les évènements qui se passent de la source d’eau au champ ni des réutilisations possibles des eaux non valorisées à la parcelle par la plante. Il découle d'une logique d'optimisation des processus technologiques. Ainsi, dans la conception de l’efficience classique, le terme du numérateur devrait correspondre à l’évapotranspiration réelle de la plante, comme le soutiennent van Halsema et al. (2012). Par ailleurs, considérant que dans la pratique les efficiences d’irrigation sont définies à l’échelle d’un système d’irrigation, pour mesurer son aptitude à convoyer l’eau sans perte et à en faire un usage productif, van Halsema et al. (2012) suggèrent de limiter l’usage de ces indicateurs à leurs éléments constitutifs que sont l'efficacité de transport (primaire, secondaire, tertiaire) et l'efficacité d'application (parcelle, exploitation). Ainsi, la notion d’efficience avec ses deux termes (Ea et Et) est présentée comme l’efficience globale de l’irrigation (EG) et s’exprime par :

3.2. Concepts de productivité (PE) et d’efficience d’utilisation de l’eau (EUE)

22La productivité de l’eau (PE) a longtemps été définie comme le rendement des cultures par unité de transpiration (Viets, 1962). Dans son acception actuelle, la notion de productivité de l’eau dans le secteur de l’irrigation se fonde sur l’idée de « Produire plus de grains par goutte d’eau » (FAO, 2002 ; Giordano et al., 2006). Il s’agit d’une mesure de l’accroissement des productions par unité d'eau consommée et s’exprime par :

23avec PE, Productivité en kg·mm^-1·ha^-1 ; P, Produit en kg ; Ec, Eau consommée, correspondant à l’évapotranspiration réelle par unité de surface en mm ou m³.

24Mais des divergences et des nuances apparaissent dans la compréhension des termes « produit » du numérateur et « eau consommée » du dénominateur dans l’expression de la productivité. En effet, certains auteurs comprennent par « eau consommée », eau livrée, eau appliquée, eau disponible, etc., ce qui entraine naturellement une confusion dans l’appréhension de la notion de productivité (van Halsema et al., 2012). D’autres auteurs (IWMI, 1997 ; Dembélé et al., 2001) présentent l’indicateur de la productivité de l’eau (PE) comme le rapport de la production (P) au volume d’eau reçu (Ve) pour l’irrigation de la parcelle :

25Des auteurs comme Playan et al. (2006) pensent même que d’autres indicateurs de productivité peuvent être dérivés de l’Éq. 4, en faisant varier le « dénominateur » qui peut correspondre à : « Eau fournie » (irrigation + pluie) ; « Besoins bruts d’irrigation » (Évapotranspiration + besoins de lessivage), etc. Dans ces conditions, il devient difficile de comparer des valeurs de productivité, les bases de calcul utilisant des variables fondamentalement différentes. Par ailleurs, au niveau du numérateur, les agro-économistes qui perçoivent la productivité sous l’angle de la valorisation économique de l’eau, préfèrent remplacer le terme « produit » par sa valeur monétaire. Ils l’expriment comme le rapport de la valeur ajoutée du produit (VA), ou encore du revenu (R) au volume d’eau consommée pendant tout le cycle de production. Cette approche permet d’appréhender le produit financier généré par mètre cube d’eau (Bouaziz et al., 2002), mais occulte du même coup les aspects liés à la quantité de biomasse produite par unité d’eau consommée. Une autre confusion découle de la perception de la notion d’efficience d’utilisation de l’eau (EUE). L’efficience d’utilisation de l’eau (EUE en kg·m^-3) est généralement définie par :

26Dans cette expression, le dénominateur [eau appliquée ou eau disponible] est généralement considéré comme l'eau d'irrigation majorée des eaux de pluie. L'eau appliquée dans cette logique correspond à la quantité d’eau brute disponible à la parcelle ou au champ. De cette eau, une portion indéterminée équivalant à l’évapotranspiration réelle de la culture (ETR) est utilisée pour la production de biomasse par la plante. Cette notion prend en compte la nécessité de maximiser la production par unité d'eau disponible dans un contexte de demande alimentaire croissante et de ressources en eau limitées (Molden et al., 2010). Mais la confusion vient du fait que les phyto-physiologistes présentent l’efficience d’utilisation de l’eau (EUE), qui est un paramètre clé pour déterminer l'efficacité avec laquelle le secteur agricole utilise l'eau, comme le rapport du gain de carbone (GC en kg) par unité d'eau utilisée (EU en m³) (Flexas et al., 2010) :

27En fonction des variables associées aux termes « Gain de carbone » et « Eau utilisée », Flexas et al. (2010) distinguent plusieurs types d’efficiences d’utilisation de l’eau, définies ci-après, qui sont interdépendantes et se confondent parfois à la notion de productivité de l’eau.

28Efficience d’utilisation de l’eau par la culture (EUEc). Cette efficience (EUEc) dépend de l’eau totale utilisée au cours du cycle de production de la culture, qui comprend l’eau perdue et non utilisée par la plante (évaporation, ruissellement, infiltration, etc.) et l’eau transpirée par la plante. Elle est définie comme le rapport du gain total de carbone par la plante (GTC en kg) à l’eau totale utilisée (ETU en m³) :

29Efficience d’utilisation de l’eau par la plante entière (EUEp). Elle prend seulement en compte l’eau utilisée par la plante (eau transpirée par la plante) et s’exprime par :

30Cette efficience apprécie le gain total de carbone (GTC) de la plante par rapport à sa consommation en eau, traduite par sa transpiration (Tr en m³). La transpiration de la plante dépend de paramètres liés à sa croissance et à la structure de son couvert végétal, notamment l’indice de la surface foliaire et l’angle des feuilles qui déterminent le niveau d’interception de la lumière utilisée sous forme d’énergie pour la transpiration au niveau de la feuille. La transpiration foliaire elle-même dépend de la demande évaporative de l’atmosphère, représentée par le déficit de pression de vapeur de la feuille à l’air (DPV) et de la conductance de la feuille, surtout de la conductance stomatique (Cs). Selon Barbour et al. (2010), la conductance du mésophylle, (Cm) est une limite importante et variable de la photosynthèse qui affecte également l'efficience de la transpiration foliaire. Ces auteurs soutiennent qu’une variation significative de Cm a été trouvée entre des génotypes différents et a été corrélée avec le taux de photosynthèse. Le génotype avec la Cm la plus élevée présenterait également la transpiration la plus élevée.

31À partir de l’évaluation du gain net de carbone (GNC) [différence entre le gain de carbone par photosynthèse et les pertes de carbone par respiration], de la conductance stomatique (Cs) et du déficit de pression de vapeur de la feuille à l’air (DPV), Flexas et al. (2010) distinguent l’efficience d’utilisation de l’eau à l’échelle de la feuille et l’efficience intrinsèque d’utilisation de l’eau.

32Efficience d’utilisation de l’eau à l’échelle de la feuille. Elle s’exprime par le rapport du gain net de carbone (GNC) à la transpiration foliaire (Tr) :

33Efficience intrinsèque d'utilisation de l’eau. Elle est définie par le rapport du gain net de carbone (GNC) [différence entre le gain de carbone de la photosynthèse et les pertes de carbone par respiration] à la conductance stomatique (Cs) :

34Enfin, considérant le rendement (en fruit de la culture de vigne), Flexas et al. (2010) définissent le rendement de l’efficience d’utilisation de l’eau (EUEr). Ce rendement ne considère que le bilan de carbone des fruits de vigne et s’exprime par le rapport du rendement en fruit (Rdt en kg·ha^-1) à la transpiration (Tr en m³) :

35Dans ce dernier cas, le rendement de l’efficience d’utilisation de l’eau (Éq. 12) semble s’assimiler à la notion de productivité de l’eau (Sadras et al., 2006 ; Bluemling et al., 2007).

36Un autre indicateur d’efficience qui fait polémique dans la littérature est l'approvisionnement relatif en eau (ARE), qui s’exprime par :

37(Rodriguez-Diaz et al., 2008 ; van Halsema et al., 2012).

38Dans cette expression, les besoins réels en eau de la culture correspondent à l’évapotranspiration réelle de la culture. Si ARE = 1, cela signifie qu’il y a adéquation entre l’eau disponible et la consommation d’eau par la culture. Pour le calcul de ARE, l’IWMI (1997) introduit dans son expression au dénominateur l’évapotranspiration (ET) et les eaux perdues par percolation profonde (PP) et considère au numérateur les pluies efficaces (pef) et l’irrigation (Ir), ce qui donne :

39Cette expression a été utilisée par Dembélé et al. (2001) dans l’évaluation des performances à la parcelle de périmètres irrigués au Burkina Faso. En réalité, les eaux de percolation n’intervenant plus dans le processus de production de la plante ne devraient pas être prises en compte ; autrement dit, on aurait alors dû prendre en compte aussi bien les eaux perdues par ruissellement (colature), voire les eaux de lessivage.

40Au regard de ces confusions, il est opportun de convenir des variables à utiliser pour ces concepts, afin de garantir leur compréhension et usage harmonisé et permettre à leurs utilisateurs de parler le même langage. Dans cet esprit, considérant que la notion de productivité mesure l’efficacité du processus physiologique de production de biomasse et de formation de rendement des cultures, lié à leur consommation réelle en eau, de nombreux auteurs (Rao, 1993 ; Lage et al., 2004 ; van Halsema et al., 2012) suggèrent de s’en tenir à l’Éq. 4 comme expression de la productivité. Exprimée de la sorte, elle a aussi l’avantage de pouvoir être comparée dans l’espace et dans le temps pour le même type de culture (Sadras et al., 2006). En ce qui concerne l’efficience d’utilisation de l’eau, pour marquer la différence entre EUE et PE, van Halsema et al. (2012) pensent que EUE devrait être réservée pour les applications d'eau brute. Du reste, ils considèrent que EUE est plutôt une mesure de l’efficacité de l’irrigation et non un indicateur de productivité.

41Au niveau de la perception économique, la valeur ajoutée par mètre cube d’eau consommé est un indicateur intéressant, en ce sens qu’il peut permettre de cibler des cultures économiquement rentables, mais il reste un indicateur très sensible aux aléas du marché, avec des éventualités de variations importantes en fonction des espaces géographiques.

42Le tableau 1 reprend les composantes des fractions des indicateurs de productivité et d’efficience de l’eau.

4. Approches de calcul des principaux indicateurs de performance à la parcelle

43Pour apprécier les performances de l’irrigation à la parcelle, deux indicateurs sont généralement utilisés : l’uniformité de distribution (UD) et l’efficience d’application (Ea).

4.1. Cas de l’irrigation de surface

44Dans cette sous-section, l’approche de calcul de l’uniformité de distribution, le coefficient de stockage et l’efficience d’application de l’eau à la parcelle seront abordés.

45Uniformité de distribution (UD). L’une des qualités majeures de l’irrigation est d’obtenir la plus grande régularité de la dose d’arrosage sur toute la parcelle, ce qui se traduit par l’uniformité de distribution. Elle indique la qualité de la répartition de la hauteur d’eau infiltrée dans la parcelle et s’exprime par :

46avec HME, hauteur moyenne d’eau d’irrigation.

47La hauteur moyenne d’eau infiltrée dans les 25 % de la surface la moins irriguée est définie comme étant la moyenne des 25 % des valeurs les plus basses de la hauteur d’eau infiltrée. Ainsi, l’uniformité de distribution dépend des paramètres qui caractérisent le système d’irrigation et son mode de gestion, notamment l’approvisionnement en eau de la parcelle (réseau, débit, temps d’irrigation), la qualité de l’aménagement parcellaire (dimensionnement des planches, raies ou bassins et les pentes, etc.), et les caractéristiques hydrodynamiques du sol qui influencent les vitesses d’écoulement de l’eau (écoulements de surface et souterrain). Elle peut être exprimée en fonction des variables qui la caractérisent (Pereira et al., 2006) :

48avec Q, débit d’alimentation ; L, longueur de la raie, de la planche ou du bassin ; n, coefficient de rugosité hydraulique ; So, pente longitudinale de la parcelle ; Ic, caractéristiques d’infiltration du sol ; Fa, caractéristique de la section transversale de la raie, de la planche ou du bassin ; Tco, temps écoulé jusqu’à l’interruption de l’irrigation.

49L’uniformité de distribution est une condition nécessaire pour l’efficience d’une irrigation. Toutefois, elle n’est pas suffisante pour apprécier la qualité de l’arrosage car on peut avoir une irrigation très uniforme mais avec une très faible efficience d’application (Bouaziz et al., 2002).

50Coefficient de stockage (CoS). Le coefficient de stockage est également un paramètre d’appréciation de la qualité de l’irrigation de surface. Il représente le pourcentage du déficit hydrique du sol comblé par l’irrigation (Bouaziz et al., 2002) :

51Efficience d’application. En ce qui concerne la détermination de l’efficience d’application de l’eau à la parcelle, qui s’exprime couramment comme le rapport entre la quantité d’eau réellement stockée dans la zone racinaire et la quantité apportée au niveau du champ (Pereira et al., 2006), différentes approches, inspirées de l’Éq. 2), ont été proposées :

52Approche de Merriam et Keller. Dans leur approche, Merriam et al. (1978) estiment l’efficience d’application de l’eau à la parcelle à partir de la dose moyenne appliquée,

53la dose minimale moyenne infiltrée

54et le déficit hydrique du sol avant l’irrigation (DH), à partir de deux alternatives. Dans la première alternative, le déficit en humidité du sol est comblé par l’irrigation, mais tout excès d’eau est perdu par percolation :

55Pour l’autre alternative, l’eau appliquée est destinée à réalimenter la zone racinaire sans que le déficit hydrique du sol ne soit comblé par l’irrigation :

56La complexité de cette approche réside dans la détermination du déficit hydrique du sol et de la dose moyenne infiltrée et les précisions dans les applications d’eau.

Approche de Elliot et Walker. Le calcul de l’efficience d’application à la parcelle dans l’approche de Elliot et al. (1982) est bâtie sur le rapport entre la dose moyenne efficace infiltrée

et la dose moyenne appliquée

57Cette expression tient compte de la dose effectivement stockée dans la zone racinaire utile pour la plante et sa complexité relative réside également dans la détermination de la dose moyenne infiltrée.

58Approche de Walker. Walker (1989) suggère la prise en compte de la dose infiltrée requise par unité de longueur à travers la formule suivante :

59où L est la longueur des raies en m ; t_co est le temps de coupure en min ; Z_req est la dose d’eau infiltrée requise en m^³·m^-1 de raie ; Q₀ est le débit entrant dans la raie en m^³·h^-1.

60Cette approche apporte, certes, plus de précision dans l’estimation de l’efficience mais requiert beaucoup plus de variables à déterminer. Elle est indiquée pour l’irrigation de surface à la raie.

61Approche de Molden. En 1990, Molden et Gates présentent l’efficience d’application à la parcelle comme le désir de conserver l’eau en égalant l’eau livrée avec l’eau requise par la culture. L’efficience est ainsi exprimée comme la moyenne, pour une certaine zone (zr) et pour la durée d’une campagne de suivi (CaS), du rapport entre le volume requis (Q_R) et le volume livré (Q_D) :

62Cette approche nécessite un suivi continu du profil d’humidité dans le sol tout au long du cycle de la culture ainsi que des applications d’eau.

63Au regard de la diversité des approches d’appréhension de l’efficience d’application et des difficultés à déterminer correctement certaines variables, Bos et al. (1990), se basant sur les concepts classiques de l’efficience, ont soutenu la perception de l’efficience d’application de la Commission Internationale de l’Irrigation et du Drainage pour qui l’efficience d’application à la parcelle est la relation entre la quantité d’eau fournie au champ et la quantité d’eau nécessaire et mise à disposition pour l’évapotranspiration de la culture afin d’éviter un stress hydrique pendant le cycle de croissance, ce qui se résume à l’Éq 2. La connaissance de l’efficience d’application de l’eau à la parcelle permet de déduire le pourcentage des pertes d’eau (PPE) d’irrigation dans une planche, représenté par :

64Ce pourcentage représente la somme des pertes par percolation profonde (PP en %) et par ruissellement vers la colature (Rc en %). Le calcul de la valeur de PP requiert la détermination du volume d’eau infiltré à la fin de l’irrigation (Vi en m³), le volume d’eau stocké dans la zone racinaire (Vs en m³), le temps d’irrigation (Ti en min) et le débit d’alimentation (Q en m³·min^-1). À partir de ces variables, PP peut être déterminé par l’équation :

65Ainsi, en remplaçant dans l’Éq. 23, PPE par ses éléments constitutifs, on obtient :

4.2. Cas de l’irrigation par aspersion

66Au niveau de l’aspersion, l’efficience du système est généralement déterminée à partir du coefficient d’uniformité de Christiansen, CU (Tiercelin et al., 2006) :

67avec n, nombre de pluviomètres disposés selon une maille carrée ; HEi, lame d’eau recueillie au niveau du pluviomètre I ; HEM, lame d’eau moyenne du réseau des n pluviomètres disposés selon une maille carrée.

68Cette approche est relativement facile et permet d’apprécier l’uniformité de répartition de l’eau.

5. Besoins en eau des plantes, teneur en eau du sol et méthodes de détermination

69La détermination des besoins en eau des cultures passe par la connaissance de la quantité d’eau perdue par la culture en condition réelle de production qu’on appelle l’évapotranspiration réelle (ETR) (Amigues et al., 2006). Elle varie selon les conditions physiologiques et d'approvisionnement en eau de la plante. Elle peut être inférieure ou égale à l’évapotranspiration maximum (ETM = Quantité d'eau perdue par une végétation jouissant d'une alimentation hydrique optimale) de la plante selon la disponibilité de l’eau dans le sol. La disponibilité de l’eau dans le sol s’exprime par la réserve utile :

70avec RU, Réserve utile en mm ; Hcc, humidité pondérale en % à la capacité au champ ; Hpfp, Humidité pondérale en % au point de flétrissement permanent ; Da, Densité apparente du sol en g·cm^-3 ; z, Profondeur d’enracinement en dm. La RU dépend des types de sol et seulement une fraction de cette réserve appelée réserve facilement utilisable (RFU) sera mobilisable sans effort par la plante. Elle est parfois estimée à la moitié de RU (Rieul et al., 2003). Lorsque l’offre en eau du sol correspond à la RFU, ETR = ETM ; par contre, lorsqu’elle est inférieure à RFU, la plante ferme ses stomates et ETR < ETM.

71Pour déterminer ETR, la notion d’évapotranspiration de référence (ETRef ou ETo ou ETP) a été introduite et représente la quantité d'eau perdue par une végétation de référence en phase active de croissance recouvrant totalement un sol assurant une alimentation hydrique optimale (ray-grass) (Allen et al., 1998 ; Rieul et al., 2003 ; Amigues et al., 2006)

72La détermination de l’ETRef se fait à l’aide de formules prenant en compte les données climatiques (formule de TURC, formule de BLANEY-CRIDDLE et l’équation FAO-Penman-Monteith), par des mesures sur bacs évaporomètriques ou par des mesures lysimétriques de référence. La formule FAO-Penman Monteith est aujourd’hui la plus utilisée pour prévoir les besoins en eau des cultures et s’exprime par :

73avec ETo, Évapotranspiration de référence en mm par jour ; R_n, Rayonnement net à la surface de la culture en MJ·m^-²·j^-1 ; G, densité de flux de chaleur dans le sol en MJ·m^-² par jour ; T, température quotidienne moyenne de l’air à 2 m de hauteur en °C ; γ, constante psychométrique en kPa·°C^-1 ; u₂, vitesse du vent à 2 m de hauteur ; e_s, pression de vapeur saturante en kPa ; e_a, pression de vapeur réelle en kPa ; e_s-e_a, déficit de pression de vapeur saturante en kPa ; ∆, pente de la courbe de pression de vapeur saturante à température T en kPa·°C^-1.

74L’évapotranspiration réelle est ensuite calculée en mettant à contribution les coefficients culturaux des cultures (Kc) (Doorenbos et al., 1977) à partir de l’expression :

6. Quelques approches d’estimation de l’évapotranspiration et de calculs de l’efficience et de la productivité de l’eau à l’aide de programmes informatiques

75La FAO, soucieuse d’améliorer l’efficience et la productivité de l’eau, a développé à travers sa « Division Eau et Sol », des programmes informatiques permettant d’orienter la prise de décision, dont CROPWAT 8.0 et AQUACROP 4.0.

76CROPWAT 8.0 pour Windows permet l’évaluation des besoins en eau des cultures et des besoins d'irrigation. Le programme est basé sur l’utilisation de trois types de données, les données du sol, du climat et des cultures et permet l’élaboration de programmes d'irrigation sous différentes conditions de gestion, ainsi que le calcul des calendriers d’irrigation avec la possibilité de faire varier les systèmes de culture. Le principe de fonctionnement et les procédures de calcul utilisées dans CROPWAT 8.0 sont fondamentalement basés sur deux publications de la FAO : FAO n°56 (Allen et al., 1998) et FAO n°33 (Doorenbos et al., 1979). Ce programme informatique offre la possibilité d’utiliser des données journalières, décadaires ou mensuelles, contrairement à la plupart des logiciels d’approche similaire, qui eux demandent absolument des données journalières.

77Quant à AQUACROP 4.0, c’est surtout un modèle de la productivité de l’eau des cultures, qui simule spécifiquement la réponse du rendement à l'eau des cultures herbacées. AQUACROP 4.0 requiert pratiquement les mêmes données d’entrée que CROPWAT 8.0.

78Ces dernières années, des techniques de bilan énergétique utilisant des données satellitaires ont été développées pour l’évaluation de l’évapotranspiration (Bastiaanssen et al., 2000 ; Allen et al., 2007 ; Ahmad et al., 2009). C’est le cas des programmes tels que SEBAL (Ahmad et al., 2009), DSSAT4.5 (Salazar et al., 2012), SAMIR (Simoneaux et al., 2009), Ador Simulation (Lecina et al., 2006a ; Lecina et al., 2006b) etc., qui permettent de déterminer l’évapotranspiration à partir de données satellitaires. La collecte des informations de terrain, notamment l’approvisionnement en eau des périmètres, permet ensuite de calculer les indicateurs de productivité et d’efficience de l’eau. Chaque modèle a ses niveaux de précision dans la détermination de l’évapotranspiration, mais le mode de calcul des indicateurs d’efficience et de productivité de l’eau dépend des variables à considérer et non du programme informatique.

79L’utilisation de ces modèles est relativement onéreuse compte tenu du cout d’acquisition élevé des images satellitaires et ne convient pas pour les études à l’échelle de la parcelle. Les modèles FAO paraissent plus séduisants pour travailler à l’échelle de la parcelle et sont appropriés aussi bien pour les vulgarisateurs, les chercheurs que pour les besoins de formation.

7. Conclusion

80Les notions d’efficience et de productivité de l’eau sont diversement appréhendées dans la littérature, selon les sensibilités scientifiques. Cela témoigne d’une prise de conscience généralisée de la raréfaction des ressources en eau et de la nécessité de disposer d’indicateurs pour estimer à la fois les pertes engendrées au cours de son usage, mais aussi les gains de production engrangés par unité d’eau consommée, afin de prendre des mesures correctives appropriées pour plus d’économie d’eau.

81Cependant, la diversité de perception de ces concepts entraine naturellement des confusions, mais aussi des divergences de fond, liées à l’utilisation de variables différentes dans le calcul d’un même indicateur.

82Cette synthèse bibliographique a permis de passer en revue et d’éclaircir davantage les concepts d'efficience et de productivité de l'eau selon les domaines d’application. Il apparait aussi que les travaux sur l’évaluation de l’efficience et de la productivité se sont beaucoup intéressés à l’appréciation de la situation existante et aux prédictions globales de la demande en eau. Un accent devra être mis spécifiquement sur les facteurs techniques et organisationnels de gestion de l’irrigation, qui impactent sur l’efficience et la productivité de l’eau à l’échelle de la parcelle. Dans ce sens, il serait, par exemple, intéressant de modéliser l’efficience d’application de l’eau en fonction des doses et fréquences d’irrigation, et la productivité en fonction de la période de mise en place de la culture, afin de proposer des approches physiques de conduite de l’irrigation à la parcelle qui offrent les meilleures efficiences d’application et de productivité. Les outils d’aide à la décision de la FAO, notamment CROPWAT et AQUACROP, pourraient être utilisés à cet effet. Un tel travail pourrait être d’un intérêt pour les pays sahéliens qui fondent un espoir certain sur le développement de leur agriculture grâce à l’irrigation, mais qui restent confrontés à la raréfaction de la ressource en eau.

Bibliographie

Notes

Pour citer cet article

A propos de : Donkora Kambou

A propos de : Dimitri Xanthoulis

A propos de : Korodjouma Ouattara

A propos de : Aurore Degré