Modèle d’étude des bassins versants : SPARROW
SPARROW
SPARROW, pour SPAtially Referenced Regression On Watershed attributes (Modèle de régression par coordonnées spatiales appliquées aux bassins hydrographiques) est un modèle d’étude des bassins versants qui permet de recouper les tendances constatées en matière de qualité de l’eau, d’activités humaines et de processus naturels. S’appuyant sur des données de surveillance existantes, SPARROW analyse la qualité de l’eau des ruisseaux, des rivières et des lacs en fonction de l’emplacement et de l’intensité relative des sources de contaminants, du relief et de facteurs environnementaux. Autrement dit, les modèles SPARROW peuvent, par modélisation, suivre le parcours des contaminants et des nutriments qui passent des bassins versants pour aboutir, en aval, dans des plans d’eau conséquents.
On peut ainsi se faire une idée des causes et des effets des problèmes environnementaux complexes qui grèvent la qualité de l’eau. Par exemple, dans les bassins transfrontaliers, on constate une charge excessive en éléments nutritifs. Les pratiques d’exploitation des sols et les activités humaines, comme l’agriculture et le rejet d’eaux usées, augmentent les quantités totales d’azote (N) et de phosphore (P) qui pénètrent dans les eaux avoisinantes. Ce sont là deux éléments que les modèles SPARROW peuvent suivre durant le transport de ces nutriments, jusqu’à leur dépôt dans des lacs ou des réservoirs récepteurs.
Il faut dire que ces nutriments peuvent devenir un problème de taille pour la qualité de l’eau. Une charge excessive d’éléments nutritifs peut causer une prolifération d’algues éventuellement toxiques pour les humains et pour la faune, elle risque d’augmenter les coûts de traitement de l’eau potable et de limiter les activités récréatives. Un apport excessif en éléments nutritifs peut également provoquer l’eutrophisation des cours d’eau en aval, par privation d’oxygène, et mettre dès lors en danger les poissons et les écosystèmes aquatiques. Au nombre des lacs devenus eutrophes en raison d’une charge excessive d’éléments nutritifs provenant des deux côtés de la frontière, mentionnons : le lac Champlain et la baie Missisquoi (CMI, 2012a), le lac Érié (CMI, 2014a), le lac des Bois (Clarke et Sellers, 2014) et le lac Winnipeg (Environnement Canada et Gestion des ressources hydriques Manitoba, 2011).
Les problèmes de qualité de l’eau sont lourds de conséquences et sont particulièrement pertinents pour la CMI. Le Traité des eaux limitrophes, qui a créé la CMI en 1909, énonce les principes que le Canada et les États-Unis doivent suivre dans l’utilisation des eaux qu’ils partagent. Dans un texte très en avance sur son temps, le traité précise que les eaux ne doivent pas être polluées d’un côté ou de l’autre de la frontière au détriment de la santé ou des biens de l’autre côté. Cela s’applique à l’ensemble des réseaux hydrographiques limitrophes ainsi qu’aux nombreux conseils de la CMI, y compris à ceux de la rivière Rouge, de la rivière Souris et du lac à la Pluie, qui ont inclus des dispositions sur la qualité de l’eau dans leurs directives. De plus, depuis le début des années 1970, le Canada et les États-Unis se sont donné comme objectif, dans l’Accord relatif à la qualité de l’eau dans les Grands Lacs, de rétablir et de maintenir l’intégrité physique, chimique et biologique de ces plans d’eau. Pour tendre dans le sens de ces objectifs et essayer de régler les problèmes de qualité de l’eau dans l’ensemble des eaux transfrontalières, il faut mettre en œuvre des stratégies de réduction des éléments nutritifs. Ces stratégies exigent de posséder une connaissance des lieux où la qualité de l’eau fait problème, ainsi que de la provenance et l’aboutissement des éléments nutritifs dans le bassin versant. La modélisation rendue possible grâce à des applications comme SPARROW, permet de répondre à ces questions.
On juge normalement de la santé d’une eau en surveillant sa qualité par des échantillonnages et des analyses ainsi que par l’étude de l’état du plan d’eau (comme un ruisseau, un lac, une rivière ou un estuaire). On évalue ainsi les caractéristiques physiques, chimiques et biologiques du plan d’eau en lien avec la santé humaine, les conditions écologiques et les utilisations désignées du plan d’eau (US Environmental Protection Agency). Intervient ensuite la modélisation qui est un outil d’interprétation des observations. Par exemple, la modélisation des données géographiques permet de simuler des régimes hydrographiques à partir de relations statistiques et de processus physiques représentés dans le modèle, en sorte de dresser un portrait plus complet des problèmes de qualité de l’eau dans un bassin hydrographique donné. Ces résultats peuvent être chargées dans un logiciel SIG. L’intégration de la surveillance et de la modélisation est essentielle pour nous permettre de comprendre et de gérer la qualité de l’eau à grande échelle, maintenant et dans l’avenir.
Les résultats de la modélisation SPARROW peuvent aider à :
- déterminer comment réduire les charges de contaminants et à élaborer des stratégies de protection;
- concevoir des stratégies pour répondre aux exigences réglementaires;
- prévoir les changements de la qualité de l’eau qui pourraient découler des mesures de gestion;
- cerner les lacunes et les priorités en matière de surveillance.
Les modèles SPARROW produisent une représentation spatiale de la charge et des flux totaux d’éléments nutritifs, ventilés par bassin versant. En outre, le modèle peut produire une ventilation des différentes sources de nutriments, allant des activités humaines et des pratiques d’exploitation des sols aux sources environnementales, dont l’activité agricole, les dépôts atmosphériques et plus encore.
On peut prêter vie à ces données grâce à des cartes interactives qui, combinées à des graphiques représentant les sources de nutriments, illustrent les relations entre la progression des contaminants, les activités humaines et les processus naturels. Les mêmes cartes interactives sont aussi des points d’aboutissement des données et des résultats du modèle SPARROW.
Historique
En 2010 et en 2012, plusieurs ateliers ont permis de rassembler des représentants de la plupart des conseils pour discuter des pratiques exemplaires de modélisation à la CMI, surtout en ce qui concerne l’hydraulique, l’hydrologie et la qualité de l’eau. Le modèle SPARROW ayant été présenté comme l’une des options envisageable, il a été décidé de le mettre à l’essai avec le logiciel de cartographie des rivières Rouge et Assiniboine.
Après avoir examiné de nombreux modèles existants axés sur la qualité de l’eau, la CMI a décidé d’utiliser SPARROW, un logiciel élaboré par l’USGS qui avait déjà fait l’objet d’un examen approfondi par les pairs et qui convenait aux genres d’applications intéressant la CMI. Par exemple, les modèles SPARROW sont efficaces pour estimer la charge en éléments nutritifs à l’échelle régionale et pour quantifier les sources dans de grands bassins. De plus, un gros travail avait déjà été réalisé à l’aide de SPARROW, mais dans la partie américaine du bassin des rivières Rouge et Assiniboine.
Ce projet a été désigné comme étant une priorité stratégique pour la CMI dans le cadre de l’Initiative internationale sur les bassins hydrographiques (IIBH). L’IIBH s’inscrit parfaitement dans le XXIe siècle, compte tenu de son approche écosystémique voulant que les systèmes environnementaux, dans ce cas-ci les bassins hydrographiques, fonctionnent comme des entités à part entière et doivent être gérés comme tels afin de comprendre le système dans son ensemble. La portée du projet ne se limite pas aux bassins hydrographiques situés à proximité de la frontière internationale entre le Canada et les États-Unis. Grâce au financement de l’IIBH, la CMI a réuni et appuyé une équipe scientifique solide pour entreprendre l’application d’un modèle SPARROW dans le bassin des rivières Rouge et Assiniboine. En partenariat avec l’USGS et le Conseil national de recherches du Canada (CNRC), et avec la participation active de plusieurs organismes fédéraux, étatiques et provinciaux, le travail a débuté en 2011.
Outil de cartographie
Contexte
On a attribué l’eutrophisation du lac Winnipeg aux apports excessifs de phosphore (P) et d’azote (N) provenant du bassin des rivières Rouge et Assiniboine (BRRA). Il est important pour la gestion des ressources en eau de comprendre ce que sont ces nutriments et d’où ils proviennent, afin de contrôler les sources et d’améliorer la qualité des eaux en aval.
À la demande des conseils internationaux de la rivière Souris et de la rivière Rouge, la Commission a entrepris d’élaborer et de mettre en œuvre une application binationale du modèle SPARROW en vue d’estimer la charge en éléments nutritifs dans le bassin des rivières Rouge et Assiniboine. Ce bassin, qui chevauche la frontière canado-américaine, englobe des parties de la Saskatchewan et du Manitoba, au Canada, ainsi que du Dakota du Nord et du Sud et du Minnesota, aux États-Unis. Il s’agit de la première application binationale de SPARROW destinée à estimer les charges et les sources de P et de N par État et par province, de même que par bassin et cela, à de multiples échelles spatiales.
Le modèle a maintenant été calibré et appliqué de façon uniforme à l’ensemble du bassin des rivières Rouge et Assiniboine après trois années d’un travail intensif avec l’appui d’organismes gouvernementaux partenaires, au Canada et aux États-Unis (Jenkinson et Benoy, 2015). Il modèle permet à toutes les administrations de mieux comprendre la dynamique entre qualité de l’eau et la charge en éléments nutritifs dans cet important bassin transfrontalier.
Une carte réalisée à l’aide de ce modèle montrerait la répartition du phosphore ou de l’azote total déposé dans un plan d’eau, par sous-bassin hydrologique, comme le montre la figure 3 (carte des rivières Rouge et Assiniboine et de leurs affluents réalisée à partir des données SPARROW). En théorie, l’utilisateur pourrait voir quels sous-bassins hydrologiques sont responsables de la pollution. Une recherche rapide dans Google Maps ou une analyse du milieu environnant permettra au lecteur de savoir pourquoi les résultats sont présentés de cette façon. La figure 3 montre les zones du bassin où le flux de phosphore est le plus élevé et où l’on pourrait concentrer efficacement les efforts de réduction. Selon le modèle, on estime que les deux tiers environ de la charge en polluants phosphorés provenant de la rivière Rouge et aboutissant dans le lac Winnipeg sont d’origine américaine. Il devient de plus en plus évident qu’une solution binationale est nécessaire pour régler ce problème environnemental.
Le Conseil international de la rivière Rouge prévoit d’utiliser les résultats du modèle à l’appui de sa stratégie de gestion des éléments nutritifs à l’échelle du bassin afin d’encourager toutes les administrations touchées à utiliser cette information pour trouver des solutions visant à réduire la charge en éléments nutritifs. Ce travail de modélisation est unique, car il marque la première collaboration binationale ayant abouti à l’élaboration et à l’application d’un modèle régional commun de la qualité de l’eau à un bassin transfrontalier en Amérique du Nord.
Ces résultats peuvent être détaillés davantage grâce à la carte interactive créée par l’USGS et qui est disponible sur son site Web (voir la section Bibliothèque pour plus d’information).
Partenaires/Remerciements
L’application du modèle SPARROW est un projet mené par des partenaires.
Les principaux partenaires sont : la CMI, l’IIBH et le Wisconsin Water Science Centre de l’USGS. Le personnel de plusieurs organismes fédéraux et provinciaux a également apporté son expertise et mis ses données à disposition du projet, notamment Craig Johnston et Donna Myers (USGS), Richard Burcher et Martin Serrer (Conseil national de recherches), Erika Klyszejko et Craig McCrimmon (Environnement et Changement climatique Canada), Jason Vanrobaeys (Agriculture et Agroalimentaire Canada), Elaine Page et Justin Shead (Conservation et Gestion des ressources hydriques du Manitoba) et Pam Minifie et Ondiveerapan Thirunavukkarasu (Agence de sécurité de l’eau de la Saskatchewan). Michael Laitta et Ted Yuzyk du Groupe de travail sur l’harmonisation des données hydrographiques (CMI) ont établi le contexte de cette application de modèle binational. Le projet des rivières Rouge et Assiniboine a été proposé par les conseils internationaux de la rivière Rouge et de la rivière Souris de la CMI.
Contact
Forte de ce succès et soutenue par le financement de l’IIBH, la CMI se concentre maintenant sur l’élaboration d’un modèle SPARROW qui couvrira les bassins du lac à la Pluie et des Grands Lacs.
Pour en savoir plus
Page de l’USGS comprenant la FAQ : http://wi.water.usgs.gov/nutrients/sparrow
Personnes-ressources
Pour de plus amples renseignements, veuillez communiquer avec :
À la CMI
Michael Laitta, laittam@washington.ijc.org
Lizhu Wang, lizhu.wang@windsor.ijc.org
Wayne Jenkinson, jenkinsonw@ottawa.ijc.org
À l’USGS
Dale M. Robertson, dzrobert@usgs.gov
David Saad, dasaad@usgs.gov
Au CNRC
Ivana Vouk, ivana.Vouk@nrc-cnrc.gc.ca
Références
Benoy, G., Jenkinson, R., Robertson, D. et Saad, D. (2016). Nutrient delivery to Lake Winnipeg from the Red—Assiniboine River Basin – A binational application of the SPARROW model in Canadian Water Resources Journal / Revue canadienne des ressources hydriques, 41(3), 429-447. Extrait prélevé sur le site : https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/07011784.2016.1178601
Jenkinson, R.W., et Benoy, G.A. (2015). Red-Assiniboine Basin SPARROW Model; Development Technical Document. Conseil national de recherches du Canada. Ottawa (Ontario). 65pp. Extrait prélevé sur le site : https://ijc.org/sites/default/files/IJC%20RA%20Model%20Development%20Report%202015%20FINAL.pdf
« Overview of Watershed Management », Watershed Academy Web : Distance Learning Modules on Watershed Management. US Environmental Protection Agency. Extrait prélevé sur le site : https://cfpub.epa.gov/watertrain/pdf/modules/monitoring.pdf.