L'Irrigation des Champs : Aux Sources de l'Eau Agricole

L'eau est une ressource vitale pour la production agricole, essentielle à la croissance des cultures et à l'abreuvement des animaux. L'irrigation, pratique millénaire, permet de sécuriser cette production en cas de manque d'eau, jouant un rôle crucial dans la sécurité alimentaire mondiale. Cependant, la question de l'origine de cette eau et des méthodes d'irrigation employées est fondamentale, tant pour des raisons écologiques qu'économiques.

L'Origine de l'Eau pour l'Agriculture

L'eau utilisée en agriculture provient principalement de deux sources distinctes : les eaux de surface et les eaux souterraines.

Les Eaux de Surface

Les eaux de surface sont issues des ruissellements. En France, il existe également des ouvrages permettant de réaliser le stockage d’eaux superficielles, comme les barrages et autres canaux. Ces eaux, collectées directement dans les rivières, les lacs ou via des aménagements spécifiques, représentent une part significative des prélèvements pour l'irrigation. Leur disponibilité est fortement liée aux régimes hydrologiques des bassins versants.

Les Eaux Souterraines

Les eaux souterraines proviennent de l’infiltration des eaux de pluie dans le sol. Là, elles s’accumulent, remplissant le moindre vide, saturant d’humidité le sous-sol, formant ainsi un réservoir d’eau souterraine appelé aquifère. Deux principaux types de nappes phréatiques peuvent être distingués :

• La nappe de surface ou « libre » : Elle est située sous un sol perméable. Dans ce cas, les eaux de pluie peuvent toujours l’imprégner davantage. Aussi, le niveau de la nappe peut-il monter ou baisser, à son aise.
• La nappe « profonde » ou « captive » : Elle est située entre deux couches imperméables. Elle se renouvelle donc plus lentement que la nappe libre. Elle est en général profonde, quelques centaines de mètres et plus.

L'extraction des eaux souterraines se fait par forage ou par pompage dans les nappes.

La Part de l'Eau Douce Dédiée à l'Agriculture

L’eau douce (glaciers, lacs, cours d’eau, nappes souterraines) représente moins de 3% de la totalité de l’eau sur la planète, dont 2/3 sous forme de glace. L'agriculture est une grande consommatrice de cette ressource limitée. Certaines cultures sont particulièrement gourmandes en eau, notamment les légumes, les vergers, le soja, le maïs et les pommes de terre. En 2020, les chiffres d'irrigation étaient significatifs : 34% des surfaces de maïs, près de 40% des superficies de pommes de terre et de soja, la moitié des surfaces de verger, et plus de 60% des surfaces de légumes étaient irriguées (Source : Agreste Graph'Agri 2022). Le maïs représente à lui seul un tiers des surfaces irriguées, tandis que les légumes et fruits réunis constituent 15% du total des surfaces irriguées.

Les Techniques d'Irrigation : Évolution et Efficacité

Les méthodes d'irrigation ont considérablement évolué au fil des siècles, des systèmes rudimentaires aux technologies de pointe, dans le but d'optimiser l'utilisation de l'eau.

Aperçu Historique des Systèmes d'Irrigation

L'histoire de l'irrigation est profondément ancrée dans l'évolution des civilisations. Il y a 5000 ans avant J.-C., en Mésopotamie (Irak et Iran actuels), la vie agricole dépendait déjà de systèmes d'irrigation sophistiqués. Le lac Moeris est associé à d'anciens travaux d'irrigation remontant aux 7e-8e siècles avant notre ère et serait lié à la construction des pyramides. Au IIIe siècle avant J.-C., le système de Dujiangyan dans la province du Sichuan a transformé les plaines fertiles de Chengdu. Plus tard, à Oman, les systèmes d'irrigation « aflaj », inscrits au patrimoine mondial par l'UNESCO, témoignent d'une expertise hydraulique remarquable. Les plus anciennes réalisations remontent à 500 après J.-C., mais des traces suggèrent que l'irrigation y était pratiquée dès 2500 avant notre ère. « Aflaj » est le pluriel de « falaj » qui signifie, en arabe classique, « diviser en parts ». Ce système canalise les eaux des sources souterraines par gravité pour alimenter les champs et les zones habitées. Ces exemples illustrent la capacité humaine à complexifier les équipements pour gérer la ressource en eau. Pour les passionnés d'ingénierie hydraulique ancienne encore utilisés, une visite sur l’île de Madère peut être très instructive.

Les Techniques d'Irrigation Actuelles

Différents types d’irrigation existent, plus ou moins économes en eau :

• L’irrigation de surface : C'est la méthode d'arrosage la plus ancienne. Elle utilise la gravité via un réseau de canaux et rigoles. Elle s'adapte facilement partout.
• L’aspersion : Cette technique utilise des canalisations sous pression qui alimentent des arroseurs en surface. Les cultures sont arrosées par une pluie artificielle. Il existe des canalisations enterrées qui distribuent l'eau par le biais de tuyaux mobiles appelés « enrouleurs », alimentant des systèmes d’aspersion. À la façon d’une pluie fine, ceux-ci arrosent les plantations, en projetant de l’eau sous pression à partir d’un asperseur ou d’un canon. Un autre type d’installation mobile est constitué des rampes pivotantes ou pivots. Là encore, des canalisations enterrées ou parfois directement un forage alimentent en eau un système d’aspersion. La couverture intégrale est une autre variante efficace.
• Le goutte-à-goutte : Ce système achemine de l’eau sous faible pression par des tuyaux suspendus, posés au sol ou enterrés. Les plantes reçoivent l’eau par intermittence, directement au niveau des racines. Cette technique consiste à apporter l’eau sous faible pression jusqu’aux racines et à la distribuer au compte-goutte, à l’aide de petits tuyaux, posés sur le sol ou enterrés. Les goutteurs peuvent être externes (à poser), en ligne ou en gaine. On irrigue avec précision et l’on fait des économies d’eau considérables. Ce système n’humidifie que la partie de terre située au voisinage immédiat des racines et limite les pertes par évaporation, ruissellement ou infiltration profonde.

Systèmes d'Irrigation Économes en Eau

En acheminant seulement la quantité d'eau nécessaire au niveau des racines des plantes, le goutte-à-goutte est le système d'irrigation le plus économe en eau. PReSTI, une plateforme expérimentale d’INRAE à Montpellier, a été développée pour mener des travaux sur l’amélioration de l’efficacité de l’irrigation, en particulier avec le goutte-à-goutte. Elle combine des expérimentations en conditions contrôlées ou de terrain (5 ha) avec des simulations numériques. Elle vise à optimiser les performances technologiques et agro-environnementales de l’irrigation tout au long du cheminement de l’eau, depuis la prise d’eau jusqu’à son arrivée à la plante. Grâce à leurs travaux, les chercheurs ont pu estimer que le passage de l’aspersion au goutte-à-goutte permet des économies d’eau significatives :

• En grandes cultures, de 10-30% ;
• En arboriculture, de 20-35% ;
• En maraîchage de plein champ, de 5-15%.

La réutilisation ou le stockage des eaux de drainage sont aussi des solutions qui impactent moins le milieu que les autres prélèvements, même si le drainage ne couvre que 10% de la SAU (surface agricole utile) et 20% des grandes cultures.

Stockage de l'Eau pour l'Irrigation

Le stockage de l'eau est une composante essentielle de la gestion des ressources hydriques pour l'agriculture, permettant de réguler la disponibilité de l'eau en fonction des besoins saisonniers. Les types de stockage se différencient d’abord par l’origine de l’eau et son mode d’extraction du milieu. L’eau peut provenir du ruissellement de la pluie, d’un détournement ou d’un pompage en rivière ou dans les aquifères. Pour simplifier, quatre principaux systèmes sont à considérer :

• Les retenues collinaires : Ces ouvrages interceptent les eaux de ruissellement d’un versant, déconnectées du réseau hydrographique ; elles sont plusieurs dizaines de milliers dans nos paysages vallonnés. Elles stockent les eaux de ruissellement pendant la saison pluvieuse, pour ensuite alimenter l’irrigation pendant la saison estivale.
• Les retenues en barrage sur les cours d’eau : Elles fonctionnent selon le même principe que la plupart des barrages hydroélectriques ; les ouvrages les plus importants servent d’ailleurs plusieurs usages : hydroélectricité, irrigation, tourisme, eau potable (Serre Ponçon par exemple).
• Les retenues alimentées par un canal en dérivation d’un cours d’eau : Il existe aussi des réservoirs dérivant tout ou partie d’une source alimentée par un aquifère, mais la destination la plus courante est alors l’eau potable.
• Les réserves alimentées par pompage : Ces retenues sont alimentées par pompage, dans la nappe ou la rivière. La géologie et la topographie vont commander la structure de l’ouvrage. Les « bassines » relèvent de cette catégorie, alimentées le plus souvent par pompage dans la nappe, parfois en rivière. Faute de relief pour adosser le réservoir, le sol est creusé, étanchéifié à l’aide de bâches en plastique et le réservoir est entouré de digues. Ces réserves artificielles sont constituées à partir de l’eau pompée dans la rivière pendant la période hivernale.

Le terme de retenue de substitution s’applique à tous les types d’ouvrage remplis en périodes de hautes eaux, de la fin de l’automne au printemps, pour servir à l’irrigation en été, en contrepartie de l’abandon des autorisations de prélèvement des irrigants, en rivière ou en nappe, afin que les milieux bénéficient aussi de ces investissements publics (intérêt général).

Impacts Environnementaux des Ouvrages de Stockage

L’étude de l’effet des retenues est compliquée par la grande diversité de ces structures, diversité qui s’exprime au niveau de leurs usages, de leurs modes d’alimentation et de restitution de l’eau, de leur position dans le bassin versant, de leur connexion au cours d’eau, de leur taille et forme. Une expertise scientifique collective de 2016, pilotée par les chercheurs d’INRAE, a analysé la littérature scientifique sur l’impact cumulé des retenues d’eau. Cette expertise a montré que la présence de retenues sur un bassin versant influence toujours le milieu aquatique :

• Elles entraînent une modification du régime hydrologique, et une baisse des débits d’autant plus forte que l’année est sèche.
• Elles constituent des pièges à sédiments, en particulier pour les particules les plus grossières, ce qui induit une évolution du lit de la rivière, incision ou colmatage selon les cas.
• Les retenues entraînent en général un réchauffement du cours d’eau, et favorisent l’eutrophisation en leur sein (pouvant entraîner la prolifération d’algues et la production de toxines).
• Enfin, les retenues modifient les communautés aquatiques, en changeant leurs conditions de vie et en réduisant la connectivité du milieu et donc le déplacement des espèces dans le réseau hydrographique.

Le mode d’alimentation d’une retenue (par pompage dans la nappe ou la rivière, par ruissellement, en dérivation du cours d’eau ou en barrage du cours d’eau) et son usage (eau prélevée ou pas) modulent ces impacts, difficiles à quantifier quand de nombreuses retenues sont présentes sur un bassin versant. Compte tenu de ces impacts, l’aménagement de retenues (arasement ou adaptation de retenues existantes, implantation de nouvelles retenues) doit être décidé en concertation, idéalement dans le cadre d’un projet de territoire permettant d’intégrer l’ensemble des enjeux qui s’y expriment.

La Réutilisation des Eaux Usées Traitées (REUT)

La réutilisation des eaux usées traitées (REUT) représente une voie prometteuse pour diversifier les sources d'eau dédiées à l'irrigation et réduire la pression sur les ressources conventionnelles. La REUT s’opère de manière indirecte ou directe.

REUT Indirecte

La REUT indirecte consiste à prélever l’eau dans un cours d’eau ou sa nappe alluviale, alors qu’à quelque distance en amont, une station d’épuration a rejeté les eaux usées après traitement. Les eaux traitées se diluent dans l’eau « naturelle ». La REUT indirecte est de fait généralisée en été sur tous les cours d’eau en France, où la majorité de l’irrigation se fait par pompage en rivière ou nappe alluviale. En d’autres termes, une partie importante des eaux usées rejetées en été est déjà réutilisée en France ou sert au maintien des débits d’étiage, sauf lorsque les stations rejettent en bordure de mer ou dans la mer. La REUT indirecte est autorisée pour tous les usages.

REUT Directe

La REUT directe consiste à ne pas rejeter l’eau usée dans une rivière après traitement, mais à la réinjecter de suite dans un réseau pour un usage dédié (irrigation, arrosage d’espaces verts ou de golfs, nettoyage de voirie…). La REUT directe est interdite en France pour l’eau potable et n’est pas autorisée pour la plupart des industries agroalimentaires pour des raisons sanitaires. La REUT directe en France ne concerne que de 1 % des eaux usées, contre 8 % en Italie et 14 % en Espagne. Cette pratique est très développée en Israël, où 90 % des eaux traitées sont directement réutilisées, sans repasser dans les cours d’eau, la plupart intermittents, c’est-à-dire que ces rivières ne coulent pas une partie de l’année.

Trois principales sources d’eau font l’objet de REUT directe ou indirecte : les eaux des stations d’épuration des eaux usées domestiques, les eaux pluviales urbaines et les eaux résiduaires des industries. La REUT directe en zone littorale permet incontestablement une valorisation supplémentaire de ces eaux usées dont le rejet cause des pollutions (qualité des eaux de baignade, risques pour la conchyliculture, etc.). La culture de pommes de terre sur les îles de Noirmoutier et de Ré n’aurait pu se développer sans elle depuis les années 1980. Récemment, l’irrigation du golf d’Agde par la REUT a beaucoup réduit les prélèvements d’eau de cette collectivité. De même, dans tous les contextes, la REUT directe en ville présente des potentialités (nettoyage des voiries, espaces verts ou usages industriels).

Toutefois, la REUT pour l’irrigation dans les zones continentales est d’abord une réallocation de l’eau autrefois réutilisée indirectement à l’aval, pour soutenir l’étiage ou alimenter d’autres usages. Même avec substitution de ces usages à l’aval, le bilan quantitatif est nul… sauf s’il y a en plus l’installation d’un stockage des eaux usées rejetées en hiver qui ne servaient ni au soutien des débits des cours d’eau, ni à l’irrigation. Mais cela coûte cher car il faut financer le traitement, le stockage et le réseau pour aller desservir les parcelles cultivées. Situés en zone périurbaine autour des stations d’épuration, ces réseaux sont plus chers à construire. Le modèle économique de cette REUT agricole et sa justification environnementale sont alors à rechercher au cas par cas.

Enjeux Liés au Développement de la REUT

La REUT est une solution locale pour économiser et préserver la qualité des eaux, valoriser les nutriments présents à des fins agronomiques et préserver l’environnement. Elle implique notamment de bien évaluer les risques sanitaires et environnementaux associés à l’utilisation de cette ressource. Elle est avant tout adaptée aux zones côtières ou aux territoires sujets aux risques d’eutrophisation des cours d’eau. En effet, les rejets de stations d’épuration constituent souvent un apport indispensable au soutien du débit des cours d’eau, notamment en été. Si trop d’eaux usées traitées servaient à l’irrigation plutôt que de revenir alimenter la rivière, les milieux pourraient en être affectés. Un équilibre des prélèvements est donc nécessaire. Il n’est pas non plus envisageable de transporter les eaux trop loin des stations d’épuration en raison du coût économique et énergétique de ce transport. Enfin, de nombreuses réutilisations indirectes ont déjà lieu car l’eau apportée par les stations d’épuration dans les rivières est souvent réutilisée à l’aval.

INRAE dispose d’une plateforme composée d’une parcelle irriguée de 0,5 ha à Murviel-lès-Montpellier (Hérault) depuis 2017, sur laquelle poussent des vignes, de la luzerne et des arbres fruitiers, mais également d’une serre pour des cultures maraîchères. Cette plateforme expérimentale permet d’étudier la faisabilité technique des procédés de traitement aux techniques d’irrigation et d’évaluer les impacts agronomiques, sanitaires et environnementaux d’une filière de REUT. Cependant, l’usage agricole n’est pas le seul envisageable.

Gestion des Effluents Agricoles

Les eaux usées produites par les activités agricoles sont généralement appelées effluents. Ces effluents agricoles sont de nature variée : eaux de lavage des équipements, des étables, des porcheries, des salles de traite, des poulaillers, des fonds de cuves de préparations de produits phytosanitaires, etc. Conformément à la réglementation, les effluents agricoles ne doivent pas être rejetés dans les milieux naturels.

Les effluents d’élevage les plus riches en matière organique, en azote et en phosphore - notamment le fumier et le lisier - sont collectés et stockés, par exemple dans une fosse, pour être ensuite épandus comme engrais dans les champs. Les autres effluents liquides (moins chargés), comme les eaux de lavage contenant du lait, peuvent servir de diluant pour l’épandage du lisier. Ils peuvent aussi être traités sur l’exploitation par une station de traitement, ou être envoyés vers une station d’épuration si une convention a été passée entre l’exploitation et la municipalité.

Les effluents contenant des substances phytosanitaires en faible concentration (les fonds de cuve de pulvérisateur par exemple) sont épandus sur les parcelles. Les autres sont stockés sur l’exploitation. Ils peuvent alors être traités sur place si l’exploitation est équipée d’une station de traitement appropriée.

L'Agroécologie au Service de la Disponibilité de l'Eau

Face au manque d'eau, une reconception du modèle et des pratiques agricoles est nécessaire. L’agroécologie regroupe plusieurs pratiques pouvant être mises en place pour tendre vers une agriculture moins gourmande en eau, notamment en visant à capter et conserver au maximum l’eau dans les sols. L'eau est indispensable à la production agricole (croissance des cultures, abreuvement des animaux). L’irrigation permet de sécuriser la production agricole en cas de manque d’eau.

Les principaux éléments de l'agroécologie pour la gestion de l'eau incluent :

• Le paillage des sols : Cette technique consiste à couvrir le sol avec des matières organiques (paille, copeaux de bois, etc.) pour limiter l'évaporation et maintenir l'humidité.
• Les apports de matières organiques au sol : L'ajout de compost ou de fumier améliore la structure du sol, augmentant sa capacité de rétention d'eau.
• La limitation du travail du sol : Réduire le labour permet de préserver la structure du sol et sa capacité d'infiltration. Les capacités d’infiltration sont en effet de 2 à 8 fois plus élevées et plus stables dans le temps que sur des sols labourés.
• La diversification des cultures : Alterner les cultures et introduire des cultures intermédiaires permet de mieux utiliser l'eau disponible. L’introduction de cultures intermédiaires, quant à elle, réduit le drainage, en moyenne, de 30 mm.
• L’agroforesterie et la mise en place de haies : Les arbres et les haies jouent un rôle dans la régulation du cycle de l'eau, en favorisant l'infiltration et en réduisant l'érosion.
• La restauration des zones humides : Ces écosystèmes naturels agissent comme des éponges, stockant l'eau et la relâchant progressivement.

Ces pratiques contribuent à une meilleure gestion de l'eau au niveau des parcelles, réduisant le besoin en irrigation et renforçant la résilience des systèmes agricoles face aux aléas climatiques.

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