Quantifier les besoins en eau d’une forêt irriguée sous l’effet du changement climatique

En Suisse, l’irrigation en forêt est généralement limitée à des expérimentations menées à des fins de recherche (e.g. Gauthey et al 2024) ou en réponse à des problématiques très spécifiques, comme celle de la forêt de protection sur la rampe sud du Lötschberg (Condrau & Walther 2021, Bernath et al 2026). Cependant, ce sujet gagne en importance, par exemple pour la foresterie urbaine où le maintien des arbres sous stress lié au changement climatique présente des enjeux d’ampleur, accentué par la raréfaction progressive de la ressource en eau. Si l’irrigation des forêts est restée jusqu’ici un sujet marginal, un nouvel exemple se trouve dans le canton de Vaud, entre Veytaux et Villeneuve. Les viaducs autoroutiers de Chillon y compromettent la vitalité et notamment la fonction protectrice de la forêt qu’ils enjambent sur plus de 2 kilomètres, en la privant de précipitations, entraînant ainsi son assèchement. Face à cette problématique, un projet d’étude de restauration, incluant l’installation d’un système d’irrigation, est porté sous la direction de l’Office fédéral des routes (Graf et al 2022). L’objectif est de restaurer une végétation qui puisse jouer le rôle de stabilisation du sol et de protection contre les chutes de pierres, en optimisant l’utilisation des ressources en eau.

La problématique principale du projet réside dans la détermination de la quantité d’eau nécessaire pour maintenir une certaine composition d’essences. Dans la pratique, par exemple dans la foresterie urbaine ou les pépinières, l’irrigation est généralement planifiée de manière empirique, sans méthode standardisée (Rhambia et al 2023). Contrairement aux cultures en agronomie, le besoin en eau des différentes essences forestières n’a pas été quantifié. Cette lacune peut s’expliquer par un manque de connaissance des réelles limites physiologiques des essences, puisque leur aire de répartition est délimitée par de nombreux autres facteurs, rendant difficile l’étude du facteur hydrique uniquement (Santos Perreira et al 2006).

Néanmoins, certains modèles permettent de prédire, à partir des données d’aires de répartition, les essences capables de se développer dans des conditions stationnelles spécifiques et avec une quantité définie de précipitations (e.g. Pinto & Gégout 2005, Piedallu et al 2013, Cáceres et al 2015, Walthert & Meier 2017). Bien que ces modèles présentent des degrés de complexité variables, notamment en ce qui concerne la détermination de l’eau disponible pour la végétation, la plupart d’entre eux intègrent un bilan hydrique. Ce dernier établit le rapport entre les apports d’eau (précipitations et infiltration) et les pertes (interception, drainage, écoulement en surface et évapotranspiration). Dès lors, en vue d’établir une relation entre les précipitations, respectivement, l’irrigation et le type d’essences à planter dans le cadre de ce projet, il est apparu qu’un tel bilan hydrique pouvait constituer une approche pertinente à explorer.

Enfin, quant au choix des essences, afin de garantir la continuité paysagère et de réduire le risque d’incendie dans cette zone vulnérable et qui borde un site classé à l’Inventaire fédéral des paysages, sites et monuments naturels d’importance nationale (IFP), il a été décidé de privilégier une composition arborée similaire à celle de la forêt voisine plutôt qu’une végétation de type maquis, bien que celle-ci puisse permettre d’éviter l’installation d’un système d’irrigation. L’intention est alors de planter les essences attendues dans les forêts environnantes à l’avenir.

Ainsi, cette approche a soulevé deux questions-clés:

Pour y répondre, l’objectif était de développer une méthode délibérément simple et pratique, nécessitant des données facilement disponibles et en quantité limitée.

La zone concernée par le projet s’étend sur environ 2 km de long et 40 m de large, sous le couvert des viaducs autoroutiers de Chillon, entre 400 et 500 m d’altitude, sur un versant raide (env. 30 à 50°) orienté à l’ouest (figure 1). La hauteur sous les viaducs est en moyenne de 20 m, permettant à la lumière d’atteindre le fond de la plupart des surfaces. Les précipitations annuelles s’élèvent en moyenne à 1200 mm. Le sol, quasiment dépourvu de végétation, est superficiel. Les peuplements à proximité, en dehors du couvert, sont en grande majorité constitués de hêtraies basophiles (hêtraie à pulmonaire ou à aspérule) et, sur les zones plus sèches, de hêtraies à laîche présentant une grande diversité d’essences, parmi lesquelles Tilia spp., Ulmus glabra, Fagus sylvatica et dans une moindre mesure Carpinus betulus et Taxus baccata sont les plus abondantes (DGE-Forêt Vaud 2016, Moos et al 2024).

L’approche reposait sur l’hypothèse que sous des conditions d’humidité de sol similaires, les mêmes essences pourraient se développer sous les viaducs que dans les peuplements voisins. L’objectif était alors d’imiter aujourd’hui les conditions d’humidité naturelles attendues dans le futur, afin d’anticiper les changements dans la composition d’essences. Pour ce faire, dans un premier temps, l’évolution des conditions d’humidité de la forêt à proximité des viaducs, bénéficiant de précipitations, a été modélisée selon un scénario climatique modéré (RCP 4.5) et un scénario plus extrême (RCP 8.5). Ensuite, la relation entre ces différentes conditions d’humidité et la composition d’essences correspondante a été déterminée en modélisant avec le même modèle, la distribution des essences sur ce gradient d’humidité, dans toute la Suisse, à partir des données de l’IFN (Brändli 2010).

Enfin, afin de discuter de l’influence sur la consommation d’eau de différentes variantes de compositions d’essences, les besoins potentiels en irrigation ont été calibrés de sorte à reproduire les mêmes conditions d’humidité de sol attendues en dehors des viaducs à trois horizons temporels différents: aujourd’hui, le milieu et la fin du 21^e siècle, selon le scénario RCP 8.5. Ce scénario plus extrême a été choisi afin de comparer des variantes aussi éloignées que possible.

La demande en eau est déterminée par l’évapotranspiration potentielle (ETP), diminuée de l’interception de la canopée et la litière (I_veg + I_lit). L’ETP représente la quantité maximale d’eau pouvant être évaporée et transpirée par la végétation sous des conditions optimales d’humidité. Elle est calculée à l’aide de la formule de Thornthwaite (1957), basée sur la température mensuelle et corrigée selon l’angle du soleil et la durée du jour en fonction de l’exposition, la pente, la longitude et la latitude de la zone (selon Bugmann & Cramer 1998). Les données de température et de précipitations du passé provenaient de la station météorologique de Villeneuve (VD; Agrometeo 2023). Cette station fournit également une estimation de l’ETP selon la méthode de Penman-Monteith (Monteith 1965), plus complexe, mais considérée comme la plus précise (Lebourgeois & Piedallu 2005). La comparaison entre ces valeurs et celles du modèle a permis de confirmer la cohérence des valeurs d’ETP simulées.

Quant aux projections climatiques futures pour les scénarios RCP 4.5 et RCP 8.5, elles ont été calculées sur la base des données des modèles CH2018 (2018).

Le modèle nécessitait également une estimation de la capacité de stockage en eau du sol disponible pour la végétation, aussi appelée réserve utile maximale (RUM). Celle-ci a été déterminée sur la base de relevés pédologiques (Maître 2022). Les modélisations ont été réalisées avec trois valeurs représentant l’étendue des valeurs déterminées sur le périmètre, soit 34 mm, 64 mm et 100 mm. Toutes trois se situent en dessous de la moyenne suisse qui est estimée à 137 mm ±42 mm (Meusburger et al 2022).

La quantité d’irrigation nécessaire au maintien de la végétation a été calculée de sorte à atteindre, dans les conditions climatiques actuelles, les valeurs d’indice de sécheresse calculées pour la situation en dehors des viaducs à trois horizons temporels différents: aujourd’hui, au milieu et à la fin du 21^e siècle. Il en a donc résulté trois valeurs cibles pour l’irrigation, dont dépendait finalement le choix du groupe d’essences adapté (chapitre 2.4). Le calibrage de l’irrigation s’est fait par un processus itératif: diverses variantes d’irrigation ont été testées en modifiant la quantité et la répartition des précipitations sur l’année de sorte à trouver la variante optimale, qui nécessite le moins d’eau pour atteindre les valeurs d’indice de sécheresse cibles respectives.

Il convient de préciser que les quantités d’eau calculées représentent une estimation, laquelle est principalement adaptée à des peuplements adultes, les jeunes pousses pouvant présenter des besoins en eau différents (Leuschner & Meier 2018).

En modélisant la distribution de l’indice de sécheresse pour chaque essence à l’échelle de la Suisse sur la base des placettes IFN, il a été possible de classer les essences en différentes catégories de tolérance à la sécheresse et de les mettre en lien avec des valeurs seuil de l’indice de sécheresse. Pour ce faire, les données du troisième inventaire forestier national suisse (IFN) (2004–2006; Brändli 2010) ont été utilisées.

D’abord, sur chaque placette de l’IFN, la part de la surface terrière de 19 espèces sélectionnées, ainsi que l’indice de sécheresse pour la période de 1990 à 2010 ont été calculés. La RUM du sol a été dérivée de la carte des aptitudes des sols (OFAG 2012) et les données de précipitations et de températures mensuelles moyennes de MétéoSuisse (2023). Ensuite, la distribution de l’indice de sécheresse de l’ensemble des placettes où se trouvait chacune des espèces a pu être analysée. Pour qu’une placette soit prise en compte, la part de la surface terrière de l’essence concernée devait représenter au moins 10%. Puis, sur la base de la médiane du 95^e percentile de l’indice de sécheresse annuel (Moos & Ehrbar 2025), les espèces ont été classées en trois groupes selon leur tolérance à la sécheresse: «faible», «moyenne» et «élevée». Cette classification a été comparée à la littérature (par exemple, Walthert & Meier 2017; Lauber et al 2018) et certains groupes ont été complétés par d’autres essences (e.g., Acer opalus). Finalement, ces groupes ont été assignés aux valeurs cibles d’indice de sécheresse annuel à atteindre au moyen de l’irrigation sous les viaducs de Chillon (chapitre 2.3). Toutefois, la comparaison entre les indices de sécheresse des placettes IFN et ceux modélisés pour la zone d’étude présente quelques limites. En particulier en raison des données pédologiques utilisées pour les placettes de l’IFN, qui sont plutôt grossières et auraient tendance à surestimer la RUM, notamment sur les pentes raides où les sols sont peu profonds.

Les modélisations des conditions en dehors des viaducs (figure 3) ont affiché un indice de sécheresse moyen de la période de référence (1990–2022) se situant entre 0.06 et 0.17 selon la RUM. Vers le milieu du siècle, l’indice de sécheresse atteint 0.2. Ensuite, le scénario RCP 8.5 a indiqué une forte augmentation de l’indice de sécheresse, si bien que les années de sécheresse exceptionnelle, comme 2022, correspondraient à la norme à la fin du 21^e siècle (indice dépassant 0.4). Le scénario RCP 4.5 s’est distingué par une augmentation moins prononcée, avec un indice de sécheresse moyen proche de 0.3 d’ici la fin du siècle.

En remplaçant les précipitations par une irrigation artificielle, les modélisations ont montré que pour maintenir l’indice de sécheresse de la situation hors-viaduc actuelle (objectif 0.1), il faudrait 590 mm d’équivalent de précipitation par an (figure 4 et tableau 1). Avec l’objectif d’un indice de sécheresse de 0.2, la quantité d’irrigation serait réduite à environ 540 mm par an. Pour une surface totale de plantation de 13 500 m², cela représenterait une consommation annuelle de 7290 m³ d’eau, sans inclure les pertes liées au système d’irrigation. En comparaison, le scénario visant un indice de sécheresse de 0.4 (valeur projetée à la fin du siècle sous le scénario RCP 8.5) nécessiterait encore 22% d’irrigation en moins (420 mm ou 5670 m³ par an). La figure 5 permet de comprendre comment les différents paramètres d’un bilan hydrique varient au cours d’une année, déterminant ainsi un indice de sécheresse. Elle illustre également l’impact des différents régimes d’irrigation sur la différence entre la demande en eau potentielle et la disponibilité en eau. Dans ces modélisations, l’eau a été répartie entre les mois de mars et septembre proportionnellement à la demande de la végétation (figure 5), ce qui signifie que plus de la moitié de l’irrigation annuelle a été apportée entre juin et août. Cette répartition s’est avérée être la plus efficiente par rapport aux autres variantes testées. En effet, en raison de la faible profondeur des sols, leur capacité de rétention d’eau est très limitée, ce qui nécessite d’ajuster mensuellement l’irrigation en fonction des besoins de la végétation. Par exemple, lorsque la même quantité d’eau a été répartie uniformément sur la période de végétation, pour les deux sols les plus superficiels, l’indice de sécheresse était nettement plus élevé: le surplus d’eau en début de saison ne pouvant être stocké pour répondre à la demande estivale. Sur le sol présentant la plus grande RUM, la différence restait toutefois négligeable, laissant davantage de marge de manœuvre pour l’anticipation des besoins.

Néanmoins, en maintenant le même régime d’irrigation, l’indice de sécheresse augmente au fil du siècle en raison de l’augmentation des températures (figure 4, tableau 1). La différence entre l’indice de sécheresse aujourd’hui et à la fin du siècle est moins grande dans le système irrigué (figure 4, tableau 1), qu’en dehors des viaducs (figure 3), où la végétation souffre de l’effet combiné de la baisse des précipitations estivales et de l’augmentation de la température. Cependant, pour tous les objectifs d’irrigation, les conditions ne pourront être maintenues sur aucun des sols à moyen ou à long terme. S’il fallait maintenir l’indice de sécheresse stable sous le scénario RCP 8.5, il faudrait augmenter l’irrigation de manière progressive, de sorte qu’elle soit d’environ 25% plus élevée à la fin du siècle qu’aujourd’hui.

Au premier groupe d’essences avec une faible tolérance à la sécheresse (dominant aux indices de sécheresse de ~0.1) ont été attribuées les essences suivantes: Fagus sylvatica, Acer pseudoplatanus, Acer platanoides, Abies alba, Ulmus glabra et Picea abies (tableau 1). Dans le second groupe ont été regroupées les essences moyennement tolérantes, telles que Tilia platyphyllos, Taxus baccata, Quercus petraea et Carpinus betulus, attribuées à une valeur cible de l’indice avoisinant 0.2. Enfin, les essences typiques des chênaies thermophiles, telles que Quercus pubescens, Pinus sylvestris, Acer opalus et Sorbus aria, ont été rattachées au dernier groupe pour une valeur cible de l’indice s’approchant de 0,4.

En comparant ces groupes à la zone d’étude, où l’indice de sécheresse moyen entre 1990 et 2022 se trouvait entre 0.06 et 0.17 (figure 3), la composition d’essences devrait varier entre le groupe d’essences moins tolérantes sur les sols ayant une RUM plus élevée et sur les zones plus sèches, celles du groupe moyen, ce qui correspond dans son ensemble aux inventaires (DGE-Forêt Vaud 2016, Moos et al 2024).

Cette étude a proposé à titre comparatif trois scénarios de composition d’essences et d’objectifs de régimes d’irrigation pour le reboisement des zones sous les viaducs autoroutiers de Chillon. Bien que les catégories d’essences soient à considérer avec une certaine souplesse, cette comparaison a permis d’articuler des chiffres et d’illustrer la différence de besoins en eau selon les essences et la capacité de stockage en eau des sols. De plus, les modélisations ont mis en lumière un enjeu d’approvisionnement en eau. La demande en irrigation, laquelle doit être maximale en été en raison de la faible profondeur des sols, pourrait venir à augmenter en raison du changement climatique. Or, cette demande croissante coïncide avec une disponibilité estivale de plus en plus incertaine à l’avenir (NCCS 2018). Ainsi, il paraît essentiel de tenir compte de cet aspect lors de la planification, car le choix d’une variante trop gourmande en eau, qui ne pourrait être maintenue à long terme, pourrait entraîner des conséquences majeures sur la végétation.

En outre, il est évident que le caractère simplificateur de la modélisation ne doit pas être négligé, car le modèle ne prend pas en compte la structure des peuplements, la phénologie ou la physiologie des arbres ni leur capacité d’acclimatation, qui sont autant de facteurs influencés par le régime hydrique, comme l’ont démontré, entre autres, les expériences faites aux Bois de Finges (e.g. Bose et al 2022, Hunziker et al 2022, Chin et al 2025). En considérant ces éléments, cela suggère d’une part qu’en choisissant la variante nécessitant moins d’irrigation, les effets ne se limiteraient pas à la composition d’essences. Les peuplements pourraient se caractériser par un accroissement plus faible et une surface terrière limitée, ce qui pourrait réduire leur effet protecteur (Moos et al 2024). D’autre part, apporter plus d’eau que nécessaire pour les essences sélectionnées pourrait s’avérer contre-productif en favorisant d’autres essences plus concurrentes ou pourrait modifier la physiologie et la phénologie des arbres de sorte qu’ils consomment davantage d’eau. La végétation résultante serait alors d’autant plus sensible à une baisse drastique d’irrigation (Bose et al 2022).

Une autre limitation du modèle est sa représentation simplifiée du sol en conceptualisant une seule couche de sol comme un seau recevant et retenant toute l’eau incidente jusqu’à ce que sa capacité de stockage soit remplie (Romano et al 2011). Par contre, Marano & Bugmann (2025) ont montré que le modèle de bilan hydrique du ForClim, sur lequel se base le modèle utilisé ici, est capable de simuler la dynamique de l’eau dans le sol de manière satisfaisante.

Sur un autre plan, la comparaison avec l’application TreeApp (www.tree-app.ch), outil courant de recommandation d’essences d’avenir, met en lumière un constat inattendu. En effet, TreeApp ne prédit pas de changement d’étage de végétation et recommande de maintenir les espèces actuelles. Or, les modélisations de la situation naturelle en dehors des viaducs, indiquent, du moins pour le scénario de changement climatique pessimiste RCP 8.5, une forte augmentation de l’indice de sécheresse suggérant un changement drastique de la composition d’essences au cours du siècle. Un résultat par ailleurs également démontré par une simulation avec le modèle forestier dynamique TreeMig pour la même zone d’étude (Moos et al 2024).

Les besoins en eau pour l’irrigation calculés dans cette étude fournissent un cadre approximatif pour la planification du système d’irrigation à long terme ainsi que pour l’estimation des coûts. Dans l’opérationnalisation de l’irrigation, la méthode d’irrigation et sa répartition sur la surface, le débit ainsi que la quantité d’eau à fournir dans un tournus sont encore à déterminer. En effet, il est important de considérer l’efficacité du système qui peut considérablement varier entre les différents dispositifs (Monney & Bravin 2010).

Ce projet met en lumière l’ampleur des défis et des moyens nécessaires pour maintenir les fonctions d’un écosystème fortement détérioré et anthropisé. Cette étude présente une approche pragmatique pour déterminer la composition des essences et les besoins en eau adaptés à la restauration des surfaces en aval des viaducs autoroutiers de Chillon. Face au changement climatique, elle démontre l’importance d’anticiper l’évolution de la demande en eau de la végétation et les contraintes potentielles liées aux ressources, notamment en choisissant des essences moins gourmandes en eau. La mise en œuvre du projet nécessitera encore de préciser certains éléments, comme la provenance de l’eau et les modalités techniques du système d’irrigation. L’irrigation de milieux forestiers soulève toutefois des questions de durabilité dans un contexte de raréfaction de cette ressource, rendant essentielle une utilisation raisonnée. La généralisation de tels dispositifs apparaît dès lors discutable, bien qu’une application ciblée puisse se justifier dans des reboisements sur des stations très sèches, notamment pour accompagner la phase d’implantation.

Finalement, le modèle utilisé permet de décrire les interactions entre le sol, l’eau et la végétation, ainsi que de visualiser l’intensité et la saisonnalité des phénomènes de sécheresse passés ou de mettre en évidence l’ampleur des effets des changements climatiques sur des sites particuliers. Il offre ainsi un outil utile au-delà de cette étude, pouvant par exemple servir d’appui au choix des essences adaptées.