Adaptation de l'agriculture aux politiques de gestion de l'eau et aux changements globaux : l'apport des modèles de programmation mathématique

This thesis develops and discusses agricultural-supply modeling approaches for representing the adaptation of farming to global changes and water policies: their effects on agricultural economics and water resources comprise critical information for decision makers. After a summary and a review chapter, four essays are presented. The first essay describes a representation of the behavior of ten typical farms using a risk linear programming model connected to a plant-soil-hydrodynamic model chain, to assess the future level of nitrate contamination in the upper Rhine valley aquifer. The baseline, liberal, and interventionist scenarios for 2015 all result in lower nitrate concentrations. The second essay explores the effects of the economic uncertainty of global changes by means of a Monte Carlo approach distinguishing various levels of dependence on uncertain parameters. Analyses for a nitrate-oriented and a water-use model (in Alsace and southwestern France) show that the environmental objectives can be targeted withsufficient confidence. The third essay develops a flexible specification for positive mathematical programming - constant elasticity of substitution with decreasing returns - to explore how irrigated farming adapts to increased water scarcity in Beauce, France. The possibility of adjusting the application of water per hectare accounts for about 20% of the response. The last essay presents the development of a holistic hydro-economic model of Beauce’s agriculture and aquifer under climate-change uncertainty, so as to evaluate various water policies, as well as the open-access case, up to the year 2040. The results show that the baseline policy is more cost-effective than the other instruments tested (tax, transfer,etc.).Cette thèse développe et discute différentes approches micro-économiques de modélisation de l’agriculture pour représenter l’effet de changements globaux et de politiques de gestion de l’eau sur l’adaptation de l’agriculture et sur les ressources en eau. Après un chapitre de synthèse et une revue de la littérature, quatre essais sont présentés. Le premier essai décrit la représentation du comportement de dix exploitations agricoles en Alsace et en Bade (Allemagne) à partir de modèles de programmation linéaire qui intègrent la prise en compte du risque. Après extrapolation, les résultats de simulation sont couplés à une chaîne de modèle plante-sol et de transfert hydrogéologique afin d’estimer la concentration future en nitrate dans l’aquifère du Rhin supérieur. Les simulations des trois scénarios de changements - tendanciel, libéral et interventionniste - suggèrent que les concentrations en nitrates baissent dans les trois cas par rapport à la référence. Le second essai explore l’effet de l’incertitude de changements globaux sur les ressources en eau par des simulations Monte Carlo pour le modèle alsacien (premier essai) et un modèle de demande en eau agricole (Sud-Ouest). Plusieurs niveaux de dépendance entre les paramètres incertains sont caractérisés. L’analyse des résultats montre que les objectifs environnementaux peuvent être déterminés avec suffisamment de précision malgré l’incertitude forte. Le troisième essai développe un modèle agricole régional de programmation mathématique positive avec élasticité de substitution constante entre l’eau et la terre afin d’explorer comment l’agriculture, partiellement irriguée, de Beauce s’adapte à une baisse de la disponibilité en eau. La réponse du rendement à l’eau est calibrée à partir d’information agronomique. Les adaptations à la baisse de disponibilité en eau sont distinguées selon qu’elles correspondent à des baisses de dose d’eau d’irrigation ou de changement de culture. Environ 20% de la réduction est due à la baisse des doses d’eau (marge intensive). Le dernier essai présente un modèle hydro-économique “holistic” de l’agriculture et de l’aquifère de Beauce afin d’évaluer plusieurs politiques de gestion quantitatives de l’eau ainsi que d’évaluer le cas où l’accès à la ressource n’est plus régulé. Des simulations dynamiques sont réalisées à l’horizon 2040 en tenant compte de l’incertitude liée au changement climatique. La politique actuelle de quotas annualisés semble être plus coût-efficace que les autrespolitiques testées (taxes, transferts etc.)