Evolution thermique des lacs et retenues Mesures et

Evolution thermique des lacs et retenues Mesures et modélisation Bruno Lemaire et Brigitte Vinçon-Leite 24/06/2016 Journées de dialogue Recherche-Gestion Etablissement Public Loire b. vincon-leite@enpc. fr

Plan de la présentation • Importance des écosystèmes lacustres – Retenues, lacs et petits plans d’eau – Cycles biogéochimiques, cycle du carbone – Biodiversité, continuité écologique • Mesure de la thermique des lacs – Lac du Bourget et retenue de Grangent – Lac de Créteil: mesures à haute fréquence • Modélisation thermique – unidimensionnelle verticale: lac du Bourget – tridimensionnelle : lac de Créteil • Conclusion 24/06/2016 1

Les plans d’eau à l’échelle de la planète • En surface : 3 106 km 2 (Raymond et al. , 2013) – 2, 2 % de la surface des continents – 91, 3% lacs et 8, 7% retenues (Downing et al. , 2006) • En nombre: ~ 300 millions – 277 millions 0, 1 -1 ha – Taille moyenne 1, 2 ha (Agence de l’eau Seine-Normandie) 24/06/2016 2

En France • 34 000 plans d’eau > 10 ha dont 560 > 50 ha • En Ile-de-France 1 000 plans d’eau > 1 ha (Catherine et al. , 2008) 24/06/2016 3

Lacs et retenues • Usages multiples – hydro-électricité – alimentation en eau potable (AEP) – aquaculture et pêche – baignade, loisirs nautiques • Principaux problèmes – – Continuité écologique et sédimentaire Eutrophisation et perte de biodiversité Emission de gaz à effet de serre Contamination par des substances toxiques (pesticides, métaux, micropolluants organiques, etc. ) • Directive Cadre Européenne sur l’eau (2000) plans d’eau > 50 ha • Température: un des paramètres physico-chimiques du suivi DCE • Importance des processus biogéochimiques 24/06/2016 4

Cycle du carbone dans les lacs et retenues • Production primaire brute 1, 3 Gt. C/an (~1% de la production primaire globale) • Emission de CO 2 vers l’atmosphère: 0, 30 -0, 50 Gt. C/an 24/06/2016 (Tranvik et al. , 2009) 5

Les lacs: sources ou puits de carbone? Influence du fonctionnement écologique • Production primaire autochtone • Augmentation du nombre de retenues dans le monde – Nutriments (phosphore) – Flux de sédimentation : fixation dans sédiment • Pressions sur les écosystèmes lacustres – Changement climatique, évolution du bassin versant, … – Influence sur le fonctionnement de l’écosystème Et donc sur les échanges entre le lac et l’atmosphère 24/06/2016 (d’après Spänhoff, 2014) 6

Principaux processus physiques 24/06/2016 D’après Salençon et Thébault, 1997 7

Stratification thermique Lac Goitsche, Allemagne (d’après Boehrer & Schultze, 2008) 24/06/2016 8

Mesures et modélisation • Retenue de Grangent – Thermique et cyanobactéries • Lac de Créteil – Régime thermique: mélange et stratification • Lac du Bourget – Évolution thermique à long terme 24/06/2016 9

Métrologie • Température – Chaînes de thermistances – Profils verticaux ponctuels – Mesures satellitaires • Météorologie – À proximité ou sur le plan d’eau • Hydrodynamique – Vitesses du courant 24/06/2016 1

Mesures en une seule profondeur - Lac du Bourget Proliphyc conductivité Profondeur 12. 5 m 24/06/2016 2007 2008 2009 11

Mesures en continu – Retenue de Grangent D. Latour, Univ. Clermont-Ferrand 1. 5 m 5 m Juin à décembre 2009 1. 5 m profondeur température chlorophylle 24/06/2016 1

Retenue de Grangent Mesures Modélisation 24/06/2016 13

Suivi en continu de la météorologie et du fonctionnement physique du lac de Créteil SE L U P M -0. 5 m Station météorologique 30 s Temperature de l’eau Fluorescence de la chlorophylle a Profileur de courant Niveau de l’eau -1. 5 m 3 min 4 h -2. 5 m 2 m P Rejet pluvial -0. 5 m -1. 5 m -2. 5 m -3. 5 m -4. 5 m C -0. 5 m R -1. 5 m -2. 5 m exutoire 24/06/2016 14

Météorologie 24/06/2016 15

Température de l’eau ΔT max = 6. 6°C Stratification mélange 4 °C 24/06/2016 16

Vitesse du courant Début de la stratification thermique Mélange

Modélisation thermique • Motivations – Effet du changement climatique sur les lacs – La thermique conditionne la biologie : système d’alerte des proliférations algales / cyanobactéries • Modélisation unidimensionnelle verticale – évolution thermique à long terme d’un grand lac profond, le lac du Bourget • Modélisation tridimensionnelle – Régime thermique saisonnier d’un petit lac peu profond, le lac de Créteil 24/06/2016 18

Modélisation thermique du lac du Bourget 24/06/2016 19

Structure mathématique du modèle Equation d’advection – dispersion Mélange par coefficient de diffusion turbulente Diffusion turbulente Advection Entrées sorties 24/06/2016 20

Lac du Bourget : Simulation thermique à long terme 1976 -2008 2 m • Mettre des figures de l’article Hydrobiologia 12 m 120 m 24/06/2016 (Vinçon-Leite et al. , 2014) 21

Evolution du régime thermique : températures moyennes annuelles Air Lac Stabilité 24/06/2016 22

PULSE PLUMMME R 2 DS Modélisation thermique du lac de Créteil 24/06/2016 2

Configuration du modèle 3 D Logiciel ouvert Delft 3 D-FLOW 24/06/2016 • • 40 ha, profondeur maximale 6 m Domaine • Bilan hydrique : • Flux radiatifs et de chaleur : • • Vent : coefficient de traînée calé Cisaillement sur le fond : formule de Manning • Conditions initiales et forçages : • Modèle de turbulence : k-ε • Pas de temps d’entrée et de sortie : 30 s – – Horizontale : grille cartésienne de 981 cellules 20 m x 20 m Verticale : 12 couches de 0, 5 m d’épaisseur sauf près du fond (“modèle Z”), à partir de la bathymétrie mesurée – – Ni entrées ni sorties Niveau d’eau constant – – à la surface : modèle “Ocean” Coefficient d’ extinction de la lumière calé – – – Mesures de la bouée Nébulosité, rayonnement solaire d’Orly (8 km, 1 h) Rejet d’eaux pluviales Coefficients de fond pour la diffusion horizontale issus d’une simulation bidimensionnelle et ajoutés aux coefficients du modèle isotrope sur la verticale (Soulignac et al. , 2016) 24

Température de l’eau au point C C -0. 5 m -1. 5 m -2. 5 m -3. 5 m -4. 5 m 24/06/2016 Le modèle reproduit l’alternance de stratifications et de mélanges 25

Température de l’eau et vitesse du courant : simulation d’un mois 24/06/2016 Le modèle reproduit vitesses et différences horizontales de température m/s P C R m/s -0. 5 m -1. 5 m -2. 5 m -3. 5 m -4. 5 m 26

Variability of mixing regime calibration in 2012, verification in 2013 and 2014 Calibration parameters: light extinction and wind drag coefficients Mixed day Stratified day Daily stratification C The model reproduced the mixing regime 24/06/2016 27

Variability of mixing regime 2012 Observation Simulation Mixed day 26 35 Stratified day 86 77 Daily stratification 8 11 Destratification events 6 5 2013 Observation Simulation Mixed day 34 34 Stratified day 89 89 Daily stratification 8 12 Destratification events 3 3 2014 Observation Simulation Mixed day 47 38 Stratified day 76 85 Daily stratification 16 10 Destratification events 4 4 Good results of the inter-annual variability 24/06/2016 28

Conclusion et perspectives Compétences du LEESU: • Mesures Haute Fréquence thermique, hydrodynamique, phytoplancton • Modélisation 1 D et 3 D de la thermique des lacs avec logiciels maison et reconnus (ouverts) Perspectives • Couplage modélisation 3 D hydrodynamique et phytoplancton, transport de micropolluants • Suivi et modélisation à long terme de la thermique: scenarios prédictifs et rétrosimulations • Mesures satellitaires, suivi in situ et modélisation

Merci! 24/06/2016 30