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

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 1 24/06/2016

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

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

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 > 50ha 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 24/06/ (Tranvik et al., 2009) Production primaire brute 1,3 GtC/an (~1% de la production primaire globale) Emission de CO 2 vers l’atmosphère: 0, 30-0, 50 GtC/an

Les lacs: sources ou puits de carbone? Influence du fonctionnement écologique Production primaire autochtone –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 Augmentation du nombre de retenues dans le monde 6 Et donc sur les échanges entre le lac et l’atmosphère (d’après Spänhoff, 2014) 24/06/2016

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

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

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/

Mesures en une seule profondeur - Lac du Bourget 24/06/ conductivité Proliphyc Profondeur 12.5m

Mesures en continu – Retenue de Grangent 24/06/ température chlorophylle Juin à décembre 2009 D. Latour, Univ. Clermont-Ferrand 1.5m profondeur 1.5m 5m

Retenue de Grangent Mesures Modélisation 24/06/

24/06/ Suivi en continu de la météorologie et du fonctionnement physique du lac de Créteil 2 m -0.5 m -1.5 m -2.5 m -3.5 m -4.5 m -0.5 m -1.5 m -2.5 m P R C M Rejet pluvial Station météorologique Temperature de l’eau Fluorescence de la chlorophylle a Profileur de courant Niveau de l’eau exutoire 4 h 30 s 3 min PULSE -0.5 m -1.5 m -2.5 m

Météorologie 24/06/

Température de l’eau 24/06/ °C Stratification mélange ΔT max = 6.6°C

Début de la stratification thermique Mélange Vitesse du courant

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/

Modélisation thermique du lac du Bourget 24/06/

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

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

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

24/06/ PLUMMME R2DS PULSE Modélisation thermique du lac de Créteil

24 Configuration du modèle 3D 40 ha, profondeur maximale 6m Domaine –Horizontale : grille cartésienne de 981 cellules 20m x 20m –Verticale : 12 couches de 0,5 m d’épaisseur sauf près du fond (“modèle Z”), à partir de la bathymétrie mesurée Bilan hydrique : –Ni entrées ni sorties –Niveau d’eau constant Flux radiatifs et de chaleur : –à la surface : modèle “Ocean” –Coefficient d’ extinction de la lumière calé Vent : coefficient de traînée calé Cisaillement sur le fond : formule de Manning Conditions initiales et forçages : –Mesures de la bouée –Nébulosité, rayonnement solaire d’Orly (8 km, 1 h) Modèle de turbulence : k-ε –Coefficients de fond pour la diffusion horizontale issus d’une simulation bidimensionnelle et ajoutés aux coefficients du modèle isotrope sur la verticale Pas de temps d’entrée et de sortie : 30 s Rejet d’eaux pluviales Logiciel ouvert Delft3D-FLOW 24/06/2016 (Soulignac et al., 2016)

25 24/06/ Température de l’eau au point C -0.5 m -1.5 m -2.5 m -3.5 m -4.5 m Le modèle reproduit l’alternance de stratifications et de mélanges C

26 24/06/ Température de l’eau et vitesse du courant : simulation d’un mois -0.5 m -1.5 m -2.5 m -3.5 m -4.5 m m/s PCRPCR Le modèle reproduit vitesses et différences horizontales de température

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

Variability of mixing regime 2012ObservationSimulation Mixed day2635 Stratified day8677 Daily stratification811 Destratification events65 24/06/ ObservationSimulation Mixed day4738 Stratified day7685 Daily stratification1610 Destratification events ObservationSimulation Mixed day34 Stratified day89 Daily stratification812 Destratification events33 Good results of the inter-annual variability

Conclusion et perspectives Compétences du LEESU: Mesures Haute Fréquence thermique, hydrodynamique, phytoplancton Modélisation 1D et 3D de la thermique des lacs avec logiciels maison et reconnus (ouverts) Perspectives Couplage modélisation 3D 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

24/06/ Merci!