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3 - Etablissement public Loire

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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 km2
(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 > 50ha
• Température: un des paramètres physico-chimiques du
suivi DCE
• Importance des processus biogéochimiques
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4
Cycle du carbone dans les lacs et retenues
• Production primaire brute 1,3 GtC/an (~1% de la
production primaire globale)
• Emission de CO2 vers l’atmosphère: 0,30-0,50 GtC/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
Mesures en une seule profondeur - Lac du Bourget
Proliphyc
conductivité
Profondeur
12.5m
24/06/2016
2007
2008
2009
11
Mesures en continu – Retenue de Grangent
D. Latour, Univ. Clermont-Ferrand
1.5m
5m
Juin à décembre 2009
1.5m profondeur
température
chlorophylle
24/06/2016
Retenue de Grangent
Mesures
Modélisation
24/06/2016
13
Suivi en continu de la météorologie
et du fonctionnement physique du lac de Créteil
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
4h
-2.5 m
2m
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
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14
Météorologie
24/06/2016
15
Température de l’eau
ΔT max = 6.6°C
Stratification
mélange
4 °C
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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
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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
2m
• Mettre des figures de l’article Hydrobiologia
12m
120m
24/06/2016
(Vinçon-Leite et al., 2014)
21
Evolution du régime thermique :
températures moyennes annuelles
Air
Lac
Stabilité
24/06/2016
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PULSE
PLUMMME
R2DS
Modélisation
thermique du
lac de Créteil
24/06/2016
Configuration du modèle 3D
Logiciel ouvert Delft3D-FLOW
•
•
40 ha, profondeur maximale 6m
Domaine
–
–
•
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)
Rejet d’eaux pluviales
Modèle de turbulence : k-ε
–
24/06/2016
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
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
(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
26
Mixed day
calibration in 2012, verification in 2013 and 2014
Stratified day
Daily stratification
Calibration parameters: light extinction and wind drag coefficients
28
Observed water temperature
29
C
Observed water temperature in 2013
29
-0.5 m
27
24
25
-1.5 m
25
22
23
-2.5 m
23
21
-3.5 m
19
-4.5 m
-0.5 m
-1.5 m
-2.5 m
-3.5 m
-4.5 m
18
16
14
12
01/05
28
22/05
12/06
03/07
24/07
17
15
Simulated water temperature
29
26
27
24
25
22
23
20
18
-0.5 m (RMSE=0.7°C R2=0.97)
-1.5 m (RMSE=0.6°C R2=0.97)
-2.5 m (RMSE=0.7°C R2=0.98)
-3.5 m (RMSE=0.8°C R2=0.96)
-4.5 m (RMSE=0.8°C R2=0.92)
16
14
12
01/05
22/05
12/06
03/07
24/07
14/08
22/05
12/06
03/07
24/07
13
01/05
14/08
Simulated water temperature in 2013
29
RMSE=0.6°C R2=0.98
RMSE=0.6°C R2=0.98
RMSE=0.7°C R2=0.99
RMSE=1.1°C R2=0.96
RMSE=0.7°C R2=0.98
24/07
14/08
Simulated water temperature in 2014
21
19
17
15
15
03/07
03/07
23
17
12/06
12/06
25
19
22/05
22/05
27
21
13
01/05
-0.5 m
-1.5 m
-2.5 m
-3.5 m
-4.5 m
19
15
13
01/05
14/08
Observed water temperature in 2014
21
17
°C
20
°C
27
°C
26
°C
°C
°C
Variability of mixing regime
24/07
14/08
13
01/05
RMSE=0.7°C R2=0.97
RMSE=0.7°C R2=0.97
RMSE=0.9°C R2=0.98
RMSE=1.1°C R2=0.97
RMSE=1.1°C R2=0.97
22/05
12/06
03/07
24/07
14/08
The model reproduced the mixing regime
24/06/2016
27
Variability of mixing regime
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
90
80
70
Number of stratified days
2012
60
50
40
2012 Observation
30
2012 Simulation
2013 Observation
20
2014
Observation
Simulation
Mixed day
47
38
Stratified day
76
85
Daily stratification
16
10
Destratification events
4
4
2013 Simulation
2014 Observation
10
2014 simulation
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Stratification length (days)
Good results of the inter-annual variability
24/06/2016
28
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
Merci!
24/06/2016
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