Influence des retenues d'eau et du changement climatique sur la température des cours d'eau : modélisation à haute résolution et application au bassin de la Loire

Influence of impoundments and climate change on stream temperature : regional physical process-based modeling (application to the Loire catchment)

• Auteur / Autrice : Hanieh Seyedhashemi
• Direction : Florentina Moatar-Bertrand, Jean-Philippe Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre
• Date : Soutenance le 08/02/2022
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoHydrosystèmes COntinentaux (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Grosbois-Bacchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David M. Hannah, Zahra Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Ducharne, André St-Hilaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Modélisation prédictive

Modèles hydrologiques

Habitat (écologie)

Prévision météorologique numérique

Prévision hydrologique

Effets des changements climatiques

Loire (France ; cours d'eau)

Bassins hydrographiques

Réservoirs (lacs)

Effets des barrages

Eau -- Température

Mots clés libres

Régime thermique

Barrages et étangs

Analyses statistiques

Tendances à long terme

Scénarios climatiques

Projections futures

Thermal regime

Dams and ponds

Statistical analyses

Long-Term trends

Climate scenarios

Future projections

Résumé

La température des cours d'eau (Tw) est un paramètre critique affectant la qualité de l'eau, des communautés aquatiques et les activités socio-économiques. Cependant, notre compréhension actuelle de sa variabilité spatio-temporelle induite par les aménagements anthropiques et le changement climatique à grande échelle est limitée. Ces problèmes ont été abordés ici en utilisant à la fois les données Tw observées et les Tw simulées par le modèle thermique basé sur les processus physiques T-NET couplé au modèle hydrologique semi-distribué EROS à l'échelle de l'ensemble du bassin de la Loire en France (100000 km2 avec 52278 tronçons).Premièrement, les données Tw observées sont rarement disponibles pour identifier l'influence des aménagements anthropiques, et de nouvelles « signatures thermiques » basées sur les relations observées entre la température des cours d'eau et de l'air sont introduites ici. Ces signatures thermiques ont mis en évidence deux modes dominants d'altération thermique induits par les barrages et les étangs du bassin. Les grands barrages diminuent la Tw estivale de 2°C et retardent le pic annuel de la Tw de 23 jours par rapport aux régimes naturels. En revanche, les effets cumulatifs des étangs en amont augmentent la Tw estivale de 2,3 °C et augmentent la synchronicité avec les régimes de température de l'air.Les stations Tw naturelles identifiées grâce à l'analyse de la signature thermique ont ensuite été utilisées pour évaluer les performances du T-NET sur le bassin de la Loire. Les améliorations liées à la géométrie hydraulique et à l'ombrage riverain ont entraîné une diminution du biais du modèle. De plus, la différence entre la Tw simulée (naturelle) et observée (influencée) aux stations modifiées a été utilisée pour quantifier l'influence des barrages et des étangs. Les résultats ont montré que les impacts des retenues pendant une année chaude pourraient être 2 à 4 fois plus importants que pendant une année froide.Enfin, le modèle T-NET a été utilisé pour projeter Tw sous différentes projections climatiques futures sur l'ensemble du 21e siècle à partir de 3 chaînes de modélisation climatique sous trois scénarios d'émissions. Une augmentation constante du futur Tw vers la fin du siècle a été projetée sur l'ensemble du bassin de la Loire. Les changements médians de Tw sont de l'ordre de [+0,72°C - +2,68°C] selon les projections climatiques et les saisons au milieu du siècle, et de l'ordre de [+0,47°C - +4,95°C] au fin du siècle, et le plus grand futur Tw d'été a été trouvé pour les plus grands fleuves. Les plus grandes anomalies Tw synchronisées avec les plus grandes anomalies Q négatives quelle que soit la saison. De plus, des changements positifs de Tw et des changements négatifs de Q étaient concomitants dans la majorité des tronçons, principalement dans le cours supérieur sud. Il est important de noter que l'ombrage de la végétation riveraine pourrait atténuer l'augmentation de la future Tw estivale de [+3,3 °C - +4,6 °C].Ces résultats soulignent qu'il est nécessaire de développer et de maintenir les réseaux de capteurs Tw. Ils peuvent également aider à évaluer les divers stress sur la durabilité de l'habitat d'eau douce dus aux impacts humains et développer des stratégies de gestion appropriées pour atténuer les événements thermiques extrêmes induits par de tels impacts et conserver les refuges thermiques.

Stream temperature (Tw) is a critical parameter for water quality, aquatic communities and socio-economic activities, but our understanding of its spatio-temporal variability induced by anthropogenic impoundments and climate change at a large scale is limited. These issues have been addressed here using both observed Tw data and Tw simulated by the T-NET physical process-based thermal model coupled with the EROS semi-distributed hydrological model at the scale of the entire Loire River basin in France (100000 km2 with 52278 reaches).First, observed Tw data are rarely available to identify the influence of impoundments, and novel “thermal signatures” based on observed stream-air temperature relationships are introduced here. These thermal signatures highlighted two dominant modes of thermal alteration induced by dams and ponds in the basin. Large dams decrease summer Tw by 2°C and delay the annual Tw peak by 23 days relative to the natural regimes. In contrast, the cumulative effects of upstream ponds increase summer Tw by 2.3°C and increase the synchronicity with air temperature regimes.Natural Tw stations identified through the thermal signature analysis were then used to assess T-NET performance over the Loire basin. Improvements related to hydraulic geometry and riparian shading led to a decrease in model bias. Moreover, the difference between simulated (natural) and observed (influenced) Tw at altered stations were used to quantify the influence of dams and ponds. Results showed that the impacts of impoundments in a hot year could be 2-4 times larger than in a cool year.The improved T-NET model was then used to reconstruct Tw over 1963-2019 to estimate the magnitude of past trends in natural Tw, and assess their relation with hydroclimate changes and landscape characteristics. Results revealed that Tw increased for almost all reaches in all seasons (+0.38 °C/decade) with the largest increases in spring and summer. Rates of stream temperature increases were larger than for air temperature across seasons for the majority of reaches. Spring and summer increases were typically the greatest in the southern headwaters (up to +1 °C/decade) and in the largest rivers. Importantly, the largest Tw increases were accompanied by similar trends in air temperature (up to +0.71 °C/decade) and the largest decreases in streamflow (up to −16 %/decade). Critically, riparian vegetation shading mitigated stream temperature increases in smaller streams by 0.16°C/decade.Finally, the T-NET model was used to project Tw under different future climate projections over the whole 21st century from 3 climate modeling chains under three emissions scenarios. A consistent increase in future Tw towards the end of the century was projected over the whole Loire River basin. The median Tw changes are in the range of [+0.72°C - +2.68°C] across climate projections and seasons in the middle of the century, and in the range of [+0.47°C - +4.95°C] at the end of the century, and the largest future summer Tw was found for the largest rivers. The largest Tw anomalies synchronized with the largest negative Q anomalies regardless of the season. Moreover, positive Tw changes and negative Q changes were concomitant at the majority of the reaches, mostly in the southern headwaters. Importantly, riparian vegetation shading could mitigate the increase in future summer Tw by [+3.3°C - +4.6°C].These findings underscore that there is a need to grow and maintain Tw sensor networks. They can also help assess various stresses on freshwater habitat sustainability due to human impacts and develop appropriate management strategies to mitigate extreme thermal events induced by such human impacts and conserve thermal refugia.