Modélisation hydrodynamique de la lagune Nokoué située au sud-est du Bénin

Hydrodynamic modelling of Nokoué lagoon in south-east Benin

• Auteur / Autrice : Kodjo Jules Honfo
• Direction : Alexis Chaigneau, Yves Morel, Ezinvi Baloïtcha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, Atmosphère, Climat
• Date : Soutenance le 18/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....) en cotutelle avec Université d'Abomey-Calavi (Bénin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Jury : Président / Présidente : Zacharie Sohou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Fiandrino, Isabelle Brenon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Cecchi, Pascal Lazure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nokoué, Lac (Bénin)

Hydrodynamique

Bénin (sud)

Modèles mathématiques

Polluants de l'eau

Mots clés libres

Lagune Nokoué

Modélisation hydrodynamique

Circulation

Temps de résidence

Temps de vidange local

Temps de renouvellement

Nokoué Lagoon

Hydrodynamic Modeling

Circulation

Residence Time

Local flushing Time

Renewal Time

Résumé

La lagune Nokoué est un vaste plan d'eau (~150 km2) peu profond (~1.3 m) situé au sud-est du Bénin. Cette lagune, alimentée en eau douce par les fleuves et en eau salée par le chenal de Cotonou, est soumise à une forte pression anthropique qui se manifeste par le rejet de polluants dissouts ou flottants pouvant provenir des villages lacustres et émissaires urbains périphériques à la lagune et les fleuves. Dans ce contexte, cette thèse s'est intéressée à la modélisation haute résolution de l'hydrodynamisme de la circulation des masses d'eau à diverses fréquences et d'estimer les échelles de temps qui caractérisent le transport des polluants : l'âge (TA) des parcelles d'eau (entrant dans la lagune soit par les fleuves ou par le chenal), temps de résidence (TR) des parcelles d'eau, temps de vidange local (TL) des polluants et temps de renouvellement complet (TV) de la lagune. Pour atteindre ces objectifs, nous avons utilisé le modèle SYMPHONIE qui a été validé avec succès sur les observations du niveau d'eau, de la salinité, de température et des échanges d'eau océan-lagune à travers le chenal de Cotonou. A l'issus des différentes simulations, les résultats ont montré qu'en période de hautes eaux (juillet-novembre), marquée par l'élévation du niveau d'eau moyen de la lagune, le marnage est relativement faible et associé à une forte asymétrie de la phase du jusant par rapport à celle du flot. L'inverse se produit en période de basses eaux (décembre-juin). Les courants de marée, qui peuvent dépasser 1 m/s dans le chenal de Cotonou, sont également modulés bimensuellement par les mortes-eaux et vives-eaux de marée. A l'échelle saisonnière, nous avons mis en évidence 4 saisons de circulation moyenne avec des différences entre la surface et le fond malgré la faible profondeur. En période de crue (septembre-novembre) caractérisée par d'énorme apports des fleuves (~1200 m3/s), la circulation moyenne est quasi-barotrope avec des connexions directes fleuves-chenal pilotée par les apports fluviaux et le vent. Selon nos diagnostiques, l'ouest de la lagune est constituée essentiellement des eaux de la Sô, du Djonou et des eaux océaniques, tandis que les eaux du fleuve Ouémé sont concentrées à l'est de la lagune. L'âge et la connectivité entre les rives de la lagune sont faibles. Les échelles de temps TR, TL, et TV sont courtes (< 7 jours). En période de salinisation (décembre-janvier) et d'étiage (février-juin), marquée par de faibles apports fluviaux (quelques m3/s), on note une circulation moyenne du type estuarien (parfois amplifiée par les épisodes d'Harmattan) en début de la phase de salinisation sous l'influence de la marée, des débits fluviaux, les gradients de salinité et les vents ; puis en étiage nous avons une circulation complexe constituée de nombreuses cellules de recirculation pilotée par les vents. Les parcelles d'eau se dispersent alors dans toute l'étendue de la lagune avec des âges pouvant atteindre ~3-4 mois. Ces circulations favorisent une forte connectivité entre les rives et rallongent les échelles de temps TR, TL, et TV à quelques mois (~3-6 mois). Enfin, pendant la période de désalinisation (juillet-août) marquée par l'arrivée des premières crues, on assiste au rétablissement progressif des connexions fleuve-chenal dominée par les vents et les apports fluviaux. L'âge maximal des eaux diminue fortement (<1 mois) et la connectivité entre les rives est réduite. Les TR, TL, et TV décroissent aussi à l'ordre de quelques jours (~14 jours). Cette étude a mis en évidence l'existence d'un débit critique de ~50-100 m3/s au-delà duquel les TR, TL et TV peuvent devenir plus long (décembre-janvier) ou plus court (juin-juillet). Les vents et la présence des acadjas tendent à retenir les masses d'eaux et polluants dans la lagune tandis que la marée, les apports fluviaux et le gradient de salinité favorisent l'évacuation.

The Nokoué Lagoon is a large (~150 km²) and shallow (~1.3 m deep) body of water located in south-east Benin. This lagoon receives fresh water from local rivers as well as salt water from the Cotonou Channel. It is under significant anthropogenic pressure, which manifests through the discharge of dissolved or floating pollutants originating from surrounding lake villages and urban outfalls along the lagoon and rivers. In this context, this thesis focuses on high-resolution modeling of the hydrodynamics governing water mass circulation at various frequencies, as well as estimating characteristic time scales for pollutant transport: the age (TA) of water parcels entering the lagoon via rivers or the channel, the residence time (TR) of these parcels, local emptying time (TL) for the pollutants, and the complete renewal time (TV) of the lagoon. We utilized the SYMPHONIE model, which has been successfully validated against observations of water levels, salinity, temperature, and exchanges between ocean and lagoon waters through the Cotonou Channel. The results from various simulations indicate that during high-water periods (July-November), which are marked by an increase in the average water level of the lagoon, the tidal range is relatively low, with a strong asymmetry noted between the ebb and flood phases. Conversely, the opposite occurs during low-water periods (December-June). Tidal currents can exceed 1 m/s in the Cotonou Channel and are modulated fortnightly by neap and spring tides. On a seasonal scale, we identified four periods of average circulation, revealing differences between surface and bottom water despite the shallow depth. During the flood season (September-November), characterized by significant inflows from rivers (~1200 m³/s), the mean circulation is quasi-barotropic, driven by river inflows and wind effects, with direct river-channel connections established. Our assessments indicate that the western part of the lagoon primarily consists of waters from the Sô and Djonou rivers, as well as oceanic water, while the Ouémé River waters are concentrated in the eastern section of the lagoon. Connectivity between the lagoon's banks remains low, with TR, TL, and TV time scales being short (< 7 days). During the salinization period (December-January) and low-water period (February-June), both marked by reduced river flows (a few m³/s), average estuarine circulation appeared under the influence of tides, river flows, salinity gradients, and winds, particularly during the initiation of salinization. This phase saw a complex circulation featuring numerous recirculation cells driven by winds. Water parcels became dispersed throughout the lagoon, with ages extending up to ~3-4 months. These circulations fostered increased connectivity between the banks, leading to extended TR, TL, and TV time scales of around 3-6 months. During the desalination phase (July-August), following the first floods, we observed a gradual re-establishment of river-channel connections, driven by wind and fluvial inputs. Maximum water age sharply decreased (<1 month), while connectivity between the banks was reduced. TR, TL, and TV times also decreased to approximately 14 days. Notably, this study identified a critical flow threshold of ~50-100 m³/s, beyond which TR, TL, and TV may prolong (in December-January) or shorten (in June-July). Wind effects combined with the presence of acadjas tend to retain water and pollutants in the lagoon, while tides, river inputs, and salinity gradients facilitate the evacuation of these elements.