Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Les lacs constituent d’importantes ressources en eau potable en Suisse, château d’eau de l’Europe. Pourtant, ils sont souvent négligés dans le cycle hydrologique global. Menacés à la fois à l’échelle globale par les changements climatiques, ainsi qu’à l’échelle locale par divers facteurs anthropogéniques (e. g. déversement de polluants, engrais, pollution thermique, etc.), la réaction de ces écosystèmes doit être comprise et anticipée afin de sécuriser durablement les services écosystémiques essentiels qu’ils fournissent (e. g. captage d’eau potable, pêche, sources/puits de chaleur [1]). De telles capacités prédictives et de surveillance peuvent uniquement être acquises par l’utilisation de modèles hydrodynamique tridimensionnels exploités en temps réel.
Contrairement aux mesures in-situ traditionnelles limitées dans l’espace et le temps, les modèles hydrodynamiques 3D sont capables de résoudre le continuum de processus physiques sur une large échelle spatio-temporelle. Celle-ci s’étend spatialement de la dimension du lac pour la circulation générale, à quelques centimètres pour les échanges thermiques entre l’atmosphère et la surface de l’eau, et temporellement, de la variation saisonnière du forçage météorologique aux événements atmosphériques et aquatiques transitoires à l’échelle de la minute. Alors que la variabilité verticale de la structure thermique est bien comprise et modélisée par des modèles plus simples, tel que des modèles à une dimension (verticale), la variabilité horizontale de la structure thermique et de la courantologie dans les lacs demeure difficile à prédire. Ces processus influencent pourtant la bio-géochimie des eaux ainsi que leur utilisation. Par exemple, suite à des vents spécifiques, les remontées d’eau froides côtières riches en nutriments (aussi appelées upwellings) sont suspectés de participer au développement algal. Les gyres (ou circulation de type rotation) sont un autre exemple de processus pouvant modifier la position de la thermocline (séparation des eaux chaudes de surface avec les eaux froides profondes) et favoriser l’accumulation ou dispersion de particules et polluants. Tous ces processus peuvent être étudiés ou suivis par des modèles hydrodynamiques 3D. Ces modèles 3D sont cependant complexes et leur développement est fastidieux, limitant ainsi l’utilisation de leurs résultats aux numériciens et développeurs eux-mêmes. Une plateforme en ligne, visant à fournir en temps réel les caractéristiques hydrodynamiques des lacs, a été développée pour lever ce verrou: meteolakes.ch.
Meteolakes a pour ambition d’assurer le suivi de divers lacs suisses. Initialement développé pour le Léman, cette plateforme, utilisée par plus d’une centaine de milliers d’utilisateurs en Suisse Romande, permet notamment la prévision de l’évolution des champs de courants et de température dans les lacs sur les prochains 4,5 jours. Un système d’alerte permet par ailleurs de notifier les utilisateurs d’événements notables tel que de forts courants, et des refroidissements ou réchauffements soudains de l’eau à une profondeur et une localisation donnée. Dans cet article nous présentons le nouveau modèle hydrodynamique 3D récemment validé pour le lac de Zurich ainsi que les outils offerts par Meteolakes pour la population et les professionnels du lac.
La modélisation du lac de Zurich a été développée avec la suite open-source de modélisation hydrodynamique Delft3D-FLOW [2]. Ce logiciel de modélisation hydrodynamique tridimensionnelle permet de résoudre l’évolution de la structure thermique et la courantologie dans le bassin à haute résolution spatio-temporelle en résolvant un système couplé d’équation différentielles typique en mécanique des fluides: équation de continuité, équation de la quantité de mouvement, etc. Sa capacité à reproduire la dynamique physique de rivières, estuaires, et lacs, a été démontrée dans diverses études [3–5].
La dynamique d’un lac est principalement dictée par les échanges de chaleur et de quantité de mouvement avec l’atmosphère, ainsi que par les frottements au niveau des sédiments. Les échanges extérieurs avec l’atmosphère sont simulés en incorporant les données horaires issues du modèle alpin suisse de prévision météorologique de haute précision: COSMO-1 [6]. COSMO-1 couvre le territoire suisse avec une résolution spatiale d’un kilomètre. Les variables atmosphériques utilisées par le modèle sont les radiations solaires, la température de l’air, la force et direction du vent, la couverture nuageuse, la pression de l’air, ainsi que l’humidité relative. Les prévisions à 4 jours et demi sont quant-à -elles effectuées avec les produits probabilistes du modèle alpin suisse: COSMO-E [7]. L’évolution temporelle de la transparence de l’eau, paramètre limitant la profondeur de pénétration de la lumière (i. e. de la chaleur) dans le lac est obtenue par des mesures mensuelles effectuées à la station d’observation de Thalwil (fig. 1).
Le maillage horizontal du modèle (fig. 1) est constitué de cellules d’environ 180 m par 200 m couvrant l’ensemble des deux bassins constituant le lac; Obersee (bassin supérieur) et Unterer Zürichsee (bassin inférieur; appelé Zürichsee dans la suite de cet article). Le maillage vertical est constitué de 75 couches horizontales dont l’épaisseur varie en fonction de la profondeur: entre 10 cm et 30 cm à la surface ainsi que dans la thermocline (la couche de séparation des eaux de surface avec les eaux froides de profondeur), et jusqu’à 8 m pour les couches les plus profondes où la température varie peu. Un pas de temps de calcul de 30 secondes est utilisé afin de satisfaire les critères de convergence numériques.
L’influence des cours d’eau sur la dynamique interne des bassins, en particulier dans l’Obersee, a été étudiée pendant l’étape de calibration. La stratification thermique d’Obersee est fortement influencée par la basse température des tributaires. Par conséquent, le canal de la Linth ainsi que les rivières Jona et Wägitaler Aa ont été implémentées dans le modèle en tant qu’affluents. La Limmat a été considérée comme le seul effluent du lac (fig. 1). Les données de l’Office Fédéral de l’Environnement (OFEV) de température et débits des affluents, ainsi que du niveau d’eau du lac, sont fournies en temps réel avec un pas de temps de 10 minutes. Elles sont utilisées par le système et permettent une modélisation complète du bilan hydrologique du lac de Zurich ainsi que des apports de chaleur par les rivières.
Le modèle a été calibré pour l’année 2017 grâce à trois stations mesurant mensuellement la température sur la totalité de la colonne d’eau. L’emplacement de ces trois stations (Thalwil, Stäfa et Lachen) est présenté dans la figure 1. Le modèle a ensuite été validé avec les données des années 2015 et 2016. Une excellente correspondance entre les profils de température mesurés et simulés a été obtenue: les erreurs quadratiques moyennes et erreurs absolues moyennes sont respectivement inférieures à 1 °C et 0,5 °C pour les trois années étudiées. La dynamique interne du lac est également reproduite, les périodes des seiches (ondes stationnaires à l’intérieur du bassin) de 44 h, 24 h et 17 h calculées correspondent aux valeurs trouvées dans de précédentes études basées sur des analyses de fluctuation des isothermes et de vitesses de courants [8].
L’application web meteolakes.ch a pour but de distribuer librement, et de façon automatique, des informations hydro-
dynamiques en temps réel ainsi que des prédictions de l’état biophysique de certains lacs suisses. La plateforme permet d’assurer un suivi de la dynamique des lacs en tout point dans l’espace et le temps en mettant à disposition divers outils permettant la visualisation et l’extraction de données scientifiques complexes par les internautes. En favorisant une science ouverte, Meteolakes permet non seulement plus de reproductibilité dans les analyses mais également de sensibiliser sur la dynamique variable des lacs et stimuler son étude. Dans sa barre de navigation inférieure, deux onglets sont spécifiques au lac de Zurich: «Hydrodynamic Model» (encadré 1) et «Data Order/API».
Pour les utilisateurs avancés, tels que des gérants de sites de baignade, de plages, les bureaux d’ingénieurs, les communes, etc., il est possible de recevoir automatiquement ces données sous forme de fichiers CSV pour les coordonnées, périodes et profondeurs souhaitées à travers l’Application Programming Interface (API). L’API (onglet «Data Order/API») a été spécialement conçue pour répondre à ces demandes. A la réception d’un lien contenant les informations d’un point d’intérêt (e. g. lac, coordonnées, variable d’intérêt, période), le serveur extrait dans la base de données les résultats du modèle demandés qui seront formatés puis envoyés à l’utilisateur. Suivant le jeu de données demandé, l’extraction peut prendre quelques minutes. La procédure de commande de données est détaillée sur le site web (meteolakes.ch/#!/data).
Finalement, Meteolakes est doté d’un système d’alerte capable de notifier, jusqu’à 4,5 jours à l’avance, les utilisateurs inscrits à une liste de diffusion lorsqu’un événement notable est détecté (e. g. forts courants, remontée d’eau froide). Un email est alors automatiquement envoyé aux abonnés et contient le type d’événement anticipé, son emplacement, son étendue spatiale, son intensité et le moment auquel l’intensité maximale a été calculée.
Depuis sa mise en ligne en 2016, Meteolakes a fourni des informations lacustres à plus de 240 000 utilisateurs. Utilisées majoritairement à des fins récréatives (baignade et navigation) par le grand public en période estivale, ces données ont également bénéficié divers scientifiques et professionnels des lacs autour du Léman. Par exemple, la plateforme est utilisée afin de mieux planifier les campagnes de mesures et ainsi cibler des événements transitoires, tels que les remontées d’eau froides présentées ci-dessous et leur impact sur le lac, ou encore l’étude de gyres par le déploiement opportun de planeurs sous-marins [9]. L’étude de tels phénomènes, capable de perturber l’apparente stabilité des eaux, était jusqu’alors difficilement réalisable avec les moyens de mesure in-situ traditionnels sans connaissances a priori. Dans la région lémanique, des pêcheurs utilisent quotidiennement la plateforme pour repérer les zones à fort gradient de température, pouvant être liées à une présence plus élevée de nutriments susceptibles d’attirer les poissons [10]. L’outil de suivi des particules a également permis à des scientifiques de déterminer la source d’une précipitation de calcite observée par satellite [11]. Divers administrateurs de sites de baignade affichent la température de l’eau spécifique à leur plage sur le web. Les compagnies responsables de la distribution d’eau potable peuvent surveiller la profondeur de la thermocline, ou suivre le transport éventuel de polluants depuis une zone à risque vers des captages d’eau. Finalement, l’historique de la courantologie du lac est également un outil qui intéresse la police du lac pour ces enquêtes.
Dans cette étude, nous illustrons également le potentiel du modèle et de la plateforme à travers des exemples concrets de phénomènes physiques et applications ayant un intérêt à la fois scientifique mais aussi sociétal. Par exemple, à travers l’étude de phénomènes transitoires tel que les courants de tempêtes et upwellings.
Les upwellings sont une subite remontée d’eau profonde, souvent suite à de forts vents ou de longue durée lors d’une période de faible stratification, entraînant une baisse brutale de la température de l’eau jusque dans les couches supérieures du lac. Dans le cas du Léman, de tels événements ont déjà été relevés par les médias [12–16]. Par exemple, le 29 juin 2017, la température de surface dans la région genevoise a chuté de près de 11 °C en une journée alors qu’elle est restée stable dans le Grand Lac. La même année, quatre événements de nature similaire ont été détectés dans le Zürichsee par une station d’observation située dans la Limmat. Le modèle hydrodynamique, développé dans le cadre de cette étude pour le lac de Zurich, a montré une bonne correspondance avec la variabilité thermique mesurée dans l’exutoire. Les baisses de températures majeures observées en 2017 durant la période de faible stratification le 19 avril (ΔT ≈ –4 °C), le 27 avril (ΔT ≈ –6,5 °C), le 4 juin (ΔT ≈ –9,5 °C) et le 17 juin (ΔT ≈ –5 °C), ont été reproduites par le modèle à la fois en intensité et phase (fig. 2). La capacité à reproduire et anticiper de tels évènements est d’autant plus importante que ces upwellings peuvent se produire près de l’exutoire de lacs dans le cas du lac Léman et du lac de Zurich. Ceci se traduit par un abaissement brutal de la température de la rivière avec des conséquences pour la faune et la flore en aval qui restent à établir.
Les réactions du lac aux tempêtes sont un autre exemple concret d’événement pouvant impacter les activités publiques et commerciales. Ces réactions sont cependant difficiles à quantifier par les campagnes de mesures traditionnelles. Meteolakes permet d’anticiper la réaction des lacs aux événements climatiques extrêmes dans le but de minimiser leurs impacts. Par exemple, la tempête dévastatrice du 6 août 2018 ayant ravagé certaines installations sur la côte nord-est du Léman avait été prévue par le modèle. Durant cet événement, le modèle hydrodynamique a prédit de forts courants de surface de 0,6 à 0,8 m/s. Bien que des événements aussi intenses n’aient pas été observés dans le lac de Zurich, le modèle a reproduit l’influence de vents forts sur les courants lors des tempêtes Niklas (31 mars 2015), Susanna (10 février 2016) et Zubin (14 décembre 2017).
L’effet du souffle de foehn sur le lac le 4 mars 2017 a été particulièrement marqué: les courants ont atteint des vitesses de 0,4 m/s (fig. 3). Des valeurs considérables qui correspondent à des rafales de vent de 107 km/h, un record depuis 1981 [17]. La figure 3 permet de visualiser les points chauds de cet évènement entre Erlenbach et Herrliberg, où les courants étaient dirigés vers l’ouest, ainsi que dans la partie centrale entre Stäfa et Richterswil, avec d’intenses courants dirigés vers le nord. Les courants de surface ont étés moins intenses dans Obersee.
En résolvant le continuum de processus lacustres s’étendant sur une large échelle spatio-temporelle, les modèles numériques 3D offrent une possibilité inégalée de suivre la physique des lacs. Toutefois, de par leur complexité, ils sont rarement utilisés en dehors du milieu de la recherche. Le développement de plateformes comme Meteolakes, présentée dans cet article, vise à pallier à ce manque d’accessibilité en mettant à disposition des non-experts les résultats de simulations numériques complexes de façon compréhensive et interactive. En deux ans, ce système a ainsi fourni des informations en temps réel sur l’hydrodynamique de divers lacs en Suisse romande à plus d’une centaine de milliers internautes des communautés scientifiques, des professionnels du lac (e. g. pêcheurs, administrateurs de plages, bureaux d’ingénieurs, etc.), ou parmi le grand public.
Dans le cadre de cette étude, un nouveau modèle hydrodynamique 3D a été développé pour le lac de Zurich, puis a été rendu opérationnel sur la plateforme en ligne meteolakes.ch. Divers cas d’études ont montré que par le passé, ce système a permis de détecter des événements intenses qui ont affectés le Léman et ses côtes, comme le phénomène d’upwelling observé le 29 juin 2017, ou la tempête du 6 août 2018. Ces processus sont souvent difficiles à appréhender avec les moyens traditionnels d’observations. Des processus similaires peuvent désormais être prédits et étudiés avec les données de la plateforme Meteolakes. Spécifiquement au lac de Zurich, la dynamique complexe des deux bassins a montré une forte variabilité horizontale et des réactions spatialement hétérogènes intenses aux événements climatiques extrêmes (e. g. 4 mars 2017). Comprendre et anticiper les réactions des lacs aux événements météorologiques extrêmes est d’une importance capitale dans le but d’atténuer les possibles impacts économiques et humains qu’ils peuvent avoir. Ceci est d’autant plus vrai dans le contexte de changement climatique actuel qui devrait augmenter la fréquence et sévérité de ces événements [18, 19]. De la navigation et baignade, jusqu’à la prise de décision en vue de gérer durablement les ressources en eau, cette étude ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour le management du lac de Zurich et de ses berges.
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L’onglet «Hydrodynamic Model» (page d’accueil; fig. 4) affiche certains résultats des simulation hydrodynamiques tridimensionnelles. La carte de gauche représente la température du lac à la profondeur sélectionnée (par défaut la surface) ou selon deux transects verticaux prédéfinis (voir encadré 2). La carte de droite affiche les vitesses de courants à la profondeur sélectionnée (ou moyenne sur la colonne d’eau si la profondeur n’est pas définie). Pour cette dernière, le mode «Particle Tracker» peut être activé, permettant de disséminer, suivre et anticiper, les trajectoires horizontales de particules non-réactives afin d’étudier le transport et la dispersion d’éléments (e. g. polluants). Dans la barre de navigation supérieure, l’utilisateur peut sélectionner divers lacs, l’année, la semaine (par défaut la semaine en cours), ainsi que la profondeur d’intérêt. La frise temporelle (située dans la barre de navigation inférieure sur mobile) représente la semaine sélectionnée, où la partie grise correspond aux données passées et la partie bleue aux prévisions (si la semaine en cours est sélectionnée le système affiche des prédictions jusqu’à 4,5 jours). Les résultats sont affichés avec un pas de temps de 3 h, la date et l’heure sont affichés sur la partie droite. Finalement, la barre de navigation inférieure permet de naviguer entre les différents onglets.
Un exemple de distribution verticale de la température de l’eau du lac de Zurich le 16 Juin 2017 à 21 h selon des transects prédéfinis est montré dans figure 5. La trajectoire de ceux-ci est indiquée par les traits-tillés rouges dans l’encart du coin inférieur gauche. Ces transects permettent d’étudier la stratification des eaux et le brassage hivernal. Les simulations numériques ont permis de mettre en valeur les processus à l’interface (Seedamm) des deux bassins. La différence de régime est particulièrement intéressante et est bien visible dans cette image. En période estivale, Obersee est globalement plus froid de 1 à 2 °C que Zürichsee, malgré une profondeur moyenne moins importante (généralement indicative de réchauffement plus rapide). Cette dynamique est une conséquence du renouvellement rapide en eau froide par les rivières et du déversement de la couche d’eau superficielle (plus chaude) dans Zürichsee via les deux canaux peu profonds reliant les bassins. Bien que le vent génère occasionnellement des courants permettant une remontée d’eau du bassin inférieur dans le bassin supérieur, au lieu d’entraîner un réchauffement visible de la surface d’Obersee, le comportement inverse est souvent observé. Dans l’encadré 1 un tel évènement, avec un refroidissement de la température de surface vers Seedamm, est montré. Cette dynamique est le résultat d’un faible upwelling dans Obersee, bien visible dans le transect présenté ci-dessus. L’eau chaude des couches de surface est soufflée dans la partie est d’Obersee, tandis que de l’eau froide située en profondeur remonte à la séparation des deux bassins. Compte tenu du faible débit traversant les canaux, cette dynamique empêche un réchauffement d’Obersee lors de remontée d’eau du bassin inférieur.
[1] Gaudard, A. et al. (2018): Thermische Nutzung von Seen und Flüssen – Potenzial der Schweizer Oberflächengewässer. Aqua & Gas 2/2018: 26–33
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[3] Baracchini, T. et al. (2019): Automated calibration of 3D lake hydrodynamic models using an open-source data assimilation platform. Submitted to Geoscientific Model Development.
[4] Lesser, G. R. et al. (2004): Development and validation of a three-dimensional morphological model. Coastal Engineering 51(8–9): 883–915. doi:10.1016/j.coastaleng.2004.07.014
[5] Zhu, Y. et al. (2009): Numerical Simulation of Hydrodynamic Characteristics and Water Quality in Yangchenghu Lake. In: Advances in Water Resources and Hydraulic Engineering (pp. 710–715). Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. doi:10.1007/978-3-540-89465-0_125
[6] MeteoSwiss (2019): COSMO-1 – high-resolution forecasts for the Alpine region. Retrieved from https://www.meteoswiss.admin.ch/home/measurement-and-forecasting-systems/warning-and-forecasting-systems/cosmo-forecasting-system/cosmo-1-high-resolution-forecasts-for-the-alpine-region.html
[7] MeteoSwiss (2019): COSMO-E – probabilistic forecasts for the Alpine region. Retrieved from https://www.meteoswiss.admin.ch/home/measurement-and-forecasting-systems/warning-and-forecasting-systems/cosmo-forecasting-system/cosmo-e-probabilistic-forecasts-for-the-alpine-region.html
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[17] Meteoswiss (2017): Bulletin climatologique mars 2017. Office fédéral de météorologie et de climatologie; Département fédéral de l’intérieur (DFI)
[18] Coumou, D. et al. (2012): A decade of weather extremes. Nature Climate Change 2: 491–496
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