Changements climatiques et températures des rivières

RÉSULTATS

Températures passées et présentes

Les températures annuelles des cours d’eau étudiés sont montrées dans la figure 3. Parmi les 52 stations de mesures utilisées, 31 d’entre elles disposent de données remontant à 1979. Le réchauffe­ment moyen des cours d’eau a été de 0,33 °C par décennie sur la période de 1979 à 2018, et de 0,37 °C par décennie en moyenne durant la période de 1998 à 2018. Cela correspond environ à 90% de la hausse de la température moyenne de l’air sur la période correspondante. Les cours d’eau se sont réchauffés de manière plus importante en été qu’en hiver, créant une différence de température entre l’hiver et l’été qui augmente progressivement. La forte hausse estivale s’explique par le réchauffement atmosphérique plus marqué à cette saison ainsi que par la multiplication des vagues de chaleur estivales durant les dernières décennies. En effet, au cours des étés caniculaires 2003, 2015 et 2018, des records de température ont été battus dans de nombreuses stations. Durant l’été 2018, de nouvelles valeurs maximales ont été enregistrées pour presque un tiers des stations de mesure [25].
Nous montrons que ces tendances sont stables dans le temps depuis 1980, contrairement à ce qui était ressorti d’études antérieures menées en Suisse sur des périodes d’observation plus courtes [26, 27]. En effet, plutôt qu’un réchauffement progressif, ces études passées ont conclu à un réchauffement abrupt d’environ 1 °C qui s’est produit en 1987/1988 et à une absence de tendance globale avant ou après ce réchauffement.
Dans les cours d’eau alpins, malgré un changement des régimes thermiques et hydrologiques évident sur le long terme, l’augmentation de la température de l’eau est moins marquée (fig. 3). Les bassins versants alpins sont en effet mieux préservés des températures estivales extrêmes que les autres bassins versants. Par exemple, l’été caniculaire de 2003 n’a pas eu d’impact sur la température des cours d’eau alpins. Cette résilience est attribuée principalement à l’apport d’eau froide générée par la fonte estivale des glaciers et de la neige résiduelle. D’autres facteurs tels que la géologie, la topographie ou le permafrost ont également un impact sur la température des rivières alpines [28]. Cependant, les récents étés chauds comme ceux de 2015, 2017 et 2018 suggèrent que cette résilience tend à diminuer.
Les rivières fortement influencées par des prises d’eau pour la production hydroélectrique dans leur partie supérieure présentent également un réchauffement moins prononcé que les rivières du Plateau suisse (fig. 3) ce qui s’explique par les rejets d’eaux froides à basse altitude lors du turbinage, eaux froides qui sont issues des réservoirs d’accumulation situés en altitude. Les rivières en aval des lacs naturels, au contraire, se réchauffent à une vitesse comparable aux rivières du Plateau, même si ces lacs sont principalement alimentés par des rivières alpines.

Températures dans le futur

Sur le Plateau et dans les Alpes, un net réchauffement des eaux fluviales est modélisé au cours du XXI^e siècle (fig. 4). Pour la période 2030–2040, le réchauffement médian annuel de la température de l’eau est de 1,1 °C pour les bassins versants du Plateau suisse et de 0,8 °C pour les bassins versants alpins par rapport à la période de référence 1990–2000. Ces valeurs sont similaires pour les 16 scénarios de changement climatique étudiés c’est-à-dire pour des scénarios avec ou sans mesures de protections du climat et s’inscrivent dans la lignée des tendances observées au cours des décennies passées.
À la fin du siècle (2080–2090), l’augmentation annuelle médiane de la température de l’eau dans les bassins versants du Plateau suisse s’élève à 0,9 °C seulement pour les scenarios avec mesure de protection du climat, mais à 3,5 °C pour les scénarios à hautes émissions de gaz à effet de serre. Dans les bassins versants alpins, ces valeurs s’élèvent respectivement à 0,9 °C et à 3,2 °C.
En termes de températures saisonnières de l’eau, la différence entre les Alpes et le Plateau est plus marquée que pour les températures moyennes annuelles (fig. 4). En hiver, les cours d’eau du Plateau se réchaufferont considérablement, de plus de 3 °C d’ici la fin du siècle si aucune mesure de protection du climat n’est prise. Dans les Alpes, la température de l’eau en hiver n’augmentera que de 1 °C environ, bien que la température de l’air gagne 4 °C sans mesure de protection du climat.
En été, la réduction marquée du débit dans les bassins versants alpins pour les scénarios d’émissions élevées conduit à une augmentation de la sensibilité de la température de l’eau au faible débit, ce qui n’est pas observé dans les bassins versants du Plateau suisse. Cette différence de sensibilité de la température de l’eau au faible débit en été s’explique par le fait que les bassins versants du Plateau suisse connaissent déjà actuellement des conditions de faible débit en été, tandis que les bassins versants alpins connaîtront un changement important de la saisonnalité du débit. En effet, sans mesure de protection du climat, les modèles prédisent que la période de débit maximale dans les bassins alpins qui se produit actuellement au milieu de l’été sera avancée de deux mois.
Dans un futur proche ou avec des scénarios de faibles émissions, le réchauffement estival de l’eau dans les bassins versants alpins est similaire ou légèrement inférieur à celui observé sur le Plateau suisse. D’ici la fin du siècle et pour les scénarios à fortes émissions, la réduction de la couverture neigeuse au printemps et en été ainsi que le recul des glaciers entraîneront une diminution de l’albedo et par conséquent un réchauffement amplifié du sol. Avec la sensibilité accrue de la température de l’eau aux conditions de faible débit, cela conduira à un réchauff­ement des rivières en été de 6 °C dans les Alpes. Cette valeur est comparable au réchauffement de la température de l’air et bien supérieure à celle attendue dans les bassins du Plateau (4,2 °C).
Les grandes rivières du Plateau situées directement en aval des grands lacs n’ont pas été prises en considération pour ces projections car les lacs ne sont pas considérés dans les modèles utilisés. Comme les moyennes annuelles des eaux superficielles lacustres augmenteront de 3 °C ou 4 °C sans mesures de protection du climat d’ici la fin du siècle [14, 15], un réchauffement similaire peut être attendu dans les rivières en aval de ces lacs. Tant avec les modèles qu’avec l’étude statistique utilisant les mesures passées, la taille des bassins versants étudiés n’a aucune incidence sur l’élévation de la température.

Impacts de l'augmenation des températures 

Comme expliqué en introduction, une température de l’eau élevée peut générer du stress chez de nombreux organismes aquatiques voire, dans des cas extrêmes, causer leur mort. La prévalence de certaines maladies est également liée à l’élévation de la température de l’eau. Lorsque la température de l’eau est élevée, il est aussi plus difficile de l’utiliser à des fins de refroidissement. D’une part, l’élévation de la température de l’eau fait que la quantité de chaleur absorbable est réduite, ce qui doit être compensé par des prélèvements d’eaux de refroidissement plus importants. Or, cela se produira en été alors que le débit est réduit. D’autre part, si la température des eaux de refroidissement réchauffées dépasse 25 °C, il est interdit en Suisse de les déverser à nouveau dans un cours d’eau (des exceptions peuvent être octroyées).
L’augmentation de la température des eaux de surface devrait également affecter la température des eaux souterraines et des réservoirs qui sont alimentés par l’infiltration des rivières, avec des conséquences importantes sur la biochimie de ces réservoirs.
Afin d’illustrer l’impact des changements passés, présents et à venir, le nombre de jours par an pendant lesquels la température des cours d’eau atteint ou dépasse la limite légale des 25 °C est calculé. Comme le montre la partie haute de la figure 5, on constate une augmentation notable des épisodes d’eau chaude au cours des dernières décennies; en particulier, les années 2003 et 2018, caractérisées par une température de l’air extrêmement élevée, ont un impact évident sur la température de l’eau. Dans les années 1970 et 1980, les pics supérieurs à 25 °C ne se produisaient qu’accompagnés d’une réduction significative du débit. Ce n’est plus le cas depuis plusieurs décennies.
La situation pour quatre bassins versants dans le futur est illustrée dans la partie basse de la figure 5. Les bassins versants tels que la Birse et l’Eulach, qui sont actuellement moins sujets aux températures élevées de l’eau, atteindront à l’avenir assez souvent le seuil légal de 25 °C. Pour les bassins versants avec des températures de l’eau relativement chaudes dans les conditions actuelles, comme la Broye et la Petite Emme, la limite légale de 25 °C sera atteinte presque chaque année déjà en 2030–2040, indépendamment des scénarios d’émission. À la fin du siècle et avec des scénarios d’émissions élevées, la température de l’eau sera supérieure à ce seuil pendant environ deux mois par an dans ces deux bassins versants. Cela impliquera soit l’arrêt de l’utilisation régulière de l’eau pour l’industrie et le refroidissement dans ces bassins versants ou des bassins aux conditions similaires, soit une adaptation de la réglementation actuelle, au risque de renforcer encore le stress et la pression sur ces systèmes écologiques.
La végétation le long des cours d’eau et les projets de renaturation sont actuellement considérés comme la seule stratégie d’atténuation efficace. À ce jour, il n’existe qu’un nombre limité d’études qui montre l’impact quantitatif des mesures de restauration sur la température de l’eau. Plutôt qu’un réel refroidissement dû à la végétation (bilan d’énergie négatif), les mesures des flux d’énergie suggèrent que l’effet de refroidissement, qui peut attendre puiseurs degrés, résulte principalement d’une réduction du réchauffement [29–34].
Il est important de noter que ces mesures sont efficaces uniquement le long de petits cours d’eau car il est impossible d’ombrager un grand fleuve ou un lac avec de la végétation. De plus, l’effet obtenu est local, c’est-à-dire que quelques kilomètres en aval des zones ombragés l’effet est déjà perdu [33]. L’ajout de végétation le long des cours d’eau est donc une réponse possible afin d’offrir à la faune et la flore des habitats protégés du réchauffement, mais ne peux pas être vu comme une réponse globale au réchauffement en cours et à venir.

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Les résultats montrent que les systèmes fluviaux en Suisse (et probablement dans l’ensemble des Alpes et des régions adjacentes), subissent des changements substantiels qui continueront quoi qu’il en soit dans un avenir proche, et ce à la fois en termes de température de l’eau et de disponibilité de l’eau. Même pour les scénarios de réduction des émissions de gaz à effet de serre les plus ambitieux, nous montrons que le réchauffement attendu aura un impact sur l’utilisation industrielle de l’eau et sur la faune aquatique, ce qui illustre le besoin urgent de stratégies d’atténuation du réchauffement de la température de l’eau et d’adaptation.
Pour les scénarios sans mesure de protection du climat, les conditions extrêmes de la fin du siècle menaceront à la fois les écosystèmes, les services écosystémiques et l’utilisation anthropique de l’eau. Ces effets seront bien plus marqués qu’avec des scénarios dans la lignée des accords de Paris. En particulier, les bassins alpins seront durement touchés en été. L’atténuation des changements climatiques est par conséquent primordiale malgré le fait que certains effets soient d’ores et déjà inévitables.
Afin de faire face aux changements à venir, les progrès rapides réalisés actuellement dans la modélisation de la température de l’eau se doivent de dépasser les limites des applications purement scientifiques et être mis à la disposition d’un public plus large pour une utilisation opérationnelle dans les systèmes de prévision et d’alerte. Le développement futur des systèmes de mesure sera également d’une grande importance pour améliorer la compréhension des processus liés à la température de l’eau et à la manière dont ils sont représentés dans les modèles [35].
Dans le cas précis de la Suisse, de nouvelles études évaluant l’impact des événements météorologiques extrêmes (par exemple vagues de chaleurs ou sécheresses) sur la température des rivières ainsi que l’influence des interactions avec les eaux souterraines seraient souhaitables. De plus, l’inclusion dans les modèles numériques du couplage des lacs et des rivières et des influences humaines sont des points importants à traiter dans le futur.