Effet de petits barrages sur la température estivale de l'eau en rivières de Bresse (Chandesris et al 2019)

Des chercheurs ont analysé les températures estivales en amont et en aval de 11 seuils sur 5 rivières de la région de la Bresse. Deux de ces seuils ont montré un effet marqué sur les températures minimales et maximales, la surface de la retenue et le temps de résidence hydraulique étant les prédicteurs de ce signal thermique. La moitié des barrages a un effet non significatif sur la température maximale, et un effet peu marqué sur la température minimale. Ce travail montre que les gestionnaires doivent éviter les généralités que l'on entend encore trop souvent sur la température en lien aux ouvrages: les SAGE et les contrats rivière ont vocation à financer en premier lieu des mesures sur les régimes thermiques (et hydriques) des cours d'eau, pour analyser les bassins versants et leurs ouvrages sur la base de données tangibles. Par ailleurs, des travaux complémentaires sont attendus pour analyser comment les communautés vivantes de ces rivières aménagées ont évolué dans le temps, et continuent de le faire. Car viser le retour à un régime thermique antérieur alors que nous sommes en situation de changement climatique ne peut tenir lieu aujourd'hui de projet à long terme.  

Les sites de l'étude, extrait de Chandesris et al 2019, art cit.

André Chandesris et trois collègues ont analysé pendant 8 ans les effets thermiques de 11 petits barrages dans la Bresse, à des altitudes variant de 170 à 320 m. La hauteur de ces seuils varie de 1 à 2,4 m, avec des retenues d'une longueur de 280 à 2950 m, d'un volume de 1200 à 53000 m3.

Voici le résumé de ce travail :

"Le but de cette étude était de quantifier les impacts en aval de différents types de petits barrages sur la température de l'eau d'été dans les cours d'eau de plaine. Nous avons examiné (1) les régimes de température en amont et en aval des barrages avec différentes caractéristiques structurelles, (2) les relations entre les anomalies de température du cours d'eau et les variables climatiques, la superficie du bassin versant, la hauteur du barrage, la longueur et la surface du bassin de retenue et le temps de résidence, (3) les variables les plus significatives expliquant les différents comportements thermiques, et (4) l'effet thermique du barrage considérant un seuil biologique de 22°C, avec un calcul à la fois du nombre de jours avec une température supérieure à ce seuil et de la durée horaire moyenne supérieure ce seuil.

Des enregistreurs de température de l'eau ont été installés en amont et en aval de 11 barrages dans la région de Bresse (France) et surveillés à des intervalles de 30 min pendant l'été (de juin à septembre) sur la période 2009-2016, résultant en 13 séries chronologiques de température de l'eau appariées (deux sites ont été suivi pendant deux étés, ce qui permet de comparer les étés froids et chauds).

Dans 23% des barrages, nous avons observé une augmentation des températures quotidiennes maximales en aval de plus de 1°C; aux barrages restants, nous avons observé des changements dans la température quotidienne maximale de -1 à 1°C. Dans tous les sites, l'augmentation moyenne en aval de la température quotidienne minimale était de 1°C, et pour 85% des sites, cette augmentation était supérieure à 0,5°C.

Nous avons regroupé les sites de manière hiérarchique en fonction de trois variables d'anomalie de température: les différences amont-aval en (1) température quotidienne maximale (􏰀Tmax), (2) température quotidienne minimale (􏰀Tmin) et (3) amplitude quotidienne de la température (􏰀Tamp). L'analyse en grappes a identifié deux principaux types d'effets de barrage sur le régime thermique: (1) une augmentation en aval de Tmin associée à Tmax soit inchangée soit légèrement réduite pour les retenues de faible volume (c'est-à-dire un temps de séjour inférieur à 0,7 j et une surface inférieure de 35 000 m2), et (2) une augmentation en aval de Tmin et Tmax du même ordre de grandeur pour des retenues de plus grand volume (c'est-à-dire un temps de séjour supérieur à 0,7 j et une surface supérieure à 35 000 m2). Ces augmentations de température en aval ont atteint 2,4°C à certaines structures, susceptibles de perturber la structure des communautés aquatiques et le fonctionnement de l'écosystème aquatique.

Dans l'ensemble, nous montrons que les petits barrages peuvent modifier de manière significative les régimes thermiques des eaux courantes, et que ces effets peuvent être expliqués avec une précision suffisante (R2 = 0,7) en utilisant deux mesures simples des attributs physiques des petits barrages. Cette découverte peut avoir de l'importance pour les modélisateurs et les gestionnaires qui souhaitent comprendre et restaurer les paysages thermiques fragmentés des réseaux fluviaux."

Le schéma ci-après montre les 3 groupes de barrages. Ligne rouge = indicateur de variation de température (à 1°C pour la T min 0°C pour la T max), lignes pointillées = séparation des 3 types d'impact selon l'analyse en grappes, point bleu = les minima et maxima.

Extrait de Chandesris et al 2019, art cit.

A propos de l'effet écologique, les chercheurs observent :

"Les changements dans les pattern et processus écologiques en aval dépendent de l'ampleur du changement thermique de l'amont vers l'aval. Pour les poissons, la littérature suggère que des augmentations en aval d'environ 2°C (Hay et al 2006) ou 3°C (Verneaux 1977) peuvent entraîner des changements de communautés importants pour de nombreuses biotypologies. De ce point de vue, la majorité de nos sites appartenant aux groupes A et B1 présentent un risque faible en ce qui concerne le changement potentiel dans les communautés de poissons car ils ont montré une augmentation modérée de la température absolue en aval de 0–1°C. Cependant, les augmentations plus élevées en aval de notre groupe B2 (1,2–2,4°C) sont susceptibles d'influencer la composition des communautés de poissons. Cela est particulièrement vrai pour certaines espèces proches du seuil de leur confort thermique, qui sont souvent les mêmes espèces déjà en effort de conservation."

Concernant la nécessité de mesure appropriée sur chaque bassin, il est souligné :

"Compte tenu de la complexité et de la grande variabilité des systèmes fluviaux rencontrés dans cette étude (ordonnances Strahler s'étalant de 3 à 5), il nous semble essentiel (et voir Isaak et al 2017, 2018; Steel et al 2017; Dzara et al 2019) de continuer à mener et à étendre une surveillance bien ciblée de la température du cours d'eau. Ce type de surveillance est nécessaire avant de pouvoir modéliser la température du cours d'eau avec une résolution spatiale et temporelle suffisante. La modélisation précise de ces systèmes est un défi majeur, car ces espaces aquatiques subiront une altération thermique et hydrologique majeure avec le changement climatique, où des points de basculement dans les distributions biotiques sont susceptibles de se produire."

Discussion
Il faut saluer l'arrivée de travaux scientifiques sur les petits ouvrages hydrauliques, domaine où les politiques publiques manquent souvent de données élémentaires alors qu'elles prétendent multiplier les décisions. Notamment parfois les décisions radicales de faire disparaître purement et simplement l'écosystème en place depuis longtemps des rivières étagées avec leur alternance de zones lentiques et lotiques.

Cette étude montre plusieurs points:

• on ne peut pas énoncer des généralités sur les ouvrages, car leur effet sur le milieu dépend de leurs caractéristiques physiques et des conditions locales;
• selon les cas, le signal peut être négligeable ou significatif, dans certains cas on peut même observer une tendance à la baisse de la température maximale (malgré l'effet contraire plus souvent mesuré);
• les variations thermiques les plus marquées sur certains sites sont du même ordre que celles prévues du fait du réchauffement climatique;
• si les communautés faune-flore de la rivière sont déjà adaptées au régime thermique créé par le nouvel état écologique né des ouvrages (en général anciens), le gestionnaire doit exposer le gain qu'il y aurait à faire disparaître ces ouvrages et les communautés inféodées, donc à perturber l'état présent des milieux;
• au regard des premières sécheresses sévères (comme 2019) avec canicules associées et parfois assecs, qui seraient appelées à devenir plus fréquentes dans les décennies à venir, le gestionnaire doit projeter l'état hydrologique et thermique en 2050 et 2100 à diverses hypothèses, car des gains à court terme sur tel ou tel assemblage d'espèces lotiques (ou sténothermes "froids") ne sont plus la bonne manière de poser l'enjeu;
• enfin les propriétaires d'ouvrage doivent intégrer la température dans leur réflexion de gestion (déjà la mesurer s'ils le peuvent), notamment pour les paramètres pouvant avoir une influence (boisement des rives de la retenue et du bief, restitution de l'eau en surverse ou en fond). 

Le régime thermique estival n'est qu'un élément de la vie des rivières. Nous sommes toujours en attente de travaux scientifiques comparant les rivières à bassins versants d'usage des sols similaire, avec et sans ouvrages, sur l'ensemble des hydro-écorégions, dans leur biodiversité et leur biomasse. Cela afin de partir des réalités du vivant aquatique, amphibien et rivulaire formant l'objectif de dernier ressort des politiques écologiques.

Référence : Chandesris A et al (2019), Small dams alter thermal regimes of downstream water, Hydrol. Earth Syst. Sci., 23, 4509–4525