Refuges thermiques en rivière : quand les eaux souterraines sauvent les poissons de la surchauffe

Source: The Conversation – in French – By Jean-Christophe Maréchal, Directeur de recherche – Directeur adjoint UMR G-EAU, BRGM

L’eau souterraine émerge au fond de l’Argens (Var), dans un bouillonnement de sédiments. BRGM, Fourni par l’auteur

Appréciés des poissons et bien connus des pêcheurs, les refuges thermiques en rivière sont précieux pour la faune aquatique, mais potentiellement menacés par le changement climatique. Dans une étude sur trois d’entre eux dans le bassin du Rhône, le Bureau de recherches géologiques et minières, ou BRGM, et ses partenaires se sont intéressés au rôle des sources d’eaux souterraines dans la régulation de la température des cours d’eau.

Les canicules touchent également durement la faune, et notamment les habitants de nos rivières. Lors de ces épisodes estivaux, la température de l’air augmente inexorablement ainsi que la température de surface des cours d’eau. La chaleur s’accumule et réchauffe progressivement l’eau des rivières. Comme nous, la faune aquatique tolère une certaine variation de température de son milieu ambiant, mais seulement jusqu’à une certaine limite. Au-delà, trouver une zone moins chaude pour s’y abriter devient une condition de survie. On nomme ainsi « refuge thermique » un tronçon de rivière dans lequel la température de l’eau est sensiblement plus froide l’été, ce qui permet à la faune de s’y abriter pour survivre et se reproduire.

Bien connus des pêcheurs, les refuges thermiques résultent souvent de caractéristiques hydrographiques visibles : présence de végétation en bordure de rivière leur fournissant de l’ombre, encaissement du cours d’eau dans des gorges, ce qui les protège du rayonnement solaire ou encore une confluence avec un affluent plus froid, en provenance de la montagne. Toutefois, un grand nombre de refuges thermiques ont une origine invisible : les eaux souterraines.

En été, après des jours ou des semaines sans pluie, l’eau des cours d’eau provient essentiellement des nappes d’eau souterraine, dont la vidange est lente et assure ainsi le débit d’étiage vital pour nos cours d’eau. Cette eau, d’origine profonde, est à l’abri du réchauffement au cours de l’été et affiche généralement une température constante tout au long de l’année. Le long de la rivière, les arrivées ponctuelles d’eau souterraine contribuent ainsi à refroidir durant l’été (et à réchauffer durant l’hiver) l’eau des rivières, constituant ce que les hydrologues appellent une « anomalie thermique ». Si celle-ci attire la faune aquatique, elle devient, pour les écologues, un refuge thermique.

L’eau de nos rivières s’est réchauffée de près de 1 °C au cours de la période 2009-2022. Elle devrait continuer à se réchauffer sous l’impact du changement climatique, notamment en été, contrecoup de la baisse des débits d’étiage. Dans ce contexte, les anomalies thermiques pourront-elles continuer à jouer leur rôle de refuge ? Quel serait l’impact d’un réchauffement de l’eau souterraine sur ce mécanisme ?

Trois refuges thermiques étudiés dans le bassin du Rhône

Le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM), service géologique national, étudie le sous-sol et les eaux souterraines qu’il contient. Dans le cadre du projet ESTHER, mené en collaboration avec l’Agence de l’eau Rhône Méditerranée et Corse, un programme d’observation et de modélisation des refuges thermiques dépendants des eaux souterraines a été mené.

Localisation des trois refuges thermiques étudiés dans le bassin rhodanien.
Fourni par l’auteur

Cette recherche a permis la surveillance de trois refuges thermiques situés dans le bassin du Rhône :

en Provence verte, le fleuve Argens traverse des roches calcaires aquifères dont l’eau souterraine se déverse ponctuellement dans le cours d’eau via des sources appelées « bouillidous » ;
le Drac, rivière montagnarde au régime influencé par la fonte des neiges, issue du massif des Écrins, interagit avec sa nappe d’accompagnement dans un tronçon alimenté par l’adoux des Foulons, d’origine souterraine ;
la Veyle, rivière des Dombes, traverse un aquifère qui l’alimente tout au long de son cours ainsi que ses affluents, l’Iragnon et l’Être, dont les origines sont des sources drainant l’aquifère local.

Nous avons observé chacun de ces trois sites de façon minutieuse avec des capteurs autonomes qui mesurent à pas de temps fin (toutes les trente minutes) les variations horaires, journalières et saisonnières de la température de l’eau. Disposés à des endroits clés du tronçon de rivière étudié, ces instruments ont été utilisés pour analyser les modifications de température provoquées par les arrivées d’eau souterraine.

Une station météorologique a également été installée sur chacun des sites pour identifier les épisodes de pluies et de fortes chaleurs. En effet, la température de l’air est une variable fondamentale pour comprendre les interactions thermiques entre une rivière et l’atmosphère. Des mesures de débit, enfin, nous ont permis de déterminer l’effet des crues : plus le débit est élevé, plus la rivière est capable de résister aux augmentations des températures de l’air.

Mais l’eau souterraine est capricieuse : elle reste discrète, souvent invisible et cachée dans les profondeurs de la rivière. Pour compléter les mesures mentionnées précédemment, il restait donc à repérer les sources souterraines pour quantifier leur effet.

À la recherche des sources souterraines

Pour cela, il a fallu faire preuve d’inventivité… et de courage : il a fallu remonter à pied la rivière avec un dispositif de mesures conçu spécialement pour cette étude.

Le BRGM et le Département scrutent le Drac afin d’étudier ses eaux souterraines.
Département des Hautes-Alpes/Stéphanie Cachinero

Il s’agit d’une thermo-perche à laquelle ont été attachés deux capteurs de température : la sonde inférieure est fixée au pied de la perche, tandis que la sonde supérieure est fixée sur un flotteur lui permettant de coulisser le long de la perche.

L’opérateur tient verticalement le dispositif et le déplace sur le fond du lit de la rivière, d’aval en amont, sur la longueur d’investigation souhaitée. En plus de la température, les capteurs mesurent également la conductivité électrique de l’eau et la pression.

Exemple d’une arrivée d’eau froide d’origine souterraine au sein d’une rivière chaude en été, observée grâce à un profil de mesures de températures par un opérateur équipé d’une thermo-perche.
Fourni par l’auteur

Il ne reste alors plus qu’à remonter le cours d’eau avec la thermo-perche pour identifier les écarts de températures entre les deux sondes. Ces derniers sont indicateurs d’une stratification de la température provoquée par une arrivée d’eau souterraine profonde dans le lit du cours d’eau.

Toutes les données collectées par les différents appareils de mesure sont ensuite analysées pour mieux comprendre comment les eaux souterraines influencent la température des rivières étudiées. Elles permettent d’estimer l’importance de l’anomalie thermique et de suivre son évolution au fil des saisons et selon les débits mesurés. Cela renseigne sur la taille du refuge thermique disponible pour la faune aquatique.

Une observation s’impose déjà : quand les eaux souterraines arrivent en quantité suffisante par rapport au débit du cours d’eau, elles agissent comme un « régulateur naturel » des variations de températures. La rivière garde alors une température plus stable, sur une distance pouvant aller jusqu’à plusieurs kilomètres, ni trop chaude en été ni trop froide en hiver, créant ainsi un environnement idéal pour la faune aquatique.

Ceci est mis en évidence par l’évolution de plusieurs indicateurs thermiques, modifiés par les apports d’eau souterraine ; par exemple, le nombre de jours par an pendant lesquels la température de l’eau est supérieure à 20 °C, température considérée par les écologues comme un seuil biologique important pour de nombreuses espèces aquatiques.

Les refuges thermiques sont des zones où l’eau des lacs et des rivières est naturellement plus froide. Ce sont dans ces zones que les poissons vont se réfugier lorsque la température de l’eau augmente en été.

Des modélisations numériques pour préserver les refuges thermiques

Ces résultats sont également précieux pour calibrer et ajuster les modèles numériques développés pour la deuxième phase du programme ESTHER. En effet, pour anticiper les impacts du changement climatique sur les températures des rivières et, plus précisément, sur le fonctionnement des refuges thermiques dépendants des eaux souterraines, nous mettons en œuvre des approches de modélisation numérique.

Cette méthodologie permet de relier explicitement climat, hydrologie, hydrogéologie et échanges de chaleur entre l’atmosphère, les eaux souterraines et les cours d’eau pour explorer la manière dont la température des rivières évoluera selon différents scénarios de changement climatique, à l’échelle d’un tronçon de rivière ou d’un refuge thermique donné.

Qu’entend-on par modélisation ? Il s’agit, dans ce contexte, de représenter le système atmosphère/eau souterraine/cours d’eau par un ensemble d’équations (bilan d’énergie, bilan de masse, forces hydrauliques…), résolues numériquement dans le temps et l’espace. Les données issues des modèles climatiques globaux ou régionaux (par exemple, évolution des température de l’air, des précipitations, du rayonnement solaire, du vent, etc.) sont ensuite réintégrées dans ces équations. Il en résulte des modèles permettant de prévoir l’évolution future des débits et des températures de l’eau de la rivière étudiée.

Une fois bien calibrés, nous pourrons utiliser ces modèles pour tester des solutions d’adaptation au changement climatique, comme le développement ou la densification de la ripisylve (espèces végétales en bordure des cours d’eau) en aval d’une venue souterraine. De quoi protéger le refuge des rayons du soleil et prolonger son influence en aval. Il sera probablement crucial de préserver le débit des arrivées d’eau souterraine en réduisant les pompages dans les aquifères dont elles proviennent.

De même, ces modèles permettront de quantifier les impacts sur la température de l’eau des aménagements destinés à améliorer l’état quantitatif et qualitatif des cours d’eau. Ainsi, l’intérêt des opérations de suppression des seuils hydrauliques, de renaturation, de reméandrage et d’autres aménagements pourra être évalué au regard de leur impact éventuel sur un refuge thermique. De quoi fournir aux gestionnaires une évaluation de la vulnérabilité des refuges thermiques et les aider à identifier des moyens de la réduire.

Nous remercions l’Agence de l’eau Rhône Méditerranée Corse pour son soutien et sa participation au programme ESTHER et, plus particulièrement, Julie Jeanpert et Benoît Terrier, ainsi que la Maison régionale de l’eau, le syndicat mixte de l’Argens, le syndicat mixte Veyle vivante, le syndicat de rivière du Drac amont et de ses affluents (Communauté locale de l’eau du Drac amont, ou Cleda) et le Conseil départemental des Hautes-Alpes.

Jean-Christophe Maréchal a reçu des financements de l’AERMC

Adrien Selles a reçu des financements de l’Agence de l’Eau Rhône Méditerranée Corse

Yvan Caballero ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.

– ref. Refuges thermiques en rivière : quand les eaux souterraines sauvent les poissons de la surchauffe – https://theconversation.com/refuges-thermiques-en-riviere-quand-les-eaux-souterraines-sauvent-les-poissons-de-la-surchauffe-281577