Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Article technique
29. juillet 2021

Cours d'eau

Changements climatiques et températures des rivières

La température des cours d’eau est l’une des variables les plus importantes pour les écosystèmes aquatiques et pour les activités humaines dépendantes des rivières. Dans le contexte actuel de changements climatiques, ces températures évoluent. Nous présentons ici les résultats de travaux portant sur l’évolution de la température des rivières en Suisse durant les 50 dernières années ainsi que sur des projections pour le XXIe siècle.
Adrien Michel, Jannis Epting, Bettina Schaefli, Michael Lehning, Hendrik Huwald, 

Les changements climatiques auront des impacts quantitatifs et qualitatifs sur les ressources en eaux de surface et souterraines [1]. Nous nous intéressons ici aux impacts présents et futures des changements climatiques sur la température des cours d’eau en Suisse. La température de l’eau est en effet l’une des variables les plus importantes pour les écosystèmes aquatiques, influençant à la fois les processus chimiques et biologiques [2, 3]. Certaines espèces de poissons sont très sensibles à l’eau chaude, ce qui peut favoriser certaines maladies ou nuire à leur reproduction [4, 5]. Des températures plus élevées pourraient être favorables à certaines espèces, favorisant ainsi leur invasion biologique. Dans les régions alpines, outre l’augmentation de la température de l’eau, le recul des glaciers contribuera également à accélérer les changements dans les écosystèmes [6, 7]. Dans ce contexte, il est nécessaire de souligner que les cours d’eau alpins offrent une hétérogénéité environnementale en accueillant une grande variété d’espèces avec une importante diversité génétique. En général, l’augmentation de la température des rivières devrait entraîner un déplacement de l’habitat de nombreuses espèces vers les hauteurs. Toutefois, des barrières artificielles ou naturelles peuvent empêcher une telle migration.
La température des rivières est également un facteur socio-économique important. Plusieurs secteurs vulnérables sont concernés: l’agriculture, le tourisme, l’approvisionnement et la qualité de l’eau potable, ou encore la production d’électricité [8–13]. Par exemple, pendant la vague de chaleur qui a touché l’Europe centrale et septentrionale d’avril à août 2018, la production locale d’électricité de la centrale nucléaire de Mühleberg, dans le canton de Berne, a dû être temporairement réduite en raison de la température anormalement élevée de l’Aar utilisée pour le refroidissement.
Dans le futur, la température des rivières sera affectée par les changements climatiques principalement par le biais de l’augmentation de la température de l’air, des changements dans les précipitations, des changements dans la fonte de la neige et de la glace, ainsi que les changements des chemins d’écoulement en surface et sous la surface qui y sont liés.
L’augmentation de la température des eaux de surface affectera également la température des eaux souterraines alimentées par l’infiltration des rivières, ce qui aura des conséquences importantes sur la biochimie de ces réservoirs. Cependant, la dynamique de la température des eaux souterraines est complexe. Les changements dans la saisonnalité des précipitations et du ratio pluie/neige en hiver pourraient localement entraîner un refroidissement des eaux souterraines en raison du déplacement des périodes de recharge vers des saisons plus froides. Ceci est détaillé dans l’étude compagnonne (voir article d'Epting et al. dans Aqua & Gas 7-2021, p. 78).
Pour toutes ces raisons, il est essentiel et nécessaire de disposer d’informations quantitatives sur l’évolution passée et future de la température des rivières. Cette étude tente de fournir de telles informations et prédictions sur la base des mesures existantes et en utilisant différents scénarios d’émissions de gaz à effet de serre et des modèles numériques pour le futur. Cet article résume les principaux résultats obtenus dans le cadre du projet de recherche Hydro-CH2018 de l’Office Fédéral de l’Environnement (OFEV) et du module complémentaire «Évolution de la température de l’eau des cours d’eau et des lacs sous l’effet du changement climatique» [14, 15]. Ces résultats ont également été complétés et publiés dans des revues scientifiques [16-19].

OBJECTIFS ET MÉThODES

Températures passées et présentes 

Une analyse complète de la température observée des cours d’eau, basée sur toutes les stations de mesure en Suisse disposant de séries temporelles suffisamment longues, a été réalisée [16]. Les données ont été fournies par l’OFEV, les cantons de Berne, Bâle et Zurich, ainsi que par MétéoSuisse. En plus de l’évolution de la température des rivières elles-mêmes, l’influence du débit, des précipitations, de la température de l’air et de la présence de lacs en amont sur les températures des cours d’eau, ainsi que leurs tendances temporelles, ont été analysées. L’analyse est effectuée sur 52 bassins versants en Suisse (fig. 1), divisés en quatre catégories: Les bassins du Plateau et du Jura, les bassins en aval de lacs, les bassins alpins, et les bassins avec des éclusées importantes, c’est-à-dire contenant d’importants barrages. Les tendances sont calculées par des régressions linéaires effectuées sur des séries temporelles désaisonnalisées pour les périodes 1979–2018 et 1999–2018.

Températures dans le futur 

L’évolution future du débit et de la température des cours d’eau est simulée pour douze bassins versants en Suisse [19], divisés en deux catégories (fig. 2): les bassins versants du Plateau suisse (Birse, Broye, Ergolz, Eulach, Petite Emme, Rietholzbach et Suze) et les bassins versants alpins (Inn, Kander, Landwasser, Lonza et Lütschine).
Les simulations sont effectuées avec la chaîne de modèles numériques Alpine3D et StreamFlow développés au SLF et à l’EPFL [20–22]. La couverture historique des glaciers ainsi que son évolution avec les changements climatiques, utilisée comme point de départ pour la simulation effectuée, ont étés fournies par le model GloGEMflow de l’ETH de Zurich [23]. La topographie et la couverture du sol utilisées dans ces simulations sont extraites du jeu de données européen Copernicus CORINE Land Cover et des données fournies par SwissTopo.
Les modèles sont calibrés à l’aide de mesures effectuées par l’OFEV, les cantons de Berne, Bâle et Zurich, ainsi Holinger SA. Les modèles sont forcés en utilisant les données météorologiques des stations de MétéoSuisse et du réseau IMIS du SLF pour les périodes de calibration et de validation, et avec une version des scénarios de changement climatique CH2018 [24] à résolution horaire pour les périodes futures [17]. Au total, 16 scenarios de changements climatiques sont utilisés, répartis équitablement entre basse (RCP2.6) et hautes (RCP8.5) émissions de gaz à effet de serre.
Les résultats produits avec ces modèles sont également utilisés dans l’étude compagnonne sur les eaux souterraines (voir article d'Epting et al. dans Aqua & Gas 7-2021, p. 78).

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 XXIe 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.

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