Les deux hydrosystèmes considérés ont des régimes hydrauliques très différents. La Charente s'écoule lentement par une succession de biefs. La Garonne a un régime fluvial avec des zones de mises en vitesse (radiers et seuils). En Charente, l'amont du tronçon présente des concentrations en chlorophylle a dépassant les 20 µg/l. En Garonne, ces concentrations atteignent à peine 1,2 µg/l.
On notera à Lamagistère un flux moyen en Chlorophylle a de 140 mg/s. Sur la longueur du tronçon, on mesure un abattement de l'ordre de 22 %. Par contre, entre St Nicolas et Sauveterre, on observe une production relative de 32 %. Cet accroissement faible mais significatif de la biomasse algale (phytoplanctonique et/ou benthique) est à rapprocher des deux points suivants :
- d'une part, le secteur St Nicolas-Sauveterre est alimenté en azote organique par le secteur précédent (Lamagistère- St Nicolas) dont la production atteint 54 % de l'azote entrant dans le tronçon,
- d'autre part, ce même secteur abat 16 % du phosphore réactif soluble (orthophosphates).
Cela suggère un ensemencement algal amont du tronçon par Malause (N organique entrant) et un développement plutôt de type biofilm (prélèvements des PO4) entre St Nicolas et Sauveterre.
4-7.3.8) COMMENTAIRES
En Garonne, avec un débit moyen de 110 m3/s, la qualité des eaux de l'amont indique des concentrations en nitrates de 8,3 mg/l, en ammoniaque de 0,10 mg/l et en chlorophylle a de 1,2 µg/l. En Charente, pour un débit moyen de 10 m3/s, nous avons 12 mg de NO3/l, 0,28 mg de NH4/l et plus de 20 µg de chlorophylle a /l.
Si ces qualités sont voisines sur le paramètre azote minéral, les temps de transfert diffèrent d'un facteur 5 à 6 : 25 mn par km en Garonne contre 2h20 par km en Charente.
La comparaison ne peut être poussée plus loin pour l’instant en raison du manque d'informations chiffrées confirmées sur la typologie du tronçon Garonne (en particulier répartition des bancs de galets, proportion radiers/mouilles…). Faute de moyens d’investigation permettant de cartographier les fonds sous la surface de l’eau, il faudra profiter d’une période d’étiage très sévère à venir pour effectuer ce repérage par moyens terrestres ou aéroportés.
En conclusion, les expérimentations de tronçons ont permis d’établir des bilans entrée-sortie significatifs relativement à la sensibilité des méthodes d’analyse. Elles ont révélé à la fois des comportements assez constants pour certains éléments (abattements en ammoniaque) et par contre des comportements bien différenciés entre secteurs sur d’autres éléments, certains tronçons se comportant comme des sources (production) et d’autres comme des puits (rétension et (ou) consommation).
Ces expérimentations mériteront d’être reproduites à l’avenir sur les mêmes secteurs :
- d’une part en conditions très proches de celles ayant présidé à l’expérimentation de Septembre 1997, pour observer si le comportement de chaque tronçon reste stable et reproductible en conditions climatiques et hydrologiques comparables,
- d’autre part en conditions d’hydraulicité différente (étiage plus sévère, débits plus élevés) pour voir si des constantes ou des tendances affirmées de comportement peuvent se dégager sur certains tronçons, et pour obtenir une idée des ordres de grandeur de fluctuation des bilans.
Ces éléments seront précieux pour valider le modèle et les hypothèses qui le sous-tendent :
- Dans l’état, ces expérimentations permettent déjà de contrôler sommairement les ordres de grandeurs en jeu dans le changement d’échelle.
- Avec des éléments précis de cartographie permettant de chiffrer plus précisément les contributions relatives de chaque type de sous-ensemble fonctionnel de chaque tronçon, ces expérimentations constitueront un outil de calage et de validation de certains paramètres ayant trait aux sous-ensembles physiques fonctionnels (type radier, mouille, banc de galets, affleurement de molasse) ou aux compartiments biologiques intervenant dans le modèle.
4-8) Le modèle de fonctionnement de la Garonne en
étiage estival
Sabine SAUVAGE (née SIMEONI), Thésarde à l’I.M.F.T., avec la contribution et l’intégration de jeux de données de tous les participants au Programme P1 dont les travaux ont été décrits dans le présent rapport
4-8.1) PRESENTATION DU MODELE EN DEVELOPPEMENT
Au cours des 20 dernières années, d’importants efforts ont été déployés pour mieux comprendre et tenter de mieux anticiper le comportement des systèmes aquatiques en réponse à des perturbations naturelles ou anthropiques.
Cependant, peu d’études ont porté sur la compréhension associée à la modélisation d’un écosystème lotique pris dans sa globalité en période d’étiage estival : la modélisation des écoulements d’étiage, encore difficile à réaliser, est quasiment absente de la plupart des codes hydrodynamiques existants ; de plus les mécanismes biologiques en interaction dans un milieu complexe tel qu’une grande rivière sont très difficiles à appréhender. Comparée aux autres grands fleuves français, la Garonne, très peu aménagée sur la plus grande partie de son cours, présente une hétérogénéité spatiale importante.
L’étude d’un écosystème aussi vaste et complexe que celui-ci nécessite donc une bonne connaissance des mécanismes physique et biologique mis en jeu dans un milieu hétérogène dans l’espace et variable dans le temps.
Dans cet objectif, les recherches menées en collaboration par le CESAC, l’IMFT et le Cemagref de Bordeaux dans le cadre du programme P1 du GIS ECOBAG, visent à décrire et modéliser les caractéristiques hydrodynamiques du fleuve et les transformations biogéochimiques dans un lit mineur caractérisé par la présence prépondérante de bancs de galets. L’approche est basée sur le passage de la micro-échelle (étude des processus dans les différents compartiments) à celui de la macro-échelle (échelle d’un secteur de rivière d'environ 100 km) au travers d’une forte interdisciplinarité.
4-8.1.1) Approche méthodologique
La prise en compte de l’hétérogénéité spatiale du fleuve conduit à considérer 3 échelles correspondant à des niveaux différents d’analyse pour aborder l’étude expérimentale et la modélisation des transferts et des transformations biogéochimiques en période d’étiage.
- une « micro-échelle », celle du galet par exemple, nécessaire pour l’étude expérimentale et l’analyse fine des mécanismes fondamentaux. Ces études réalisées pour la plupart in situ, visent à définir les compartiments à prendre en compte et ceci en terme de source (production) et de puits (consommation) des substances considérées.
- une « méso-échelle » allant du banc de galets au tronçon de rivière de l’ordre de quelques kilomètres. Les limites des unités spatiales correspondent à celles de zones morphologiques suffisamment homogènes pour que les variables et les paramètres utilisés soient représentatifs de grandeurs moyennes. Les mesures effectuées visent à évaluer l’importance des sources et des puits en fonction des caractéristiques morphodynamiques des secteurs.
- enfin une « macro-échelle »: le fleuve Garonne sur des distances de l’ordre de la centaine de kilomètres, échelle à laquelle on se propose de résoudre les problèmes concrets de calibration et de validation du modèle hydrodynamique couplé avec un modèle de qualité des eaux. L’intégration couplé au module hydrodynamique permet ainsi d’accéder à une meilleure connaissance globale de ce système complexe.
Le modèle comprend :
un module hydrodynamique travaillant en régime instationnaire et donnant en sortie la vitesse moyenne et la hauteur d’eau moyenne en chaque point où sont définis des profils en travers (tous les 500 mètres de linéaire de rivière),
un module de transport ou module d’advection-dispersion permettant de simuler le transport d’un substance
dissoute ou en suspension dans l’eau,
un module biogéochimique en cours de développement, prenant en compte les principaux processus concernant la dynamique de l'azote dans un premier temps. Il est prévu, à terme de modéliser le
L'objectif final est de proposer aux gestionnaires un outil permettant d'envisager la gestion du fleuve, non seulement du point de vue des usages de l'eau, mais également de la qualité de l'eau.
Aux bas débits et aux faibles tirants d’eau rencontrés en période d’étiage, le développement du module hydrodynamique est inféodé à la précision des données de terrain disponibles. La réunion d’une base de données concernant la bathymétrie du cours, les hauteurs d’eau et éventuellement les vitesses a représenté une part importante du travail réalisé.
Figure 92 : Organisation générale du modèle de fonctionnement de la Garonne à l'étiage estival.
Concernant les données biogéochimiques, toute la partie expérimentale est à la charge du CESAC (Toulouse) et du CEMAGREF de Bordeaux dans le cadre des programmes de recherche en cours, appuyés par des thèses de doctorat.
Dans l’objectif d’une meilleure connaissance de l’écosystème Garonne en période d’étiage et du choix des variables et des processus dominants pour sa modélisation, des campagnes de mesures ont été lancées durant les étés 96, 97 et 98.
Nous présentons brièvement ici le module de transport qui a été terminé dans le courant de l’année 1998 et les simplifications réalisées lors de la mise en place du module biogéochimique.
4-8.2) DESCRIPTION DU MODULE DE TRANSPORT
Le mélange et le transport de substances dans l'écoulement d'un cours d'eau sont des phénomènes complexes qui résultent d'interactions entre les mécanismes de convection, de diffusion et de dispersion. Tous ces mécanismes sont fortement dépendants des caractéristiques de l'écoulement (vitesse, frottement, géométrie...). Il apparaît donc nécessaire d'utiliser dans un premier temps un modèle hydrodynamique pour obtenir ces différentes caractéristiques à chaque instant et en tout point du cours.
Le module hydrodynamique traite des caractéristiques générales de l'écoulement : morphologie fluviale, singularité, débit, vitesse, profondeur.
Transport et transformation de nutriments
Répartition des compartiments fonctionnels
Morphologie Débits Cartographie
Module hydraulique
Module de transport Module biogéochimique
Toulouse t(h) NO3 mg/l Dist (km) NH4 mg/l Toulouse Advection-Dispersion +/- Production/consommation
Notre choix s'est porté sur les équations de Saint Venant unidimensionnelles en mode instationnaire : celles-ci sont basées sur une description complète des processus physiques intervenant dans l'écoulement, moyennant certaines hypothèses vérifiées à l’échelle du secteur de rivière étudié. Leur domaine d'application est large et les opérations de calage sont réduites aux paramètres traduisant le frottement (coefficient de Strickler).
Le module de transport ou module d'advection - dispersion permet de simuler le transport d'une substance dissoute ou en suspension dans l'eau. L'advection correspond au transport d'une particule à la vitesse moyenne. Les effets des hétérogénéités du champ des vitesses, des rives et du fond, des méandres sont traduits dans le terme de dispersion. La diffusion moléculaire et le mélange par turbulence sont en général négligeables.
Dans une approche monodimensionnelle, seule la dispersion longitudinale par convection différentielle est représentée.
4-8.2.1) Equation du transport d’un constituant passif
La loi de conservation de la masse d'un constituant C dissous ou en suspension dans la rivière s'écrit en monodimensionnel :
C
T
U
C
X
X
D
C
X
Le coefficient de dispersion, D combine les effets de la dispersion et de la diffusion. 4-8.2.2) Résolution de l’équation de transport