Bastien-Beaudet, Gabriel
(2023).
« Validation d'une nouvelle approche pour estimer l'évaporation de réservoirs et analyse globale de l'influence de leurs caractéristiques sur leur taux d'évaporation annuel » Mémoire.
Montréal (Québec, Canada), Université du Québec à Montréal, Maîtrise en biologie.
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Résumé
L'eau est une ressource de plus en plus rare que nous tenons malgré tout pour acquise. Les pertes d'eau peuvent être attribuées à de nombreux phénomènes tels que la surpopulation, la surconsommation et les changements climatiques, qui entraînent à leur tour l'épuisement des nappes phréatiques, des sécheresses fréquentes et intenses, et la contamination de l'eau. Une perte présentement négligée est l'évaporation des réservoirs d'eau douce. Ces pertes représentent une quantité d'eau importante, estimée à 11 % de l'empreinte eau de l'humanité selon Hoekstra et Mekonnen (2011). Les défis associés à la mesure et l'estimation de l'évaporation ralentissent notre compréhension de ce phénomène. Dans cette étude, nous avons développé une méthode qui adresse ces défis, applicable à la majorité des étendus d’eau. Pour ce faire, nous avons combiné réanalyse climatique et modélisation physique de lac, puis combiner un budget énergétique et une équation aérodynamique pour estimer l'évaporation. Les deux équations ont d’abord été validées avec des données météorologiques in situ, contre des données de covariance d’Eddy issues deux réservoirs avec des morphologies différentes et dans des climats différents. Les deux équations ont bien performé, avec des RMSE variant entre 0,85 et 1,75 mm jour-1 et des coefficients R de 0,75 à 0,86. L'approche multi-modèle consistant en la moyenne des deux équations a amélioré considérablement la performance de l’approche sur les deux réservoirs. Lorsqu'elle est utilisée avec des données météorologiques de réanalyse climatique, la performance de l'approche multi-modèle a diminué, avec des RMSE de 1,05 et 0,98 mm jour-1, et des coefficients R de 0,86 et 0,84. Avec cette nouvelle méthode, nous avons étendu notre analyse à l'échelle mondiale. Nous avons cherché à identifier les relations avec la morphologie et les propriétés physiques des réservoirs afin d'améliorer la gestion des ressources et de contribuer à l'évaluation des risques liés à la pénurie d'eau. Pour ce faire, nous avons modélisé l'évaporation annuelle de 187 réservoirs dispersés dans le monde entier, dans des conditions climatiques diverses et avec des caractéristiques variées. Les taux d’évaporation des réservoirs variaient entre 152 et 1792 millimètres par année avec une moyenne de 927, et représentaient en moyenne 6.4% de leur débit annuel moyen. Aucune relation n'a été trouvée entre la morphologie et l'évaporation annuelle, mais un modèle additif généralisé reliant l'évaporation à la profondeur de la thermocline et la durée de la stratification a expliqué 77% de la déviance du modèle, avec un R2 de 0,76. L'évaporation annuelle était moindre à des thermoclines peu profondes, à partir de 2 mètres. L'évaporation augmentait jusqu'à 6 mètres, où elle était à son maximum et constante pour les thermoclines plus profondes. La réduction des pertes de chaleur dues à la diminution de la différence de température entre la surface de l'eau et l'atmosphère ainsi que le refroidissement de l’eau de surface induite par le vent et l’évaporation ont été suggérées pour expliquer cette relation. L'évaporation annuelle était la plus élevée avec une courte durée de stratification, de 1 à 160 jours, et se stabilisait à son niveau le plus bas pour des durées plus longues. La stabilité réduite et le faible gradient de densité dans la colonne d’eau causés par des taux d'évaporation élevés pourrait expliquer cette relation. Dans l'ensemble, nous concluons d'abord que la méthodologie proposée est une contribution importante, car elle pourrait être utilisée pour estimer l'évaporation de réservoirs difficiles d'accès, ne disposant pas de stations météorologiques ou pour prédire l'évaporation de futurs réservoirs. De plus, nous considérons que la profondeur de la thermocline et la durée de la stratification constituent une bonne plateforme pour prédire l'évaporation des réservoirs. Elles sont plus faciles à mesurer ou à prédire que l'évaporation réelle, offrant ainsi une alternative à une logistique complexe et chronophage. Nous pensons que nos résultats peuvent être utilisés pour améliorer la gestion des ressources hydriques et fournir des indications pour la conception de réservoirs à pertes d'eau et empreinte eau réduite.
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MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : évaporation, limnologie, hydrologie, lacs, réservoirs, pénurie de l’eau, empreinte eau.
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