Bases de la science des lacs

Vous trouverez ci-dessous un aperçu de certaines informations élémentaires liées à la limnologie et à la gestion des lacs qu’il est important de connaître pour comprendre les lacs et la grande image de la gestion des lacs. Pour des informations plus détaillées, veuillez visiter la librairie NALMS, qui a de nombreuses publications sur la limnologie générale et les sujets liés aux lacs.

Types de bassin

Des événements qui se sont produits sur ou sous la surface de la Terre il y a des milliers d’années ont formé beaucoup de nos lacs. Par conséquent, les lacs sont généralement concentrés dans des zones qui possèdent un grand nombre de plans d’eau. La plupart des lacs se trouvent dans l’hémisphère nord, où de vastes zones étaient recouvertes d’immenses formations glaciaires. À l’échelle de la durée de vie humaine, les lacs semblent être des éléments permanents de notre paysage, mais ils ne sont en réalité que géologiquement temporaires. Ils sont créés, arrivent à maturité (remplissage) et finissent par disparaître.

Les origines des bassins lacustres et leurs caractéristiques reflètent finalement les événements physiques, chimiques et biologiques qui se déroulent dans la zone qui les entoure. Ces événements jouent un rôle important dans la façon dont le lac réagit aux activités environnantes.

Les lacs glaciaires : Les agents de loin les plus importants dans la formation des lacs sont les effets catastrophiques des mouvements de glace glaciaire qui se sont produits il y a 10 000 à 12 000 ans. De gigantesques couches de glace et de neige sont créées dans des climats où la neige tombe mais ne fond pas. Les glaciers couvraient une zone allant de l’océan Atlantique aux montagnes Rocheuses avec de la glace de plus d’un kilomètre de haut. Bien que ces glaciers aient fini par fondre, dix pour cent de la terre est actuellement couverte de glaciers. On peut encore voir certains de ces glaciers dans les régions montagneuses des États-Unis et du Canada.

Lorsqu’un glacier se déplace d’avant en arrière sur la terre, raclant le sommet des collines et des falaises et emportant des roches avec lui, des lacs se forment. Les matériaux ramassés par le glacier sont ensuite déposés à d’autres endroits. Ce mouvement de va-et-vient et d’arrêt des glaciers modifie en permanence le paysage. Ce mouvement crée plusieurs formes de relief importantes. Lorsque le glacier s’arrête, il laisse derrière lui des amas de roches et de matériaux qu’il a transportés au fil du temps, appelés moraines. Celles-ci endiguent les rivières et les petits cours d’eau pour former des lacs. Parfois, d’énormes blocs de glace se détachent et sont recouverts de sable et de gravier. Lorsque la glace fond, le sable et le gravier s’effondrent, laissant derrière eux un grand trou. Ces marmites peuvent former de grands marais ou des lacs. Lorsque la grande masse de glace fond, des rivières se forment sous les glaciers.

Les lacs de dissolution : Les lacs peuvent se former lorsque des dépôts souterrains de roches solubles sont dissous par l’eau qui traverse la région, créant une dépression dans le sol. Les formations rocheuses faites de chlorure de sodium (sel), ou de carbonate de calcium (calcaire), sont les plus susceptibles d’être dissoutes par les eaux acides. Une fois que les eaux souterraines ont dissous les roches sous la surface, le sommet du terrain s’effondre, formant généralement un lac de forme ronde, appelé lac de solution. En général, les dépressions sont suffisamment profondes pour s’étendre sous la nappe phréatique et sont remplies d’eau en permanence. Les lacs de solution sont courants dans le Michigan, l’Indiana, le Kentucky et particulièrement en Floride.

Les lacs oxbow : L’écoulement de l’eau des rivières possède une grande énergie et une force érosive qui peut créer des bassins lacustres. Lorsqu’une rivière serpente sur la surface de la terre, une plus grande quantité d’érosion se produit sur le coude extérieur de la rivière, où le flux d’eau est le plus rapide. Les matériaux transportés par la rivière se déposent sur la partie intérieure du coude, où les courants sont plus faibles. Au fil du temps, l’érosion se poursuit et davantage de matériaux sont déposés jusqu’à ce que le méandre en forme de U de la rivière se referme. Le cours principal de la rivière creuse un nouveau canal jusqu’à l’extrémité intérieure du méandre. Les lacs Oxbow ont généralement la forme de la lettre C.

Les lacs d’origine humaine ou animale : De nombreux petits lacs en Amérique du Nord ont été formés par les activités du castor américain. Des bâtons, des plantes aquatiques et de la boue sont utilisés pour construire des barrages en travers de petits cours d’eau afin de former une retenue d’eau. Ces étangs sont généralement très peu profonds et sont riches en nutriments et en vie végétale. Les humains ont construit des lacs artificiels (réservoirs) pour fournir de l’eau potable au public, pour fournir de l’énergie, pour aider à la navigation, pour contrôler les inondations et à des fins récréatives. Ces réservoirs sont généralement bien conçus par les humains pour retenir une certaine quantité d’eau à l’aide de barrages.

Les lacs volcaniques : Parfois, des événements désastreux associés à l’activité volcanique forment des bassins lacustres. La formation de lacs volcaniques peut se produire de différentes manières. Lorsque les matériaux volcaniques, y compris le magma, sont évacués du volcan, des dépressions ou des cavités vides se forment à l’intérieur du volcan. Certaines de ces dépressions ne peuvent pas se drainer et deviennent des trous étanches au sommet du volcan. Les pluies et le ruissellement finissent par remplir la dépression d’eau et un nouveau lac se forme.

Les lacs qui se forment dans les cratères des volcans, ou lacs de cratère, sont plus courants dans les régions soumises à une activité volcanique. Les lacs formés par l’effondrement du toit d’une chambre magmatique partiellement vide sont appelés caldeiras. L’un des lacs les plus spectaculaires formés de cette manière est le lac Crater, dans l’Oregon. Le Crater Lake est le septième lac le plus profond du monde, avec une profondeur maximale de 608 m (2006 ft). Les bassins volcaniques, comme celui du Crater Lake, sont généralement de forme très ronde. Les coulées de lave issues de l’activité volcanique peuvent également former des lacs. La lave de surface se refroidit et devient solide, tandis que l’intérieur de la coulée de lave reste suffisamment chaud pour continuer à se déplacer. Finalement, la surface de la lave durcie s’effondre, formant une dépression. Ces dépressions finissent par se remplir d’eau pour former de plus petits lacs. Les coulées de lave s’écoulent également dans les vallées fluviales existantes et se solidifient pour former un barrage. Cette masse solide de roche refoule l’eau de la rivière dans un nouveau lac.

Les lacs de glissement de terrain : De grandes quantités de matériaux qui tombent des flancs de vallées escarpées dans le fond des vallées de cours d’eau peuvent provoquer des barrages qui créent de nouveaux lacs. Ces glissements de terrain se produisent généralement à la suite d’événements météorologiques anormaux, tels que des pluies excessives agissant sur une pente instable. Les barrages de glissement de terrain peuvent être le résultat de chutes de pierres, de coulées de boue ou même de glissements de glace. Les lacs formés par des glissements de terrain ne sont généralement que temporaires car ils peuvent être soumis à l’érosion par le débit de la rivière ou du ruisseau. Si le barrage est très grand, le lac peut devenir permanent.

Les lacs tectoniques : Les bassins tectoniques sont des dépressions formées par les mouvements de la croûte terrestre en profondeur. Les principaux types de bassins tectoniques sont formés par des failles. Une dépression se forme lorsqu’une section faible de la croûte terrestre se sépare, entraînant un tremblement de terre. Les pluies et les eaux souterraines peuvent s’accumuler dans cette dépression et former un lac. Ce type de bassin est appelé graben et constitue le mode d’origine d’un grand nombre de lacs reliques parmi les plus spectaculaires du monde, contenant un grand nombre d’espèces végétales et animales indigènes. Le lac le plus profond du monde, le lac Baïkal en Sibérie, a été formé par une activité tectonique. Aux États-Unis, le lac Tahoe, en Californie et au Nevada, a été formé par l’activité tectonique.

La formation d’un lac et la structure et la forme, ou morphologie, du bassin lacustre affectent le fonctionnement du lac tout au long de sa vie. Des caractéristiques telles que la longueur, la largeur, la profondeur, la superficie et le volume du lac sont toutes importantes pour la façon dont la qualité de l’eau du lac peut être affectée par des changements dans les terres. Lorsque les humains développent les terres entourant le lac, ils perturbent les sols, remplacent les arbres par des allées ou des toits et remplacent la végétation naturelle. Ces changements entraînent une augmentation du débit des eaux de ruissellement et une augmentation de la quantité de nutriments dans le lac. La structure du lac dicte la façon dont le lac réagira à ces changements culturels dans les terres environnantes. La connaissance de la morphologie du lac et la façon dont le lac a été formé sont des outils importants utilisés par les scientifiques pour aider à protéger nos lacs des polluants qui peuvent détériorer leur santé.

Mélange et stratification

La structure thermique des lacs aide à déterminer la productivité et le cycle des nutriments. La structure thermique des lacs est déterminée par plusieurs facteurs. Les lacs reçoivent la grande majorité de leur chaleur à la surface par le chauffage solaire. Puisque l’eau plus chaude flotte, la colonne d’eau doit avoir un apport d’énergie pour mélanger cette chaleur plus profondément, et dans la plupart des lacs, le vent fournit cette énergie.

Un lac complètement protégé du vent aura une couche très chaude mais peu profonde à la surface avec de l’eau froide en dessous. Un lac exposé à des vents forts aura une couche supérieure plus froide mais plus épaisse recouvrant l’eau plus froide. Les lacs plus profonds peuvent former une structure à trois couches qui, tout au long de l’été, se compose d’une couche supérieure chaude (l’épilimnion), d’une couche intermédiaire de transition (le métalimnion, à l’intérieur duquel le point de plus grand changement vertical de température est appelé la thermocline) et d’une couche inférieure plus froide (l’hypolimnion).

La structure thermique d’un lac n’est pas constante tout au long de l’année. À partir de la sortie de la glace au début du printemps (à condition que votre lac soit gelé), toute l’eau du lac, de haut en bas, est proche de la même température ; la différence de densité est faible et l’eau est facilement mélangée par les vents printaniers. Avec les jours plus chauds, la différence entre la température de l’eau de surface et celle de l’eau du fond augmente jusqu’à ce qu’une stratification se produise si la profondeur du lac est suffisante. Finalement, le chauffage solaire diminue à mesure que nous avançons dans les saisons plus fraîches, et la couche supérieure commence à se refroidir et à couler. Finalement, à l’automne, le lac a une température similaire de la surface au fond. En hiver, la glace se forme à la surface et une nouvelle stratification inverse (eau froide sur eau froide) se crée et persiste jusqu’au printemps. Le degré de stratification est important pour le cycle des nutriments, la variabilité de l’oxygène dans les eaux plus profondes, le mouvement de l’eau entrante dans le lac et les types d’organismes aquatiques qui vivent dans le lac.

Le rinçage

Le temps moyen nécessaire pour renouveler complètement le volume d’eau d’un lac (volume du lac divisé par le débit sortant) est appelé temps de résidence hydraulique ou taux de rinçage. Le temps de résidence hydraulique est une fonction du volume d’eau entrant ou sortant du lac par rapport au volume du lac (c’est-à-dire le bilan hydrique). Plus le volume du lac est important et plus les entrées ou sorties hydrauliques sont faibles, plus le temps de résidence sera long.

Le temps de résidence du lac peut varier de quelques heures ou jours à plusieurs années. Le lac Supérieur, par exemple, a un temps de résidence de 184 ans. Cependant, la plupart des lacs ont généralement des temps de résidence de quelques jours à quelques mois.

Le taux de vidange d’un lac déterminera la façon dont il réagit aux nombreux apports de l’atmosphère et de son bassin versant.

Classification trophique

La classification trophique des lacs, ou classement du degré de vieillissement des lacs, est souvent classée à l’aide d’un certain type de système d’évaluation établi qui attribue des points à une certaine caractéristique du lac (teneur en oxygène, biomasse algale, matériel végétal, clarté, etc). Ce système de points permet au limnologue d’attribuer une certaine valeur à chacune des catégories du système. Différents limnologues utilisent différents systèmes de classification, mais les catégories (oligotrophe, mésotrophe et eutrophe) sont les mêmes.

Si un lac possédait des niveaux très élevés d’oxygène dissous, une lecture de transparence élevée, avait une croissance éparse de plantes vasculaires et des niveaux relativement faibles de croissance de plancton, le lac serait classé comme oligotrophe, ou un lac « jeune ».

Les lacs ayant des niveaux d’oxygène dissous plus faibles, une lecture de transparence peu profonde, des plantes aquatiques vasculaires abondantes et des niveaux élevés de chlorophylle-a (signifiant des populations élevées de plancton) reçoivent plus de points et sont qualifiés de « vieux » ou d’eutrophes.

Un lac qui se situe entre les deux extrêmes d’eutrophes et d’oligotrophes est appelé mésotrophe. Ce stade de développement du lac peut être mieux qualifié de « d’âge moyen ».

Nutriments

Les lacs peuvent souffrir de nombreux impacts du développement culturel humain, mais ce sont les nutriments qui se retrouvent dans le lac qui entraînent certains des problèmes critiques de la qualité de l’eau des lacs.

Toutes les plantes ont besoin d’un équilibre approprié des principaux nutriments essentiels, en particulier le phosphore, l’azote et le carbone. Elles ont également besoin de lumière. En supposant que la lumière soit facilement disponible, les plantes absorbent les nutriments dans la proportion dont leurs cellules ont besoin. Le nutriment dont l’offre est la plus faible par rapport aux besoins de la plante limitera la croissance de cette dernière. C’est ce qu’on appelle le concept de nutriment limitant. Dans certaines régions du pays, les eaux sont limitées par l’azote, tandis que la plupart des masses d’eau sont limitées par le phosphore. Les oligo-éléments peuvent parfois être limitatifs, mais à un moindre degré.

L’élaboration d’un budget de nutriments (analyse de la charge) permet de comprendre les causes de l’eutrophisation des lacs. Les budgets de nutriments dépendent de la détermination des quantités d’un nutriment qui sont fournies par des sources telles que le ruissellement de surface naturel, la pollution de source non ponctuelle, les fuites de systèmes septiques, les dépôts atmosphériques, les eaux souterraines et la faune. Les bilans de nutriments déterminent également la quantité de nutriments perdus dans le système lacustre par écoulement et par dépôt sur les sédiments. La quantification de la charge en éléments nutritifs nécessite l’évaluation du bilan hydrique et la détermination de la concentration de l’élément nutritif dans chaque source d’eau. Ainsi, la quantité de nutriments fournie par un affluent est la concentration multipliée par le volume d’eau par unité de temps (le débit). C’est ce qu’on appelle la « charge » pour le nutriment et la source quantifiés.

Les bilans nutritifs sont généralement déterminés de deux façons principales : par mesure directe ou par estimation à partir de diverses relations empiriques déterminées dans des études antérieures.

Biologie

Bactéries : Bien que la plupart des gens ne les voient jamais, les bactéries jouent un rôle central dans la vie des lacs. Elles constituent le groupe d’organismes le plus abondant dans un lac et la plupart d’entre elles sont essentielles à la conversion de toute matière organique en forme inorganique.

Les bactéries peuvent flotter librement dans la colonne d’eau, être fixées à un substrat ou dans les sédiments. Beaucoup sont aérobies, nécessitant de l’oxygène pour la conversion de la matière organique en formes inorganiques et l’énergie. Beaucoup d’autres sont anaérobies, utilisant d’autres voies chimiques pour obtenir de l’énergie.

Certaines bactéries créent des problèmes de santé humaine ou se sont avérées être des indicateurs utiles de la présence probable de menaces pour la santé humaine. Escherichia coli (E. coli) est généralement une bactérie inoffensive que l’on trouve dans nos intestins, mais son abondance dans un lac indique la présence d’eaux usées, d’apports septiques ou d’autres contaminants fécaux et le potentiel de transfert de maladies bactériennes et virales humaines.

Algues : Les algues sont principalement des plantes microscopiques qui peuvent flotter librement (phytoplancton) ou être fixées à un substrat (périphyton). Elles peuvent être unicellulaires ou posséder de nombreuses cellules. Dans un lac modérément riche, il peut y avoir près de cent espèces d’algues dans une cuillerée à soupe d’eau du lac. Dans un lac eutrophique, il peut y avoir des millions de cellules dans un gallon d’eau. Les algues sont divisées en plusieurs grands groupes, notamment les algues vertes (Chlorophyta), les algues brun doré (Chrysophyta), les dinoflagellés (Pyrrophyta), les diatomées (Bacillariophyta) et les algues bleu-vert (Cyanophyta).

Chacun des groupes ci-dessus possède des espèces dont les caractéristiques peuvent leur permettre de devenir très abondantes et gênantes. Parfois, le fait de savoir quelle espèce est en « bloom » peut aider à comprendre la cause de ce bloom. Par exemple, certaines algues bleues fleurissent souvent lorsque le phosphore est abondant et que les nitrates sont faibles, car elles peuvent fixer l’azote de l’air dissous. Elles préfèrent souvent une période d’eau calme car elles flottent et font donc de l’ombre aux espèces concurrentes. La concomitance de ces conditions donne généralement lieu à des bleus-verts, mais l’absence d’un élément peut faire pencher la balance vers une autre espèce ou un autre groupe d’algues. Les diatomées ont tendance à préférer les périodes de fort brassage, de températures plus fraîches et de plus grande disponibilité de la silice – des conditions que l’on retrouve au printemps et à l’automne. De nombreux dinoflagellés semblent préférer les conditions où la matière organique est supérieure à la moyenne.

La dynamique des régimes thermique, lumineux et nutritif des lacs entraîne un schéma assez prévisible dans la succession saisonnière des espèces d’algues, mais il peut y avoir des surprises à tout moment. En général, cependant, le renouvellement au printemps et à l’automne favorise les diatomées qui peuvent devenir très abondantes mais n’ont généralement pas de graves répercussions sur l’utilisation humaine, bien que certaines espèces causent des problèmes de goût et d’odeur dans les réservoirs d’eau potable et peuvent obstruer les filtres. Après la stratification thermique, les algues vertes deviennent souvent dominantes pendant la majeure partie de l’été lorsque l’azote est disponible, mais elles peuvent être remplacées par des algues bleu-vert à des températures plus élevées, des concentrations d’azote plus faibles et un pH élevé.

Macrophytes aquatiques : Par opposition aux algues qui sont généralement des plantes microscopiques, ce sont de grandes plantes aquatiques, facilement visibles à l’œil nu. Les algues et les macrophytes sont souvent en compétition pour la lumière, il est donc inhabituel de trouver les deux comme problèmes dans un lac particulier, bien que cela arrive. Les macrophytes peuvent être enracinés ou flottants, mais la plupart sont enracinés. Ils peuvent également être submergés, émergents ou à feuilles flottantes. Il existe de nombreux groupes taxonomiques, mais les catégories ci-dessus sont souvent les plus utiles pour comprendre les causes d’un problème de macrophytes et déterminer une stratégie de gestion appropriée. En fait, au sein de chaque catégorie, de nombreuses espèces peuvent se ressembler car leur mode de croissance répond à des conditions lacustres communes. Cependant, même si de nombreuses espèces de macrophytes semblent similaires, leur propension à causer des problèmes dans les lacs varie. Une gestion efficace des macrophytes nécessite généralement une identification au niveau des espèces.

Les plantes fournissent l’habitat et la nourriture pour de nombreuses formes de vie animale allant des rotifères microscopiques qui filtrent les algues minuscules, au zooplancton qui chasse les algues plus grandes, aux insectes, aux poissons et aux mammifères aquatiques qui mangent des plantes ou des animaux encore plus grands. Un changement dans n’importe quelle partie de ce réseau alimentaire se répercute dans tout le système de manière subtile ou même dramatique.

Le bassin versant

Un bassin versant peut être décrit au mieux comme un entonnoir. Le bord supérieur de l’entonnoir correspond aux caractéristiques géographiques (collines, montagnes) qui marquent la limite d’un bassin versant. L’intérieur de l’entonnoir, ou les parois de l’entonnoir, représente toutes les terres situées à l’intérieur de la limite des collines ou des montagnes qui s’écoulent vers le lac. Le lac se trouve au fond de l’entonnoir, recevant toute l’eau qui s’écoule de ces sommets de collines, à travers les terres et dans les cours d’eau.

Le bassin versant contient votre maison, votre voiture, votre travail, votre terrain de golf, votre centre commercial et toutes ses zones pavées, votre système septique, vos lave-autos, vos terrains de balle, vos sablières et divers autres types d’utilisation des terres. Quelle que soit la distance qui vous sépare d’une eau de surface, que vous puissiez voir ce lac ou cette rivière ou non, vous êtes dans un bassin versant.