ESTUARIES - Coastal Oceanography Aida Alvera-Azcárate [email protected] Ganges delta Introduction • Le mot estuaire vient du mot latin aestus (marée) et son adjectif dérivé aestuarium ("tidal"). • Les estuaires sont d'une importance capitale dans l'environnement marin côtier. • En raison de la géométrie des estuaires, leurs écosystèmes sont particulièrement protégés des conditions extrêmes de vent et de vagues. D'autre part, ils se trouvent en présence d'une riche source de nourriture. • Au sein de l'océan côtier, ils sont parmi les régions les plus exploitées par l'homme, et de ce fait exigent une attention particulière en matière d'étude et de gestion. Les variations des marées, l'irrégularité de la géométrie, le débit fluvial, le transport sédimentaire, la pollution, et la présence d'écosystèmes spécifiques interagissent pour donner lieu à des mécanismes et comportements complexes. Plusieurs schémas de classification ont été considérés pour tenter d’arriver à comprendre toutes ces interactions, et dépendent ainsi du comportement estuarien particulier faisant l'objet de l'étude. Exemple: classification en termes de biologie, de géomorphologie, de transport sédimentaire, d'hydrologie, etc. Ceci s'ajoute au fait que la définition même d'un estuaire n'est pas si aisée. Définitions Ce sont des régions de l'océan côtier où les variations spatiales de salinité sont si importantes qu'elles en déterminent la circulation moyenne. Ces régions peuvent être mises en rapport avec les mers "méditerranéennes" en ce sens que les principaux moteurs de leur dynamique sont des processus thermohalins, mais elles différent cependant de ces mers par leur taille et leur configuration. Les estuaires se trouvant aux embouchures des fleuves, ils sont donc allongés et étroits (forme d'un canal). Comparé à l'écoulement le long de l'axe de l'estuaire, celui perpendiculaire à cet axe est plutôt limité, et la circulation estuarienne est assez bien décrite par une structure bi-dimensionnelle des courants. Ceci n'est pas vrai pour les mers "méditerranéennes" qui sont suffisamment larges pour que cette structure soit complètement tri-dimensionnelle. Dans celles-ci, la modification de la circulation par les vents est aussi plus importante que dans le cas des estuaires où l'écoulement reste en gros dans la direction de leur axe même en présence de vent. Si une définition simple d'un estuaire pourrait être "l'endroit où un cours d'eau se jette dans la mer", elle reste insuffisante et une définition adoptée par l'UNESCO qui est communément admise, est: "un volume semi-fermé d'eau côtière librement connecté avec la mer ouverte, et au sein duquel l'eau de mer est, d'une manière mesurable, diluée avec l'eau douce en provenance du bassin hydrographique". Cette définition présente cependant quelques lacunes, comme par exemple lorsqu'un faible débit et une importante évaporation se combinent pour donner lieu à une salinité plus élevée que celle de l'eau de mer avoisinante (e.g. certaines lagunes côtières). Et aussi dans le cas de cours d'eau connectés à la mer seulement de manière occasionnelle. Elle pourrait être rectifiée de la manière suivante: "un estuaire est un volume semi-fermé d'eau côtière librement connecté avec la mer ouverte, du moins par intermittence, et au sein duquel la salinité est d'une manière mesurable différente de celle de l'eau de mer adjacente". Sur le plan géomorphologique, on distingue classiquement: les estuaires de plaine côtière (coastal plain estuaries) qui incluent aussi les deltas, les fjords, les lagunes cotières (lagoons). Hydrologie estuarienne D'un point de vue physique, les deux plus importants facteurs contrôlant la dynamique estuarienne sont l'intensité du mélange entre l'eau douce et l'eau salée, et la vitesse avec laquelle ce mélange se fait. Ces deux éléments sont eux mêmes contrôlés par six facteurs principaux: le débit fluvial, les précipitations, l'évaporation, les variations de la marée, la force du vent, et la topographie de l'estuaire. Le rapport entre la quantité d'eau douce qui arrive par le fleuve et celle d'eau de mer mélangée par les marées détermine clairement le type d'estuaire. Une manière de le quantifier est de comparer le volume R d'eau douce apportée par le fleuve pendant un cycle de marée, avec le volume V d'eau de mer entrant dans l'estuaire pendant le flot et puis retiré de l'estuaire à chaque cycle de marée. R est appelé "volume fluvial" (river volume), tandis que V est désigné par le terme "prisme de marée" (tidal prism). Il est important de noter ici que seul le rapport R/V doit être considéré pour la détermination du type d'estuaire, et non les valeurs absolues de R et V. En d'autres termes, des estuaires peuvent être de tailles très différentes mais néanmoins appartenir à un même type. L'évaluation de la vitesse avec laquelle l'eau douce est exportée vers la mer, peut être réalisée en faisant appel à la notion de "flushing time" TF, quantité qui mesure le temps qu'il faut pour renouveler l'eau estuarienne TF = R/Q Q étant le débit d'amont du fleuve. Il s'agit d'une mesure assez grossière parce qu'elle suppose un écoulement uniforme sur toute la section droite de l’estuaire. Le prisme de marée V est approximativement égal au produit de l'amplitude de la marée par la surface moyenne de l'estuaire. Sur la base des propriétés des écoulements et des distributions des salinités, on peut classer les estuaires en six grandes catégories: 1. Les estuaires à coin salé (salt wedge estuaries) 2. Les estuaires fortement stratifiés (highly stratified estuaries) 3. Les estuaires partiellement ou légèrement stratifiés (slightly stratified estuaries) 4. Les estuaires verticalement bien mélangés (vertically mixed estuaries) 5. Les estuaires inverses (inverse estuaries) 6. Les estuaires intermittents (intermittent estuaries) Estuaires à coin salé / salt-wedge estuaries Le volume fluvial R est beaucoup plus important que le prisme de marée V, ou bien les marées sont quasi inexistantes. L'eau douce s'écoule en une mince couche au dessus de l'eau de mer. Tout mélange se trouve confiné dans une fine couche de transition entre l'eau douce superficielle et le "coin" d'eau salée sous-jacent. A wedge Salinity as a function of depth and distance along a salt-wedge estuary, numbers indicate station locations Les profils verticaux de salinité indiquent alors une salinité "zéro" en surface et une salinité pratiquement "océanique" près du fond tout le long de l'estuaire. Vertical salinity profiles for stations 1 - 4. Surface salinity is close to zero at all stations, bottom salinity close to oceanic value. La profondeur de l'interface décroît lentement au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'extrémité aval de l'estuaire. Examples of large salt wedge estuaries: The Mississippi river (Lousiana, US) The Columbia river (Oregon, US) The Congo river The Hudson River (New York, US) Estuaires fortement stratifiés / highly stratified estuaries Le volume fluvial R est comparable mais reste supérieur au prisme de marée V. Un fort cisaillement de vitesse à l'interface eau douce - eau salée génère des ondes internes à la transition entre les deux couches. Ces ondes déferlent dans la couche supérieure et causent un phénomène d'entraînement turbulent d'eau salée vers le haut. Celui ci étant un processus unidirectionnel, l'eau douce ne participe pas à un mélange vers le bas. Salinity in a highly stratified estuary as a function of depth and distance along the estuary. Numbers indicate station location. Il en résulte une augmentation de la salinité dans la couche supérieure alors que celle de la couche inférieure reste inchangée. Pourvu bien entendu que le volume d'eau profonde soit plus élevé que le volume fluvial R et peut ainsi fournir un apport continu d'eau salée. Salinity in a highly stratified estuary: vertical salinity profiles for stations 1 - 4 . Surface salinity increases from station 1 to station 4, but bottom salinity is close to oceanic values at all stations. Des exemples de ce type d'estuaire sont les fjords, qui sont en général très profonds et disposent d'un important réservoir d'eau salée sous la couche de surface. Des estuaires modérément profonds exhibent souvent ce type de stratification durant des périodes de faible débit fluvial (étiage). Le flux vertical d'eau salée donne lieu à une augmentation de l'intensité de l'écoulement dans la couche superficielle. La croissance du transport de masse dans cette couche est suffisamment significative pour que le débit fluvial de départ puisse apparaître comme négligeable à côté de la circulation résultante d'ensemble. Une amplification de ce transport de masse par un facteur 20 est tout à fait réaliste. La vitesse en surface augmente de même, mais pas de manière aussi prononcée, tenant compte du fait que l'élargissement à l'aval de l'estuaire compense en partie l'accroissement du transport. Sketch of mass transport in a highly stratified estuary. River volume input is R. Outflow from the estuary in the upper layer is 10R; this is compensated by inflow of oceanic water of 9R. The net outflow at the outer end of the estuary is of course still only 1R. Estuaires partiellement stratifiés / slightly stratified estuary Le volume fluvial R est faible, comparé au prisme de marée V. L'écoulement de la marée est turbulent sur toute la hauteur de la colonne d'eau, la turbulence étant principalement générée au niveau du fond. Il en résulte un mélange d'eau salée dans la couche supérieure et d'eau douce dans la couche inférieure. Dès lors, la salinité change le long de l'axe de l'estuaire pas seulement dans la couche de surface comme c'était le cas pour un estuaire fortement stratifié, mais dans les deux couches. * On observe une certaine intensification des vitesses et du transport dans la couche de surface, mais beaucoup moindre que pour un estuaire fortement stratifié. Ce type d'estuaire est très répandu dans les régions tempérées et subtropicales. Salinity in a slightly stratified estuary. Top: as a function of depth and distance along the estuary, numbers indicate station locations, mixing between upper and lower layer is indicated by the faint arrows; bottom: in vertical salinity profiles for stations 1 - 4. Surface and bottom salinity increase from station 1 to station 4, but surface salinity is always lower than bottom salinity. Estuaires verticalement bien mélangés / vertically mixed estuary Le volume fluvial R est négligeable devant le prisme de marée V. Le mélange dû à la marée domine l'entièreté de l'estuaire. Celle ci effectue le mélange complet de la colonne d'eau entre la surface et le fond, effaçant toute trace de stratification verticale. De ce fait, les profils verticaux de salinité montrent une salinité uniforme mais sont accompagnés d'une augmentation régulière de celle ci au fur et à mesure que l'on se rapproche de la frontière extérieure de l'estuaire. * On trouve ce type d'estuaire dans des régions à très fortes marées, comme c'est le cas pour le fleuve Severn en Angleterre. Salinity in a vertically mixed estuary. Top: as a function of depth and distance along the estuary, numbers indicate station locations; bottom: in vertical salinity profiles for stations 1 - 4. Surface and bottom salinity increase from station 1 to station 4, but surface salinity is always nearly identical to bottom salinity. Estuaires inverses / inverse estuary Ces estuaires ont peu d'apports d'eau douce par des fleuves, et se situent dans des régions à très haute évaporation. La salinité de surface ne décroît pas de l'océan vers l'intérieur de l'estuaire, mais par contre les pertes d'eau par évaporation mènent à une augmentation de la salinité au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'extrémité la plus intérieure de l'estuaire. Cela résulte en une augmentation de la densité et une coulée vers le bas d'une eau hypersaline (formation d'eau profonde, ou downwelling de densité) à cet endroit là. De ce fait, un mouvement d'eau se fait en surface vers l'intérieur de l’estuaire, et près du fond vers l'extérieur. Par comparaison avec les modèles estuariens discutés auparavant, le schéma général de circulation est renversé ce qui explique ainsi le terme d'estuaire inverse. Salinity in an inverse estuary. Top: as a function of depth and distance along the estuary, numbers indicate station locations; bottom: in vertical salinity profiles for stations 1 - 4. The circulation is into the estuary at the surface; outflow occurs at depth. Surface and bottom salinities decrease from station 1 to station 4, but surface salinity is always lower than bottom salinity Certains estuaires en zone tropicale (e.g. Australie) montrent une combinaison de circulation estuarienne "normale" et "inverse". Dans ce cas, l'estuaire reçoit une certaine quantité d'eau douce via la rivière, mais les conditions d'évaporation sont si intenses qu'à une position intermédiaire dans le profil en long de l'estuaire toute cette eau douce s'est évaporée, et la salinité devient ainsi plus élevée qu'en mer ouverte ("bouchon de salinité" ou "salinity plug"). En amont de cet endroit la circulation estuarienne est normale, et elle devient inverse en aval. Circulation in the Alligator River, showing a combination of a slightly stratified estuary in the inner estuary (stations 1 and 2) with an inverse estuary in the outer region (stations 3 and 4). Note the salinity maximum known as the "salinity plug", between stations 2 and 3. It is produced by the evaporation over the region. Estuaires intermittents Beaucoup d'estuaires changent de type de classification en raison d'une très importante variabilité des précipitations sur le bassin hydrographique du fleuve concerné. L'apport du fleuve peut être faible, mais aussi longtemps que de l'eau douce arrive dans l'estuaire, le caractère purement estuarien est maintenu. Si le fleuve se tarit complètement durant la saison sèche, l'estuaire perd son identité et redevient un élément de la zone côtière purement maritime ("embayment"). On peut citer le cas de sites australiens qui retournent pour quelques semaines à l'état d'estuaires fortement stratifiés après des pluies très abondantes. Au cours de leur période estuarienne, les estuaires intermittents peuvent être catégorisés à partir du diagramme de classification basé sur l'index de salinité. Mais l'effet de leur très haute variabilité environnementale sur la vie aquatique est si accablant, qu'une classification séparée parait justifiée. L'écosystème dans de tels estuaires est le siège d'un changement complet de communautés entre la phase estuarienne et la phase marine, de sorte que peu de plantes ou d'animaux peuvent faire face aux changements de salinité qui se produisent lorsqu’on passe d'un état à l'autre. Comme indiqué auparavant, le type d'estuaire est déterminé par le rapport R/V (volume d'eau douce/volume d' eau salée). La variation de ce rapport représente un ensemble de distributions de salinité qui peut être mis en relation avec le rapport entre la salinité de surface SS et celle de fond SB. Le rapport SS/SB peut dès lors être utilisé en remplacement du rapport R/V. Les salinités étant plus faciles à mesurer que les volumes fluviaux et tidaux, un index basé sur la salinité devient très intéressant du point de vue pratique. On peut donc établir un schéma de classification unifié basé sur cet index de salinité, sous la forme d’un diagramme de SS/SB en fonction de la distance le long de l’axe de l’estuaire. Classification diagram for estuaries based on the ratio surface salinity : bottom salinity, with examples for different estuary types. Normalized distance is the distance along the estuary, L'estuaire à coin salé qui comporte de l'eau douce en surface et de l'eau de mer au fond, est identifié par un index de salinité nul et occupe donc la ligne au bas du diagramme de classification. La salinité d'un estuaire verticalement bien mélangé varie le long de l'estuaire mais est la même partout en surface et au fond, de telle sorte qu'il a un index de salinité qui vaut 1 et occupe la ligne en haut du diagramme. L'estuaire fortement stratifié se trouve dans le triangle inférieur droit du diagramme, tandis que l'estuaire partiellement stratifié se trouve dans le triangle supérieur gauche. head mouth Les estuaires peuvent changer de type en fonction des variations des précipitations et du débit fluvial qui en découle. Ils peuvent présenter différentes caractéristiques en différentes parties de leur profil en long, comme résultat de l'effet de la topographie (restrictions) sur la propagation de la marée le long de l'estuaire, qui est de nature à affecter le prisme de marée. Ce diagramme de classification peut donc être utilisé pour identifier les changements spatiaux et temporels de type d'estuaire.
