Exemple du lac de Bütgenbach

Annexe 6 - 1
Annexe 6
Evolution temporelle des paramètres physico-chimiques d'un lac
(Exemple du lac de Bütgenbach)
Un lac n'est pas un écosystème fermé. Tout d'abord, il reçoit des apports de ses affluents.
Par exemple, le lac de Bütgenbach reçoit 240 kg de composés azotés par jour de la Warche,
ainsi que 208 kg de composés phosphorés et 127 kg de composés azotés par jour de la
Holzwarche. Il n'est donc pas étonnant d'observer des signes d'eutrophisation, notamment
dus aux cyanobactéries.
De plus, un lac n'est pas une écosystème statique. Les valeurs des paramètres physicochimiques étudiés dans le cadre de ce stage varient au cours du temps, sur des rythmes
d'environ 48 heures et saisonniers. Afin de s'affranchir de fluctuations accidentelles, il faut
intégrer ces valeurs sur de longues périodes de temps (cfr. données récoltées entre 1982 et
1993 dans l'article [1], ainsi que les données de 1998 montrées lors des séances de
laboratoire).
1. Variations saisonnières
La densité de l'eau joue un rôle important dans une éventuelle stratification ou homogénéité
thermiques des eaux. La glace a la densité la moins élevée, alors que la densité maximale
de l'eau est atteinte à une température de 4°C (Fig. A6-1).
Fig. A6-1 : évolution schématique de la densité de l'eau en fonction de la température
En été, l'eau du lac subit une stratification thermique suivant la profondeur du lac. En effet,
les couches superficielles se réchauffent car elles absorbent les rayons solaires. Par
exemple, dans le trou d'eau de la Fagne de la Poleûr, nous relevons 15,9°C à la surface de
l'eau et 12,4°C à -1,5 m. Sur les premiers mètres en profondeur, il y a une certaine
homogénéisation des températures (effet du cycle jour-nuit). Si nous descendons encore, la
température descend très vite (métalimnion), avant de diminuer plus lentement. La figure
A6-2 montre cette thermocline composée d'un épilimnion (couche superficielle à température
± homogène), d'un métalimnion et d'un hypolimnion.
Annexe 6 - 2
Fig. A6-2 : schéma montrant la thermocline d'un lac et le mélange des masses d'eau
Suite aux différences de densités (résultant des différences de températures), les masses
d'eau ne se mélangent qu'au sein d'une même couche. Le point le plus profond du lac a une
température de 4°C (densité la plus élevée).
En automne, il y a un refroidissement de la zone superficielle (épilimnion de l'été), ce qui
entraîne une augmentation de la densité. Cette eau "coule" : c'est le brassage automnal.
En hiver, une stratification thermique inverse de faible amplitude s'établit (d'environ 0°C en
surface vers +4°C en profondeur).
Au printemps, la zone superficielle se réchauffe progressivement (vers l'épilimnion de l'été),
la densité de l'eau y diminue ; il y a un brassage allant dans le sens contraire au brassage
automnal.
Dans nos régions tempérées, un lac dont les eaux se mélangent deux fois est appelé lac
dimictique.
Ces phénomènes influencent de manière significative certains paramètres étudiés,
notamment en été :
en surface, le phytoplancton abondant (sur-)produit de l'oxygène.
nous avons une anoxie en profondeur parce qu'il n'y a pas de mélange d'eau ni de
phytoplancton en profondeur. De plus, l'oxygène atmosphérique n'est dissous que dans
l'eau superficielle. Enfin, les décomposeurs présents dans le fond du lac consomment
l'oxygène disponible pour les dégradations.
la concentration en ammonium augmente dans les eaux profondes (également en été).
L'anoxie qui y règne empêche la nitrification du NH4+ provenant de la dégradation des
matières organiques. De plus, cet anoxie favorise le processus de dissimulation
réductrice (qui transforme l'ammonium en nitrate).
Annexe 6 - 3
le pH diminue avec la profondeur car le dioxyde de carbone rejeté par les décomposeurs
n'est pas utilisé par la photosynthèse. Il s'hydrate alors en HCO3-.
2. Variations à court terme (~ 48 heures)
Sur cette période de temps, on observe une variation importante du pH et de la
concentration en oxygène pour des profondeurs allant de 0 à 7 ou 8 mètres.
Suite à l'alternance du jour et de la nuit, les concentrations en oxygène varient. Vers midi, où
l'ensoleillement est maximal, il y a une sursaturation en oxygène. Pendant la nuit, la
saturation tombe à 50% car il n'y a pas de lumière alimentant la photosynthèse.
D'un autre côté, le phytoplancton s'accumule jusqu'à une profondeur d'environ 7 mètres car
la densité observée à ce niveau augmente rapidement suite à l'installation de la thermocline.
Cette profondeur correspond également à la limite inférieure de la zone euphotique (zone
dans laquelle les longueurs d'onde idéales pour la photosynthèse sont encore présente), ce
qui explique la production d'oxygène dans cette zone.
La variation du pH au cours de cette période de temps suit ± celle de la concentration en
oxygène. Les algues consomment énormément de gaz carbonique lorsque la luminosité est
importante. Il s'ensuit une production importante d'oxygène (sursaturation), ainsi qu'une
diminution des concentrations en dioxyde de carbone et en acides carboniques. Le milieu
devient basique. Pendant la nuit, la situation inverse se produit.
3. Fluctuations de la faune
Nous avons pris un instantané des espèces présentes dans un lac. Cependant, la présence
d'espèces benthiques comme planctoniques, ainsi que leurs proportions, varient grandement
en fonction du temps. Les espèces majoritaires ne sont pas toujours les mêmes : on parle de
succession d'espèces.
En outre, il y a une succession évidente du phytoplancton et du zooplancton au cours de
l'année (Fig. A6-3). En toutes généralités, en mars et avril a lieu le "boom
phytoplanctonique", suivi de près par le "boom zooplanctonique". La quantité de
phytoplancton diminue alors fortement ; on parle de phase d'eau claire. La succession
zooplanctonique est la suivante : au printemps les Rotifères peuplent le lac, les Cladocères
et les Copépodes se succèdent en été et en automne.
Les Rotifères apparaissent parmi les premiers individus au printemps car leur temps de
développement est plus court et ils sont mieux adaptés à des températures encore basses.
C'est une des raisons du choix des Rotifères comme bioindicateur de pollutions et du statut
trophique des eaux.
Parmi une même espèce, les stades se succèdent également au cours de l'année. Par
exemple, les nauplies devancent nettement les adultes cyclopoïdes.
Annexe 6 - 4
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Fig. A6-3 : Evolution des biomasses des planctons sur une année
(courbes schématiques)
4. Classification des lacs
Selon la quantité croissante de sels minéraux nutritifs (ou nutrients) présents dans le milieu,
les lacs peuvent être classés en lacs ultraoligotrophe, oligotrophe, mésotrophe, eutrophe ou
hypereutrophe (classification OCDE en fonction des concentrations en chlorophylle a et en
orthophosphates).
Par exemple, après l'analyse de ses facteurs abiotiques, le lac de Bütgenbach est considéré
comme un lac à tendance eutrophe (cfr. § 2.3.1.).