The heat center: a new tool for understanding a pond’s heat budget and the temporal and spatial changes in its temperature?
Le centre thermique, nouvel outil de compréhension du bilan thermique et de l’évolution spatio-temporelle de la température d’un étang ?
Résumé
Many studies have focused on the thermal impact of waterbodies on downstream waterways. With respect to headwaters, interest has tended to focus on streams, neglecting the internal dynamics of waterbodies. For ponds, defined as discontinuous polymictic waterbodies with a maximum depth of less than 6 m (19.7 ft) and an area of less than 100 ha (250 acres), the mixing and stratification stages frequently alternate. Therefore, knowledge of a waterbody’s dynamics is key to understanding the upstream–downstream temperature trends within a drainage basin. This study is based on a limnosystemic approach in order to study the annual thermal dynamics of two ponds located on headwaters. The first, Étang de La Ramade (La Ramade Pond), in the French département of Puy-de-Dôme in Auvergne, is a pond of 62 ha (153 acres), with a mean depth of 1,1 m (3.6 ft) and a maximum depth of 3,5 m (11.5 ft) (figure 1). Its morphology lends itself to significant spatial variations in temperature. The second pond is the Étang de Rilhac (Rilhac Pond), located close to Limoges in the French Department of Haute-Vienne (Limousin). This is a 0.4‑ha (1‑acre) pond, with a maximum depth of 4,2 m (13.8 ft) and a mean depth of 2 m (6.6 ft). Rilhac Pond is representative of small headwater ponds, damming a small valley. In order to measure the temperature within the pond, the methodology implemented uses a number of chains hung on a flotation device, with data loggers to measure the temperature every hour and every 25 cm (10 in.) from the surface to the bottom, at six different locations. The heat-content approach, which multiplies the temperature recorded by the volume of each layer of a column of water, takes account of all factors – internal and external – that influence the waterbody temperature. The temperature can vary vertically by up to 13 °C (23 °F) between the surface and the bottom, with differences of up to 7 °C (13 °F) between one measuring location and another. Adopting a geographical approach to water temperature makes it possible to highlight certain new indicators such as the heat center. Studying changes in the heat center is useful in gaining an overall comprehension of the spatial and temporal temperature trends within the waterbody. Heat-center variations can be significant, and depend on a number of factors, such as the stratification and mixing of the water column and the temperature distribution within the waterbody. Latitudinal, longitudinal and depth variations in the heat center can be analyzed either separately – so as to obtain specific data for each – or all together, for a comprehensive overview. The variations in the dynamics of a pond’s different sub-basins in comparison with the central part of the pond can be expressed through the heat center. This new indicator may have a number of benefits in the field of pond management – allowing, for example, outflow locations to be modified or correctly selected, and surrounding areas to be easily be adapted in order to reduce a pond’s effect on a stream system.
De nombreuses études ont été effectuées sur l’impact thermique des plans d’eau sur les cours d’eau. Sur les têtes de bassin hydrographiques, l’attention est généralement portée aux cours d’eau, laissant de côté la dynamique interne au plan d’eau. Or, pour les étangs, classés polymictiques discontinus, où les brassages alternent à l’échelle de quelques jours avec les phases de stratification thermique, la connaissance de la dynamique du plan d’eau est fondamentale dans la compréhension de l’évolution amont-aval de la température au sein d’un bassin versant. La présente étude adopte une approche limnosystémique afin de comprendre la dynamique annuelle des étangs en tête de bassin. Pour l’étang multilobé de la Ramade (Puy de Dôme), les écarts de chaleur entre la surface et le fond dépassent les 13 °C pendant certaines périodes, tandis qu’ils peuvent atteindre les 7 °C de différence spatiale entre ses bassins. L’approche spatiale de la température de l’eau permet de faire ressortir de nouveaux indicateurs, tel que le centre thermique. L’étude de son évolution est un moyen efficace à la compréhension globale de la répartition de chaleur au sein du plan d’eau, dans l’espace et dans le temps. Par la forte disparité spatiale de température des étangs, représentée dans le centre thermique, des intérêts de gestion forts émanent de ces problématiques. La modification possible de la position de la sortie d’eau ainsi que des aménagements pourraient permettre de limiter l’influence thermique de l’étang, au centre du système lotique. L’étude d’un grand étang influencé par des courses du vent longues et un très petit étang influencé par un effet d’abris topographique et végétal montrent différentes possibilités de variation spatiale de la température.