The stability of the water column in French ponds (Limousin region) by the calculation of the Wedderburn number
La stabilité de la colonne d’eau des étangs français (région Limousin) par le calcul du Nombre de Wedderburn
Abstract
Oxygenation and biological life in lakes, reservoirs and ponds depend on the stability of the water column and on the rhythms of stratification and mixing periods. Slight thermal stratification in ponds often is regarded as the same as instability in shallow lakes. Nevertheless fetch in ponds is very short, what reduces the mixing. Wedderburn number (quotient of the buoyancy by the mixing) is used to quantify the stability in shallow water bodies. We calculate it for some ponds in French region Limousin, due to original hourly water temperature measurements in all depths and wind data of Météofrance stations. First results show that very high values (above 10) are frequent in summer and spring period (during 41% of the total time of 2 336 hours from May to July in three ponds). That is why we may consider Limousin ponds as stable stratified bodies of water despite their shallowness. Continuous measurements allow to calculate the diurnal cycle and other time scales of the Wedderburn number, with periods of weakening, when air temperatures and surface water temperatures decrease, wind speed increases and when the wind blows in the same direction with the length of the pond. The most complex variable is the depth of the thermocline; a light increase of the breeze thickens the upper warm layer and strengthens the stability, but an important increase of the wind tends to destroy the stratification.
L’oxygénation et la vie biologique des lacs naturels, des lacs de barrage et des étangs dépendent des caractéristiques de stabilité de la colonne d’eau, c’est-à-dire des rythmes faisant alterner les périodes de stratification et de mélange. La fragile stratification thermique des étangs est souvent considérée dans la littérature scientifique comme équivalente à l’instabilité des lacs peu profonds. Néanmoins, le fetch (course du vent) sur les étangs est très court, ce qui réduit les possibilités de brassage. Le Nombre de Wedderburn (quotient de la flottabilité par la possibilité de brassage) est employé pour quantifier la stabilité dans les plans d’eau pelliculaires. Nous l’avons calculé dans plusieurs étangs limousins, à partir de nos mesures inédites de température horaire de l’eau à toutes les profondeurs et des données de vent des stations Météofrance. Les premiers résultats montrent que des valeurs très élevées (supérieures à 10) sont fréquentes en période estivale et au printemps (pendant 41% du temps total de 2 336 heures allant de mai à juillet dans les trois grands étangs de la Pouge, de Cieux et des Oussines). Ainsi, malgré leur faible profondeur absolue, on peut considérer que, en saison chaude, les étangs limousins se conduisent comme des plans d’eau stratifiés stables. Les mesures en continu permettent aussi de calculer le Nombre de Wedderburn à l’échelle du cycle diurne. En général le Nombre baisse, quand les températures de l’air et des eaux de surface diminuent, la vitesse du vent augmente et le vent souffle dans le même sens que la longueur de l’étang. La profondeur de la thermocline forme une variable complexe : une légère augmentation de la brise épaissit la couche chaude supérieure et renforce la stabilité, mais une augmentation importante du vent tend à détruire la stratification.
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