Thermoclines in ponds: a new typology by the study of continuous water temperature measurements
Les thermoclines d’étang : une nouvelle typologie descriptive et fonctionnelle fondée sur des mesures de températures de l’eau en continu
Résumé
The management of ponds and the choice of equipments aimed to reduce the impact on the rivers depend on pond water evacuation systems. The depth at which the pond water is drawn off determines temperature, oxygen saturation and chemical composition of the emissary. The study of stratification within ponds is necessary to understand the efficiency of monks and deep sluice gates. The discontinuity layer in four ponds and two reservoirs of Limousin region (France) has been followed up by means of recording thermometers. According to Brönsted and Wesenberg-Lund, we regard thermocline as the point of maximum temperature gradient. But we modernize the definition by calculating the most negative value of the directional derivative of the temperature profile. Depth and duration of summer thermoclines allow to describe three types. (i) The surface thermocline is several hours long. The temperature profile of this discontinuity layer is concave, so that the thermocline is located at a depth of 0 m. (ii) The thermocline located at a depth of about 0.8 m is several weeks long. It goes down during the night and the temperature gradient lowers at the same time. The profile of this discontinuity layer is convexo-concave and the thermocline forms the change of direction of it. (iii)The thermocline located at a depth of about 5 m remains stable during four or five months, without modifying temperature gradient according diurnal cycle. The temperature profile of this discontinuity layer is convex, so that the thermocline is located on the bottom of the pond. Meteorological data and calculations on pond stability by Wedderburn Number are used to make assumptions about thermoclines development and running. (i) The surface thermocline takes the exact profile of the penetration of the solar radiation through pond water during the hottest hours of a calm and sunny day. It disappears by nocturnal convection. (ii) The intermediate thermocline weakens but resists during the night, when it becomes deeper because of the thickening of the mixed layer. It is destroyed only when atmospheric disturbances with cold front or thunderstorms cause strong winds and temperature drop. Most of ponds, which are 1.5 to 4 m deep, are entirely mixed and stirred during these homothermies by a combination of convection mixing and wind-induced turbulent stirring. (iii) The deepest ponds present a parent-thermocline. They encroach on lake metalimnion, as it is proved by our measurements within two neighbouring reservoirs
Parmi les choix à opérer pour une bonne gestion des étangs et une limitation de leur impact sur les petits cours d’eau de tête de bassin, celui du système d’évacuation des eaux (déversoir de surface, moine, vanne de fond, etc.) est primordial. La profondeur à laquelle se fait la prise d’eau détermine la température, l’oxygénation et la composition chimique de l’émissaire fluvial de l’étang. L’étude de la stratification thermique dans les étangs est nécessaire à la compréhension de l’efficacité des prises d’eau profondes, en particulier des moines. La couche de saut thermique a été suivie dans cinq étangs (Cieux, Pouge, Chaume, Oussines et Landes) et deux petits lacs de barrage (Saint-Pardoux et Mas Chaban) limousins, au moyen de thermomètres enregistreurs. En accord avec la définition de Brönsted et Wesenberg-Lund, nous considérons la thermocline comme le point du maximum de décroissance de la température en fonction de l’accroissement de la profondeur. Mais nous en améliorons la détermination pratique, en proposant de calculer le point le plus négatif de la dérivée directionnelle de chaque profil thermique. La profondeur et la durée de la thermocline estivale sont liées ; leur description permet de distinguer trois types. (i) La thermocline superficielle dure quelques heures. Le profil de la couche de saut thermique est concave, si bien que la thermocline est située à 0 m. (ii) La thermocline située vers 1 m de profondeur dure plusieurs semaines d’affilée. Elle s’abaisse en profondeur la nuit, pendant que le gradient s’affaiblit. La couche de saut thermique a un profil convexo-concave et la thermocline en forme le point d’inflexion. (iii) La thermocline située vers 5 m de profondeur reste stable pendant quatre à cinq mois. Le gradient ne se modifie pas en fonction du cycle diurne. Le profil de la couche de saut thermique est convexe, si bien que la thermocline est située au fond de l’étang.
L’utilisation de données météorologiques et les calculs de stabilité par le nombre de Wedderburn permettent d’émettre quelques hypothèses expliquant le fonctionnement des trois types de thermoclines. (i) La thermocline superficielle épouse la pénétration de la radiation solaire pendant les heures les plus chaudes d’une journée au temps parfaitement calme et ensoleillé. Elle n’existe pas tous les jours et est remplacée par une couche de brassage forcé dès que la vitesse et la course du vent sont suffisantes. Même en période de calme anticyclonique, elle disparaît la nuit par convection libre. (ii) La thermocline située vers 1 m est suffisamment prononcée pour seulement s’affaiblir par convection libre la nuit. En même temps, l’épaississement de la couche de la couche de brassage provoque son approfondissement jusque vers 1,5 m. Cette thermocline est seulement détruite lors de trois ou quatre événements, durant quelques jours chacun, sur l’ensemble de l’été. Ces homothermies correspondent à de violents orages ou à des perturbations atlantiques avec passage d’un front froid. La plupart des étangs du Limousin, profonds de 1,5 à 4 m, sont alors entièrement brassés et oxygénés par un cumul de deux processus, la convection libre et la convection forcée. (iii) Les étangs les plus profonds connaissent vers 5 m une thermocline-mère. La convexité du profil thermique de la couche de saut montre qu’il ne s’agit que de la partie sommitale d’un métalimnion lacustre. Cela est confirmé par nos mesures sur deux petits lacs de barrage voisins.
En conclusion, la plupart des étangs limousins sont des plans d’eau qui ne fonctionnent pas tout à fait comme des lacs tronqués à leur seul épilimnion. La thermocline située vers 1 m de profondeur a une stabilité intermédiaire entre une thermocline temporaire classique et une thermocline-mère. Elle peut durer parfois six à huit semaines. La raison en est la petitesse de la superficie des étangs limousins eu égard à leur grande profondeur. La faible course du vent ne peut alors détruire la couche de saut thermique, que nous proposons d’appeler métastagnion.
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