Evaluating Sediment Resuspension and Internal Nutrient Loading in Tappan Lake Using Remote Sensing, Acoustic Doppler Current Profiler Observations, and EFDC+ Modeling
Cette étude intègre la télédétection, les observations par profileur de courant Doppler acoustique et la modélisation EFDC+ pour démontrer que la remise en suspension des sédiments induite par le vent et le courant dans la zone centrale du lac Tappan est le principal moteur de la charge interne en nutriments et des efflorescences algales persistantes, indépendamment des apports externes du bassin versant.
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Les lacs et les réservoirs d'eau douce sont souvent perçus comme des masses d'eau statiques, mais ce sont des systèmes dynamiques où l'eau, les sédiments et les nutriments interagissent constamment. Un défi majeur de la gestion de ces eaux consiste à comprendre pourquoi les proliférations d'algues persistent même lorsque les terres environnantes sont préservées. S'il est bien connu que le ruissellement provenant des fermes et des villes peut déverser un excès de nutriments dans un lac, provoquant des écumes vertes d'algues, les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que le lit du lac lui-même agit comme un réservoir caché. Au fil des décennies, les sédiments au fond peuvent absorber des nutriments comme le phosphore et l'azote. Lorsque les conditions changent, ces nutriments stockés peuvent être libérés à nouveau dans l'eau, nourrissant les algues par le bas plutôt que par le haut. Ce recyclage interne est difficile à observer car il se produit sous l'eau, caché aux caméras satellites qui ne regardent que la surface et aux simples prélèvements d'eau effectués en un seul point. Comprendre ce mécanisme caché est crucial car si le problème provient du fond, simplement nettoyer les rivières qui alimentent le lac pourrait ne pas suffire à arrêter les proliférations.
Les chercheurs ont concentré leur attention sur le lac Tappan, un réservoir de taille moyenne situé dans le comté de Harrison, en Ohio. Malgré le fait que la zone environnante soit principalement forestière avec un ruissellement agricole limité, le lac souffre de proliférations d'algues récurrentes qui dégradent la qualité de l'eau et menacent l'usage récréatif. Pour résoudre ce mystère, une équipe de scientifiques a combiné trois manières différentes d'observer le lac : des images satellites pour voir la surface, des instruments acoustiques sous-marins pour mesurer le flux et les particules, et un modèle informatique pour simuler le mouvement de l'eau. Ils voulaient découvrir si les algues étaient alimentées par des nutriments provenant des sédiments du fond, brassés par le mouvement de l'eau elle-même.
L'équipe a commencé par observer la surface depuis l'espace. En utilisant des images d'un satellite qui passe au-dessus de la Terre tous les quelques jours, ils ont suivi la quantité de pigment d'algue verte, connu sous le nom de chlorophylle-a, sur l'ensemble du lac de 2020 à 2025. Ils ont d'abord vérifié que leurs mesures satellites correspondaient aux échantillons d'eau réels prélevés par des bateaux, confirmant ainsi la précision de la technologie. Les résultats ont montré un schéma clair : le lac était constamment rempli d'algues. Chaque été durant cette période, toute la surface du lac présentait des signes d'eutrophisation, une condition où l'eau est riche en nutriments et favorise une croissance excessive de végétaux. Les niveaux d'algues étaient suffisamment élevés pour être considérés comme une prolifération chaque année, aucune partie du lac ne revenant à un état propre et pauvre en nutriments. Cela a confirmé que le problème n'était pas seulement un pic temporaire, mais une condition chronique affectant l'ensemble du réservoir.
Pour comprendre pourquoi les algues étaient si persistantes, les chercheurs devaient regarder sous la surface. Ils ont déployé un instrument spécialisé appelé profileur de courant Doppler acoustique, qui utilise des ondes sonores pour mesurer la vitesse de l'eau à différentes profondeurs et pour détecter le nombre de particules qui y flottent. Ils ont fait naviguer ce dispositif à travers dix lignes différentes coupant le lac. Les données ont révélé une différence frappante entre la partie ouest profonde du lac, près du barrage, et les sections plus peu profondes du milieu. Dans le bassin profond, l'eau se déplaçait très lentement, presque comme un étang immobile. Cependant, au milieu du lac, là où l'eau était moins profonde et le chenal plus étroit, l'eau se déplaçait beaucoup plus vite.
Plus important encore, les ondes sonores ricochant sur l'eau ont révélé où les sédiments étaient brassés. L'instrument a détecté une augmentation significative de la quantité de particules en suspension juste près du fond du lac dans cette zone centrale. Cette « amélioration près du lit » (near-bed enhancement) signifiait que l'eau circulant dans le milieu du lac était assez forte pour soulever le sédiment boueux du fond du lac et le maintenir en suspension. En revanche, le bassin ouest profond ne présentait aucune activité de ce type, les particules se déposant et l'eau restant claire. Cela suggérait que la force physique de l'eau circulant dans le milieu du lac brassait constamment le fond, libérant les nutriments piégés dans la boue.
Pour confirmer ce tableau, les scientifiques ont utilisé un modèle informatique qui simule la physique du lac, incluant la façon dont le vent et le flux d'eau déplacent les sédiments. Le modèle a produit une carte des solides en suspension qui correspondait parfaitement aux mesures du monde réel. Il montrait de hautes concentrations de sédiments dans les bras orientaux peu profonds et au milieu du lac, diminuant jusqu'à presque zéro dans le bassin ouest profond près du barrage. Cette simulation soutenait l'idée que le lac agit comme un piège pour les sédiments provenant des rivières, mais que la section centrale est une zone de perturbation constante où le sédiment est ramassé encore et encore.
Lorsque les chercheurs ont rassemblé tous ces éléments, un mécanisme clair est apparu. Le vent et le flux d'eau créent une zone spécifique au milieu du lac Tappan où le sédiment du fond est constamment remis en suspension. Ce processus libère les nutriments stockés dans la boue dans l'eau, fournissant une source de nourriture constante pour les algues. Comme ce recyclage interne se produit indépendamment de la propreté des rivières, le lac reste fertile et sujet aux proliférations. L'étude suggère que les algues ne sont pas seulement le résultat de la pollution venant de la terre, mais qu'elles sont entretenues par la propre dynamique physique du lac. Cette découverte indique que la gestion du lac nécessitera plus que la simple réduction de la pollution externe ; les stratégies doivent également traiter le recyclage interne des nutriments causé par la remise en suspension des sédiments au milieu du lac.
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