Embacle des cours d'eau

[jereml47]

Bonjour. Je fais des dizaines d'aller-retour chaque week-end sur les archives climatiques pour réaliser ma rubrique de climatologie et d'almanachs sur mon site météo47.fr.

Je remarque que les périodes ou la Garonne charie des glaces, ou les cours d'eau Lot et garonnais sont gelés sont assez fréquentes, pendant la fin du XXIe siecle début du XXe, 1940 1952 à 1963 et pendant les années 1985 à 1987... Celà se finit souvent par de violentes débacles.

Je me suis alors posé la question : quelles sont les conditions météo qui permettent l'embacle des cours d'eau ?

Merci de vos réponses, bonne continuation...

Fossile47

[sylver19]

Salut , d'après toi ? il faut une periode longue de froid intense et des journees sans degel

[Invité Guest]

Cela vous suffit ? /emoticons/happy@2x.png 2x" width="20" height="20">

Certes, cela dépend de la turpitude de l'eau, de sa turbulence, de sa salinité, mais dune manière générale, l'eau sous 0°C, cela gèle /emoticons/tongue@2x.png 2x" width="20" height="20">

[ribi]

Certes, cela dépend de la turpitude de l'eau, de sa turbulence, de sa salinité, mais dune manière générale, l'eau sous 0°C, cela gèle /emoticons/tongue@2x.png 2x" width="20" height="20">

Oui, mais on constate souvent que si les eaux calmes se couvrent de glace en quelques heures, les eaux courantes des ruisseaux résistent des jours et des jours alors qu'il n'y a pas de dégel.Personnellement, j'aurais bien une petite idée, mais je ne suis pas certain :

* Est-ce que ce sont les courants qui gênent directement la croissance de la glace ? Cela paraît intuitif, mais je ne vois pas l'effet physique correspondant...

* Est-ce que le fait que l'eau soit plus dense à 4°C qu'à 0°C joue son rôle ? Pour geler de l'eau stagnante, il faut que la couche superficielle passe au dessous de 0°C, le fond étant à la fois moins froid et plus dense pouvant rester au dessus de 0°C. Pour geler de l'eau courante (dont la température est homogénéisée par brassage), a priori, il faut que l'ensemble passe au dessous de 0°C...

Sinon, je trouve la question de fossile47 assez intéressante :

existe-t-il des tables ou des relations permettant de prévoir en fonction de la température initiale d'un cours d'eau assez calme et de la température de l'air, du débit (...) le temps à attendre pour que le cours d'eau se couvre de glace ?

[Damien49]

Oui, mais on constate souvent que si les eaux calmes se couvrent de glace en quelques heures, les eaux courantes des ruisseaux résistent des jours et des jours alors qu'il n'y a pas de dégel.

Personnellement, j'aurais bien une petite idée, mais je ne suis pas certain :

A priori comme ça je dirais que plus l'eau ruisselle de façon dynamique, plus la surfusion durera longtemps (c'est donc dû à l'agitation thermique moléculaire). L'eau reste donc liquide à température négative. Je pense que la formation de micro-bulle dans une eau ruisselante explique aussi ce retard. D'ailleurs ça explique aussi pourquoi l'eau gelée d'une eau ruisselante est plus blanche.

[ribi]

A priori comme ça je dirais que plus l'eau ruisselle de façon dynamique, plus la surfusion durera longtemps (c'est donc dû à l'agitation thermique moléculaire). L'eau reste donc liquide à température négative. Je pense que la formation de micro-bulle dans une eau ruisselante explique aussi ce retard. D'ailleurs ça explique aussi pourquoi l'eau gelée d'une eau ruisselante est plus blanche.

Peut-être, mais j'ai des doutes :* On explique d'habitude la surfusion par une absence de germe sur lequel la glace peut croître, ce qui n'est pas le cas quand il y a un peu de glace sur les bords calme du ruisseau.

* d'habitude un choc risque d'arrêter la surfusion. Le choc est plus probable dans l'eau courante que dans l'eau stagnante.

* Au voisinage de la glace, l'énergie cinétique d'une molécule d'eau due à son mouvement macroscopique est de l'ordre de m v² inférieure à 10^-25 Joule alors que son agitation thermique est de de l'ordre de k T ou 10^-20 joule. On ne voit pas très bien ce que change le fait que l'eau soit en mouvement macroscopique.

* Même sans surfusion, si l'eau courante (de température homogène) prend en bloc quand sa température passe au dessous de 0°C, elle piègera des bulles d'air qui n'auront pas le temps de se regrouper et donnera de la glace blanche. Alors que l'eau stagnante n'a pas une température homogène. Donc elle prendra petit à petit, en ne piégeant que des grosses bulles d'air.

[Antoine1]

Oui, mais on constate souvent que si les eaux calmes se couvrent de glace en quelques heures, les eaux courantes des ruisseaux résistent des jours et des jours alors qu'il n'y a pas de dégel.

Personnellement, j'aurais bien une petite idée, mais je ne suis pas certain :

* Est-ce que ce sont les courants qui gênent directement la croissance de la glace ? Cela paraît intuitif, mais je ne vois pas l'effet physique correspondant...

* Est-ce que le fait que l'eau soit plus dense à 4°C qu'à 0°C joue son rôle ? Pour geler de l'eau stagnante, il faut que la couche superficielle passe au dessous de 0°C, le fond étant à la fois moins froid et plus dense pouvant rester au dessus de 0°C. Pour geler de l'eau courante (dont la température est homogénéisée par brassage), a priori, il faut que l'ensemble passe au dessous de 0°C...

Peut-être, mais j'ai des doutes :

* On explique d'habitude la surfusion par une absence de germe sur lequel la glace peut croître, ce qui n'est pas le cas quand il y a un peu de glace sur les bords calme du ruisseau.

* d'habitude un choc risque d'arrêter la surfusion. Le choc est plus probable dans l'eau courante que dans l'eau stagnante.

* Au voisinage de la glace, l'énergie cinétique d'une molécule d'eau due à son mouvement macroscopique est de l'ordre de m v² inférieure à 10^-25 Joule alors que son agitation thermique est de de l'ordre de k T ou 10^-20 joule. On ne voit pas très bien ce que change le fait que l'eau soit en mouvement macroscopique.

Cette histoire de ruisseau qui ne gèle pas facilement, c'est une question qui m'intrigue depuis longtemps /emoticons/smile@2x.png 2x" width="20" height="20"> Et je suis d'accord avec tout ce que tu dis ribi ... Le mélange qui fait que toute l'eau doit se refroidir jusque 0°C joue certainement un rôle.

Cela dit, quand je vois le ruisseau devant chez moi, je me demande quand même si c'est le seul phénomène en jeu. Car dans ce cas précis, il n'y a quand même qu'une dizaine de cm d'eau à refroidir, et pourtant il met un sacré temps à geler. Cela me donnerait bien envie d'aller mettre un thermomètre dedans dès que les conditions seront réunies (après quelques jours de gelées avant que le ruisseau ne gèle, et même dans l'eau sous la glace une fois que celle-ci est formée). On verrait directement si la surfusion peut expliquer les choses.

[Damien49]

Effectivement, c'était ma première idée mais en réfléchissant bien, la surfusion ne doit pas être prépondérante.

Je pense qu'il serait intéressant tout d'abord de vérifier si à température (de l'air) très négative (genre -10 / -20°C), l'eau du torrent non gelé est bien à température positive. Je pense qu'en plongeant un thermomètre dans un ruisseau dans ces conditions, on s'apercevrait que le ruisseau est à 1 ou 2°C au dessus de zéro. Auquel cas il faut trouver d'où vient cette énergie supérieure. Dans le cas contraire (eau liquide en dessous de zéro) c'est bien la surfusion, mais je ne crois en fait pas qu'on trouvera cela (et d'ailleurs la glace se formerait instantanément autour du thermomètre si c'était le cas).

[Invité Guest]

Il y aussi un brassage. Un cours d'eau turbulent ne sera pas stratifié, cela permet de conserver le ruisseau au dessus de 0. Pour la source de chaleur, cela dépend du cours d'eau. Sa seule interface de contact n'est pas avec l'air, et si la terre reste "chaude", le cours d'eau peut y puisser de l'énergie.

[tao]

Bonsoir,

Oui, la surface de contact avec l'air froid est sans cesse modifiée par les turbulences. Je n'ai jamais mesuré de températures sur des cours d'eau dynamiques inférieures à 2-3°c ( de mémoire, mesure sur des ruisseaux et torrents cantaliens après plusieurs jours sans dégel ). Par contre sur ces même cours d'eau j'ai observé des gangues de glace se former ( sous la surface de l'eau ) sur les rochers immergés dont une partie était en contact avec l'air froid.

Donc dans ce cas, l'eau du ruisseau a une autre surface de contact avec le froid sans geler en totalité en raison des turbulences, mais aussi de la température des eaux de source qui l'alimente, tout le long de son cours, située généralement entre 10 et 12°C.

[kaktus]

Les turbulences d'un torrent provoque des frottements qui le réchauffe (frottez vous les mains, c'est radical). D'ailleurs, le gel a tendance à débuter dans les endroits où le courant est le moins fort (les rives et les zones moins turbulentes).

Pour un lac, le gel débute par la surface pour se propager en profondeur.

Autre facteur, l'inertie, à ne pas négliger. Une petite flaque gèle plus vite qu'un lac.

[Damien49]

Les turbulences d'un torrent provoque des frottements qui le réchauffe (frottez vous les mains, c'est radical).

La comparaison me parait un peu difficile à comprendre. La chaleur ressentie en frottant ses mains est un processus sans doute différent.

Quant à la turbulence qui engendre de la chaleur par frottement, peut-être, mais peut-on me l'expliquer physiquement ? D'où vient cet apport énergétique par frottement entre l'eau et le sol ?

[ribi]

La comparaison me parait un peu difficile à comprendre. La chaleur ressentie en frottant ses mains est un processus sans doute différent.

Quant à la turbulence qui engendre de la chaleur par frottement, peut-être, mais peut-on me l'expliquer physiquement ? D'où vient cet apport énergétique par frottement entre l'eau et le sol ?

La conservation de l'énergie est un principe fondamental en physique. Lorsqu'une masse m d'eau d'un ruisseau dévale une pente constante, on constate qu'en moyenne la vitesse v de l'eau reste la même. L'énergie cinétique (1/2 m v²) reste la même, mais son énergie potentielle diminue de m g h où h est la hauteur perdue. L'énergie mécanique m g h perdue à notre échelle ne peut se retrouver que comme énergie interne (au niveau des molécules en interaction).Si on fait l'hypothèse que cette énergie ne sert qu'à réchauffer l'eau, ce qui est optimiste, on obtient un échauffement de l'eau de m c ΔT = m g h et un échauffement de 1°C équivaut à h = c/g = 4180/9.81 = 426 m au moins.

Cela me semble un effet trop faible pour être significatif.

[Lolox]

Et les coefficients de rugosité des fonds ainsi que des berges ne peuvent-ils pas influer sur l'équation de départ ?

Je vais prendre, pour répondre à la question de départ posée par Fossile47, un exemple très concret /emoticons/wink@2x.png 2x" width="20" height="20">

J'ai vu la Garonne charrier de la glace lors de l'Hiver 1985 à hauteur du vieux pont suspendu de Bourret dans le 82 (pour ceux qui connaissent) - 45 km en aval de Toulouse - chose qui de mémoire d'ancien n'était jamais arrivé (et je peux vous dire que des anciens amoureux de ce fleuve j'en ai connu beaucoup ).

Or, à cet endroit - pour y avoir pratiqué la baignade durant toutes mes jeunes années - je peux vous dire que le lit mineur de la Garonne se rétrécit environ 400 mètres en amont du pont en sortie de virage où la rivière est large et peu profonde (profondeur max. de l'ordre de 1.50 m) avec de nombreux radiers en galets et graviers.

Plus on approche du pont, et plus le fleuve gagne en profondeur, pour atteindre environ 3.5 à 4 m en période estivale à l'aplomb du pont avec un courant assez modeste. Et bien même au plus fort de la canicule de 2003, sitôt passé en dessous de 2 mètres de profondeur à cet endroit, alors que les eaux de surfaces affichaient pas loin de 30°C, vous vous retrouviez dans une eau à la fraicheur plus que surprenante. D'ailleurs, pour l'anecdote, nager dans les courants de faible profondeur donnait chaud /emoticons/tongue@2x.png 2x" width="20" height="20">.

Là, il doit y avoir des échanges thermiques qui se font y compris en hiver avec des masses d'eau qui sont plus volontiers en contact avec un fond de graviers qu'avec une surface glaciale. Or, par principe, le sol a une température positive d'où le possible réchauffement - même modeste - de la masse d'eau.

Enfin, ça c'est valable pour les grandes rivières et je ne saurais pas le mettre en équation /emoticons/smile@2x.png 2x" width="20" height="20">

[ribi]

Et les coefficients de rugosité des fonds ainsi que des berges ne peuvent-ils pas influer sur l'équation de départ ?

Cela ne remet pas en cause le calcul, si le ruisseau à l'altitude z+h est statistiquement comme à l'altitude z, il a perdu la même énergie quel que soit le processus qui fait perdre cette énergie : turbulence, frottement sur les fonds...Je suis tout à fait d'accord que les flux thermiques provenant de la terre ne sont pas à négliger (ce sont eux qui expliquent pourquoi la température sous une couche de neige reste à 0°C).

[Invité Guest]

Un peu en vrac. Il est clair que les frottements sont largements insuffisants pour expliquer la hausse de température. La kinétothermie existe, mais c'est inefficace. Et si la rugosité intervient, ce n'est pas elle qui va changer grand'chose. L'eau est tout de même très peu visqueuse, et l'effet est négligeable. L'approche de Ribi est exacte théoriquement, mais un fleuve va dépenser son énergie aussi dans d'autres phénomènes comme les vagues, l'abrassion,... En eux mêmes pour les frottements, je n'ai pas de valeurs certaines sous la main, mais il me semble que c'est de l'ordre d'une dizaine de joules par mètre linéaire. On oublie donc. Je pense que l'effet le plus important est la chaleur du sol. La France, ce n'est pas le pays du pergélisol /emoticons/happy@2x.png 2x" width="20" height="20"> C'est d'ailleurs sur ce principe que fonctionne les puits canadiens, et une profondeur d'1m5 à 2m suffit pour une efficacité réelle. L'exemple du rocher sur lequel le fleuve gèle est d'ailleurs pertinent. Le cours d'eau n'est pas un système thermodynamique en seul contact avec l'air. Il échange de l'énergie via d'autres interfaces.

Pour le cas cité par Lolox, je n'ai pas de réponses certaine non plus. Je penses quand même que la Garonne a déjà du, au moins, charrier de la glace auparavant, en décembre 1879 (la température moyenne mensuelle s'établit entre -1°C à -2°C pour la vallée de la Garonne ce mois ). Si la question du départ donne un peu l'impression que Fossile47 venait de découvrir que l'eau à 0°C, cela gèle, la question plus intéressante du pourquoi le gel ou non ne peut pas avoir de réelle réponse si ce n'est de vagues généralités. Cela dépend beaucoup du cours d'eau, du débit, de son lit et de son aménagement, de sa turbidité, de sa salinité... Autant de paramètres qui varie même pour un même cours d'eau année après année, ce qui fait que l'embâcle d'un cours d'eau est un très mauvais proxie de la température. Il est clair que le gel de l'air ne suffit pas, mais par après qu'elles sont les conditions suffisantes, il n'y a pas de généralité.

[Damien49]

J'ai trouvé une autre raison supplémentaire encore :

[...] la densité de l'eau liquide est supérieure à la densité de la glace (état où l’eau est cristallisée). De ce fait, en hiver la glace qui se forme à la surface d'un étang y reste et protège du gel l'eau située plus bas, ce qui permet aux poissons et autres êtres vivants d'y survivre. L'eau atteint sa plus haute densité à la température de 4°C, qui est ainsi la température qu'on trouve typiquement au fond d'un étang gelé. Une autre conséquence est que la glace fond quand suffisamment de pression lui est appliquée.

source : http://www.techno-science.net

Aussi je me pose la question de la "pression". Le débit d'une rivière doit aussi jouer en défaveur de la formation de la glace non ?

[Invité Guest]

Oui, c'est pour cela que l'océan profond est ~4°C uniformément. Cela joue aussi sur la formation de la banquise, avec des échanges convectifs. Pour ceci : "Une autre conséquence est que la glace fond quand suffisamment de pression lui est appliquée." je ne vois pas ce que le site veut dire. La température de fusion de la glace n'est quasiment pas fonction de la pression (de mémoire, c'est de l'odre de 1°C pour 100 bars... ), et cela est vrai en toute généralité pour les solides et liquides qui, relativement incompressibles, sont très peu sensible à la pression. Les différences entre une eau à 0°C et 1 atm et une eau à 0°C et 15 atm sont bien inférieur aux ordres de grandeurs des évolutions physiques, donc totalement négligeables et négligées. Comme le disait Ribi, il y a équivalence entre pression et débit, mais le débit n'est pas de la pression. L'équation basique de Bernouilli dit que :

P + rhô * g * z + 0.5 * m * (S * Qv)² = constante

ou la forme différzentielle nulle (pour une masse et une gravité constante)

P1 + rhô * g * delta(z) + 0.5 * m * delta((S * Qv)²) = 0

avec g la gravité (9.81 ms^-2), Qv le débit volumique, S la section de passage, z l'altitude, m la masse et P la pression. Donc P et Qv ont une certaine forme d'équivalence, mais l'un n'est pas l'autre. De là, il y a plusieurs conclusions.

Plus on augmente le débit, plus la puissance froid doit être augmentée. Il sera plus facile de faire geler un filet d'eau que la Garonne par exemple, il y a plus de masse à refroidir au même instant t. D'une manière générale, la hausse du débit accélère les flux thermiques.

Il y a un autre effet, qui n'est pas du directement au débit mais à la vitesse. Si on augmente la vitesse, on augmente la turbulence, on augmente le brassage et on évite la stratification qui fait que l'eau liquide coule et la glace surnage (densité max à ~4°C comme vous le disiez).

Enfin, la turbulence peut maintenir l'eau en surfusion, mais l'effet n'est pas durable. L'état est métastable, et ne peut pas vraiment expliquer que l'eau gèle ou ne gèle sur des laps de temps plus long que un ou deux jours.

http://en.wikipedia.org/wiki/Frazil_ice

http://www.comet.ucar.edu/class/hydromet/07_Jan19_1999/html/River_Ice_pt1/sld001.htm

[Antoine1]

Oui, c'est pour cela que l'océan profond est ~4°C uniformément.

Oula non ! L'océan profond est bien plus froid que ça (moins de 2°C, et même 0°C en profondeur près de l'Antarctique), et sa température n'est pas uniforme /emoticons/wink@2x.png 2x" width="20" height="20"> Il ne faut pas oublier que l'océan est salé et que, de plus, à basse température, la densité dépend surtout de la salinité.

[Invité Guest]

Oula non ! L'océan profond est bien plus froid que ça (moins de 2°C, et même 0°C en profondeur près de l'Antarctique), et sa température n'est pas uniforme /emoticons/wink@2x.png 2x" width="20" height="20"> Il ne faut pas oublier que l'océan est salé et que, de plus, à basse température, la densité dépend surtout de la salinité.

N'exagérons pas non plus dans l'autre sens. C'est vrai qu'en profondeur on est plus proche de 2°C que des 4°C pris en réaction au message de Damien, mais cela ne change pas grand'chose. L'océan polaire est encore un autre sujet. Et la température est relativement homogène passé les 1000 mètres. Le sujet initial n'était pas l'océanographie, et c'était juste un apparté d'une phrase.

[Antoine1]

N'exagérons pas non plus dans l'autre sens. C'est vrai qu'en profondeur on est plus proche de 2°C que des 4°C pris en réaction au message de Damien, mais cela ne change pas grand'chose. L'océan polaire est encore un autre sujet. Et la température est relativement homogène passé les 1000 mètres. Le sujet initial n'était pas l'océanographie, et c'était juste un apparté d'une phrase.

Cela dépend vraiment du niveau de précision auquel on travaille ... Enfin, je voulais surtout dire qu'utiliser le fait que l'eau douce a une densité maximale à 4°C pour en déduire les propriétés de l'océan profond est un raccourci un peu trop poussé. Mais tu as raison, revenons-en aux rivières ! (comme on dit sur ce forum)

[Lolox]

Bonjour,

comme hier soir j'ai tenté de poster sur mon téléphone, mais une fois le message bien rédigé, ça m'a planté

Donc, je recommence, mais cette fois-ci en vrac, désolé...

Alors, tout d'abord, il faut intégrer que l'eau de nos rivières comporte pas mal d'éléments qui doivent influer sur les variables des équations qui vous cherchiez à poser.

Ainsi, elle comporte de manière variable une certaine quantité de plancton, des sédiments dissous, qui font que les indices de viscosité doivent être influencés à minima, notamment à proximité du fond où les densités doivent être les plus importantes /emoticons/wink@2x.png 2x" width="20" height="20">

En outre, par rapport à la question posée par fossile47, il faut considérer que pas mal de rejets arrivent dans nos cours d'eau à des températures supérieures à celles de l'air.

Par exemple, en réseau d'assainissement, à l'intérieur des collecteurs, la température oscille généralement entre 15 et 18°C - il existe d'ailleurs des projets de récupération thermique de ces effluents pour des chauffages collectifs - ceci pouvant un peu varier selon la profondeur de la canalisation.

Normalement, en cours de semaine prochaine, je devrais avoir accès - après avoir demandé à mon collègue de bureau des données là dessus - aux graphiques issus des prises de températures des effluents lors de leur arrivée en STEP. Mais grosso-modo on s'accorde pour une température de l'ordre de 15/16°C /emoticons/smile@2x.png 2x" width="20" height="20">

Aussi, pour une ville de 5000 habitants, cela représente environ 1800 m3 par jour (mais là aussi j'aurai des chiffres bien plus précis Mardi, car pour l'instant nous sommes sur des estimations).

Imaginez, ce que ça peut représenter pour une agglomération de 650 000 habitants comme Toulouse .

A cela, rajoutez que les phénomènes de brassage des boues et clarification par fermentation sont des processus exothermiques, qui provoquent donc un nouvel échauffement des effluents aux alentours de 20 à 25°C selon les techniques employées. Finalement, compte tenu de la multiplication de ces installations depuis quelques décennies, on peut se dire qu'en Hiver lorsque la température est tangente pour le gel du cours d'eau cela contribue à retarder le phénomène.

Jadis, les méthodes d'épuration étaient non-collectives lorsqu'elles existaient... A présent, même les villages de 3000 habitants doivent en être équipés

Rajoutons à cela les effets induits par les seuils, facilitant potentiellement le gel de surface, mais laissant passer les eaux remontant des fonds en partie amont car par les processus de sédimentation qui se produisent au dessus de ces ouvrages, l'appel d'eau pour le passage du seuil est parfois plus important en profondeur qu'en surface où il est visible.

Enfin, dernier ingrédient à considérer, c'est l'effet des barrages de gros volumes sur les masses d'eau.

Là, je prends un exemple : La Dordogne.

Alors que la plupart des autres cours d'eau de la région en période estivale (comme le Lot, le Célé, la Corrèze, etc.) sont à des températures souvent supérieures à 20°C (je pense au Lot où je pêchais les soirs en sortant du bahut - et oui, j'aimais pas les devoirs - aux mois de Mai, Juin et Septembre, dont la température tournait autour de 25 à 26°C). Et bien, dans les coins de Souillac, ou Bretenoux, baignez vous dans la Dordogne fin Juillet, et vous aurez peut être un peu plus frais qu'ailleurs avec un eau qui peine à passer les 20°C dans ce secteur.

La raison ?

L'eau issue des barrages en amont est prise dans les strates inférieures, et ressort dont à des températures quasi constantes Eté comme Hiver, et ce doit être en sortie entre 5 et 10°C.

Enfin, voilà, tout ça pour dire que les phénomènes d’embâcle des cours d'eau par la glace sont complexes

[Damien49]

Merci pour ces précisions forts intéressantes lolox. Nous nous sommes en effet concentrés uniquement aux causes physiques en oubliant l'essentiel. L'apport biologique et anthropique.

Finalement si on cumule tout ce qui a été dit, cela fait pas mal de variables et processus différents qui permettent d'expliquer cela. Et on en a sans doute oublié. Sujet fort intéressant.