L'Agence internationale de l'énergie atomique met en place un réseau d'isotopes des lacs : le niveau d'eau baisse, comment déterminer s'il s'agit d'évaporation ou d'une diminution des apports ?

Même lorsque le niveau d'eau baisse, un lac peut perdre de l'eau de différentes origines

Une échelle limnimétrique peut enregistrer l'ampleur de la baisse du plan d'eau, mais les seules lectures permettent difficilement d'indiquer aux gestionnaires où l'eau est partie. Des températures élevées continues augmentent l'évaporation, de faibles précipitations en amont réduisent les apports des rivières, et les prélèvements dans le bassin ainsi que les échanges avec les eaux souterraines peuvent également modifier le volume d'eau du lac. Plusieurs de ces processus peuvent se produire simultanément. Pour décider s'il faut ajuster en priorité les prélèvements en amont ou renforcer les réserves d'approvisionnement en eau pour la saison sèche, il faut savoir quel changement a le plus d'impact sur le volume d'eau du lac.

L'Agence internationale de l'énergie atomique (International Atomic Energy Agency, AIEA) a annoncé le 3 novembre la création du Réseau mondial des isotopes des lacs (Global Network of Isotopes in Lakes, GNIL). Le réseau prévoit de rassembler des données sur les isotopes stables, la chimie de l'eau et les observations environnementales ; les travaux initiaux comprennent l'harmonisation des méthodes d'échantillonnage, l'organisation et la coordination des prélèvements, ainsi que la mise en place de modalités de partage des données. Vingt-deux pays ont déjà exprimé leur intérêt à participer. Ce chiffre reflète une intention de participation. La capacité du réseau à accumuler des données comparables sur le long terme dépendra toutefois de la persistance des membres à appliquer le même ensemble d'exigences d'échantillonnage et de contrôle qualité.

L'évaporation modifie la proportion de molécules d'eau légères et lourdes dans le lac

L'hydrogène et l'oxygène des molécules d'eau possèdent chacun différents isotopes. Le deutérium (Deuterium) est un isotope stable de l'hydrogène plus lourd, et l'oxygène-18 (Oxygen-18) est plus lourd que l'oxygène-16. Lorsque l'évaporation se produit à la surface de l'eau, les molécules d'eau plus légères passent généralement plus facilement dans l'air, et l'eau restant dans le lac s'enrichit relativement en isotopes lourds. Ces variations de composition naturelle peuvent être mesurées en laboratoire. L'analyse des isotopes stables (Stable Isotope) exploite les différences de composition présentes à l'origine dans l'eau ; le travail de terrain commence généralement par le prélèvement d'échantillons d'eau du lac et de ses apports potentiels.

La composition des apports eux-mêmes peut également varier. La source des précipitations, la saison et l'altitude peuvent toutes influencer le rapport des isotopes de l'hydrogène et de l'oxygène. Les eaux souterraines peuvent intégrer une recharge pluviale sur une plus longue période, et les rivières peuvent mêler les eaux de différents affluents. Une hausse ponctuelle de la proportion d'isotopes lourds dans l'eau du lac doit être interprétée conjointement avec les précipitations, les rivières alimentant le lac et les apports éventuels d'eaux souterraines de la même période. Si l'évaporation s'intensifie, l'eau du lac présente souvent, par rapport à ses apports, une signature d'enrichissement par évaporation. Si les sources d'apport changent, la variation du lac peut en partie hériter de la composition des nouveaux apports. Les deux signaux peuvent parfois se superposer, et une observation continue est nécessaire pour les distinguer.

La possibilité d'utiliser les données d'un lac à l'autre dépend de la précision avec laquelle les conditions de prélèvement sont décrites

Un lac profond peut présenter une stratification thermique en été. La surface du lac est directement soumise à l'évaporation, tandis que les couches plus profondes peuvent échanger moins avec la surface pendant une certaine période. Si le site A ne prélève des échantillons de surface qu'en été et le site B prélève lors du mélange complet du lac en hiver, même avec des instruments d'analyse parfaitement identiques, les deux séries de données représentent des masses d'eau différentes. Un réseau transnational doit conserver la position, la profondeur, la date, la température de l'eau et les conditions hydrologiques du moment. Ce n'est que lorsque ces informations sont complètes que les chercheurs savent si deux enregistrements peuvent être comparés.

Le diagnostic réel doit également s'appuyer sur le bilan hydrologique (Water Balance). Les précipitations et les apports au lac entrent dans le bilan, l'évaporation, les déversements et les prélèvements en sortent, et le niveau d'eau ainsi que la morphologie du bassin lacustre reflètent les variations du stock. Les isotopes stables ajoutent à ce bilan des informations sur les sources et l'évaporation, tandis que les stations hydrologiques, les stations météorologiques et les registres de prélèvement fournissent des contraintes indépendantes. Si la recharge des eaux souterraines est difficile à mesurer directement, les chercheurs peuvent recourir à plusieurs scénarios candidats pour trouver une explication compatible à la fois avec les observations de volume d'eau et d'isotopes. Parvenir à exclure certaines explications peut parfois suffire à modifier l'implantation de la prochaine campagne d'investigation.

Le premier résultat du réseau devrait être des enregistrements vérifiables en période d'étiage

Un ensemble de données ayant une valeur de gestion devrait pouvoir expliquer comment la composition du lac et de ses apports évolue avant et après la période d'étiage, dans quelle mesure les variations de l'évaporation et des apports expliquent respectivement la baisse du niveau d'eau, et d'où provient l'incertitude résiduelle. Pour les services d'approvisionnement en eau, ce qui est réellement utile, c'est de déterminer à partir de là s'il faut compléter les mesures des eaux souterraines, vérifier les volumes prélevés ou réestimer les pertes par évaporation des années de forte chaleur. Si différentes régions peuvent vérifier ces conclusions selon les mêmes méthodes, la surveillance inter-lacs aura une véritable valeur décisionnelle.

(Cet article est rédigé de manière indépendante à partir de l'index de publication du réseau et des messages du projet de l'Agence internationale de l'énergie atomique, ainsi que d'une note explicative du réseau publiée par l'American Nuclear Society, après une organisation assistée par intelligence artificielle. Les exemples cités servent à expliquer l'hydrologie des isotopes stables ; l'attribution pour un lac donné nécessite une surveillance de terrain et une validation par bilan hydrologique.)