Pourquoi la température de l’eau compte

La température n’est pas qu’un simple chiffre posé sur un thermomètre. C’est un signal vivant qui raconte la saison, le rythme du jour et de la nuit, la vigueur du courant, l’ombre des ripisylves, les épisodes de pluie ou de chaleur. Elle se lit comme on lirait un paysage en mouvement, avec ses contrastes et ses ruptures, et elle en dit beaucoup sur la capacité d’un cours d’eau à encaisser les chocs et à rester vivant et habitable pour la faune et la flore.

Viennent alors les mécanismes plus fins qui relient ce signal au fonctionnement du milieu : la solubilité de l’oxygène dissous conditionne la respiration des organismes aquatiques, l’équilibre des communautés et, en fin de compte, la qualité écologique du cours d’eau. À mesure que l’eau se réchauffe, sa capacité à retenir l’oxygène diminue, ce qui accroît le stress des organismes vivants et favorise certaines proliférations algales estivales.

Pour les autorités de bassin et les collectivités, suivre la température revient donc à surveiller un indicateur précoce à la fois de l’état écologique et des risques d’usage.

Dans les politiques publiques de l’eau, la thermie intervient comme paramètre transversal, depuis l’évaluation de l’état des masses d’eau au titre de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) jusqu’aux plans d’action locaux. En pratique, elle éclaire autant l’état intrinsèque des milieux que les pressions qui s’y exercent.

Voir la synthèse proposée par Eaufrance.

Ce que révèle la thermie sur l’état d’une rivière

Observer la thermie, revient donc à lire une série d’indices qui racontent la santé globale du cours d’eau. Une élévation durable peut annoncer un déficit d’oxygène et, à terme, des mortalités piscicoles ou un inconfort thermique ou des perturbations dans les cycles reproductifs des espèces d’eaux fraîches.

Des variations brusques ou des gradients marqués pointent parfois des pressions causées par l’activité humaine : ralentissements d’écoulement, déficit d’ombrage dû au déboisement, rejets plus chauds ou fragmentation par des ouvrages (seuils, barrages, digues, clapets) qui ralentissent l’écoulement et créent des retenues plus chaudes en ralentissant l’écoulement naturel.
À l’inverse, des zones froides persistantes peuvent révéler des apports d’eaux souterraines, des secteurs bien ombragés ou des morphologies favorables. La courbe de température devient alors un révélateur utile pour prioriser les diagnostics, mais aussi anticiper et cibler les actions.

D’où viennent les variations de température

La température d’une rivière n’obéit jamais à une cause unique. Elle résulte au contraire d’un équilibre subtil et mouvant entre météo, débits, forme du lit, ouvrages et usages humains, avec des effets qui se cumulent ou se compensent selon les lieux et les saisons. Les points ci-dessous détaillent les principales causes de ces variations.

Climat et saisonnalité

Comme on peut s’y attendre, le premier moteur est météorologique. En été, les canicules, l’ensoleillement prolongé et l’absence de précipitations élèvent la température tout en accentuant l’amplitude diurne. À l’échelle saisonnière, l’inertie thermique du bassin et la couverture nuageuse contribuent aussi à façonner le régime de températures.

Hydrologie et étiage

L’hydrologie aussi pèse lourdement sur la thermie. Des débits faibles et des étiages prolongés réchauffent les eaux de surface, notamment en augmentant le temps d’écoulement des flux. À l’inverse, des apports d’eaux souterraines plus fraîches tempèrent les excès de chaleur et créent des poches de résilience thermique qui peuvent jouer un rôle de refuge pour la faune aquatique.

Morphologie et ombrage

La forme du lit, l’ombre des arbres sur les berges, la profondeur et la nature plus ou moins caillouteuse du fond influencent eux aussi la dynamique thermique des rivières. Au fil de l’eau, ces facteurs dessinent parfois des différences de température marquées entre l’amont et l’aval d’un même cours d’eau.

Ouvrages et plans d’eau

Les retenues, seuils et barrages peuvent agir comme des régulateurs thermiques selon leurs modalités de gestion et de lâchers. En ralentissant l’écoulement et en augmentant la surface exposée au soleil, ils favorisent parfois la formation d’eaux plus chaudes, surtout en période d’étiage (basses eaux).

Pressions anthropiques locales

Les rejets d’origine humaine, urbains et industriels, les plans d’eau artificiels, les canaux de dérivation ou le prélèvement d’eau pour l’irrigation notamment, introduisent des perturbations ponctuelles ou récurrentes. Leur influence se lit dans les chroniques et sur les cartes de gradients et se trouve largement accentuée en période chaude.

Confluences et mélanges de masses d’eau

Au confluent, quand un affluent rejoint la rivière principale, les deux eaux n’ont pas toujours la même température. On voit alors se former, sur quelques dizaines ou centaines de mètres, une ligne de contraste où les masses d’eau se mêlent progressivement. Ce « trait » thermique indique clairement qui apporte quoi : l’affluent amène-t-il une eau plus fraîche issue de sources ou d’ombre en amont, ou au contraire une eau plus chaude traversant des zones dégagées ou urbaines. En aval du confluent, le mélange s’homogénéise peu à peu, mais cette trace initiale permet de comprendre clairement l’origine des différences de température.

Impacts concrets d’une hausse thermique

Lorsque la température grimpe, les effets se diffusent à tous les étages du système. Sur le plan écologique, les niches des espèces d’eaux froides se contractent tandis que des espèces plus tolérantes progressent, ce qui recompose les communautés biologiques et fragilise certains équilibres.

Les risques sanitaires augmentent aussi avec la température de l’eau, notamment en lien avec les cyanobactéries, couramment appelées “algues bleues”, et les gestionnaires doivent ajuster la surveillance des zones de baignade ou des plans d’eau urbains. Pour l’eau potable, l’élévation thermique peut compliquer les traitements et alourdir leurs coûts, surtout lors des périodes particulièrement chaudes, de plus en plus fréquentes.

Sur le terrain, plusieurs bassins français documentent des tendances haussières et des épisodes estivaux critiques. Ces constats incitent à des actions de renaturation pour “rafraîchir” les rivières : restauration de ripisylves, diversification morphologique, remise en continuité.

À lire aussi sur le blog vorteX-io : Dégradation des milieux aquatiques.

Comment mesurer la température

Mesurer la thermie répond à des objectifs différents selon les acteurs et les échelles géographiques, mais repose partout sur un même triptyque.

Campagnes ponctuelles

Les campagnes de mesures « classiques » sur le terrain offrent des instantanés utiles pour le diagnostic, les inventaires ou les contrôles réglementaires. Particulièrement coûteuses en temps, les limites de cette méthode tiennent aux trous de séries et aux biais temporels qui empêchent de saisir les dynamiques jour-nuit, les pics estivaux ou les épisodes brefs liés aux aléas météorologiques.

Mesure in situ en continu

En offrant le possibilité de faire de la mesure en continu in situ, les capteurs fixes ou des réseaux de stations apportent des chroniques à haute fréquence, indispensables pour détecter précocement des anomalies, quantifier des durées au-dessus de certains seuils et suivre les tendances saisonnières ou les aléas météorologiques brefs.

Approches synoptiques

Les approches dites « synoptiques » capturent, en une ou quelques prises de vue, une large portion d’un bassin ou d’un linéaire de rivière. Thermographie aérienne, par drones ou observation satellitaire offrent ainsi une vision d’ensemble instantanée.
Elles permettent de cartographier à grande maille les gradients de température, de repérer les points chauds et les zones froides (confluences, panaches de rejets, résurgences souterraines, secteurs bien ombragés) et de prioriser les secteurs où approfondir l’analyse.

Complémentarité in situ x synoptiques

Cette vue “grand angle” s’avère particulièrement utile pour complémenter les séries temporelles issues des capteurs in situ, qui apportent la dimension temporelle fine nécessaire à l’alerte et au suivi opérationnel. Les synoptiques servent notamment à cibler les secteurs géographiques prioritaires où il est nécessaire de densifier le suivi in situ et à formuler des hypothèses plus macroscopiques.

La mesure in situ quant à elle, valide les valeurs, suit les dynamiques jour-nuit et quantifie la durée des périodes au-dessus de seuils. Ensemble, ils relient le « où » et le « quand » pour expliquer les phénomènes et orienter les actions opérationnelles.

Limites usuelles et points de vigilance

Même bien conçues, les stratégies de mesure souffrent de biais connus qu’il faut intégrer dès le cahier des charges. Des chroniques trop ponctuelles ne captent pas les dynamiques courtes ni les épisodes extrêmes et brefs.
L’hétérogénéité des dispositifs et des référentiels complique aussi souvent les comparaisons entre bassins ou opérateurs de mesure. La latence d’accès aux données peut elle également réduire la valeur opérationnelle d’un suivi censé alerter et appuyer des décisions rapides.

Enfin, sans interopérabilité, il s’avère difficile de croiser les données de température des cours d’eau avec d’autres paramètres hydrologiques significatifs tels que débit, vitesse ou hauteur d’eau, d’agréger des sources variées ou de partager efficacement l’information entre différents services d’une même structure.

Pourquoi viser un suivi temps réel multiparamétrique

Dans les phases chaudes, la question n’est pas seulement “combien” mais “pourquoi” puis “que faire”.
Un suivi multiparamétrique en temps réel permet précisément de relier les symptômes et leurs causes. En croisant la température avec le niveau, la vitesse de surface, la pluviométrie et le contexte hydrologique, on détecte plus tôt les franchissements de seuils, on attribue un épisode à un lâcher d’ouvrage, à un rejet, à un déficit d’ombrage ou à un étiage exceptionnel. Finalement, il devient possible de documenter des indicateurs directement utiles à l’action publique (amplitude diurne, durée au-dessus de seuils, gradients longitudinaux). Pour les équipes, disposer d’un même tableau de bord partagé facilite grandement la chaine décisionnelle et opérationnelle :

• prise de décisions rapides et concertées,
• communication interne et externe,
• planification et priorisation des moyens à mettre en œuvre,
• évaluation de l’efficacité des mesures prises.

Cas d’usage par profil

La même donnée ne produit pas les mêmes décisions selon les acteurs. Du bassin versant à l’ouvrage, le suivi thermique croisé avec l’hydrologie en temps réel répond tour à tour à des enjeux de planification, d’alerte, de modélisation ou de continuité d’activité. Voici, pour différents profils, ce que cela change concrètement.

EPTB, EPAGE et syndicats mixtes

Le suivi thermique en continu sert à préparer et piloter les plans de gestion d’étiage, à objectiver la priorisation des actions de renaturation et à alimenter les tableaux de bord réglementaires, tout en facilitant la concertation avec les partenaires de bassin.

Collectivités et services GEMAPI

Des alertes ciblées aident à informer les usagers lors d’épisodes critiques, à sécuriser les zones de baignade et les plans d’eau urbains, et à communiquer auprès du public avec des preuves partagées et traçables.

Bureaux d’études

Des données denses et qualifiées améliorent le calage de modèles hydro-écologiques, la scénarisation d’aménagements rafraîchissants et la quantification des bénéfices attendus des solutions fondées sur la nature.

Entreprises exposées

À proximité des cours d’eau, les entreprises peuvent adapter leurs procédés et leurs rejets, sécuriser la continuité d’activité (PCA) via des seuils et des scénarios concrets, pour mettre en lumière les investissements prioritaires de réduction des risques en période chaude ou d’étiage.

Mettre en place un réseau de suivi thermique

La réussite d’un dispositif tient d’abord à la localisation des sites. Confluences, tronçons à fort contraste d’ombre et de lumière, exutoires urbains ou industriels et secteurs écologiquement sensibles constituent des candidats tout désignés. La densité de points et le pas de temps doivent trouver un équilibre entre couverture spatiale, précision et maintenance.

Sur le plan de la donnée, l’interopérabilité reste un point clé, avec des formats uniformisés, partagés, et si possible ouverts, couplés à des droits d’accès adaptés aux missions des différents services. La continuité de service s’appuie sur une supervision active et fluide, des notifications d’alertes personnalisées et un plan de maintenance précis.

Interpréter & agir

La donnée n’a de valeur réelle que si elle permet de comprendre et si cette compréhension mène à l’action ciblée. Définir des seuils d’alerte écologiques et opérationnels propres au bassin permet de connecter l’observation au pilotage.
Ainsi, lorsqu’un seuil est dépassé, on pourra déclencher des mesures adaptées au contexte :

• amélioration de l’ombrage riparien,
• diversification morphologique,
• ajustement de la gestion des ouvrages,
• optimisation des rejets,
• une communication de crise si nécessaire.

L’évaluation s’organise ensuite avec des comparaisons avant-après, des indicateurs de durée d’exposition et d’amplitude diurne, et, si possible, un couplage systématique avec le débit et les précipitations pour expliquer les épisodes, pour pouvoir anticiper les prochaines occurrences d’évènements.

Tableaux de bord & indicateurs utiles

Les tableaux de bord opérationnels gagnent à rester lisibles tout en montrant l’essentiel. Température moyenne, minimale et maximale donnent un premier aperçu. L’amplitude diurne et les gradients longitudinaux renseignent également sur la dynamique des cours d’eau. La durée d’exposition au-dessus de seuils écologiques ou réglementaires fournit elle aussi une métrique immédiatement actionnable.
Le comptage des événements et leur temps de retour facilite le retour d’expérience, tandis que des corrélations multiparamètres (comparaison de la courbe thermique avec celle du débit par exemple) expliquent les épisodes et priorisent les réponses à apporter.

Cas d’usage : Agence de l’Eau Adour-Garonne

En 2024 et 2025, l’Agence de l’Eau Adour-Garonne a déployé avec vorteX-io un réseau de 145 stations de mesure in situ à l’échelle du bassin pour suivre en temps réel simultanément la température de surface et d’autres paramètres hydrologiques. Les objectifs affichés du projet étaient multiples :

1. combler un déficit historique de données fines,
2. créer un socle partagé pour mieux documenter la sécheresse,
3. objectiver l’impact du changement climatique,
4. appuyer l’action publique.

Ce retour d’expérience illustre un changement d’échelle résolument novateur dans la disponibilité de données thermiques et leur usage opérationnel.

Retrouvez l’entretien avec Thibaut Feret, coordonnateur du projet côté Agence de l’Eau Adour-Garonne :

Suivi thermique des cours d’eau : l’Agence de l’Eau Adour-Garonne innove avec vorteX-io.

Autre ressource à lire sur le blog vorteX-io : Mesure de la qualité de l’eau.

Conclusion

La température n’est pas qu’un indicateur parmi d’autres, c’est la sentinelle des rivières. Quand elle grimpe, toute la chaîne s’en ressent : état écologique qui se dégrade, risques sanitaires en hausse, usages sous tension. La comprendre, c’est se donner les moyens d’anticiper, de protéger et d’arbitrer avec justesse, dans un contexte où les épisodes chauds ont vocation à s’enchaîner.

Pour passer de l’intuition à l’action, l’essentiel est d’articuler les données thermiques avec les données hydrologiques en temps réel (débit, hauteur, vitesse, pluie). Cette complémentarité relie le « pourquoi » au « comment » : elle attribue les phénomènes, hiérarchise les priorités et alimente des seuils d’alerte pertinents. Quelle que soit l’échelle, la trajectoire est claire : instrumenter les sites clés, partager un tableau de bord commun, puis agir de façon ciblée en activant les leviers efficaces. Ce triptyque observation-compréhension-mise en œuvre fait du suivi de la température des cours d’eau un véritable accélérateur de résilience territoriale.

Face à ces tensions croissantes sur les milieux, l’Agence de l’Eau Adour-Garonne (AEAG) a fait le choix d’expérimenter un dispositif inédit à l’échelle de son bassin : le déploiement de 145 stations thermiques capables de mesurer en temps réel la température de surface des rivières, en parallèle d’autres paramètres hydrologiques. Avec, en toile de fond, une question centrale pour les politiques de l’eau comme pour les bureaux d’études : que permet réellement le suivi thermique des cours d’eau à grande échelle, et comment l’intégrer aux décisions de terrain ?

Le 17 novembre 2025, un webinaire de restitution coorganisé par l’AEAG et vorteX-io, dans la salle Garonne du siège toulousain de l’agence, est venu apporter d’importants éléments de réponse. Les deux équipes y ont présenté les résultats de ce vaste projet, ont détaillé la manière dont les données sont produites et exploitées, et partagé les premiers enseignements tirés pour la gestion opérationnelle des cours d’eau du bassin. Cet article reprend et met en perspective les principaux messages de cette restitution, afin d’éclairer, au-delà du seul webinaire, les acteurs publics et les professionnels de l’ingénierie de l’eau intéressés par le suivi thermique des cours d’eau.

Un contexte où la température de l’eau devient stratégique

L’enjeu de la thermie pour la qualité des milieux

Dans son introduction au webinaire de restitution, Martine Gaeckler, directrice adjointe de l’Agence de l’Eau Adour-Garonne, rappelle que « la connaissance et la surveillance de la qualité des milieux font partie des missions centrales de l’agence ». Avec le réchauffement climatique, la température n’est plus un simple paramètre complémentaire dans les diagnostics de bassin. Elle devient un indicateur structurant pour comprendre l’évolution du fonctionnement de ces milieux, ainsi que l’évolution de leur qualité.

Le suivi thermique des cours d’eau permet de passer d’une perception fragmentaire, fondée sur quelques campagnes ponctuelles, à une vision dynamique de la thermie : comment la rivière réagit à un épisode caniculaire, comment elle se refroidit la nuit, comment un tronçon se comporte lors d’un étiage sévère. Cette finesse de lecture est indispensable pour adapter les plans de gestion d’étiage, les stratégies de protection des milieux ou encore les actions de renaturation.

Un projet au croisement de la recherche et de l’opérationnel

Comme le rappelle Thibaut Feret, coordonateur de ce projet côté AEAG, l’expérimentation présentée lors du webinaire ne part pas de zéro. Au contraire, elle s’inscrit dans la continuité de plusieurs travaux menés avec des partenaires scientifiques et institutionnels :

• études pour la Calibration/Validation du satellite SWOT (CNES + vorteX-io)
• projet pédagogique de l’AEAG avec le lycée de Muret (Haute-Garonne), le CNES et l’IRD (Institut de Recherche pour le Développement)
• programme européen WHYLD (2019-2022) dédié à la surveillance des cours d’eau (créé par vorteX-io et cofinancé par l’EIC, Conseil Européen de l’Innovation)

À la suite d’un premier pilote de R&D mené en 2022-2023 avec les stations hydrologiques de vorteX-io, l’Agence de l’Eau Adour-Garonne a souhaité franchir une étape supplémentaire. Il s’agissait de tester sur une période de 18 mois ce réseau de capteurs innovants à grande échelle, sur 150 sites potentiels , afin de produire en continu des mesures, notamment thermiques et d’évaluer la maturité de la mesure de thermie déportée mais aussi de vérifier l’intérêt du dispositif pour le suivi de l’assèchement des cours d’eau intermittents.

Un réseau de 145 stations pour structurer le suivi thermique

Un déploiement opérationnel à l’échelle du bassin

Entre juillet 2024 et octobre 2025, 145 stations vorteX-io ont donc été installées sur des ponts et ouvrages répartis principalement sur les grands axes du bassin Adour-Garonne. Les conseils départementaux ont joué un rôle clé en mettant leurs ouvrages à disposition et en facilitant les autorisations nécessaires au déploiement. Les installations, souvent réalisées par des cordistes, ont été coordonnées par vorteX-io pour limiter les contraintes sur les gestionnaires d’infrastructures.

Le résultat est un réseau de suivi dense, couvrant une grande diversité de contextes hydrologiques avec des rivières de différents types :

• petites et grandes,
• agitées ou beaucoup plus calmes (donc avec de l’eau plus ou moins brassée)
• avec écoulement intermittents ou pas.

Cette diversité est essentielle pour que le suivi thermique des cours d’eau reflète réellement la variété des situations rencontrées sur le bassin.

Comment fonctionne la mesure thermique vorteX-io

La température de surface, ou température de peau

Chaque station est équipée d’un capteur infrarouge qui mesure la température de surface de l’eau, aussi appelée « température de peau ». Il s’agit de la température des tout premiers micromètres de la surface, là où se concentrent les échanges avec l’atmosphère. Cette couche superficielle est particulièrement sensible au rayonnement solaire, à l’évaporation et au vent. Elle peut donc se comporter différemment de la masse d’eau sous-jacente, surtout sur les grandes sections peu brassées.

Concrètement, les stations acquièrent des mesures toutes les heures, 24 heures sur 24. Cette cadence permet de suivre finement les cycles journaliers de réchauffement et de refroidissement des rivières, de capturer les épisodes extrêmes et de mieux comprendre la dynamique thermique des cours d’eau.

L’intérêt de cette approche pour le suivi thermique des cours d’eau est donc double. D’une part, la mesure se fait à distance, sans contact direct avec l’eau, ce qui simplifie l’installation et limite les risques liés aux crues. D’autre part, elle est directement comparable aux mesures d’infrarouge thermique réalisées depuis l’espace, tout en offrant une résolution temporelle bien plus fine grâce à des acquisitions hyperlocales effectuées en continu.

Capteur passif infrarouge

• Capteur infrarouge
• Détection températures entre -40°C et +300°c
• Filtre sur les plages de longueurs d’onde 5,5 µm à 14 µm
• Angle de vue : 55°
• Puissance électrique : 82,5 mW
• Calibration usine

Une comparaison systématique avec des capteurs immergés

Pour apprécier la pertinence de cette température de peau dans le cadre du suivi thermique des cours d’eau, l’AEAG, vorteX-io et la société partenaire Adict Solutions, ont instrumenté 15 sites avec des TinyTags, des capteurs de température immergés à environ 20 cm sous la surface, installés à proximité immédiate des stations. Les séries temporelles obtenues permettent de caractériser les écarts entre température de surface et température en profondeur en fonction du type de cours d’eau et des conditions hydrauliques.

Schéma montrant la différence entre la mesure de température de surface de l’eau par capteur infrarouge et une mesure immergée de référence

Cette démarche de validation s’appuie sur un comité de pilotage associant des experts de la mesure de température de peau et de la télédétection (Magellium, OFB, CNES, IRD…), qui ont contribué à cadrer les protocoles de comparaison et à interpréter les écarts entre température de surface et température immergée.

Sur un cours d’eau bien brassé comme la Leyre à Sabres, les courbes de température de surface et de profondeur se confondent presque.

Série temporelle comparant la température de surface mesurée par station vorteX-io et la température immergée mesurée par TinyTags sur la Leyre à Sabres (Landes, 40)

Sur un tronçon large et peu mélangé comme le Tarn à Courris, les deux signaux peuvent se déphaser et ainsi traduire des inerties thermiques différentes.

Série temporelle de comparaison du suivi thermique (station vorteX-io : température de surface / TinyTags : température immergée) sur le Tarn à Courris (Tarn, 81)

Ces résultats montrent que la température de surface n’est pas une approximation grossière de la température immergée, mais un indicateur à part entière, complémentaire, qui enrichit la compréhension des dynamiques thermiques.

Une infrastructure pensée pour la continuité de service

Disponibilité des données et maintenance du parc

Un suivi thermique ambitieux n’a de valeur que si la donnée est disponible, régulière et exploitable. Sur la période récente analysée, le réseau de stations affiche une disponibilité proche de 95 % sur l’ensemble des types de données collectées. Le délai moyen entre l’acquisition et la mise à disposition dans l’application vorteX-io est de l’ordre de 7 minutes. Pour les utilisateurs, cela revient à disposer en temps réel des informations de thermie, de hauteur, de vitesse et d’images associées à chaque station.

Cette performance s’appuie sur un dispositif de surveillance technique très fin. Chaque station transmet en continu plus de 80 paramètres concernant sa propre santé et la télémétrie, qui permettent de détecter rapidement d’éventuelles anomalies ou dérives. La plus grande partie des interventions est réalisée à distance, via des mises à jour logicielles ou des ajustements de configuration. Les opérations sur site sont réservées aux cas où cela est strictement nécessaire, ce qui rend possible la gestion d’un parc important avec une équipe resserrée.

Une plateforme de données au service des utilisateurs

Les données issues du suivi thermique des cours d’eau sont accessibles via la plateforme en ligne vorteX-io. Les utilisateurs peuvent y consulter les courbes de température de surface, les niveaux d’eau, les vitesses de surface, les images des cours d’eau, ainsi que des données météorologiques issues de sources externes. L’interface permet de naviguer d’une station à l’autre, de zoomer sur des épisodes particuliers, de comparer des périodes, ou d’exporter les séries temporelles pour des analyses plus approfondies.

Une API permet également d’intégrer directement les données dans les outils métiers des agences, des services techniques ou des bureaux d’études. Les séries de température peuvent ainsi alimenter des modèles hydro-écologiques, des observatoires internes, des tableaux de bord réglementaires ou des plateformes de partage interservices.

Ce que révèle le suivi thermique des cours d’eau sur Adour-Garonne

Avec plus d’un million de données thermiques déjà produites, le projet permet de documenter finement la réponse des cours d’eau du bassin Adour-Garonne aux conditions météorologiques et climatiques. Les séries mettent en évidence les pics de chaleur estivaux, leur intensité et leur durée, mais aussi les phases de refroidissement nocturne ou post-événement. Elles permettent de suivre la formation de gradients thermiques entre amont et aval, de visualiser les ruptures à la confluence d’affluents ou encore d’identifier des comportements singuliers sur certains tronçons.

Lors du webinaire, les équipes de l’AEAG et de vorteX-io ont montré comment ce suivi continu révèle parfois des dynamiques contre-intuitives. Certains tronçons se réchauffent très vite mais se refroidissent lentement, certaines confluences présentent des sauts thermiques marqués, et plusieurs cours d’eau intermittents restent thermiquement actifs alors même que l’écoulement visible devient très faible. Pour ces derniers, le suivi thermique des cours d’eau apporte un angle de lecture nouveau en éclairant à la fois les phases d’assèchement, les conditions de reprise d’écoulement et les contraintes thermiques subies par les milieux dans ces périodes critiques.

Pour les agences de l’eau et les services de l’État, ces informations enrichissent les diagnostics de bassin et nourrissent la priorisation des actions à engager sur les axes les plus sensibles. Pour les bureaux d’études, elles constituent un matériau entièrement nouveau pour le calage et la validation de modèles, difficilement accessible avec des dispositifs de mesure plus classiques.

Les bénéfices pour…

Les agences de l’eau et services de l’État

Pour une agence de l’eau ou un service de l’État, un réseau de ce type offre à la fois une vision globale et un niveau de détail inédit. La thermie n’est plus une série de points isolés dans le temps et l’espace, mais une trame continue qui vient compléter les autres informations hydrologiques et de qualité. Le suivi thermique des cours d’eau devient un support pour objectiver les tendances, mesurer l’impact d’actions de restauration, documenter les effets d’un changement d’usage ou d’une modification d’ouvrage.

• Accès à une donnée thermique dense, continue, calibrée
• Outil de surveillance multi-paramétrique (quantité + qualité)
• Support aux programmes de connaissance des milieux
• Contribution à la politique nationale de suivi des cours d’eau

Les bureaux d’études

Pour les professionnels de l’ingénierie de l’eau, l’accès à des données thermiques haute fréquence, multi-sites, sur plusieurs années, constitue un levier important pour améliorer le calage des modèles, affiner les scénarios, produire des analyses objectives argumentées. La possibilité d’intégrer ces données par API dans les outils existants simplifie les flux de travail et réduit le temps consacré à la collecte et au pré-traitement.

• Données in situ exploitables dans les modèles hydro-écologiques
• Meilleure compréhension des influences thermiques locales
• Référentiel homogène pour des diagnostics cohérents
• Possibilité de croiser thermie, niveaux, vitesses/débit, météo

Conclusion

Le projet « Thermie AEAG x vorteX-io » marque une étape majeure dans la surveillance hydrologique des cours d’eau en France en démontrant clairement qu’il est possible de passer d’un suivi parcellaire de la thermie des cours d’eau à une approche structurée, continue et opérationnelle, à l’échelle d’un grand bassin.

En combinant un réseau dense de stations de mesure, une caractérisation scientifique rigoureuse de la température de surface et une plateforme logicielle orientée usages, couplée à une API, le projet offre aux acteurs publics et aux ingénieurs d’études un puissant outil pour mieux mesurer, comprendre, anticiper et piloter les dynamiques des hydrosystèmes.

Ce dispositif ouvre ainsi de nouvelles perspectives :

• pour la connaissance hydrologique de la thermie des rivières
• pour la gestion des axes stratégiques à l’échelle des bassins
• pour les politiques publiques de résilience climatique
• pour les d’études techniques nécessitant des données fiables, continues et exploitables

Pour les agences de l’eau, les services de l’État comme pour les bureaux d’études, ce retour d’expérience envoie un message fort. Le suivi thermique des cours d’eau s’affirme comme un pilier incontournable de la connaissance et de l’adaptation au changement climatique. Et l’Agence de l’Eau Adour-Garonne, vorteX-io et leurs partenaires, viennent de démontrer sans ambiguïté qu’un tel suivi est désormais possible à grande échelle, en continu et en temps réel.

L’objectif de ce passionnant projet de Recherche et Développement pour l’environnement consiste à développer des méthodes innovantes de mesures de la qualité de l’eau des cours d’eau et réseaux hydrologiques.
Nous sommes donc très heureux·ses de vous annoncer que les futures micro-stations du réseau vorteX-io seront dotées de fonctionnalités inédites leur permettant de mesurer par télédétection et en temps réel deux paramètres essentiels à la qualité de l’eau :
• la température de surface
• la turbidité

Mesure de la température des cours d’eau

Parmi les différentes métriques mesurées dans le domaine de la qualité de l’eau, la température de l’eau est une des plus importantes. Il s’agit en effet d’un facteur-clé de l’habitat et du métabolisme des espèces aquatiques et donc de la biodiversité des zones humides en général. Certains organismes aquatiques ont des exigences de température spécifiques pour leur reproduction, voire leur survie. De ce fait, une élévation de la température peut affecter directement leur croissance et leur développement et par là même des pans entiers de la chaine alimentaire de ces écosystèmes fragiles.

La température de l’eau a également un impact significatif sur la quantité de gaz dissous dans l’eau. En général, plus la température de l’eau est élevée, moins elle est capable de dissoudre les gaz. Un cours d’eau peut ainsi subir une diminution drastique de la teneur en oxygène dissous dans ses eaux, ce qui peut avoir des conséquences néfastes sur la faune et la flore aquatiques.

Par ailleurs, la température de l’eau est une variable importante à la fois pour l’agriculture et pour l’industrie et même dans le secteur de l’énergie.

À cet égard, les centrales électriques/nucléaires, par exemple, utilisent de grandes quantités d’eau pour refroidir leurs équipements. La température de l’eau « entrante » et celle de l’eau rejetée constituent donc un facteur majeur dans ce processus et peut avoir un impact non négligeable en termes de sécurité nucléaire.

La surveillance étroite des variations de température dans les cours d’eau et les lacs permet aussi de détecter de potentielles sources de pollution.

Enfin, à plus grande échelle, cette métrique est un des indicateurs essentiels pour évaluer les impacts du changement climatique sur les écosystèmes aquatiques continentaux.

Mesure de la turbidité

La turbidité d’un liquide fait référence à la présence de matières non dissoutes en suspension qui affectent sa transparence.

Dans un cours d’eau, les particules en suspension peuvent être soit d’origine naturelle (sédiments, algues, matières organiques, etc.) soit d’origine anthropique (polluants chimiques, déchets, etc.). Une augmentation de la turbidité peut de ce fait être un indicateur important de la dégradation de la qualité de l’eau.

La quantité de matière en suspension dans l’eau peut avoir un impact direct sur la santé humaine puisque des niveaux élevés de turbidité peuvent être associés à des risques sanitaires, comme des maladies d’origine hydrique. La mesure de la turbidité permet de détecter les risques pour la santé humaine liés à la consommation d’eau potentiellement contaminée (bactéries, virus, parasites et produits chimiques toxiques).

Il faut noter que les épisodes de crues et de sécheresse ont une influence directe sur le niveau de turbidité d’un cours d’eau. Lors d’une crue, les forts débits entrainent avec eux de grandes quantités de sédiments, de matières organiques et de terre arrachés au lit de la rivière, aux berges et aux terrains submergés.
À l’opposé, en cas d’épisode de sécheresse aiguë, notamment en période de canicule, lorsque l’eau s’évapore sous l’effet de la chaleur, les particules de matière en suspension se retrouvent concentrées dans la faible quantité d’eau restante. Dans certains cas, la turbidité peut alors s’élever de façon exponentielle.

La turbidité est un paramètre important pour de nombreuses applications, particulièrement pour le traitement de l’eau potable et le suivi des effluents industriels et municipaux. En mesurant la turbidité, il est possible de détecter rapidement les fluctuations de la qualité de l’eau et de prendre des mesures pour protéger l’environnement et la santé humaine.

Dans les semaines qui arrivent, et toujours dans le cadre du contrat qui nous lie à l’Agence de l’eau Adour-Garonne, une seconde série de tests portera sur la mesure de la turbidité par télédétection également. Ce sera donc la seconde métrique mesurée par les futures versions de nos micro-stations.

Les agences de l’eau et la mesure de la qualité de l’eau

En France, la mesure de la qualité de l’eau des cours d’eau est principalement assurée par les 6 agences de l’eau, qui sont des établissements publics chargés de la gestion de la ressource en eau.

Les agences de l’eau supervisent le réseau de mesure de la qualité de l’eau, qui comprend :
• des mesures sur le terrain
• des stations de mesure automatisées.

© www.lesagencesdeleau.fr

Lors des mesures faites sur le terrain, les échantillons d’eau sont prélevés manuellement pour ensuite être analysés en laboratoire.

Les stations de mesure automatisées, quant à elles, sont équipées de capteurs qui mesurent en continu des paramètres tels que la température, la turbidité, le pH, etc.
Les données sont ensuite transmises automatiquement aux agences de l’eau.

Ces données de qualité de l’eau sont utilisées pour évaluer l’état des cours d’eau, suivre les tendances, identifier les zones à risque et orienter les actions de protection et de restauration des milieux aquatiques.

Malheureusement, bien qu’essentielle, la mesure de la qualité de l’eau des rivières nécessite beaucoup de temps humain pour les prélèvements manuels et s’avère extrêmement coûteuse en ce qui concerne le matériel de prélèvement automatisé.

Ajoutons que si les dispositifs immergés (sondes, stations) sont d’une grande efficacité, ils sont aussi par définition particulièrement exposés face aux aléas des cours d’eau. Les épisodes de crue, la rigueur des intempéries, les impacts causés par les bois flottants, la glace, etc. sont autant de causes de pannes et de dérive dans la qualité des données recueillies.

C’est pourquoi l’ampleur des moyens humains et financiers nécessaires pour assurer leur entretien pèse lourdement sur le budget des agences de l’eau en charge de ces mesures.
Le coût du matériel, de son installation et de son entretien peut à lui seul largement expliquer pourquoi le nombre de capteurs aujourd’hui déployés sur le territoire français ne dépasse pas les 800.

L’approche vorteX-io : la télédétection

À l’opposé de ces capteurs immergés, l’idée de vorteX-io est de faire évoluer son réseau de micro-stations hydrologiques, principalement installées sur les ponts enjambant les cours d’eau, vers de nouvelles fonctionnalités.

En complément des mesures déjà effectuées (hauteur d’eau, vitesse de surface, prise d’images/vidéos) les micro-stations vorteX-io seront prochainement capables de mesurer la température de surface ainsi que la turbidité de l’eau.
Comme les micro-stations sont situées plusieurs mètres au-dessus de l’eau, elles sont par définition à l’abri des aléas subis par les capteurs immergés. Les mesures étant effectuées à distance de l’eau, on parle de télédétection.

Un autre avantage majeur des micro-stations vorteX-io est leur faible coût de revient puisqu’elles ne nécessitent pour ainsi dire pas d’entretien. En effet, grâce à leur conception unique, directement héritée du domaine spatial, leurs constantes vitales sont automatiquement surveillées, à distance et en temps réel. Une fois installées, aucune intervention humaine n’est plus nécessaire et leur fonctionnement est entièrement automatisé.
L’alimentation de la batterie interne est assurée par un panneau solaire. Cette autonomie en énergie assure sur le long terme leur fonctionnement interne, celui des instruments de mesures embarqués, mais aussi l’émission de la télémétrie et la réception de commandes, des mises à jour logicielles, etc.

Les avantages d’être situé à distance de l’eau sont nombreux, mais en contrepartie, cette méthode exclut notamment la possibilité de réaliser des prélèvements d’eau.
Les mesures chimiques (pH, conductivité, taux d’oxygène dissous, nutriments, métaux, bactéries, pesticides, etc.) resteront donc l’apanage des instruments immergés.

Comment mesurer la qualité de l’eau sans être immergé ?

La télédétection de la température de surface de l’eau est réalisée dans l’infrarouge thermique grâce aux capteurs embarqués dans la nouvelle version de la micro-station vorteX-io (v.2.1).

La validation de la « mesure vorteX-io » en conditions réelles se déroule depuis le début de l’année 2023 sur le Girou, un petit cours d’eau de Haute-Garonne. Le site correspond aux critères de validation nécessaires puisqu’il était déjà équipé de sondes opérationnelles immergées, dédiées à la mesure de température et utilisées par l’Agence de l’eau Adour-Garonne. De ce fait, c’est l’endroit idéal pour comparer les mesures effectuées par les deux dispositifs.

La réalisation de mesures à distance s’avère plus complexe que celles faites grâce à des instruments immergés. Ainsi, une des problématiques à résoudre pour obtenir des mesures fiables avec les caméras thermiques, réside dans le fait qu’il faut exclusivement prendre en compte la surface de l’eau. Pour éviter que les calculs ne soient faussés par la température d’éventuels objets émergés (berges, obstacles flottants, pont et autres structures fixes …), un « masque logiciel » doit être appliqué pour ne garder que les parties de l’image qui correspondent à l’eau.

En appliquant aux images un algorithme de Deep Learning spécialement développé par nos équipes, et appliqué sur les images optiques, on peut concentrer les mesures uniquement sur la surface de l’eau.
Un calcul de moyenne est ensuite appliqué pour obtenir des résultats précis.

Les images ci-dessous détaillent le processus de création des « masques d’eau logiciels » utilisés lors des calculs de la température de surface.

Conclusion

Les résultats obtenus concernant les mesures de la température de l’eau sont d’ores et déjà très encourageants. La R&D est toujours en cours pour ce qui est de la mesure automatique de la turbidité par télédétection et nous vous présenterons les résultats sous peu.

Ces innovations permettront rapidement de mesurer la température de surface et la turbidité des cours d’eau en temps réel, à moindre coût et à une échelle jusqu’ici inenvisageable.

Déjà à la pointe des mesures hydrologiques pour ce qui est des données quantitatives sur les cours d’eau, vorteX-io s’apprête donc à compléter l’étendue de son offre en y ajoutant la dimension qualitative. Ces innovations s’inscrivent dans notre objectif de créer la première base de données hydrologiques au niveau européen, consultable via Maelstrom®, notre plateforme dédiée à l’hydrologie.

Protection de la biodiversité des zones humides, surveillance les sources potentielles de pollution, meilleure gestion de la ressource en eau (consommation et assainissement), évaluation les impacts du changement climatique sur les systèmes hydrologiques et les écosystèmes : les enjeux de ces données de qualité de l’eau sont nombreux et de plus en plus d’actualité.

L’été 2022 s’est révélé être exceptionnellement chaud, l’un des plus brûlants jamais répertorié par les archives météorologiques nationales de différents pays. En Europe occidentale, la France, le Royaume-Uni, l’Espagne et le Portugal ont notamment connu des épisodes de chaleur intense avec des températures atteignant 40°C à plusieurs reprises sur des durées variables. Rien de bien nouveau en soi, peut-on se dire, l’été est régulièrement le théâtre d’épisodes caniculaires plus ou moins extrêmes, que ce soit en Europe, aux États-Unis, en Inde, en Australie, au Brésil, etc. Certes. Mais l’intensité et la fréquence de ces pics suffocants augmente rapidement comme l’attestent les relevés effectués par les météorologues à travers le monde. L’Organisation Météorologique Mondiale (OMM), agence spécialisée de l’ONU, a communiqué sur le fait que le mois de juillet 2022 fut l’un des plus élevé en température jamais enregistré au niveau mondial.

Ces périodes de sécheresse intense sont aussi particulièrement sensibles en ce qui concerne le risque d’incendie en général et de feux de forêts en particulier. Aucun débat sur ce point, chaque été apporte son triste cortège de forêts ravagées par les flammes et l’année 2022 s’est malheureusement distinguée sur ce front. Si les médias ont largement couvert au quotidien cette actualité dramatique, il existe pourtant d’autres risques écologiques, largement plus méconnus et eux aussi liés aux périodes de canicule et de sécheresse.

Des réseaux immenses en danger

Ces risques concernent la dégradation rapide et catastrophique, en termes de qualité et de quantité, des lacs, des cours d’eau, ainsi que de l’ensemble des milieux aquatiques et des zones humides. Ces écosystèmes complexes connaissent à peu prés le même sort sur des territoires s’étendant à l’échelle de pays entiers et même au-delà.

Quand les températures extrêmement hautes s’étendent sur de longues périodes et qu’elles sont aggravées par un manque cruel de précipitation, les niveaux d’eau baissent et dans le même temps, la température de l’eau augmente. Ainsi, la quasi totalité des milieux aquatiques naturels finissent par se retrouver en situation de stress, voire de fragilité et même en réel danger. Par le jeu des bassins versants et de l’interconnexion des réseaux fluviaux, cette situation peut rapidement se propager et s’étendre à des territoires immenses.
D’autant que les risques qui pèsent sur les milieux naturels aquatiques peuvent d’accumuler  et s’aggraver mutuellement.

La surmortalité piscicole

Dans les systèmes hydrologiques dont nous parlons, les premières victimes de ces périodes climatiques extrêmes sont généralement les populations de poissons.
La diminution du volume d’eau des rivières provoque une concentration forcée de la faune piscicole, facteur de stress important pour les poissons, notamment pour les alevins qui sont par définition plus fragiles et se retrouvent facilement exposés à leurs prédateurs. La baisse de la hauteur d’eau se combine généralement aussi avec une hausse de la température, augmentant de risque de façon exponentielle. 

Comme pour tous les autres gaz, le taux d’oxygène dissout dans l’eau dépend étroitement de la température de cette dernière. La solubilité de l’oxygène  dans l’eau des milieux humides diminue lorsque la température augmente. Ainsi, une température d’eau de 20°C est déjà synonyme de stress important pour la plupart des espèces communes de poissons de nos cours d’eau. Lorsque l’eau atteint les 23°C, la situation devient réellement critique et au-delà de 25°C, c’est leur vie même qui est en danger.

Eutrophisation des milieux et altération de la qualité de l’eau

La raréfaction voire la disparition des précipitations combinée à l’évaporation due à la chaleur sont directement responsables de l’apparition d’un autre risque. L’eutrophisation des milieux aquatiques est un phénomène de pollution, dont l’origine peut être naturelle ou due à l’activité humaine, provoqué par la concentration excessive de nutriments assimilables par certaines algues. Ces excès de matière conduit à la prolifération de certaines espèces de plantes aquatiques, de phytoplancton et de bactéries aérobies ce qui provoque un déséquilibre du milieu de par la surconsommation d’oxygène qu’elle cause. Cette altération de la qualité de l’eau peut provoquer l’appauvrissement, puis littéralement la mort par asphyxie d’un écosystème aquatique. 
La chaleur et la sécheresse augmentent considérablement ce phénomène d’eutrophisation des milieux puisque lorsque les débits diminuent fortement, la concentration de l’eau en azote, carbone, nitrates et en phosphates notamment, s’accélère de façon proportionnelle. Il s’agit donc d’un risque majeur en termes d’écologie et de biodiversité des milieux aquatiques et des zones humides.

L’érosion des berges

Les berges des lacs et des cours d’eau constituent par définition la zone tampon entre le milieu aquatique et le milieu terrestre. Cette situation de transition fait de la berge un milieu à la fois extrêmement riche en termes de biodiversité mais aussi particulièrement fragile car soumis à de fortes contraintes tout au long des cycles annuels. Les variations incessantes d’humidité-submersion-sécheresse, de température, et de flux mettent à rude épreuve ces zones sensibles et les soumettent à une érosion quasi continue.

S’il parait évident que les épisodes de crue sont particulièrement violents pour les berges des milieux aquatiques naturels, on pourrait en revanche facilement sous-estimer l’impact que les périodes de sécheresse et de canicule leur font subir.
Le sol des berges constitue un support des plus propice à l’implantation et au développement de nombreuses espèces végétales, la ripisylve. Cette flore assure des fonctions importantes d’ombrage et de filtrage de l’eau, favorisant la régulation naturelle de la température et de la qualité de l’eau des milieux aquatiques, réduisant le risque d’eutrophisation. Lorsque la canicule et la sécheresse atteignent des niveaux dramatiques comme ceux de l’été 2022, de nombreuses plantes de la ripisylve se dessèchent et finissent par mourir, n’assurant plus leur fonction régulatrice. Leur système racinaire perd en vigueur puis disparaît, et avec lui sa fonction de stabilisation des sols, accentuant gravement le risque d’érosion causés par les futures crues, le ruissellement pluvial et les activités humaines. 
Les cycles répétés de gonflement/contraction des berges dus à l’alternance des périodes de crues et de sécheresse jouent eux aussi un rôle important dans la fragilisation de cette zone de transition sensible.

Outils de surveillance et rôle de la prévention dans la gestion du risque sécheresse

Bien sûr, tout au long de l’Histoire de l’humanité, les aléas climatiques ont toujours fait partie des risques cycliques supportés par chaque civilisation, et le XXIème siècle n’échappe bien entendu pas à cette loi. Chaque saison qui passe apporte avec elle son lot d’épisodes chaotiques. Nous subissons de plein fouet les effets d’un dérèglement climatique global, rapide et de plus en plus brutal. Mais il ne sert à rien de céder à un catastrophisme stérile, bien au contraire, il est encore temps pour agir, dans le but de prévenir, anticiper et minimiser les effets du changement climatique, notamment les risques de catastrophes naturelles liés à l’eau. 
La science nous permet de comprendre de mieux en mieux les cycles de l’eau que ce soit au niveau local que global.
Océanographie, hydrologie, et fluviologie nous permettent de mieux comprendre la nature et comment palier, au moins partiellement, ses soubresauts.

Les moyens de connaissance et les technologies à la disposition de nos sociétés modernes sont nombreux et de plus en plus efficaces. Les ouvrages hydrauliques, la gestion raisonnée de la ressource en eau, l’écologie des milieux naturels, le progrès des missions spatiales d’observation de la Terre dédiées à l’hydrologie, le développement des réseaux de surveillance (via des stations hydrologiques in-situ et des capteurs de terrains intelligents et communiquants) sont autant d’outils puissants à notre disposition pour mesurer, comprendre et finalement agir. À cet « arsenal » il faut aussi ajouter les progrès constants des modèles prédictifs informatiques et des applications hydrologiques, grandement portés par l’essor de l’Intelligence Artificielle.
En plus de ces outils techniques, nous pouvons aussi être légitimement confiants dans le changement qui s’opère (un peu de force, il faut bien le dire) dans notre façon de concevoir notre rapport à la planète. Réaliser chaque jour un peu plus à quel point nous sommes une partie intégrante de la nature et combien nous sommes intimement dépendants d’elle ne peut que nous pousser à changer de paradigme. 
Rapidement.