Pourquoi les variations du niveau des lacs sont importantes

Des niveaux d’eau bas peuvent réduire la capacité de chargement des navires commerciaux, augmenter les coûts de transport (par exemple car les chargements doivent être réduits ou répartis sur plusieurs trajets) et accroître la probabilité de retards de livraison ou de restrictions temporaires des itinéraires. Dans certains cas, les conditions d’eaux basses peuvent également accroître le besoin de dragage dans les ports et les chenaux de navigation afin de maintenir un accès sûr. Les niveaux d’eau ont également une influence sur les systèmes hydroélectriques et de gestion de l’eau. La réduction des débits de sortie et des niveaux d’eau plus faible en amont peuvent réduire le potentiel hydroélectrique des systèmes régulés, tandis que des niveaux faibles persistants peuvent compliquer l’approvisionnement en eau des municipalités et des industries ainsi que le fonctionnement des infrastructures riveraines conçues pour des niveaux d’eau « typiques ».[1]

À l’autre extrême, des niveaux d’eau élevés et persistants peuvent endommager les ports, les marinas et les infrastructures riveraines, et l’énergie des vagues lors des tempêtes peut accélérer l’érosion des berges. Pour les communautés riveraines, les fluctuations du niveau des lacs peuvent accélérer l’érosion et augmenter le risque d’inondation. Les niveaux records récemment enregistrés dans le lac Ontario en 2017 et 2019 ont contribué à des inondations et à une érosion généralisée des berges, affectant les habitations, les commerces, les routes et d’autres infrastructures essentielles le long des rives du lac Ontario et du Saint-Laurent.[2]

Les variations du niveau de l’eau ont également des implications importantes pour les écosystèmes. Les zones humides côtières des Grands Lacs s’étendent et se rétractent en réponse à la variabilité du niveau de l’eau, et des périodes prolongées de hautes ou basses eaux peuvent modifier la végétation, altérer l’habitat des poissons et de la faune sauvage, et nuire au fonctionnement des zones humides.[3]

Les communautés autochtones de la région des Grands Lacs ont des liens profondément enracinés avec les lacs, les niveaux d’eau influençant l’accès aux zones de pêche traditionnelles, aux voies de navigation et aux sites et pratiques d’importance culturelle. La variabilité des niveaux d’eau peut affecter la façon dont les communautés accèdent à ces zones clés en toute sécurité et peut accroître les risques pour les rives et les sites d’importance culturelle.

Mécanismes influençant les niveaux des lacs 

Les niveaux d’eau des lacs sont influencés par divers facteurs, notamment les précipitations au-dessus des lacs, le ruissellement provenant des zones environnantes, l’évaporation à la surface des lacs ainsi que les apports d’eau des lacs en amont et en aval (figure 2). Ces facteurs sont influencés par le climat et par les activités humaines, telles que les changements dans l’utilisation de l’eau et les réglementations susceptibles d’influencer les débits entrants et sortants des lacs.

L’influence relative des facteurs susmentionnés varie d’un lac à l’autre. Les Grands Lacs supérieurs (Supérieur et Michigan-Huron) sont plus affectés par le ruissellement provenant des bassins environnants que les Grands Lacs inférieurs (Érié et Ontario), qui sont plus fortement influencés par les apports en eau des lacs supérieurs [1]. De même, les ouvrages de régulation situés aux exutoires des lacs Supérieur et Ontario (respectivement la rivière St. Marys et le fleuve Saint-Laurent) permettent de modifier dans une certaine mesure le débit sortant de ces lacs et, par conséquent, leur niveau [1].

Quel est l’impact du climat sur les niveaux des lacs ?

Les variables climatiques telles que la température, les précipitations, l’humidité relative et le vent influencent fortement les niveaux d’eau des Grands Lacs.

Précipitations

Les précipitations influencent le niveau des lacs de deux manières principales. La pluie et la neige qui tombent directement à la surface du lac augmentent directement son niveau d’eau. Les précipitations qui tombent sur le bassin versant environnant (c’est-à-dire la zone terrestre dont les eaux s’écoulent vers les lacs) contribuent indirectement aux niveaux des lacs. Cette contribution provient de l’eau qui s’écoule dans le paysage sous forme de ruissellement, soit immédiatement après les précipitations, soit plus tard avec la fonte des neiges. Cette eau s’écoule vers les lacs par les rivières, les ruisseaux et les eaux souterraines. Comme le bassin versant des Grands Lacs s’étend sur des centaines de milliers de kilomètres carrés, des épisodes de fortes pluies survenant loin des rives peuvent tout de même affecter les niveaux des lacs en générant un ruissellement rapide et en augmentant temporairement les apports des rivières. Les variations du niveau d’eau dépendent de la proportion des précipitations qui se transforme en ruissellement par rapport à celle qui s’infiltre dans le sol ou retourne dans l’atmosphère; ces processus sont influencés par l’utilisation des sols, le type et l’humidité des sols, ainsi que la topographie.

Température

La température influence la perte d’eau des lacs par évaporation et évapotranspiration. L’évaporation se produit lorsque le lac est beaucoup plus chaud que l’air ambiant, lorsque les vents sont forts et que l’air est sec (l’humidité relative est faible). Ces conditions se produisent souvent pendant les mois d’automne, lorsque les lacs sont encore chauds après l’été, mais que l’air a commencé à se refroidir, créant un fort contraste de température qui favorise l’évaporation. Sur les terres, l’évapotranspiration provient principalement des plantes, du sol et des arbres, et atteint généralement son maximum pendant les mois d’été. La température influence également la quantité de glace qui se forme sur le lac, ce qui affecte directement la quantité d’évaporation des lacs.

Comprendre les cycles naturels des niveaux des Grands Lacs

Les niveaux d’eau des Grands Lacs fluctuent de manière cyclique à de multiples échelles de temps en réponse à l’évolution des conditions naturelles.

Les fluctuations à court terme se produisent sur des périodes de quelques heures à plusieurs jours et sont principalement dues aux tempêtes et au vent.  Au printemps, on observe une hausse du niveau des lacs due à la fonte des neiges, avec un maximum atteint en été. Les niveaux des lacs commencent à baisser à l’automne, lorsque l’évaporation est souvent la plus forte. C’est généralement en hiver, lorsque les précipitations tombent sous forme de neige, que le niveau des lacs est le plus faible (figure 3).

Les fluctuations à long terme des niveaux des lacs s’étendent sur plusieurs années, voire des décennies, et sont déterminées par des régimes climatiques plus générales qui influencent le bilan hydrique global du bassin.Malgré plus d’un siècle de surveillance continue, ces cycles pluriannuels ne suivent aucun schéma régulier, le moment d’occurrence et la durée des hauts et des bas niveaux variant de manière imprévisible [4]. Des recherches menées sur le lac Michigan-Huron, s’appuyant sur des données géologiques (datation au carbone) couvrant près de 5 000 ans, suggèrent l’existence de cycles encore plus longs, avec des fluctuations pouvant s’étendre sur des périodes de 120 à 200 ans [3].De plus, les niveaux d’eau des différents lacs peuvent varier à différents moments en fonction des conditions locales et des apports en amont. Entre leurs niveaux extrêmes, les niveaux d’eau ont fluctué d’environ 1,2 m sur le lac Supérieur et de plus de 1,8 m sur les autres Grands Lacs [4]. 

Tendances historiques du niveau des lacs

Les agences fédérales des États-Unis et du Canada surveillent en continu les niveaux d’eau des Grands Lacs depuis les années 1860. De nombreuses séries de données historiques commencent en 1918, la date à laquelle un réseau de jauges plus étendu a été mis en place [3]. Les Grands Lacs ont connu des cycles de niveaux d’eau élevés et bas au cours du siècle dernier. Des niveaux extrêmement bas ont été enregistrés à la fin des années 1920, au milieu des années 1930 et au milieu des années 1960, tandis que des niveaux records ont été atteints au début des années 1970 et au milieu des années 1980 en raison de précipitations supérieures à la moyenne. Plus récemment, des températures supérieures à la moyenne à la fin des années 1990 ont entraîné des taux d’évaporation élevés et un faible ruissellement, entraînant une période prolongée de bas niveaux d’eau de 1998 à 2013 [5]. Le niveau de l’eau a changé avec le retour des précipitations supérieures à la moyenne, entraînant des niveaux d’eau records en 2013-2014 et en 2018-2020 [5]. En 2017 et 2019, le lac Ontario a atteint des niveaux records, ce qui a entraîné des inondations du fleuve Saint-Laurent et provoqué des inondations généralisées ainsi que l’érosion des zones riveraines en Ontario [6], [7]. En 2026, les niveaux d’eau sont moyens ou inférieurs à la moyenne selon le lac, et la sécheresse accélère la baisse des niveaux d’eau par rapport au niveau record de 2019 [8].

Projections climatiques futures 

Les scientifiques élaborent des projections des niveaux d’eau des Grands Lacs pour les décennies à venir à l’aide de diverses approches de modélisation. La plupart des études combinent des modèles climatiques et des modèles hydrologiques pour simuler les principaux facteurs influençant les niveaux des lacs : les précipitations, l’évaporation et le ruissellement. Les sorties des modèles climatiques servent à estimer les composantes du bilan hydrique qui déterminent l’apport net du bassin (voir ci-dessus), souvent en combinaison avec des modèles hydrologiques de bassin versant afin de mieux représenter les processus de ruissellement. Un modèle de routage et de système lacustre des Grands Lacs convertit l’apport net du bassin en niveaux des lacs en tenant compte des débits entre les lacs et des mesures de régulation aux principaux exutoires.

Résumé

En bref, les données historiques et les projections climatiques montrent que les niveaux d’eau des Grands Lacs sont dynamiques et que les conditions futures devraient se caractériser par une plus grande variabilité et des extrêmes plus marqués. Plutôt qu’une hausse ou une baisse constante à long terme, les recherches indiquent une plus grande variabilité des niveaux d’eau, avec une fréquence accrue de niveaux extrêmes (hauts et bas) attendue à l’avenir [13], [14].  Les scénarios d’ émissions plus élevées amplifient cette variabilité, « ce qui entraîne une plus grande variation des niveaux d’eau possibles et des conditions plus extrêmes» [13].  Les tendances saisonnières pourraient également évoluer à mesure que le moment de la fonte des neiges, les précipitations et les taux d’évaporation changent en raison du réchauffement climatique,  s’ajoutant aux changements observés au cours du siècle dernier dans le moment et l’amplitude des cycles saisonniers des niveaux d’eau [15], [16], [17].

Parallèlement, il est important d’interpréter les projections futures avec prudence. Les projections relatives aux niveaux d’eau des Grands Lacs partagent les mêmes sources générales d’incertitude que les autres projections climatiques, mais elles comportent également une incertitude supplémentaire car les modèles climatiques mondiaux fonctionnent à des résolutions spatiales qui ne permettent pas nécessairement de simuler les processus locaux et régionaux qui influent sur les niveaux d’eau des Grands Lacs. Jusqu’à récemment, la plupart des modèles climatiques utilisaient des modèles lacustres simplifiés et unidimensionnels (1D) qui représentent les lacs comme des colonnes d’eau verticales, ce qui peut introduire des biais car ces représentations 1D ne  reproduisent pas les processus de circulation et de mélange qui se produisent dans les Grands Lacs [5], [9], [10]. Les premières approches de modélisation utilisaient également un couplage unidirectionnel entre les modèles climatiques et hydrologiques, omettant ainsi d’importantes rétroactions entre le lac et l’atmosphère. Des études plus récentes [5], [9] utilisant des modèles lacustres tridimensionnels avec un couplage bidirectionnel ont permis de réduire certains de ces biais.

Bien qu’il existe une incertitude quant aux projections à long terme des niveaux d’eau dans les Grands Lacs, ces projections doivent néanmoins être considérées parallèlement aux données historiques afin d’étayer la planification et les plans d’adaptation. Par exemple, les projections suggèrent que les niveaux d’eau futurs seront plus variables [13], [14].

Conclusion

Les niveaux d’eau des Grands Lacs sont importants car ils influent sur les activités humaines, les infrastructures et l’écologie du bassin – du transport maritime et de l’hydroélectricité aux infrastructures riveraines, aux loisirs et aux zones humides. Cet article décrit les facteurs influençant les niveaux des lacs, notamment l’équilibre entre les précipitations, le ruissellement et l’évaporation. Parallèlement, les niveaux d’eau varient naturellement au fil des saisons et des décennies et sont également influencés par les caractéristiques du bassin et les mesures de régulation aux principaux exutoires, ce qui signifie que les changements futurs ne peuvent être compris uniquement à partir des tendances en matière de température ou de précipitations.

Malgré les progrès réalisés en matière de modélisation, il n’existe pas de consensus scientifique sur l’évolution des niveaux d’eau des Grands Lacs au cours du 21e siècle. Des études [5], [11], [12], [13], [14] prévoient différentes tendances à long terme, reflétant à la fois la complexité du système des Grands Lacs et les différences méthodologiques clés entre les études. Ces études s’accordent toutefois sur un large éventail de scénarios plausibles pour l’évolution future du niveau des lacs [13], [14]. Pour la planification, il est prudent, d’un point de vue scientifique, d’envisager des stratégies efficaces tant en cas de niveaux d’eau élevés que bas. Donneesclimatiques.ca soutient ce travail en offrant un accès à des données climatiques locales et à des conseils pour aider les utilisateurs à explorer les changements projetés de certains des principaux facteurs de variabilité des niveaux des lacs, à savoir la température et les précipitations.