Études de délimitation du panache des effluents : chapitre 5

Milieu récepteurs

• Cours d'eau
• Petits lacs et réservoirs de retenue
• Grands lacs
• Estuaires et fjords
• Eaux marines
• Conditions climatiques

Les facteurs à prendre en compte pour chaque type de milieu récepteur sont indiqués dans le tableau 5.1 et décrits dans la présente section. Les effets des conditions climatiques comme la glace et le vent sur le comportement du panache sont décrits à la fin de la section, où l’on trouve aussi des conseils sur la délimitation du panache qui s’ajoutent à ceux fournis à la section 3.

Tableau 5.1: Résumé des facteurs à prendre en compte pour chaque type de milieu récepteur

Cours d’eau

Dans les cours d’eau, les courants sont généralement unidirectionnels et le débit ainsi que les niveaux d’eau varient selon la saison. Les facteurs à prendre en compte pour déterminer le comportement du panache comprennent les caractéristiques du point de rejet, de la fixation au rivage et au fond ainsi que la montée ou la plongée du panache causée par des effets de densité dus à des facteurs thermiques ou chimiques. Le cours d’eau peut comprendre différentes zones qui devraient être délimitées, y compris celles où l’écoulement est rapide et lent, ainsi que diverses zones de dépôt et d’érosion qui influent sur le transport des solides en suspension provenant de l’effluent. Une discussion sur les changements temporels (saisonniers et à long terme) dans le régime d’écoulement des tronçons touchés par le panache devrait être présentée.

Les études de délimitation du panache devraient être réalisées aux environs de la période où le débit du cours d’eau atteint son minimum annuel, ce qui se produit généralement vers la fin de l’été. Il restera à prédire le débit élevé extrême et moyen à l’aide de modèles numériques. Les débits minimaux correspondent généralement à une faible dilution potentielle globale et à une vitesse réduite de mélange turbulent dans le cours d’eau. L’étendue spatiale du panache a donc tendance à être plus considérable pendant les périodes de débit minimal.

Lorsqu’un traceur colorant est utilisé, il devrait être ajouté au moyen d’un système d’injection à débit continu. Le nombre de mesures du traceur sur le terrain dépend de l’endroit. Il est recommandé que les concentrations soient mesurées à diverses distances en aval et que l’étendue spatiale du panache soit déterminée. L’analyse des bouchons (le colorant est introduit en discontinu au lieu d’être injecté par un appareil à débit continu) peut aussi être une méthode convenable pour surveiller le mélange dans certains cours d’eau, mais elle nécessite généralement une très bonne connaissance du comportement du panache et peut exiger plusieurs bouchons.

Petits lacs et réservoirs de retenue

Les conseils donnés plus haut pour les cours d’eau sont valables si le volume de l’effluent évacué est considérable parce qu’il y aura généralement un écoulement facilement discernable et mesurable dans le réseau, mais ils ne s’appliquent pas à certains petits lacs et réservoirs de retenue où il existe des courants résiduels ou dont le courant de dérive à long terme est masqué ou même inversé par des effets à court terme causés par des facteurs, individuels ou conjugués, comme le cisaillement du vent, le brassage convectif de l’eau des lacs, la création d’une thermocline ou des crues rapides. Il est important de déterminer l’ampleur et l’importance de chacun de ces phénomènes relativement courts. Il est très facile de le faire par modélisation numérique pourvu qu’il y ait suffisamment de données de terrain pour étalonner le modèle.

L’écoulement résiduel, ou même les courants transitoires peuvent être inférieurs à la limite de détection des courantomètres enregistreurs ordinaires. Dans ce cas, un bilan massique des écoulements qui entrent dans le plan d’eau et en sortent permettra de calculer le temps de séjour dans le réseau. Ce temps de séjour peut être encore réduit en tenant compte des circonstances spéciales ou de la géométrie. Toutefois, lorsque les courants sont très faibles (p. ex. quelques cm/min), seules des études par traceurs sur le terrain peuvent assurer que l’effluent sera transporté et qu’il n’y aura pas de recirculation. Une recirculation se produit lorsque des tourbillons provenant du panache retournent dans le système de mélange et sont utilisés à la place de nouvelles eaux réceptrices propres. Après un certain temps, cette remise en circulation peut réduire considérablement la dilution de l’effluent et accroître de beaucoup la concentration limite de 1 %.

On devrait calculer l’écoulement résiduel dans toute la zone ainsi que les courants dus aux vents de forces variées et provenant de diverses directions. Le vent du large aura généralement pour effet de retenir l’eau près de la rive et d’augmenter la couche d’eau de surface. Par contre, une brise de terre aura pour effet d’amener l’eau profonde vers la rive et de la faire remonter pour remplacer l’eau transportée au large par le vent.

Il peut être important de déterminer la densité relative de l’effluent et des eaux réceptrices parce que, s’il y a une thermocline, la plus grande partie du mouvement de l’eau dans le lac se fera au-dessus de cette dernière. Si le panache reste au-dessus de la thermocline, le mélange vertical sera restreint, et la dilution résultera davantage du mélange horizontal. Lorsque la dilution initiale a pour effet d’emprisonner le panache sous la thermocline, le mélange se fera probablement plus lentement, et le mouvement pourrait presque approcher le volume déplacé par l’évacuation de l’effluent.

Les études par traceurs devraient avoir pour but de satisfaire aux exigences générales et d’examiner les variations saisonnières. Les courants dominants influent sur la durée et le calendrier de chaque étude. La méthode recommandée pour la délimitation du panache d’un effluent rejeté dans un lac est le système d’injection à débit continu d’un traceur colorant, ce qui est particulièrement vrai s’il est possible qu’il y ait des tourbillons, une recirculation ou un emprisonnement dans le panache original. L’analyse du bouchon peut servir à déterminer les caractéristiques de la dispersion, mais elle ne donne pas une aussi bonne image visuelle, ni les mêmes indications concernant la recirculation.

Pour mesurer les courants d’eau, les drogues devraient être larguées et suivies en même temps que l’injection du colorant. Dans le cas des panaches de surface qui flottent, la partie supérieure des palettes des drogues devrait être à la surface ou juste au-dessous (dans les 50 premiers cm). Pour ce qui est des panaches submergés, les drogues devraient être munies d’une pesée et les voiles disposées de façon que les drogues se déplacent à la même profondeur initiale que le panache, ce qui peut être déterminé sur place à l’aide de la surveillance initiale du traceur. Si des grappes de drogues sont larguées, la dispersion pour une évacuation en discontinu peut être obtenue grâce à la trajectoire de chacune des drogues en déterminant leur variance par rapport au centroïde.

Dans les cours d’eau, la configuration du panache peut être prédite à l’aide de modèles numériques simples, mais dans les lacs, le comportement du panache n’est pas aussi facile à prédire. S’il n’existe pas de données sur les courants d’eau au voisinage du point de rejet, des courantomètres (voir la section 3.8.2) peuvent être nécessaires pour obtenir des renseignements à utiliser dans le modèle numérique. Les données climatiques peuvent être obtenues de l’aéroport local ou d’une autre source locale de données météorologiques. La relation statistique entre la dilution et le temps de déplacement de l’effluent devrait être combinée avec les caractéristiques statistiques des courants d’eau pour établir des zones de dilution spatiale au voisinage du point de rejet, ce qui peut être décrit comme un graphique indiquant la fréquence du facteur de dilution en fonction de la dilution et du temps de déplacement.

Les zones de dilution devraient indiquer la probabilité de la présence du panache de l’effluent à n’importe quel endroit dans les eaux réceptrices ainsi que l’écart type et moyen de la concentration de l’effluent quel que soit l’endroit. Les zones de dilution ne montrent pas la configuration du panache de l’effluent à une certaine vitesse et direction du courant.

Grands lacs

Dans les grands lacs, les courants d’eau sont souvent dus au vent; ils varient selon la saison et sont généralement moins prévisibles que ceux des zones fluviales et intertidales. Il est important de comprendre la stratification thermique et de densité parce que l’effluent peut être plus dense que l’eau du lac en raison de facteurs chimiques, ou moins dense en raison de facteurs thermiques. L’advection due au vent et aux vagues, les seiches et la fixation au rivage et au fond sont toutes très importantes. Bon nombre de facteurs examinés pour les petits lacs et les réservoirs de retenue doivent aussi l’être pour les grands lacs.

Pour les grands lacs, il est utile de posséder des renseignements sur la variabilité du mouvement de l’eau à long terme et le mouvement résiduel qui en résulte. Ces renseignements peuvent être fournis par des courantomètres amarrés permettant de déceler des courants faibles. Les thermomètres enregistreurs des courantomètres peuvent servir à déterminer si des ondes internes ou des seiches se produisent. Des anémomètres installés sur la rive peuvent permettre d’obtenir en même temps des données sur le vent qu’il serait impossible d’acquérir autrement.

La dispersion initiale du panache de surface dans un lac à régime hydrodynamique relativement faible sera grandement influencée par le volume du panache remontant. C’est la modélisation numérique qui permet le mieux de délimiter le panache à cette étape. La dispersion subséquente, déterminée également par modélisation numérique, nécessitera le calcul des coefficients de dispersion horizontale et verticale, ainsi que des renseignements sur les courants fournis par des courantomètres. La meilleure façon de calculer les coefficients de dispersion consiste à introduire un bouchon de colorant ou à injecter en continu un traceur qui sera ensuite mesuré dans le panache de l’effluent. Si le vent souffle, le courant dû au vent peut être calculé au moyen de courbes de prévision du courant de dérive (voir la section 5.6.2). Les vents peuvent aussi provoquer une inclinaison de la surface de l’eau et de la thermocline, ce qui peut occasionner des seiches qui créent des mouvements oscillatoires dans le bassin. Une discussion plus détaillée des seiches provoquées par le vent est présentée à la section 5.6.2.

Des modèles numériques bidimensionnels peuvent être satisfaisants, mais s’il y a stratification, un modèle tridimensionnel peut être nécessaire.

Estuaires et fjords

Les estuaires et les fjords sont des milieux qui rendent difficile la réalisation d’études sur les panaches. Pour planifier l’étude sur le terrain, il est très important de connaître la nature des eaux réceptrices. La présente section décrit d’abord les caractéristiques hydrographiques des estuaires et des fjords, puis fournit des conseils sur la réalisation d’études sur le terrain.

• Caractéristiques hydrographiques
• Travail sur le terrain

Caractéristiques hydrographiques

Les facteurs qui influent le plus sur la dispersion de l’effluent dans les estuaires et les fjords sont le mouvement des marées et les différences de densité entre l’eau douce et l’eau salée. À la marée montante, l’eau entre dans un estuaire et elle en ressort à la marée descendante, ce qui donne lieu à un mélange. Comme la densité des effluents est généralement la même que celle de l’eau douce, ils auront donc tendance à se mélanger avec cette dernière. La densité de l’eau douce est d’environ 1,00. En général, l’effluent et l’eau douce montent et s’écoulent au-dessus de la couche d’eau salée, dont la densité est d’environ 1,026.

La figure 5.1 montre un « estuaire à coin salé » où un important cours d’eau pénètre avec de faibles marées et crée une interface marquée entre l’eau douce et l’eau salée. La figure 5.1a montre la couche d’eau douce qui diminue à mesure que l’estuaire s’élargit vers la mer. Si la vitesse de l’eau douce est élevée, un cisaillement se produira à l’interface, et l’eau salée sera aspirée dans la couche supérieure. La figure 5.1b montre comment la turbulence de la marée montante produit un cisaillement à l’interface, ce qui crée des vagues et occasionne un mélange.

Figure 5.1: Profil généralisé d’un estuaire indiquant la circulation pendant la marée descendante (a) et la marée montante (b).

L’importance du cisaillement et du mélange qui se produit entre l’eau douce et l’eau salée dépend du volume et de la vitesse de l’eau douce (confinée par les côtés de l’estuaire) comparativement à ceux de l’eau salée (confinée davantage par la profondeur). La figure 5.2 décrit la stratification d’un estuaire à coin salé à différents niveaux d’énergie marémotrice. Un estuaire peut être fortement stratifié (a) lorsque l’énergie marémotrice est relativement faible et que la montée graduelle de la marée occasionne un certain mélange. À mesure que l’énergie marémotrice (« prisme de marée ») augmente comparativement à l’arrivée d’eau douce, le mélange s’accélère et produit un estuaire partiellement (b) et entièrement (c) mélangé.

Figure 5.2: Profils de masses d’eau estuariennes typiques montrant un estuaire fortement stratifié (a), un estuaire partiellement mélangé (b) et un estuaire entièrement mélangé (c)

La fréquence et l’ampleur des marées sont prises en compte dans la planification de l’étude de délimitation du panache et dans la modélisation numérique subséquente. En général, dans les estuaires canadiens, les marées montent et descendent à un intervalle d’environ 12,42 heures entre les crues. La différence de hauteur entre la marée haute et la marée basse, même dans un seul système côtier, peut varier entre quelques centimètres et plusieurs mètres. En outre, tous les 7, 14 et 29 jours, il y a des marées de morte-eau et de vive-eau où les forces du soleil et de la lune se conjuguent d’abord et s’opposent ensuite. Dans certaines régions du Canada, chaque deuxième marée haute ou basse diffère considérablement de la précédente. Ces différences sont généralement appelées les réactions semi-diurnes et diurnes de la masse d’eau en question aux différentes attractions du soleil et de la lune.

D’autres facteurs, dont les suivants, doivent être pris en compte lorsqu’on effectue des études de délimitation du panache dans les estuaires :

• la durée du cycle des marées : il n’est pas rare que la durée de la marée descendante dépasse sept heures et que celle de la marée montante soit bien inférieure à six heures;
• l’étale de la marée : dans certains estuaires, il peut y avoir une étale dans le mouvement vertical et horizontal à marée haute et à marée basse; cette étale peut durer quelques minutes ou, exceptionnellement, près d’une heure (dans ce cas, c’est généralement à marée basse seulement); l’absence d’un important mouvement horizontal pendant quelque temps peut donner lieu à la formation d’un grand mélange d’effluents au voisinage du point de rejet, ce qui peut occasionner l’expansion de la limite de la zone où la concentration de l’effluent est supérieure à 10 %.

Les fjords où la profondeur de l’estuaire est de beaucoup supérieure à dix fois l’épaisseur du prisme de marée constituent un cas spécial. Le profil longitudinal ressemble à un estuaire à coin salé ou à un estuaire fortement stratifié où l’eau douce se trouve dans une couche à la surface et à une très grande profondeur en dessous. La marée peut monter et descendre en causant un mélange négligeable, sauf peut-être à l’entrée où il existe généralement un seuil élevé. Dans certains fjords, il peut y avoir une couche d’eau douce dont l’épaisseur varie entre 2 et 10 m et qui s’étend sur toute la longueur de l’estuaire avec une interface de moins d’un mètre d’épaisseur. Dans les fjords dont la longueur dépasse plusieurs dizaines de kilomètres, la diffusion et d’autres facteurs comme le vent et les ondes internes auront pour effet d’accroître l’épaisseur de cette couche interfaciale et de rendre saumâtre la couche supérieure.

Les estuaires peuvent être de deux ou plusieurs types sur leur longueur, durant la variation saisonnière de l’écoulement fluvial ou pendant le cycle des marées de morte-eau et de vive-eau. Dans les estuaires partiellement mélangés ou fortement stratifiés, il y a souvent peu de mouvement vers la mer le long du lit pendant la marée descendante, ce qui accroît la stratification durant cette période. À la marée montante, les courants plus forts sont profonds et des conditions plus propices à un bon mélange se présenteront probablement. Au Canada, en raison de la force de Coriolis et de la différence de densité entre l’eau salée et l’eau douce, les courants de jusant ont tendance à être plus forts et la salinité est généralement plus faible du côté droit de la rive de l’estuaire lorsqu’on regarde vers la mer. De même, les courants de marée sont plus forts et la salinité est plus élevée à la gauche lorsqu’on regarde vers la mer, ce qui peut être très marqué dans les larges estuaires. Lorsqu’il existe, dans un estuaire, un fort écoulement d’eau douce ou une étroite sortie vers les eaux libres du littoral, un panache d’eau douce ou saumâtre peut s’avancer à une bonne distance dans la mer, notamment lorsque la marée descend. Selon la dynamique de cette entrée, une partie du panache peut rentrer dans l’estuaire avec la marée montante.

Dans un estuaire, le type de stratification peut changer en fonction de la distance ou du temps. Pendant le ruissellement printanier, l’eau douce peut être le principal constituant des tronçons supérieurs de l’estuaire et accroître la stratification en aval. Pendant les périodes d’étiage, les tronçons supérieurs de l’estuaire redeviendront partiellement mélangés et l’eau de faible salinité pénétrera beaucoup plus en amont. Des ondes internes (ou des seiches) peuvent se former le long de l’interface entre l’eau douce ou saumâtre et l’eau salée dans les fjords et les estuaires en raison de l’action du vent, ce qui peut avoir un effet temporaire sur la dispersion du panache. La section 5.6.2 présente une discussion plus détaillée de ces seiches.

À l’étale, il peut se former au voisinage de la conduite d’évacuation un important mélange d’effluents dont la concentration se rapproche de celle qui existe au sommet du panache montant. Lorsque les courants de marée horizontaux commencent à circuler de nouveau, ce grand mélange d’effluents devient la tête du panache et peut prendre un certain temps à se dissiper. À mesure que les courants de marée deviennent plus forts, l’effluent qui s’éloigne de la zone d’évacuation se comportera davantage comme un écoulement fluvial régulier. Si le mélange d’effluents s’est formé pendant l’étale, la marée montante arrivera généralement sous le panache et cette eau plus dense transportera le mélange d’effluents en amont. L’effluent quelque peu dilué dans le mélange peut passer dans la zone d’évacuation à la marée descendante et apporter de l’eau déjà polluée à l’effluent qui est évacué. Si le mélange d’effluents s’est formé à l’étale de marée haute, il aura tendance à s’écouler en aval en une couche très mince à cause des différences de densité. Lorsque les courants de marée deviennent plus forts, ce bassin d’effluents de marée haute aura tendance à se disperser plus rapidement que celui de marée basse, mais il pourra agrandir considérablement la limite du panache à la surface, notamment s’il est fixé à la rive.

Il peut y avoir des panaches plongeants dans les estuaires et les fjords. Les effluents dont la dilution initiale est assez élevée dans le jet montant peuvent absorber du sel en provenance des couches inférieures et la densité du panache devient ainsi supérieure à celle de la couche de surface. Si l’impulsion ascendante est suffisante, le panache peut atteindre la surface, puis plonger ou couler lentement dans une couche d’eau de même densité et se déplacer et se mélanger avec cette couche inférieure. Voir à ce sujet la figure 2.1(i).

Dans d’autres cas, notamment lorsque la couche de surface est épaisse ou très différente, le jet montera, mais sera emprisonné à l’interface séparant la couche supérieure de la couche inférieure. C’est probablement le cas des fjords où l’effluent initial se trouve dans la couche profonde d’eau salée. Le mélange de l’effluent dans la couche supérieure est plus susceptible de se produire lorsque la marée descend. Lorsque la marée monte, la force du courant dans un estuaire peu profond est près du fond de la mer et peut causer un important mélange avec les couches inférieures qui entraînent le mélange avec elles.

Les panaches submergés peuvent retourner à la surface lorsqu’ils rencontrent un afflux d’eau de densité différente dans les eaux réceptrices. Dans ce cas, l’eau de surface plongera d’abord, mais retournera à la surface en aval. Ce scénario peut se produire lorsqu’il y a un afflux d’eau moins dense en aval de la zone d’évacuation, comme un tributaire ou un autre effluent important.

Travail sur le terrain

Pour réaliser des études par traceurs dans les estuaires, il est recommandé d’utiliser deux embarcations. La technique préconisée pour mesurer les traceurs colorants consiste à suspendre un fluorimètre ou un tube de prélèvement à l’étrave de l’embarcation, tel qu’indiqué à la section 3.3.3. La salinité et la température devraient être mesurées à la verticale le long de la ligne médiane de l’estuaire et au voisinage du point de rejet. L’heure du prélèvement devrait être indiquée relativement à l’heure de la marée haute ou basse et le prélèvement devrait toujours se faire dans la direction opposée au mouvement des eaux réceptrices.

Il est important de tenir compte des différences entre les marées hautes successives de même qu’entre les marées de vive-eau et de morte-eau ainsi que de les faire concorder pour établir le régime de densité représentatif dans l’estuaire et aussi les objectifs de l’étude de délimitation du panache. L’intervalle vertical relatif à la profondeur de l’eau à marée basse donne une idée de la turbulence potentielle. Une méthode différente, mais qui nécessite plus de travail, consiste à calculer le volume d’eau passant par diverses sections à marée haute et basse, ce qui permet de connaître les vitesses moyennes. Cette méthode est particulièrement utile lorsqu’il existe d’importants volumes intertidaux ou d’autres écoulements fluviaux à des endroits précis dans l’estuaire.

Lorsqu’un traceur colorant est utilisé, l’injection devrait commencer environ une demi-heure avant la renverse afin que l’étude puisse débuter à marée basse. Dans le cas de la plupart des études effectuées dans un estuaire, les panaches peuvent être délimités comme dans un cours d’eau. Pendant l’échantillonnage, l’embarcation devrait toujours manœuvrer contre les courants de marée pour éviter de dériver avec les eaux réceptrices et de prélever possiblement des échantillons dans la même masse d’eau. Lorsqu’une autre embarcation s’occupe des drogues ou lorsque ce travail se fait un autre jour, il est important de vérifier la salinité et la température à la profondeur de la drogue chaque fois que la position est confirmée. À la renverse de la marée, lorsque l’effluent partiellement dilué retourne au-dessus du point de rejet, il peut y avoir un nouveau panache mince faiblement dilué au-dessus du panache plus épais bien mélangé. Lorsque la différence entre les excursions de surface à marée haute et basse est faible (p. ex. < 20 % de l’excursion), il peut y avoir une accumulation d’effluent due à plusieurs marées. En général, le modèle numérique peut fournir les meilleures prédictions de ce phénomène.

Dans le cas des panaches plongeants, les drogues peuvent être réglées de façon à suivre le panache en profondeur. Il faut toutefois s’assurer que la dimension verticale des palettes n’est pas trop grande parce que les bords supérieurs et inférieurs peuvent rester pris dans deux différents écoulements d’eau. Si l’échantillonnage initial a permis de connaître la profondeur du panache, sa trajectoire peut être suivie tel qu’indiqué à la section 3.9, sauf que, au-dessus du panache, l’air est remplacé par une couche d’eau. Dans ce cas, un fluorimètre ou un tube de prélèvement peut être tracté à l’arrière parce qu’il est probable qu’il échappera complètement à l’influence du mélange produit par la coque du bateau et l’unité de propulsion. Il faudra alors que le conducteur de l’embarcation soit plus habile afin d’assurer une vitesse constante au moyen d’un indicateur de vitesse dans l’eau ou d’un compte-tours. Un dépresseur permettra de garder la tête ou le tuyau de prélèvement du fluorimètre sous l’eau, mais un bathymètre (un sonar barométrique ou orienté vers le haut) est essentiel pour enregistrer la profondeur.

Il est beaucoup plus difficile de suivre un panache qui monte à la surface, puis plonge, et aussi lorsqu’il n’y a pas d’interface bien marquée. Les premières mesures de la salinité sur le terrain effectuées pour caractériser l’environnement montreront comment la couche de surface qui se forme naturellement se comporte relativement à l’impulsion descendante de la couche inférieure.

Il peut être nécessaire d’utiliser un modèle numérique pendant un certain nombre de cycles de marée pour montrer les zones de dilution à court et à long terme de l’effluent. Un modèle tridimensionnel peut être nécessaire si les eaux réceptrices sont stratifiées.

Eaux marines

Il est important de savoir si la température et la salinité sont stratifiées dans les eaux marines côtières parce que l’effluent est ordinairement moins dense que l’eau de mer en raison de facteurs chimiques et thermiques. Lorsque le temps est très calme, le panache peut se trouver à quelques centimètres de l’eau de surface. Dans ce milieu, l’advection due aux vents et aux vagues, la fixation au littoral et au fond et l’activité marémotrice (souvent accompagnée de courants giratoires) sont des facteurs importants. Les eaux réceptrices océaniques diffèrent de celles des estuaires parce que la circulation principale au voisinage du point de rejet n’est pas majoritairement due à l’eau douce. Le panache de l’effluent est dilué et transporté par les courants. L’activité marémotrice, lorsqu’il y en a, n’est pas toujours le principal facteur qui contribue au mouvement net de l’effluent, mais elle influe sur la dispersion de ce dernier. L’injection continue du colorant pendant un cycle des marées est généralement suffisante, mais il se peut que le programme de modélisation numérique s’étende sur plusieurs cycles.

Les courants résiduels peuvent être principalement dus à un mode de circulation littorale ou à l’action locale du vent et des vagues. Il est en outre utile de posséder des données sur les courants d’eau locaux, comme celles qui peuvent être fournies par les courantomètres côtiers installés au voisinage du point de rejet. De même, des enregistrements de la salinité, de la température de l’eau et de la vitesse du vent sont aussi utiles.

Avant d’injecter un colorant, on devrait corréler la hauteur et l’heure des marées avec les résultats du marégraphe le plus proche exploité par le Service hydrographique du Canada, ce qui est utile pour l’étude par traceurs et aussi pour l’utilisation des registres actuels et d’autres registres à long terme. Le profil spatial de la salinité et de la température devrait aussi être établi en même temps.

Le concept initial de la dispersion de l’effluent devrait être utile pour la planification de l’injection du colorant. La délimitation d’un panache de surface peut se faire conformément à la méthode courante décrite à la section 3.9, mais il faut faire preuve de jugement pour espacer les transects, notamment si le courant giratoire est marqué et lorsque le panache commence à retourner au-dessus de la zone d’évacuation. Le suivi des panaches submergés devrait se faire tel qu’indiqué à la section 5.4. Il est ordinairement avantageux d’utiliser de plus grandes drogues munies d’un réflecteur radar et d’un récepteur GPS dans les zones côtières, notamment en présence de vagues.

Le profil des traceurs colorants permet de construire des enveloppes du panache de l’effluent et de les relier aux courants, aux vents et aux vagues mesurés ce jour-là. La probabilité de la présence de ces enveloppes peut être déterminée à l’aide des données statistiques provenant de celles sur les courants d’eau et des modèles numériques utilisés pour que ces enveloppes valent pour une plus grande période de temps afin de représenter les conditions « moyennes ».

Conditions climatiques

La glace et le vent peuvent influer considérablement sur la dispersion de l’effluent. Les sections suivantes indiquent comment incorporer l’état des glaces et le régime des vents à l’interprétation du comportement des panaches. Pour l’instant, l’applicabilité des modèles numériques à l’état des glaces est très limitée.

• La glace
• Le vent

La glace

En hiver, la glace recouvre un grand nombre de plans d’eau canadiens. Son effet général sur l’évacuation des effluents est double. La couche de glace protège les eaux réceptrices contre les effets de la force d’entraînement du vent et peut aussi changer ou causer la stratification de la colonne d’eau et, donc, modifier la circulation de l’eau. Toutefois, dans le cas de la glace fixée, le dessous de la glace constitue une interface solide et rugueuse qui fait obstacle à l’écoulement et crée une turbulence semblable à celle qui se produit au-dessus du fond de l’eau.

La plupart des effluents sont tièdes, ce qui a pour effet de faire fondre quelque peu et d’affaiblir la surface de glace. Le panache flottant s’accroche à cette surface tout comme un panache dense s’accroche au substrat du fond. Pour autant qu’on le sache, aucune étude détaillée de délimitation du panache des effluents n’a été réalisée alors qu’il y avait de la glace, mais il est raisonnable de présumer qu’il y aura probablement moins de mélange, ce qui peut être dû à la mesure dans laquelle on a sous-estimé les concentrations dans le panache parce qu’on s’est fondé sur des données pour les eaux libres seulement.

La couverture de glace fixée empêche le mélange par les eaux de surface causé par la force d’entraînement du vent. Lorsqu’il y a des écoulements d’eau douce (p. ex., des écoulements fluviaux), le mélange de l’effluent avec l’eau fluviale est réduit. Des ondins peuvent apparaître pendant la formation de la glace de surface. Certains d’entre eux peuvent être le résultat de la collision de blocs de glace et d’autres peuvent se former en raison de l’expansion thermique de la glace. Les ondins peuvent se former au même endroit chaque année et leur quille peut être jusqu’à sept fois plus profonde que leur hauteur. Ces ondins peuvent avoir un effet sur le panache et lui faire prendre une direction très différente de celle qu’il suivrait normalement en eaux libres.

La glace qui se déplace protège généralement l’eau de surface contre les effets directs du vent. Toutefois, ces derniers peuvent être plus importants qu’on ne l’avait d’abord prévu parce que le mouvement du vent est transmis des blocs de glace sous l’eau aux eaux réceptrices ou au panache. Lorsque la glace en mouvement entre en contact avec de la glace fixée ou une île, un important ondin glaciel peut se former.

Les modèles numériques réguliers utilisés pour la délimitation des panaches ne conviennent généralement pas pour prendre en compte l’état des glaces parce qu’ils présupposent une surface d’eau libre (c.-à-d. un écoulement dans un chenal libre).

Le vent

Le vent qui souffle sur d’importants plans d’eau provoque des courants et des vagues en proportion directe avec sa force, sa durée et la longueur de son trajet. Heureusement, il existe des nomogrammes qui fournissent des chiffres sur la vitesse des courants, la hauteur et la période des vagues qui peuvent contribuer à comprendre les effets du vent sur la dispersion des effluents. Les publications portant sur la modélisation de la trajectoire des déversements d’hydrocarbures ou sur la recherche et le sauvetage en mer comptent parmi les sources d’information les plus utiles. Pour ce qui est des courants dus au vent, les courbes de prévision de James (James, 1966) sont probablement les plus faciles à utiliser pour connaître leur force. Lorsqu’on utilise ces courbes, la direction est ordinairement de 20 degrés à droite du sens du vent en raison des forces de Coriolis.

Lorsque le travail est plus fouillé, des modifications peuvent être apportées afin de tenir compte des variations de la durée, de la longueur du trajet, de la vitesse du vent, de la profondeur de l’eau, etc. Dans bon nombre de zones côtières, c’est la direction prédominante du vent conjuguée à la topographie sous-marine locale qui est la force d’entraînement des courants le long du littoral. La vitesse acquise peut rendre ces courants très persistants. Les vagues dues au vent transportent aussi l’eau, notamment lorsqu’elle est peu profonde. Ces vagues peuvent aussi sortir du champ de vent et continuer de se déplacer sur des centaines de milles.

Les nomogrammes les plus couramment utilisés pour la prédiction des vagues sont ceux de l’U.S. Army Corps of Engineers (1984). L’énergie des vagues de vent est transmise de deux façons : premièrement, à la surface par les particules d’eau qui sont sur orbite dans un mouvement circulaire et dont le rayon est la moitié de la hauteur de la vague à la surface et, deuxièmement, en profondeur, avec un rayon qui devient presque nul à une profondeur égale à la moitié de la longueur d’onde. Habituellement, les vagues côtières ont des périodes de 4, 6 et 8 secondes et des longueurs d’onde correspondantes de 25, 56 et 100 m. Lorsque ce mouvement à une profondeur égale à la moitié d’une longueur d’onde vient en contact avec le substrat du fond, la friction ralentit la vague, et le mouvement circulaire des particules devient elliptique. Lorsque la plage est longue, les crêtes des vagues tenteront de s’aligner parallèlement aux contours et, éventuellement, au littoral, ce qui produit deux effets sur le panache : une augmentation du mélange à l’intérieur de ce dernier et des courants littoraux créés par les vagues.

Des ondes internes, ou des seiches, se déplaçant à l’interface de deux masses d’eau peuvent aussi influer sur la dispersion du panache. La formation de ces ondes n’est pas bien comprise, mais il peut s’agir de tourbillons créés par les forces de cisaillement agissant entre les deux couches d’eau opposées et qui peuvent se déplacer le long de la thermocline dans les lacs, la ligne de démarcation entre l’eau douce et l’eau salée dans les fjords, ou entre les eaux estuariennes et marines dans les grands estuaires ou les eaux côtières. L’ampleur de ces ondes internes peut être considérable (p. ex., de plusieurs dizaines de mètres) et des vagues de 80 m ont été enregistrées dans le Saint-Laurent au confluent du Saguenay. Leur effet sur le panache est transitoire et il en est fait mention seulement au cas où une anomalie se produirait pendant un essai au colorant. Leur présence serait enregistrée par les thermographes ou les salinomètres.