Simulation hydrodynamique et de la qualité de l’eau du lac Yangzonghai, Sud-Ouest de la Chine, en utilisant le modèle bidimensionnel CE-QUAL-W2

Pourquoi l’histoire de ce lac compte

Beaucoup de lacs dans le monde se remplissent silencieusement d’excès de nutriments provenant des terres agricoles, des villes et de l’industrie. Ce processus, connu pour rendre l’eau claire verte et envahie par les plantes, menace les réserves d’eau potable, les pêcheries et le tourisme. Dans le sud-ouest de la Chine, le lac Yangzonghai est l’un de ces « lacs de plateau » vulnérables, perché en altitude et fournissant eau et moyens de subsistance aux communautés voisines. Cette étude utilise un puissant modèle informatique pour comprendre comment l’eau circule dans le lac, comment la pollution se propage et s’accumule, et dans quelle mesure il faut réduire la pollution pour restaurer le lac dans un état plus sain.

Un lac long et étroit sous pression

Le lac Yangzonghai s’étend sur plus de 12 kilomètres mais ne mesure que quelques kilomètres de large, ce qui le fait se comporter comme un système lac-rivière long et étroit. Il se situe en altitude sur le plateau du Yunnan, où l’air rare, le fort ensoleillement et l’eau fraîche entraînent un comportement différent de celui des lacs de plaine. Le lac reçoit les eaux de ruissellement des terres agricoles environnantes, des villes et de petites industries, ainsi que plusieurs rivières qui apportent azote, phosphore et matière organique. Ces substances peuvent alimenter la croissance d’algues, troubler l’eau et réduire l’oxygène, nuisant aux poissons et aux autres organismes aquatiques. Les autorités chinoises classent la qualité de l’eau en plusieurs catégories, et Yangzonghai a eu du mal à atteindre la norme plus stricte de la Classe II visant à protéger l’eau potable et les activités récréatives.

Utiliser un jumeau numérique du lac

Pour démêler ce système complexe, les chercheurs ont construit un « jumeau numérique » du lac Yangzonghai en utilisant un outil appelé CE-QUAL-W2, un modèle informatique bidimensionnel conçu pour les lacs et réservoirs longs et stratifiés. Ils ont divisé le lac en milliers de petites cases le long de sa longueur et de sa profondeur et ont alimenté le modèle avec des jeux de données détaillés sur les débits des rivières, les précipitations, l’évaporation, les prélèvements d’eau et le climat local. Ils ont également saisi des mesures des principaux polluants de 2016 à 2018. Le modèle a ensuite calculé jour après jour comment variaient les niveaux d’eau, comment les températures se stratifiaient de la surface chaude aux profondeurs plus fraîches, et comment les nutriments et les algues se déplaçaient et réagissaient à l’intérieur du lac.

Ce que le modèle a révélé sur le comportement du lac

Le lac simulé correspondait étroitement aux niveaux d’eau observés et reproduisait raisonnablement les températures de surface, y compris le schéma saisonnier de forte stratification en été et de mélange complet en hiver. Pendant les mois chauds, une nette discontinuité de température se forme environ 12 à 20 mètres sous la surface, agissant comme un couvercle qui empêche les eaux profondes de se mélanger vers le haut. Dans ces conditions stratifiées, l’azote, le phosphore et la matière organique s’accumulent près de la surface, en particulier près des principaux apports fluviaux sur les rives nord et sud. Les algues prospèrent, comme le montrent des niveaux de chlorophylle-a en hausse, tandis que la clarté de l’eau diminue. En revanche, les eaux profondes restent plus fraîches et plus stables, avec une exposition limitée à la nouvelle pollution provenant du bassin versant.

Tracer l’origine de la pollution

En suivant les apports de chaque rivière et zone littorale, le modèle a montré que plus de 70 % de la pollution par les nutriments et la matière organique entrant dans Yangzonghai provient de sources externes, dominées par deux rivières qui drainent des terres fortement cultivées et aménagées. Sur la période d’étude, l’azote total, le phosphore total et les indicateurs de pollution organique dépassaient souvent les limites autorisées même pour la norme plus laxiste de la Classe III, en particulier lors des fortes stratifications estivales. Bien que le modèle n’ait pas simulé explicitement le relargage de nutriments depuis les sédiments lacustres, le schéma de fortes charges externes et d’accumulation en couche de surface pointait les rivières entrantes comme principaux coupables, l’auto-recyclage interne jouant un rôle secondaire mais néanmoins important.

Combien de nettoyage est nécessaire ?

L’équipe a ensuite utilisé le modèle comme banc d’essai pour des options de gestion. Ils ont exécuté une série de scénarios « et si » réduisant progressivement les charges externes d’azote, de phosphore et de matière organique par pas de 10 %, afin de voir comment répondraient les concentrations lacustres. Les résultats montrent que, pour atteindre la moyenne des normes de la Classe II, Yangzonghai a besoin de réductions annuelles d’environ 43 % de l’azote total, 26 % du phosphore total et 10 % de la pollution organique. Pour satisfaire des objectifs de percentiles élevés plus stricts, les réductions doivent être encore plus importantes — jusqu’à la moitié de l’azote et environ un tiers du phosphore. La relation n’est pas linéaire : après un certain point, des réductions supplémentaires produisent des améliorations visibles moindres parce que la pollution stockée et le recyclage interne continuent d’alimenter le système.

Ce que cela signifie pour les populations et les politiques

Pour les décideurs, l’étude traduit la physique et la chimie complexes du lac en objectifs numériques clairs. Elle montre que simplement diminuer l’usage d’engrais ou moderniser quelques rejets d’eaux usées ne suffira pas ; des réductions substantielles et durables sur l’ensemble du bassin versant sont nécessaires, combinées à des efforts futurs pour mieux comprendre et limiter le relargage de nutriments par les sédiments lacustres. Dans le même temps, ce travail souligne la valeur et les limites de la modélisation : CE-QUAL-W2 peut guider de manière fiable les politiques pour les lacs de plateau longs et étroits, mais de meilleures données sur le climat, les apports et les processus du fond du lac affineront ses prédictions. Pour les communautés qui dépendent de Yangzonghai et de lacs similaires, ces enseignements offrent une feuille de route réaliste pour restaurer une eau plus claire, des écosystèmes plus sains et des ressources plus sûres face à des pressions croissantes.

Citation: Tang, C., Wang, J., Zhao, L. et al. Hydrodynamic and water quality simulation of Yangzonghai Lake, Southwest China, using the two-dimensional CE-QUAL-W2 model. Sci Rep 16, 12521 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42817-0

Mots-clés: eutrophisation des lacs, pollution par les nutriments, modélisation de la qualité de l’eau, lacs de plateau, gestion des bassins versants