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Les effets des moulins à eau sur la température des cours d'eau : l'exemple du moulin de Thévalles

The thermal effects of water mills: the example of the Thévalles mill
Francesco Donati, Laurent Touchart, Pascal Bartout, Quentin Choffel, François Le Cor, Célia Carceles et Alban Cairault
p. 65-82

Résumés

Au cours des dernières années, en France, les moulins à eau ont été redécouverts grâce à leur potentiel hydroélectrique. Leur fonctionnement dépend d'une retenue de seuil, dont la nature peut être assimilée à celle d'un étang au cours de certaines périodes de l'année, notamment pendant l'été, quand les débits sont moins forts et que la colonne d'eau présente une stratification thermique. Aussi l'objectif de cet article est-il d'étudier si, à l'aval de ce type de milieu, les mêmes effets thermiques que ceux des petits plans d'eau se font ressentir, comme les réchauffements estivaux ou la réduction des amplitudes thermiques. Pour cela, des thermomètres enregistreurs ont été placés à l'amont, à l'aval et au sein de la retenue de seuil du moulin de Thévalles (Mayenne), toujours en fonctionnement. Les résultats obtenus montrent des effets sur la température de l'eau plutôt faibles (en moyenne quelques dixièmes de degré), à la fois quand la roue hydraulique est active et quand elle ne l'est pas, c'est-à-dire quand les seules surverses fonctionnent.

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Texte intégral

I - Introduction

1Les moulins à eau sont un des éléments les plus communs dans les paysages fluviatiles de France métropolitaine (C. RIVALS, 2000). Dans la plupart des cas, leur fonctionnement dépend d'un seuil en rivière, complété par une ou plusieurs vannes, qui forme à leur amont un espace appelé "retenue de seuil", dont les eaux sont acheminées à la roue hydraulique via l'actionnement d'une vanne de fond (vanne ouvrière). En alternative à cette configuration, les eaux de la retenue de seuil peuvent être dérivées dans un chenal d'amenée à forte pente, qui permet d'augmenter leur énergie avant d'atteindre la roue hydraulique (A. GIRET, 2014). Grâce à ces systèmes, pendant plusieurs siècles, les moulins ont été utilisés pour moudre les céréales, travailler le bois, fondre les métaux ou encore préparer les tissus (A.R. LUCAS, 2005). Aujourd'hui, rares sont ceux qui conservent ces usages, mais de nouvelles affectations se généralisent de plus en plus, notamment la production d'hydroélectricité (R. BARRAUD, 2009).

2Face à l'intérêt renouvelé des moulins à eau, il est légitime de se demander quels sont les effets de leurs retenues de seuil sur les écosystèmes lotiques : l'un d'entre eux pourrait être l'altération de leur régime thermique. En effet, les eaux calmes des retenues de seuil ont tendance à se réchauffer davantage et à se stratifier au cours des saisons les plus chaudes de l'année (L.M. TURNER et W. ERSKINE, 1997 ; I.T. WEBSTER et al., 1997 ; M. BORMANS et I.T. WEBSTER, 1998 ; F. DONATI et al., 2020 ; F. DONATI, 2021).

3Pour ce qui concerne l'hydrologie et la profondeur, les retenues de seuil des moulins sont finalement similaires à d'autres types de retenues dont les perturbations induites sur la température de l'eau ont été largement documentées par la littérature scientifique (L. TOUCHART, 2007 ; Q. CHOFFEL, 2019 ; Q. CHOFFEL et al., 2021). Une étude récente indique qu'à l'aval de ces milieux, des réchauffements de l'ordre de 3°C peuvent être observés pendant la saison estivale (A. CHANDESRIS et al., 2019).

4À travers la présente recherche, nous souhaitons mieux comprendre les effets des moulins à eau sur le régime thermique des cours d'eau, avec le double objectif de préciser les effets thermiques des moulins : 1/ quand ils sont momentanément à l'arrêt, c'est-à-dire quand les eaux rejoignent le lit en aval uniquement par le seuil en rivière et par-dessus le dispositif de décharge ; 2/ quand ils sont en activité, donc quand une partie des eaux passe par la vanne ouvrière pour actionner la roue hydraulique.

II - Terrain d'étude et méthodologie

1 ) Le moulin de Thévalles

5Pour atteindre les objectifs définis, un suivi thermique a été réalisé tout au long de l'année 2022 au niveau de l'ancien moulin à farine de Thévalles (datant du Xème siècle), qui se trouve dans l'Ouest de la France, dans le département de la Mayenne (53), le long de l'Erve. Ce terrain d'étude a été sélectionné en raison de son contexte hydrologique, de l'opérationnalité des équipements hydrauliques du moulin et des caractéristiques de sa retenue de seuil.

a. Contexte hydroclimatique du moulin de Thévalles

6Le moulin de Thévalles est situé sur un affluent de rive droite de la Sarthe, l'Erve, , dont le bassin versant couvre 380 km2. À son exutoire, la rivière a une longueur de 71 km et son module est de 2,72 m3/s (Hydroportail ‒ valeur déterminée sur la période 1972 et 2022 pour la station hydrométrique d'Auvers-le-Hamon, au niveau de la confluence). Selon la classification des fleuves et des rivières français de A. GIRET (2012), cette valeur rentre dans la classe des cours d'eau mésoréiques modérés, l'une des plus répandues en métropole. Le régime de l'Erve est de type pluvio-évaporal (Fig. 1), avec de hautes eaux hivernales et de basses eaux estivales. Le bassin versant de l'Erve se trouve dans un contexte océanique dégradé, avec des étés chauds et des hivers doux : à la station Météo-France d'Auvers-le-Hamon, en 2022, année pendant laquelle s'est déroulée l'étude, la température moyenne a été de 13,5°C (Fig. 2) et le cumul pluviométrique de 664 mm.

Figure 1 - Débits moyens mensuels de l'Erve en 2022.

Figure 1 - Débits moyens mensuels de l'Erve en 2022.

Source des données : Hydroportail (station hydrométrique d'Auvers-le-Hamon).

Figure 2 - Température atmosphérique moyenne mensuelle dans le bassin versant de l'Erve en 2022.

Figure 2 - Température atmosphérique moyenne mensuelle dans le bassin versant de l'Erve en 2022.

Source des données : InfoClimat (station météorologique d'Auvers-le-Hamon).

b. Caractéristiques des annexes hydrauliques du moulin de Thévalles

7Le moulin de Thévalles est en prise directe avec le cours d'eau, qu'il exploite grâce à un seuil de 10 m de large et 2 m de haut (entre le point le plus haut et celui le plus bas de la structure, à ne pas confondre avec la hauteur de chute), positionné en rive gauche. Au centre du lit, deux vannes de décharge permettaient notamment de réguler le niveau du plan d'eau en amont, mais ne servent plus aujourd'hui qu'à vidanger la retenue. La surverse par les vannes de décharge se fait à un niveau égal à celui du seuil en rivière. Enfin, en rive droite, se trouve le moulin proprement dit. Une vanne de fond située à l'intérieur du bâtiment permet la mise en mouvement de la roue hydraulique, d'un diamètre de 5,60 m (Photo 1). L'ensemble de ces dispositifs est parfaitement fonctionnel. Le moulin est actionné pendant les visites qui ont lieu au moulin pendant la saison touristique estivale, pour moudre l'épeautre ou pour produire de l'électricité. Néanmoins, au cours de l'étude, le mécanisme permettant de transformer l'énergie cinétique en énergie électrique était en panne.

Photos 1 - Structures hydrauliques permettant le fonctionnement du moulin de Thévalles. [clichés : Paul-Henry de VITTON, propriétaire du moulin]

Photos 1 - Structures hydrauliques permettant le fonctionnement du moulin de Thévalles. [clichés : Paul-Henry de VITTON, propriétaire du moulin]

c. Caractéristiques de la retenue de seuil du moulin de Thévalles

8La hauteur du seuil en rivière du moulin de Thévalles avoisine la taille maximale pour ce type de structure en France (G. DEGOUTTE, 2012). En effet, selon le Référentiel des Obstacles à l'Écoulement, la base de données qui recense les ouvrages transversaux aux cours d'eau en France, les seuils en rivière dépassent très rarement 2 m de haut. Dans une précédente étude, nous avons montré que ce type d'ouvrage forme les retenues de seuil les plus intéressantes à étudier sur le plan des températures, car elles présentent généralement des stratifications thermiques importantes et relativement durables pendant l'été (F. DONATI, 2021).

9Les caractéristiques morphométriques de la retenue de seuil de Thévalles sont similaires à celles des étangs de certaines régions françaises (L. TOUCHART et P. BARTOUT, 2015), sa surface étant de 2 ha, sa profondeur moyenne de 1,55 m (valeur maximale = 2,67 m) et son volume de 31000 m3. La retenue s'étend sur 1500 m en amont du moulin et son orientation est nord-ouest/sud-est. Dans une précédente étude réalisée sur cette même retenue, nous avions estimé le temps de séjour des eaux à environ 24 heures (F. DONATI, 2021). Depuis 2020, une chasse hivernale censée favoriser la continuité sédimentaire est demandée par le Syndicat ayant compétence sur la gestion de la rivière. Ainsi, chaque année, la retenue est totalement vidangée entre les mois de décembre et février, grâce aux vannes de décharge. Un ancien règlement demandait au meunier d'ajuster la ligne d'eau pour ne pas entraver le fonctionnement du moulin situé en amont, le moulin de Pré. Mais le bief de ce moulin a été réhabilité en 2019 par la destruction de son seuil en rivière. Sauf pour les vidanges, les vannes de décharge ne sont plus actionnées. L'occupation du sol autour de la retenue de seuil est majoritairement composée de pâturages pour le bétail ; une dense ripisylve pousse dans sa partie amont, alors qu'elle est totalement absente dans sa partie aval (Fig. 3).

Figure 3 - Vue aérienne du terrain d'étude.

Figure 3 - Vue aérienne du terrain d'étude.

Source de l'image : Géoportail.

2 ) Méthodologie utilisée pour collecter les données thermiques

10Le terrain d'étude a été instrumenté avec des stations de mesure de la température de l'eau installées à l'amont, à l'aval et au niveau de la retenue de seuil. Sur chacune d'entre elles, des thermomètres "HOBO water temp Pro V2 - U22-001" (voir Photo 2) ont mesuré la température de l'eau, avec une précision de +/- 0,21°C (information fournie par le constructeur). Il s'agit de capteurs qui enregistrent les données en continu et les stockent pendant de très longues périodes. Pour cette étude, ils ont été programmés pour effectuer une mesure toutes les heures. L'ensemble des sondes déployées au cours de l'étude a été installé le 27 janvier 2022 et retiré le 9 janvier 2023, afin de couvrir toutes les saisons d'une année. Elles ont fonctionné sans jamais s'arrêter ou subir de dysfonctionnement pendant les 348 jours d'échantillonnage.

a. Station de mesure dans la retenue de seuil

11La station de mesure située dans la retenue de seuil est constituée d'une chaîne de thermomètres (Photo 2), un dispositif utilisé en limnologie pour l'étude des caractéristiques thermiques des lacs, des lacs de barrage, des étangs et des retenues de seuil (M. BORMANS et al., 1997 ; L.M. TURNER et W. ERSKINE, 1997 ; L. TOUCHART, 2000, 2002, 2007 ; Q. CHOFFEL et al., 2017). Il est formé d'une bouée d'ancrage fixée à une chaîne en acier inoxydable, le long de laquelle plusieurs thermomètres sont fixés, afin de pouvoir mesurer simultanément la température de l'eau à différentes profondeurs et observer ainsi l'évolution des cycles de stratification thermique et de brassage. Dans la retenue de Thévalles et comme dans d'autres travaux conduits antérieurement, nous avons fixé six capteurs : le premier immédiatement sous la bouée d'ancrage et les autres à 0,25 m, 0,50 m, 0,75 m, 1,00 m et 1,50 m de profondeur. La chaîne de thermomètres a été positionnée à environ 20 mètres en amont du seuil en rivière, où l'eau est profonde de 2 m. Les données qu'elle a collectées ont servi à saisir le fonctionnement interne de la retenue de seuil et à juger de son influence sur la température de l'émissaire.

Photo 2 - Exemple de chaîne de thermomètres, en dehors et dans l'eau. [clichés : Francesco DONATI, 2021]

Photo 2 - Exemple de chaîne de thermomètres, en dehors et dans l'eau. [clichés : Francesco DONATI, 2021]

b. Stations de mesure en dehors de la retenue de seuil

12La première des deux stations en dehors de la retenue de seuil a été installée 100 m en amont de la retenue (soit à 1600 m du seuil), dans son tributaire, le cours d'eau qui l'alimente en eau. La seconde a été installée 100 m à l'aval du seuil en rivière, dans son émissaire, le cours d'eau qui sort de la retenue de seuil. Les données recueillies ont servi à comparer les fonctionnements thermiques du cours d'eau non influencé et influencé par la retenue de seuil et le moulin. Chacune de ces stations de mesure a été préparée selon la méthode décrite dans Q. CHOFFEL et al. (2020). Un thermomètre a été positionné dans la rivière entre deux piquets de fixation en acier inoxydable, à environ 0,20 m de profondeur. Afin d'en assurer la sauvegarde, le capteur a été relié par du fil de fer à un point d'ancrage stable sur la berge.

c. Analyses des données thermiques

13Les données collectées ont été analysées à travers plusieurs traitements mathématiques et statistiques. Pour celles de la chaîne de thermomètres, les différences de température entre la surface et les autres points de la colonne d'eau, ainsi que le gradient thermique, ont été calculés, afin de déceler la présence de stratifications thermiques, puis leur intensité et leur durée. Il a été considéré que si le delta entre la surface et le fond de la retenue de seuil est égal à 0, la colonne d'eau est homotherme. En revanche, si le delta est supérieur ou égal à 0,2°C ou inférieur ou égal à -0,2°C, la colonne d'eau est stratifiée. Toute valeur rentrant dans la marge d'erreur du thermomètre a été enregistrée comme égale à 0. Ces données ont été traitées avec le logiciel "rLakeAnalyzer", pour juger de l'existence d'une thermocline et en déterminer la profondeur. En effet, à partir de là, il est possible de comprendre l'épaisseur et le comportement des différentes strates d'eau qui se superposent dans la retenue et déterminer ainsi quelles eaux se déversent à partir des organes hydrauliques du moulin. Les traitements concernant le fonctionnement thermique de la colonne d'eau de la retenue ont été réalisés uniquement pour la période au cours laquelle elle n'était pas vidangée, c'est-à-dire 329 jours du 15 février 2022 au 9 janvier 2023.

14Pour les données des stations situées hors de la retenue de seuil du moulin de Thévalles, les différences de température entre le tributaire et l'émissaire ont été analysées selon trois échelles temporelles. La première, mensuelle, compare les températures moyennes de chaque mois d'étude à l'amont et à l'aval de la retenue. La deuxième, journalière, compare les amplitudes thermiques (différences entre les températures maximales et minimales) journalières dans le cours d'eau en amont et en aval de la retenue. La troisième, horaire, calcule la différence entre les températures horaires du tributaire et de l'émissaire de la retenue. L'ensemble de ces traitements mathématiques a été réalisé pour toute la période d'étude, y compris quand la retenue de seuil était vidangée. Pour les périodes de fonctionnement du moulin, systématiquement notées par le propriétaire du site, seule l'échelle horaire a été prise en compte. Le choix d'analyser les données thermiques par saison cosmique se base sur le fait que le principal facteur qui fait évoluer la température de l'eau est la radiation solaire, qui évolue en fonction des saisons.

III - Résultats

15Grâce à cette méthodologie, 75177 données de température ont été collectées pour l'ensemble des stations de mesures pendant la période d'observation. Elles donnent un aperçu des effets du moulin et de ses annexes sur la température de l'eau.

1 ) Le fonctionnement thermique interne de la retenue de seuil du moulin de Thévalles

16Du 27 janvier au 15 février 2022, la retenue de seuil était vidangée en raison de la chasse sédimentaire et elle ne présentait plus qu'une mince colonne d'eau, à température uniforme. En revanche, dès la fermeture des vannes du moulin et le rétablissement du niveau d'eau normal de la retenue, des gradients thermiques se sont manifestés, dont la durée et l'intensité n'ont cessé d'augmenter jusqu'à la période estivale (Fig. 4). Au cours de l'année d'observation, les périodes de présence d'une stratification thermique sur 24 heures ont duré, en moyenne, 3 heures en hiver, 17 heures au printemps, 22 heures en été et 12 heures en automne. Au total, 97 jours au cours desquels la stratification thermique a durée 24 heures ont été observés, dont 24 consécutifs entre le 30 juin et le 23 juillet. Les phases d'hétérogénéité thermique de la colonne d'eau représentent 6 % des jours de la saison hivernale qui ont pu être échantillonnés, du 15 février au 2 mars, 70 % des jours de la saison printanière, 91 % de ceux de la saison estivale et 43 % de ceux de la saison automnale.

Figure 4 - Gradient thermique entre la surface et 1,5 m de profondeur dans la retenue de seuil du moulin de Thévalles.

Figure 4 - Gradient thermique entre la surface et 1,5 m de profondeur dans la retenue de seuil du moulin de Thévalles.

17Si on enlève les 19 jours au cours desquels la retenue de seuil était vidangée, la différence de température a été, en moyenne, de 0,2°C entre la surface et -0,25 m, de 0,4°C entre la surface et -0,5 m, de 0,6°C entre la surface et -0,75 m, de 0,7°C entre la surface et -1 m et de 0,9°C entre la surface et -1,5 m. Les différences les plus élevées ont été mesurées en été et les plus faibles en hiver (Tab. I). La plus grande différence instantanée de température entre la surface et le fond de la retenue, soit 7°C, a été enregistrée le 18 juin à 14h00.

Tableau  - Valeurs moyennes saisonnières des écarts de température entre la surface et différentes profondeurs de la colonne d'eau de la retenue de seuil du moulin de Thévalles en période d'inactivité du moulin.

Tableau  - Valeurs moyennes saisonnières des écarts de température entre la surface et différentes profondeurs de la colonne d'eau de la retenue de seuil du moulin de Thévalles en période d'inactivité du moulin.

Hiver : du 27 janvier au 20 mars. Printemps : du 21 mars au 20 juin. Eté : du 21 juin au 20 septembre. Automne : du 21 septembre au 20 décembre.

18Pour ce qui concerne les périodes estivales présentant un gradient thermique, le logiciel "rLakeAnalayzer" a toujours détecté la présence d'une thermocline au sein de la colonne d'eau. La profondeur de la thermocline varie en cours de journée. Globalement, elle se positionne au milieu de la colonne d'eau pendant la nuit, sur le fond aux premières heures du jour et dans la partie sommitale en milieu de journée. À titre d'exemple, si nous considérons le profil thermique du 18 juin, la journée durant laquelle nous avons mesuré la plus forte différence de température entre la surface et le fond de la retenue de seuil, à 0h00 la thermocline se trouvait à -0,50 m, à 7h00 à -1,5 m, à 14h00 à -0,25 m et à 21h00 à -0,50 m (Fig. 5). À 7h00, la concavité du profil thermique indique que la thermocline a été repoussée vers le fond sans être détruite.

Figure 5 - Profils thermiques dans la retenue de seuil du moulin de Thévalles le 18 juin 2022.

Figure 5 - Profils thermiques dans la retenue de seuil du moulin de Thévalles le 18 juin 2022.

Les traits noirs horizontaaux représentent la position de la thermocline.

19Dans une retenue de seuil qui, comme celle de Thévalles, présente une faible superficie, les mouvements de la thermocline sont régis par la radiation solaire et son effet sur la température atmosphérique. Plus la radiation solaire augmente en intensité, plus les températures de l'air et des eaux de surface augmentent et plus la thermocline est haute dans la colonne d'eau. En revanche, plus l'intensité de la radiation solaire diminue, plus les températures de l'air et des eaux de surface diminuent et plus la thermocline est basse dans la colonne d'eau. À titre d'exemple, si nous analysons les profils thermiques du 8 mai, l'une des journées où la différence de température entre la surface et le fond de la retenue a été la plus forte, nous observons que la thermocline s'est positionnée en profondeur de 0h00 à 9h00, puis en surface de 10h00 à 21h00, avant de redescendre à partir de 22h00. Au cours de la nuit, la colonne d'eau a été complètement déstratifiée dans sa moitié supérieure, alors qu'une différence de température persistait avec les strates sous-jacentes (Fig. 6).

Figure 6 - Variations de la profondeur de la thermocline le 8 mai 2022 en fonction des températures de l'air et de l'eau.

Figure 6 - Variations de la profondeur de la thermocline le 8 mai 2022 en fonction des températures de l'air et de l'eau.

Les profondeurs -0,25 m et -0,50 m n'ont pas été représentées pour ne pas surcharger la figure.
Rappelons que la position de la thermocline a été déterminée à l'aide du logiciel "rLakeAnalyzer", qui peut modéliser la température de la colonne d'eau sur toute la partie instrumentée du profil.

2 ) L'effet thermique de la retenue de seuil de Thévalles pendant les périodes d'inactivité du moulin

20À l'échelle mensuelle, les températures moyennes de l'Erve sont quasiment inchangées en période d'inactivité du moulin entre les stations situés en amont et en aval de la retenue de seuil (Tab. II). Celle-ci n'a donc pas d'effet sensible. La plus grande différence, observée en septembre, est de 0,3°C seulement.

Tableau II - Températures moyennes mensuelles à l'amont et à l'aval de la retenue de seuil de Thévalles pendant les périodes d'inactivité du moulin.

Tableau II - Températures moyennes mensuelles à l'amont et à l'aval de la retenue de seuil de Thévalles pendant les périodes d'inactivité du moulin.

21À l'échelle journalière, la retenue de seuil du moulin de Thévalles exerce également un faible effet sur le régime thermique de l'émissaire. Les amplitudes thermiques journalières dans le cours d'eau sortant sont légèrement inférieures à celles du cours d'eau entrant (1,6°C en aval, contre 2,0°C en amont). Cet effet d'amortissement est surtout sensible au printemps (Tab. III). L'influence de la retenue sur les amplitudes thermiques journalières semble résulter de sa capacité à réduire les températures maximales et à augmenter les températures minimales. À titre d'exemple, au printemps, la température maximale moyenne a été de 15,7°C dans le tributaire et de 15,3°C dans l'émissaire. Les températures minimales, en revanche, ont été de 13,4 et 13,8°C respectivement.

Tableau III - Moyennes saisonnières (en °C) des amplitudes thermiques journalières, à l'amont et à l'aval de la retenue de seuil de Thévalles pendant les périodes d'inactivité du moulin.

Tableau III - Moyennes saisonnières (en °C) des amplitudes thermiques journalières, à l'amont et à l'aval de la retenue de seuil de Thévalles pendant les périodes d'inactivité du moulin.

22À l'échelle horaire, l'effet thermique de la retenue de seuil est plus évident. Il se manifeste par des périodes de réchauffement et de refroidissement du tributaire au cours d'une même journée. En moyenne, les augmentations de température sont de l'ordre de 0,4°C (max. : 2,2°C ; min. : 0,1°C) et les diminutions de -0,6°C (max. : -2,2°C ; min. : -0,1°C). Le réchauffement de l'eau à l'aval de la retenue a lieu principalement au cours de l'après-midi et le soir, alors que le refroidissement a lieu principalement au cours de la nuit et des premières heures de la journée (Fig. 7). À échelle horaire, les périodes d'augmentation de la température représentent 36 % des mesures réalisées (soit 2045 heures), celles de refroidissement 38 % (soit 2158 heures) et celles sans changement de température 26 % (soit 1477 heures).

Figure 7 - Cycle journalier des températures dans l'émissaire de la retenue de seuil de Thévalles au cours de l'été pendant les périodes d'inactivité du moulin : valeurs moyennes horaires.

Figure 7 - Cycle journalier des températures dans l'émissaire de la retenue de seuil de Thévalles au cours de l'été pendant les périodes d'inactivité du moulin : valeurs moyennes horaires.

23Le basculement entre réchauffement et refroidissement de l'émissaire semble être régi par le fonctionnement thermique interne de la retenue de seuil. À titre d'exemple, si l'on considère la journée du 2 juin (Tab. IV, Fig. 8), celle au cours de laquelle la différence maximale de température entre l'amont et l'aval de la retenue a été mesurée (+2,2°C), nous observons que ce paramètre évolue parallèlement à la profondeur de la thermocline. Entre 0h00 et 6h00, celle-ci se positionne dans la partie basse de la colonne d'eau, à environ -0,75 m : au cours de ce laps de temps, la différence de température entre l'amont et l'aval de la retenue passe de 0°C à -1,2°C. En revanche, à 12h00 la thermocline se positionne à la surface : à ce moment de la journée la différence de température entre l'amont et l'aval de la retenue est de 0,6°C. Entre 18h00 et 23h00, la thermocline commence à descendre vers le fond, passant de -0,5 m environ à -1 m : au cours de cette période, la différence de température entre l'amont et l'aval de la retenue passe de 2,2°C à 0,7°C.

Tableau IV - Écarts de température (en °C) entre l'amont et l'aval de la retenue de seuil de Thévalles le 2 juin 2022.

Tableau IV - Écarts de température (en °C) entre l'amont et l'aval de la retenue de seuil de Thévalles le 2 juin 2022.

Figure 8 - Évolution du profil thermique de la colonne d'eau de la retenue de seuil de Thévalles le 2 juin 2022.

Figure 8 - Évolution du profil thermique de la colonne d'eau de la retenue de seuil de Thévalles le 2 juin 2022.

3 ) L'effet thermique du moulin de Thévalles pendant les périodes d'activité du moulin

24Pendant la période d'étude, la roue hydraulique du moulin de Thévalles a fonctionné 292 fois entre la fin du printemps et l'été, parfois plusieurs fois au cours d'une même journée. Les données collectées ont permis d'observer ce qui semble être une faible influence de cette activité sur la température de l'eau. À titre d'exemple, le 5 juin la vanne de fond qui fait tourner la roue hydraulique a été ouverte de 14h00 à 15h30. Au cours de cette période, une légère diminution de la température de l'eau s'est produite en aval du moulin, les valeurs mesurées passant de 18,1°C (à 14h00 ) à 17,9°C (à 15h00) (Fig. 9).

Figure 9 - Température de l'eau à l'aval du moulin de Thévalles le 5 juin 2022.

Figure 9 - Température de l'eau à l'aval du moulin de Thévalles le 5 juin 2022.

Le rectangle bleu matérialise le laps de temps au cours duquel la vanne de fond a été ouverte.

25Le 17 septembre, la vanne de fond faisant tourner la roue hydraulique a été ouverte de 10h30 à 12h00 et de 14h30 à 18h00 (Fig. 10). Au cours de la première période, l'eau s'est réchauffée en aval du moulin, la température passant de 16,6°C à 17,2°C. Lors la seconde, en revanche, la température de l'eau a diminué en aval du moulin, passant de 17,2°C à 16,1°C.

Figure 10 - Température de l'eau à l'aval du moulin de Thévalles le 17 septembre 2022.

Figure 10 - Température de l'eau à l'aval du moulin de Thévalles le 17 septembre 2022.

Les rectangles bleus matérialisent les laps de temps au cours desquels la vanne de fond a été ouverte.

IV - Discussion

1 ) Impact thermique des moulins à eau

26À partir des résultats obtenus dans cette étude, plusieurs enseignements peuvent être tirés à propos des effets des moulins à eau et des retenues de seuil sur le régime thermique des cours d'eau.

a. Un faible effet thermique du moulin pendant les périodes d'inactivité

27Quand les moulins à eau ne sont pas en fonction, les effets de la retenue de seuil sur la température de l'eau sont plus ou moins lisibles selon l'échelle de temps considérée.

28À l'échelle mensuelle, au moulin de Thévalles, les différences thermiques entre le tributaire et l'émissaire de la retenue sont à peine perceptibles, avec des valeurs proches de 0 tous les mois de l'année. La même constatation s'impose à l'échelle, journalière, les amplitudes thermiques dans le cours d'eau étant alors quasiment identiques en amont et en aval de la retenue.

29En revanche, plus complexes sont les effets générés par le moulin de Thévalles à l'échelle horaire, les eaux de sa retenue de seuil engendrant à la fois des réchauffements et des refroidissements dans l'émissaire. Les premiers ont lieu généralement au cours des heures de l'après-midi et du soir, alors que les seconds, plus nombreux, se produisent durant la nuit et le matin. Dans les deux cas, les modifications de la température sont faibles (moyenne des écarts inférieure à 1°C), même si de brefs pics de plusieurs degrés centigrades ont été observés à certains moments. À ce sujet, A. CHANDESRIS et al. (2019) ont eux aussi observé des réchauffements de l'ordre de plusieurs degrés entre l'amont et l'aval de retenues de seuil, mais à une échelle journalière. Nous n'avons pas d'explication à cette différence d'échelle temporelle entre les deux études, même si l'on peut supposer qu'elle est en lien avec des contextes climatiques/hydrologiques dissemblables. Toutefois les deux recherches sont en accord pour d'autres observations, en particulier la capacité des retenues de seuil d'augmenter les températures minimales en laissant quasiment inchangées les maximales.

30Pour mieux comprendre l'ampleur des effets thermiques engendrés par la retenue de seuil de Thévalles quand le moulin n'est pas en activité, nous les avons comparés à ceux observés par L. TOUCHART (2001) au niveau de l'étang du Theil, dans le département de la Haute-Vienne. En effet, ce plan d'eau présente un volume (23300 m3) similaire à celui de la retenue de Thévalles et il est équipé d'un déversoir de surface, dont le fonctionnement est similaire à celui d'un seuil en rivière. À l'échelle journalière, cet étang réchauffe son émissaire de mars à octobre et le refroidit de novembre à février : juin est le mois où l'on observe les augmentations de température les plus fortes, +6,97°C en moyenne, alors que janvier est celui où les diminutions de température sont les plus marquées, -2,19°C en moyenne (Fig. 11). Sur trois années de mesure, le réchauffement moyen de l'émissaire a été de 2,1°C. En raison de ces considérations, nous pouvons affirmer que l'effet des moulins sur la température des cours d'eau quand ils ne sont pas en activité semblerait être faible, voire négligeable comparé à d'autres facteurs pouvant altérer la température de l'eau (radiation solaire, température de l'eau, ripisylve), du moins pour ce qui concerne les rivières qui présentent des conditions similaires à celles de l'Erve.

Figure 11 - Écarts sur une période de trois ans entre les températures mensuelles moyennes et la température annuelle moyenne à l'étang de Theil.

Figure 11 - Écarts sur une période de trois ans entre les températures mensuelles moyennes et la température annuelle moyenne à l'étang de Theil.

D'après L. TOUCHART (2001).

b. Les effets sur l'aval du fonctionnement thermique interne de la retenue de seuil

31L'un des points forts de cette étude est la mise en relation des effets des retenues de seuil sur le cours d'eau en aval, avec leur fonctionnement thermique interne. Cela a permis d'expliquer certaines des conséquences observées. En effet, nous avons vu que les augmentations de température ont lieu quand la retenue est stratifiée et que la thermocline se trouve en surface. Dans cette configuration, le seuil en rivière "écrête" la strate d'eau la plus chaude de la colonne d'eau, la déversant à l'aval et engendrant les réchauffements décrits plus haut. En revanche, les diminutions de température ont lieu quand la partie sommitale de la colonne d'eau se refroidit et se déstratifie. En raison de la nature "pseudo-stagnante" de la retenue de seuil, les eaux de la strate d'eau homotherme se refroidissent plus rapidement que celles du tributaire et les eaux de surverse sont alors plus fraiches, ce qui provoque les refroidissements mis en évidence sur le terrain d'étude, à l'instar de ceux observés en étang par L. TOUCHART (2001). De manière générale, ce type de suivi confirme que la fine compréhension des effets des retenues de seuil passe obligatoirement par l'étude de leur nature interne, qui trop souvent est considérée comme une sorte de boîte noire entre un amont et un aval.

2 ) Un effet thermique du moulin presque inexistant pendant les périodes d'activité

32La principale originalité de ce travail de recherche réside dans l'étude des effets thermiques des moulins à eau pendant les périodes d'activité, quand les eaux rejetées à l'aval ne sont pas seulement celles qui dévalent le seuil et les vannes de décharge, mais aussi celles qui franchissent la vanne actionnant la roue hydraulique : ce type de suivi est à notre connaissance inédit. Les données collectées à Thévalles ont montré que l'activité du moulin a une faible influence sur la température du cours d'eau en aval. Même en l'absence de mesures complémentaires au niveau de la vanne ouvrière et en aval de la roue hydraulique, elle peut s'expliquer par la mobilisation d'eau profonde plus fraiche. Toutefois cet impact est beaucoup moins sensible que celui engendré par les vannes de fond d'autres types de retenues. En effet, L. TOUCHART et P. BARTOUT (2010) et L. TOUCHART et al. (2020) ont observé des différences mensuelles moyennes de l'ordre de plusieurs degrés Celsius à l'aval de certains étangs équipés d'un moine (type de vanne pouvant extraire les eaux profondes comme le fait la vanne de fond d'un moulin), alors qu'à Thévalles les écarts mesurés ont toujours été inférieurs à 1°C. Cela peut être expliqué par la forte dilution des eaux profondes. En effet, à Thévalles comme dans d'autres moulins à eau, le volume d'eau qui franchit le seuil en rivière et les vannes de décharge est généralement plus important que celui rejeté par la vanne de fond qui actionne les mécanismes du moulin. Ainsi, les eaux de fond de la retenue de seuil se mélangeant à celles de l'émissaire, leur impact sur le régime thermique des eaux est quasiment imperceptible en aval. De plus, dans le cas spécifique de Thévalles, les ouvertures de la vanne de fond sembleraient être trop courtes pour engendrer les mêmes effets que ceux constatés à l'aval d'autres types de structures, comme les barrages et les digues d'étang, où la vanne de fond est souvent la seule sortie d'eau active.

V - Conclusion

33L'étude menée au niveau du moulin de Thévalles, un site assez représentatif de la réalité française en termes d'hydrologie et d'infrastructures qui l'équipent, donne un aperçu inédit des effets thermiques de ce type d'ouvrage, notamment en ce qui concerne les moments de fonctionnement de leur roue hydraulique. Des effets sur la température de l'eau ont été observés uniquement pendant l'été et le début de l'automne, quand la retenue de seuil qui s'étale à l'amont du moulin était stratifiée. Pendant les périodes d'inactivité du moulin, les eaux rejetées par le seuil en rivière ont engendré à la fois des réchauffements et des refroidissements de l'eau, perceptibles uniquement à l'échelle horaire et rarement supérieurs au degré centigrade. Pendant les périodes d'activité du moulin, les eaux qui franchissent la vanne de fond et actionnant la roue hydraulique ont eu un effet à peine observable sur la température de l'eau du tributaire, majoritairement dû à l'effet dilution des eaux rejetées par le seuil en rivière. Ainsi, bien que d'autres études soient sans doute nécessaires pour pouvoir les confirmer, les résultats obtenus montrent une faible emprise de l'activité des moulins à eau sur la température de l'eau pour des rivières comme l'Erve.

Remerciements : Nous tenons à remercier Monsieur Paul-Henry de VITTON, propriétaire du moulin de Thévalles et grand expert du fonctionnement des moulins à eau, pour l'aide fournie au cours de cette étude.

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Bibliographie

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Table des illustrations

Titre Figure 1 - Débits moyens mensuels de l'Erve en 2022.
Légende Source des données : Hydroportail (station hydrométrique d'Auvers-le-Hamon).
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 72k
Titre Figure 2 - Température atmosphérique moyenne mensuelle dans le bassin versant de l'Erve en 2022.
Légende Source des données : InfoClimat (station météorologique d'Auvers-le-Hamon).
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 72k
Titre Photos 1 - Structures hydrauliques permettant le fonctionnement du moulin de Thévalles. [clichés : Paul-Henry de VITTON, propriétaire du moulin]
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 228k
Titre Figure 3 - Vue aérienne du terrain d'étude.
Légende Source de l'image : Géoportail.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 136k
Titre Photo 2 - Exemple de chaîne de thermomètres, en dehors et dans l'eau. [clichés : Francesco DONATI, 2021]
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 100k
Titre Figure 4 - Gradient thermique entre la surface et 1,5 m de profondeur dans la retenue de seuil du moulin de Thévalles.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 120k
Titre Tableau  - Valeurs moyennes saisonnières des écarts de température entre la surface et différentes profondeurs de la colonne d'eau de la retenue de seuil du moulin de Thévalles en période d'inactivité du moulin.
Légende Hiver : du 27 janvier au 20 mars. Printemps : du 21 mars au 20 juin. Eté : du 21 juin au 20 septembre. Automne : du 21 septembre au 20 décembre.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 64k
Titre Figure 5 - Profils thermiques dans la retenue de seuil du moulin de Thévalles le 18 juin 2022.
Légende Les traits noirs horizontaaux représentent la position de la thermocline.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 180k
Titre Figure 6 - Variations de la profondeur de la thermocline le 8 mai 2022 en fonction des températures de l'air et de l'eau.
Légende Les profondeurs -0,25 m et -0,50 m n'ont pas été représentées pour ne pas surcharger la figure.Rappelons que la position de la thermocline a été déterminée à l'aide du logiciel "rLakeAnalyzer", qui peut modéliser la température de la colonne d'eau sur toute la partie instrumentée du profil.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 128k
Titre Tableau II - Températures moyennes mensuelles à l'amont et à l'aval de la retenue de seuil de Thévalles pendant les périodes d'inactivité du moulin.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-10.jpg
Fichier image/jpeg, 128k
Titre Tableau III - Moyennes saisonnières (en °C) des amplitudes thermiques journalières, à l'amont et à l'aval de la retenue de seuil de Thévalles pendant les périodes d'inactivité du moulin.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-11.jpg
Fichier image/jpeg, 68k
Titre Figure 7 - Cycle journalier des températures dans l'émissaire de la retenue de seuil de Thévalles au cours de l'été pendant les périodes d'inactivité du moulin : valeurs moyennes horaires.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-12.jpg
Fichier image/jpeg, 88k
Titre Tableau IV - Écarts de température (en °C) entre l'amont et l'aval de la retenue de seuil de Thévalles le 2 juin 2022.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-13.jpg
Fichier image/jpeg, 32k
Titre Figure 8 - Évolution du profil thermique de la colonne d'eau de la retenue de seuil de Thévalles le 2 juin 2022.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-14.jpg
Fichier image/jpeg, 356k
Titre Figure 9 - Température de l'eau à l'aval du moulin de Thévalles le 5 juin 2022.
Légende Le rectangle bleu matérialise le laps de temps au cours duquel la vanne de fond a été ouverte.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-15.jpg
Fichier image/jpeg, 448k
Titre Figure 10 - Température de l'eau à l'aval du moulin de Thévalles le 17 septembre 2022.
Légende Les rectangles bleus matérialisent les laps de temps au cours desquels la vanne de fond a été ouverte.
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-16.jpg
Fichier image/jpeg, 556k
Titre Figure 11 - Écarts sur une période de trois ans entre les températures mensuelles moyennes et la température annuelle moyenne à l'étang de Theil.
Légende D'après L. TOUCHART (2001).
URL http://journals.openedition.org/physio-geo/docannexe/image/15471/img-17.jpg
Fichier image/jpeg, 111k
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Pour citer cet article

Référence papier

Francesco Donati, Laurent Touchart, Pascal Bartout, Quentin Choffel, François Le Cor, Célia Carceles et Alban Cairault, « Les effets des moulins à eau sur la température des cours d'eau : l'exemple du moulin de Thévalles »Physio-Géo, Volume 19 | -1, 65-82.

Référence électronique

Francesco Donati, Laurent Touchart, Pascal Bartout, Quentin Choffel, François Le Cor, Célia Carceles et Alban Cairault, « Les effets des moulins à eau sur la température des cours d'eau : l'exemple du moulin de Thévalles »Physio-Géo [En ligne], Volume 19 | 2023, mis en ligne le 13 juillet 2023, consulté le 26 mai 2024. URL : http://journals.openedition.org/physio-geo/15471 ; DOI : https://doi.org/10.4000/physio-geo.15471

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