Research Paper

Contribution of 3D coupled hydrodynamic-ecological modeling to assess the representativeness of a sampling protocol for lake water quality assessment

Apport de la modélisation tridimensionnelle couplée hydrodynamique et écologique pour estimer la représentativité d'un protocole de suivi pour l'évaluation de la qualité de l'eau d'un lac

¹ French National Institute for Agricultural Research (INRA), CARRTEL, Université Savoie Mont Blanc, 75bis avenue de Corzent, 74200 Thonon-les-Bains, France
² Ecological Engineering Laboratory (ECOL), Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 1015 Lausanne, Switzerland
³ Eawag, Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, Surface Waters − Research and Management, Kastanienbaum, Swizterland
⁴ Hydraulic Engineering Center (CIH), Electricité de France (EDF), Savoie Technolac, 73370 Le Bourget-du-Lac, France
⁵ SEGULA Technologie, 30 allée du lac d'Aiguebelette BP80271, 73375 Le Bourget du Lac, France
⁶ Géosciences Environnement Toulouse (GET), UMR 5563, Université Toulouse 3, CNRS, IRD, 14 avenue Edouard Belin, OMP, 31400 Toulouse cedex 9, France
⁷ Irstea, UR RECOVER, Pôle AFB-Irstea Hydroécologie des Plans d'eau, 3275 route Cézanne, 13182 Aix-en-Provence, France
⁸ Department F.-A. Forel for Environmental and Aquatic Sciences (DEFSE), University of Geneva, Boulevard Carl-Vogt 66, 1205 Geneva, Switzerland
⁹ Deltares, Boussinesqweg 1, 2629 HV Delft, The Netherlands
¹⁰ Pôle R&D « ECLA », Aix-en-Provence, France
¹¹ AFB, Aix-en-Provence, France

^* Corresponding author: frederic.soulignac@epfl.ch

Received: 16 May 2019
Accepted: 23 September 2019

Abstract

This study deals with the impact of spatio-temporal heterogeneities on the assessment of lake ecological status according to the European water framework directive (WFD). A method, based on three-dimensional coupled hydrodynamic and ecological modeling, is presented to assess the variability of lake ecological status, and to locate the most representative sampling station of Lake Geneva (France/Switzerland). Five variables used in the lake ecological status evaluation were simulated by using the free software Delft3D. The numerical simulation results showed that the simulated ecological status based on chlorophyll a and total phosphorus concentrations measured at the regulatory monitoring station depend on the choice of the sampling date. Results also indicated a strong spatial heterogeneity in ecological status that varies from “poor” to “good” along an East-West gradient. Finally, the numerical simulation results showed that the most representative point of a mean theoretical ecological quality for Lake Geneva would be located in the center of the upper basin, close to the historical sampling station.

Résumé

Cette étude traite de l'impact des hétérogénéités spatio-temporelles sur l'évaluation de l'état écologique des lacs conformément à la directive-cadre européenne sur l'eau (DCE). Une méthode, basée sur la modélisation tridimensionnelle couplée hydrodynamique et écologique, est présentée pour évaluer la variabilité de l'état écologique et pour localiser la station d'échantillonnage la plus représentative du lac Léman. Cinq variables utilisées dans l'évaluation de l'état écologique ont été simulées en utilisant le logiciel libre Delft3D. Les résultats des simulations numériques ont montré que l'état écologique simulé basé sur les concentrations en chlorophylle a et en phosphore total mesurées à la station de suivi réglementaire dépend du choix de la date d'échantillonnage. Les résultats ont aussi indiqué des fortes hétérogénéités spatiales de l'état écologique allant de « médiocre » à « bon » le long d'un gradient est-ouest. Finalement, les résultats de simulations numériques ont montré que le point le plus représentatif d'un état écologique théorique moyen du lac Léman serait situé au centre du grand bassin, proche de la station d'échantillonnage historique.