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Oct 01, 2023

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Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20549 (2022) Citer cet article

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Les nations riveraines du golfe Arabo-Persique sont les plus grands utilisateurs mondiaux de technologies de dessalement, qui sont essentielles pour répondre à leurs besoins en eau douce. La production d'eau douce dessalée devrait augmenter rapidement dans les décennies à venir. Ainsi, des inquiétudes ont été exprimées quant au fait que les activités de dessalement pourraient entraîner des augmentations non négligeables à long terme de la salinité à l'échelle du bassin, ce qui aurait des effets néfastes généralisés sur les écosystèmes marins du Golfe, avec des effets d'entraînement sur la pêche, ainsi qu'un impact sur les activités de dessalement elles-mêmes. Nous constatons que la production annuelle actuelle d'eau douce dessalée s'élève à environ 2 % de l'évaporation annuelle nette du Golfe. Les projections jusqu'en 2050 ramènent cette valeur à 8 %, ce qui laisse supposer que, plus tard dans la seconde moitié du siècle, la production d'eau douce dessalée pourrait dépasser 10 % de l'évaporation nette, une quantité comparable aux fluctuations interannuelles de l'évaporation nette. À l'aide d'un modèle, nous examinons plusieurs scénarios climatologiques et nous constatons que, selon les pires scénarios SSP5-8.5 du GIEC, les augmentations de la température de l'air à la fin du siècle peuvent entraîner des augmentations de la salinité comparables ou supérieures à celles produites par les activités de dessalement. Le même scénario suggère une évaporation réduite et une augmentation des précipitations, ce qui aurait un effet atténuant. Enfin, nous constatons que, en raison d'une forte circulation de renversement, les eaux à forte salinité sont rapidement chassées par le détroit d'Ormuz. Ainsi, même dans les pires scénarios, il est peu probable que les augmentations de la salinité à l'échelle du bassin dépassent 1 psu et, dans des hypothèses moins extrêmes, elles resteront probablement bien inférieures à 0,5 psu, des niveaux qui ont des implications environnementales négligeables à l'échelle du bassin.

Le littoral du golfe arabo-persique (ci-après « le golfe ») est partagé entre huit nations, dont beaucoup ont connu un développement économique rapide au cours des 30 dernières années, accompagné d'une croissance démographique et d'une urbanisation spectaculaires. La disponibilité abondante des ressources en eau douce est une condition nécessaire pour soutenir tout développement. Dans le Golfe, seuls l'Iran et l'Irak peuvent compter sur les cours d'eau naturels pour leurs besoins en eau douce. Il n'est donc pas surprenant que les pays de la rive sud du Golfe aient été parmi les premiers à adopter les technologies de dessalement, qui fournissent aujourd'hui la majeure partie de l'eau douce utilisée dans la région du Golfe1.

(a) Bathymétrie de la région du Golfe selon le jeu de données GEBCO 2021. L'altitude zéro est marquée en bleu clair, l'isobathe - 30 m en bleu foncé. Les usines de dessalement existantes et futures (en construction, approuvées et prévues d'ici 2030) empiétant sur le Golfe sont marquées, respectivement, par des cercles et des marqueurs hexagonaux. La surface du marqueur est proportionnelle à la capacité de dessalement de l'usine. Les usines à moins de ~10 km sont représentées comme une seule usine avec la capacité combinée. (b) Capacité de dessalement existante et future par pays. Oman a été omis car sa capacité de dessalement dans le Golfe ne s'élève qu'à 5150 m\(^{3}\) jour\(^{-1}\), sans projet d'expansion. Données de2. Carte réalisée avec Python 3.10.6 : https://www.python.org/.

À ce jour, 45 % de la production mondiale de dessalement d'eau douce est concentrée dans le Golfe, et la région abrite les plus grands complexes d'usines de dessalement au monde3. La figure 1 montre la position et la capacité de production d'eau douce associée de toutes les usines de dessalement qui sont actuellement (mars 2022) en fonctionnement (c'est-à-dire les « usines existantes ») et de celles qui devraient être en service d'ici 2030 (« futures usines », y compris les usines en construction, approuvées ou prévues).

Bien que le dessalement soit fondamental pour soutenir la vie et le bien-être dans le Golfe4,5,6,7, de nombreuses préoccupations ont été soulevées concernant ses impacts environnementaux8,9,10,11,12,13. Les impacts locaux comprennent l'impact et l'entraînement d'organismes marins à la prise d'eau et le rejet de saumures chauffées, hypersalées, chimiquement polluées et hypoxiques (le principal sous-produit du dessalement) aux émissaires, ce qui peut avoir des effets négatifs directs sur la flore et la faune marines. L'action à l'échelle locale des saumures sur l'augmentation de la température (pour les installations de distillation flash et multi-effets) et de la salinité (pour toutes les installations) est assez claire3,12,14. En revanche, l'extension de ce phénomène à l'échelle du bassin, et son effet synergique avec le réchauffement et l'augmentation de la salinité dus au changement climatique, dépendraient des caractéristiques de la circulation des masses d'eau dans le bassin sur les rives duquel se trouvent les plantes.

Le Golfe est une mer marginale peu profonde (profondeur moyenne ~30 m) où l'évaporation dépasse les précipitations et le ruissellement des rivières15. Relié à l'océan Indien par l'étroit détroit d'Ormuz (« Hormuz »), le golfe est caractérisé par une circulation estuarienne inverse, où des eaux denses et salines (39–40 psu) s'écoulent à travers la partie la plus profonde d'Ormuz, et des eaux de surface de l'océan Indien plus légères et plus fraîches (« IOSW », 36–37 psu) affluent à des niveaux moins profonds16,17,18. Le flux d'échange est relativement faible par rapport à celui d'autres bassins semi-enclavés similaires (par exemple, la mer Rouge, la mer Méditerranée) et se situe en moyenne à environ 0,15 Sv19. Le Golfe connaît déjà des conditions environnementales extrêmes pour une mer subtropicale, avec des températures atteignant 36 \(^{\circ }\)C en été et des salinités typiques de 42 psu dans les bas-fonds du sud15,20. Par conséquent, la possibilité que les activités de dessalement puissent entraîner des augmentations non négligeables de la salinité à l'échelle du bassin, avec des impacts environnementaux et économiques potentiellement négatifs, doit être soigneusement étudiée.

En effet, la forte salinité actuelle du golfe a déjà été associée à une biodiversité réduite des coraux et des échinodermes21,22,23,24 et à une taille réduite à maturité chez les poissons25. La réduction de la taille est associée au coût plus élevé de l'osmorégulation à une salinité plus élevée, ce qui réduit l'énergie disponible pour la croissance, la reproduction et l'entretien26. Fondamentalement, la diminution de la taille des poissons aura un impact sur la productivité des pêcheries en raison de la réduction de la fécondité des poissons et de la production de biomasse27. De plus, la salinité de l'eau d'alimentation est l'un des principaux déterminants des coûts d'exploitation d'une usine de dessalement. Par conséquent, une augmentation substantielle de la salinité aurait également un impact négatif sur la viabilité économique de la production d'eau douce par dessalement28,29.

Récemment, plusieurs études de modélisation ont tenté d'estimer l'augmentation de la salinité à l'échelle spatiale du bassin en raison du dessalement dans le Golfe13,30,31,32,33,34,35,36. Cependant, ces études ne considèrent qu'un nombre très limité de scénarios, se concentrant principalement sur la quantification de l'excès de salinité dû aux volumes de dessalement actuels. Ils ne tiennent pas compte des possibles effets futurs du changement climatique, ni des augmentations probables des volumes de dessalement, à l'exception notable de13 qui extrapole à la fois les volumes de dessalement et les conditions climatiques au milieu du XXIe siècle. En raison de leur hétérogénéité, ces études ne sont pas facilement comparables et leurs résultats diffèrent significativement les uns des autres. Pour la capacité de dessalement actuelle, toutes les études rapportent des augmentations de salinité inférieures à 0,5 psu, à l'exception du modèle analytique36 qui prédit une salinité à l'échelle du Golfe supérieure à 50 psu, et du modèle de circulation générale13 qui rapporte des augmentations généralisées de la salinité supérieures à 1 psu dans les régions offshore et de 3 psu ou plus dans les zones côtières peu profondes. Aucun de ces travaux n'identifie de mécanismes physiques spécifiques qui favorisent ou entravent l'accumulation de salinité. Certaines études rapportent de légers changements dans la circulation du Golfe33,35, cependant, en raison de l'intervalle de temps limité couvert par leurs simulations, elles n'ont pas pu démêler la contribution relative du débit de l'usine de dessalement et celle de la variabilité interannuelle naturelle de la salinité.

Schéma conceptuel du modèle de boîte (voir "Méthodes" pour les équations du modèle). Les flux de volume (\(q_{I}\), \(q_{H}\), \(q_{OD}\)) entre l'océan Indien, les boîtes côtières, offshore et profondes sont entraînés par les différences de densité entre les masses d'eau dans les boîtes adjacentes. Les caissons inshore et offshore sont soumis à l'évaporation et aux échanges thermiques avec l'atmosphère. Le flux \(q_{H}\) quantifie l'échange d'eau entre l'océan Indien et le Golfe par le détroit d'Ormuz.

Plus généralement, la littérature existante a accordé peu d'attention à l'identification de repères simples et utilisables pour mesurer la taille des flux de dessalement, afin d'obtenir une image qualitative qui peut guider une analyse quantitative plus approfondie. Une estimation de la production de dessalement d'eau douce dans le Golfe (par exemple Fig. 1) est d'une pertinence économique et sociologique, mais sa valeur absolue transmet peu d'informations environnementales à moins qu'elle ne soit comparée à un terme de comparaison significatif. Un indicateur qualitatif qui s'applique à tout rejet de substance dans l'eau est le rapport des temps de rinçage associés au rejet de substance (par dessalement, dans notre cas) et à l'élimination de la substance (par transport via Ormuz). Nous observons en outre que le dessalement et l'évaporation ont des effets similaires (ils attirent l'eau douce, laissant derrière eux la masse de sel marin, entraînant une augmentation de la salinité de la mer), à la seule différence que le premier est un processus anthropique, qui se produit exclusivement à terre, tandis que le second est un processus naturel qui se produit à la fois à terre et en mer. Étant donné que la salinité du Golfe est principalement déterminée par l'équilibre entre l'évaporation et l'afflux d'eaux plus douces par le détroit d'Ormuz16, l'évaporation nette (c'est-à-dire l'évaporation moins les précipitations) ainsi que l'ampleur de sa variabilité interannuelle naturelle semblent être les termes de comparaison naturels pour la taille des flux de dessalement.

Notre analyse quantitative ne tente pas d'établir une prévision détaillée de l'avenir. Son objectif est plutôt de séparer le plausible de l'invraisemblable et de faire la lumière sur les principaux processus physiques qui favorisent ou entravent l'accumulation de salinité à grande échelle. Pour cela, nous nous appuyons sur un modèle simple de représentation de la circulation de renversement du Golfe. Cela nous permet d'identifier une plage de variabilité crédible pour les changements futurs de la salinité dans le Golfe, en explorant plusieurs scénarios. En particulier, nous explorons les effets, individuellement ou combinés, d'une augmentation climatologique de la température, et d'une augmentation ou d'une diminution climatologique de l'évaporation. En outre, nous formulons également des scénarios basés sur des mécanismes hypothétiques régulant le flux à travers le détroit d'Ormuz. Dans chaque scénario, nous examinons un large intervalle de volumes de production d'eau douce dessalée, qui comprend les volumes actuels, les estimations pour 2030 et les projections pour 2050. Le volume le plus élevé que nous considérons est de 120 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\), ce qui est supérieur à toute projection future connue, mais est technologiquement réalisable.

Notre modèle utilise un découpage idéalisé du Golfe en trois cases (Fig. 2) : une côtière, représentant les eaux depuis le littoral jusqu'à l'isobathe − 30 m ; un offshore, pour les eaux au-delà de l'isobathe − 30 m de la surface à − 30 m de profondeur ; une profonde, pour les eaux du large en dessous de − 30 m de profondeur (la Fig. 1 montre l'isobathe de − 30 m37). Le modèle traite les boîtes comme homogènes et interconnectées. La case côtière rend également compte, de manière agrégée, de la contribution des zones côtières hypersalines telles que le golfe de Salawah et les lagons d'Abu Dhabi, sans toutefois les résoudre explicitement. Les boîtes profondes et offshore sont en communication avec un réservoir représentant les eaux de surface de l'océan Indien. Les flux de volume sont entraînés par les différences de densité de l'eau de mer dans les boîtes adjacentes. Des flux de chaleur et d'évaporation sont imposés en surface. Cette technique de modélisation fait suite aux travaux fondateurs de Stommel sur la circulation de retournement de l'Atlantique38 et s'est imposée comme une excellente approche pour les études exploratoires de la circulation de retournement thermohaline, y compris en incluant les rétroactions atmosphériques39,40,41,42. L'approche du modèle de boîte permet de traiter l'apport de saumure des usines de dessalement comme un prélèvement d'eau douce, apparenté à l'évaporation. Le seul paramètre pertinent pour le modèle est donc le volume total d'eau dessalée produit dans l'unité de temps. Cela rend les résultats du modèle indépendants de la technologie de dessalement particulière utilisée et, en particulier, du rapport spécifique saumure / eau douce de chaque usine. Voir "Méthodes", ci-dessous, pour plus de détails et pour les équations du modèle.

L'évaporation des eaux du golfe atteint un minimum en mars-avril et grimpe lentement jusqu'à un maximum en novembre43,44. Le flux d'évaporation net moyen mensuel sur le Golfe au cours des années 1979 à 2021 est illustré à la Fig. 3 (données de la réanalyse ERA545). En moyenne, au minimum annuel, l'évaporation nette est légèrement supérieure à 500 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\), et au maximum annuel, elle atteint presque 1 500 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\). L'évaporation nette moyenne quotidienne sur l'intervalle de temps 1979-2021 est de 1000 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\). Cette quantité est compatible avec les estimations obtenues à partir de la mesure des flux volumiques à travers le détroit d'Ormuz (\(1105\pm 270\) millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\)19, données de décembre 1996 à mars 1998). Le cycle saisonnier de l'évaporation nette montre une importante variabilité interannuelle (Fig. 3). Des fluctuations de plusieurs centaines de millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\) au-dessus ou au-dessous de la valeur moyenne mensuelle sont souvent observées, en particulier en automne et en hiver. La phase du cycle n'est que partiellement déterminée par les précipitations hivernales (qui, en moyenne, atteignent leur maximum en décembre et janvier, avec un flux de 250 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\)), et est principalement affectée par les vents et par la différence de température entre la mer et l'air, la mer étant généralement plus froide que l'air en fin d'hiver, et plus chaude que l'air (donc plus sujette à l'évaporation) en automne15,16.

Moyenne mensuelle des flux nets d'évaporation (évaporation moins précipitations) sur le golfe. La ligne rouge épaisse est la moyenne sur l'intervalle de temps 1979-2021. Les fines lignes grises font référence aux années individuelles (la couleur plus foncée correspond à l'année la plus ancienne). L'axe de gauche rapporte le flux en millions de mètres cubes par jour, l'axe de droite rapporte le même flux à Sverdrup (1 Sv = un million de mètres cubes par seconde). Données issues de la réanalyse ERA5.

Évaporation nette moyenne annuelle (ligne continue bleue, axe de gauche) et vitesse moyenne annuelle du vent (ligne continue orange, axe de droite) sur le golfe. Les lignes pointillées montrent l'ajustement linéaire des moindres carrés aux données. Les encarts rapportent la tendance (pente de l'ajustement linéaire) et la valeur de p associée par rapport à l'hypothèse nulle de tendance nulle. Le coefficient de corrélation de Pearson des séries chronologiques d'évaporation et de vent et sa valeur de p par rapport à l'hypothèse nulle d'absence de corrélation sont également rapportés. Données issues de la réanalyse ERA545.

La figure 4 montre l'évaporation nette moyenne annuelle et la vitesse du vent dans le golfe. L'évaporation nette montre des fluctuations interannuelles de ±10% autour de sa valeur moyenne. Le vent affiche une tendance à la baisse faible mais significative (\(p<0,05\) ); la tendance à l'évaporation nette n'est pas statistiquement significative. Les deux quantités sont significativement corrélées (\(r=0,41,\,p<0,01\)) confirmant que les changements de vitesse du vent affectent fortement l'évaporation dans le Golfe46,47. (En omettant les précipitations, la corrélation du vent et de l'évaporation seule augmente à \(r=0,57,\,p=0,0001\); l'évaporation seule ne montre pas non plus de tendance significative).

L'estimation actuelle de la production d'eau dessalée dans le Golfe est de 22,6 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\)2, ce qui représente 2,3 % du flux d'évaporation net quotidien moyen sur la période 1979-2021. En incluant toutes les futures usines connues (Fig. 1), la capacité de dessalement passe à 39,5 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\), soit 4 % du flux d'évaporation net moyen. Cela devrait être une évaluation assez précise des flux de dessalement vers 2030. Il est prévu que d'ici 2050, la capacité de dessalement pourrait atteindre 80 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\)13. Par conséquent, la possibilité qu'au cours de la seconde moitié du 21ème siècle les flux de dessalement puissent atteindre, voire dépasser, 10% des flux d'évaporation doit être considérée comme une hypothèse plausible.

Il est utile de noter que la superficie côtière de l'isobathe − 30 m représente 58 % de la superficie totale du golfe. Par conséquent, actuellement le dessalement puise dans la région côtière un volume d'eau douce égal à environ 4 % de celui tiré par l'évaporation nette et cette quantité passera à environ 7 % y compris la capacité future (jusqu'en 2030). Par la suite, au cours de la seconde moitié du 21e siècle, le prélèvement d'eau douce pourrait dépasser 15 % des flux d'évaporation côtiers. En résumé, les flux de dessalement actuels sont éclipsés par les fluctuations mensuelles de l'évaporation nette (Fig. 3) mais peuvent devenir comparables aux fluctuations interannuelles actuelles de l'évaporation nette (Fig. 4) dans la seconde moitié du XXIe siècle. Les scénarios discutés dans le sixième rapport d'évaluation du GIEC (AR6)48 montrent une tendance continue à la baisse de la vitesse du vent (tableau 1), qui dans le scénario extrême SSP5-8.5 correspond à celle observée dans la Fig. 4, et est moins rapide dans le scénario de durabilité SSP1-2.6. La baisse des vents peut entraîner une diminution de l'évaporation, et l'augmentation prévue (quoique très incertaine) des précipitations peut encore réduire l'évaporation nette. Alors que ces effets contrebalanceraient les flux de dessalement, le modèle de boîte (ci-dessous) révèle que le plus grand impact du changement climatique sur la salinité peut provenir de l'augmentation prévue de la température de l'air.

Le volume d'eau à terre de l'isobathe − 30 m est d'environ 1900 milliards de m\(^{3}\), et s'élève à 24 % du volume total du Golfe37. À la capacité actuelle, l'absorption totale d'eau douce due au dessalement en un an est d'environ 0,4 % du volume côtier, et si l'absorption augmentait à 120 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\), elle dépasserait 2 %. Le dessalement est ainsi associé à une échelle de temps allant de 250 ans dans les conditions actuelles à moins de 50 ans si le dessalement atteint le seuil le plus élevé de production d'eau douce considéré ici (120 millions de m\(^{3}\) jour\(^{-1}\), ce qui dépasse les projections actuelles pour 205013). Cette échelle de temps doit être comparée aux échelles de temps typiques des échanges d'eau à travers le détroit d'Ormuz. Le temps de rinçage est défini comme le rapport entre le volume d'une masse d'eau sur l'amplitude de ses flux d'échange. Le Golfe a un volume de 7900 milliards de m\(^{3}\), et il échange environ 0,15 Sv avec l'océan Indien via Ormuz19 (1 Sv = 1 million de m\(^{3}\)s\(^{-1}\)). Cela conduit à une durée de rinçage estimée à l'échelle du golfe d'environ 1,7 an. Une quantité connexe est le temps de séjour, défini comme le temps moyen nécessaire pour qu'une parcelle d'eau commençant à un emplacement initial prescrit quitte la masse d'eau. Nous n'avons connaissance d'aucune mesure directe des temps de séjour (par exemple par des flotteurs) dans le golfe, nous nous référons donc aux résultats de modélisation49. Dans les bas-fonds faisant face à la côte des Émirats arabes unis, le temps de résidence est estimé à moins de deux ans. Ce délai passe à trois ans uniquement pour les parcelles d'eau partant de la baie de Koweït. On estime que même l'eau du golfe de Bahreïn atteindra Ormuz en moins de 2,5 ans. Pour les parcelles d'eau commençant au large de l'isobathe − 30 m, le temps de séjour est estimé entre trois mois et un an, sauf pour les points de départ à proximité immédiate d'Ormuz qui peuvent avoir des temps de séjour inférieurs à un mois.

Ces résultats qualitatifs suggèrent que l'impact des flux de dessalement sur l'équilibre de la salinité à l'échelle du Golfe peut être indétectable dans les conditions actuelles, mais peut devenir mesurable dans certains scénarios futurs.

Variations moyennes annuelles par rapport au scénario de référence (climat actuel sans dessalement) en fonction des flux de dessalement. Les panneaux montrent l'évolution de la salinité dans les cases côtière (a), hauturière (b) et profonde (c). Les changements de température dans la boîte profonde sont indiqués dans le panneau (d). Les panneaux (e) et (f) montrent, respectivement, les changements dans l'écoulement de la côte vers la boîte profonde et à travers Ormuz. Les lignes grises verticales marquent les flux de dessalement actuels (continus), les flux de dessalement attendus d'ici 2030 (en pointillés) et les flux de dessalement projetés par l'AGEDI en 2050 (en pointillés).

Un modèle de référence vise à reproduire les conditions actuelles sans dessalement (voir "Méthodes" pour les détails, les paramètres et la validation). Huit scénarios ont été développés, basés sur des hypothèses impliquant la dynamique de l'écoulement d'Ormuz et des phénomènes liés au changement climatique. L'évolution des quantités clés par rapport au scénario de référence est ensuite quantifiée en fonction des flux de dessalement (Fig. 5).

Le scénario "par défaut" suppose un climat actuel constant. La salinité dans les boîtes côtières et profondes augmente respectivement de 0,4 psu et 0,2 psu lorsque les flux de dessalement atteignent 120 m\(^{3}\) jour\(^{-1}\). Ceci s'accompagne d'une diminution de la salinité dans la boîte offshore. Cela s'explique par l'augmentation de 7 % de l'écoulement \(q_{H}\) à travers Ormuz (hors de la boîte profonde, voir Fig. 2), qui à la surface correspond à un afflux d'un volume égal d'eau plus douce de l'océan Indien dans la boîte offshore.

Il a été suggéré que le débit sortant d'Ormuz pourrait être, au moins partiellement, contrôlé hydrauliquement19, c'est-à-dire être dans un état où le débit n'est pas déterminé uniquement par les gradients de densité en aval mais aussi par la topographie du détroit50. Bien que le contrôle hydraulique du golfe n'ait pas été confirmé, il est intéressant de formuler un scénario de "débit fixe", dans lequel le débit sortant d'Ormuz est maintenu constant et n'est donc pas affecté par les changements de salinité ou de densité dus aux activités de dessalement. Dans ce scénario, la salinité dans la boîte côtière augmente 1,6 fois plus que dans le scénario par défaut, et, dans la boîte profonde, la salinité augmente deux fois plus que dans le scénario par défaut. Parce que l'afflux de l'océan Indien est fixe, la salinité de la boîte offshore ne change pas.

Un effort récent de modélisation de la circulation océanique régionale, dans un scénario climatique futur pour le Golfe, fait état d'un écoulement profond légèrement diminué associé à une augmentation de la densité des eaux profondes dans la partie centrale du Golfe51. L'étude ne tente pas d'identifier un mécanisme plausible à l'origine de cette relation inverse inattendue entre la densité et les débits volumiques. Néanmoins, nous avons décidé de formuler un scénario de "débit décroissant" où le débit d'Ormuz est prescrit pour diminuer avec l'augmentation des flux de dessalement, jusqu'à une réduction de 15 % par rapport aux valeurs actuelles pour les flux de dessalement de 120 m\(^{3}\) jour\(^{-1}\). Sans surprise, ce scénario produit l'augmentation la plus rapide de la salinité dans les boîtes côtières et profondes, dépassant 1 psu d'augmentation de la salinité par rapport à la ligne de base à l'extrémité la plus élevée de la plage de dessalement. C'est aussi le seul scénario dans lequel la salinité de la boîte offshore augmente.

Les deux scénarios suivants, « faible évaporation » et « forte évaporation », utilisent les paramètres de référence, mais l'évaporation nette moyenne annuelle est, respectivement, diminuée et augmentée de 5 %. Une diminution de 5 % de l'évaporation nette correspondrait à une extrapolation de la tendance de la Fig. 4 à la fin du siècle, et est cohérente avec les projections SSP5-8.5 CMIP6 du GIEC (Tableau 1). Dans les deux cas, le modèle montre une réponse au dessalement analogue à celle du scénario par défaut, mais décalée dans le sens de l'atténuation des effets du dessalement dans le cas d'une faible évaporation, et dans le sens opposé pour une forte évaporation.

Les projections du GIEC sans réduction substantielle des émissions suggèrent également un fort réchauffement atmosphérique au-dessus du Golfe. Ainsi, nous avons un scénario "haute température" qui utilise les paramètres de référence, à l'exception de la température moyenne annuelle de l'air, qui est incrémentée de 5 \(^{\circ }\)C. Les hautes températures de l'air se propagent des boîtes côtières et hauturières dans la boîte profonde, qui se réchauffe de plus de 4 \(^{\circ }\)C. Ceci, à son tour, réduit la différence de densité entre les eaux plus profondes du golfe et l'IOSW, entraînant une réduction de l'écoulement à travers le détroit. La salinité peut alors s'accumuler dans la boîte côtière et profonde plus facilement que dans le scénario par défaut, atteignant une augmentation de 0,9 psu par rapport à la passe de référence.

Le scénario haute température est encore modifié dans les scénarios « faible évaporation, haute température » et « forte évaporation, haute température », en accompagnant l'augmentation de la température d'une diminution et d'une augmentation (respectivement) de 5 % de l'évaporation nette moyenne annuelle. Les résultats de ces deux scénarios chevauchent les résultats à haute température. Comme précédemment, une diminution de l'évaporation nette atténue les effets du dessalement, et une augmentation les intensifie.

Dans le scénario de référence et dans tous les scénarios, les flux de volume vont de l'offshore à la zone côtière, et de la zone côtière à la zone profonde, ainsi que du réservoir de l'océan Indien à la zone offshore, et de celui-ci dans la zone profonde et de retour au réservoir de l'océan Indien. C'est-à-dire que les différences de densité entre les boîtes poussent toujours le flux dans le sens des flèches de la Fig. 2, même si cela n'est en aucun cas imposé par le modèle, ce qui permettrait des flux dans les sens opposés, si les différences de densité le dictaient.

Le dessalement est une source irremplaçable d'eau douce pour de nombreux pays autour du golfe Persique / Arabe. Dans cette région, le dessalement a atteint des niveaux jamais atteints ailleurs. Aujourd'hui, la production d'eau douce des usines puisant dans les eaux du Golfe dépasse 2 % de l'eau douce prélevée dans le Golfe par les flux nets d'évaporation. Dans la seconde moitié de ce siècle, cette quantité pourrait augmenter au-delà de 10 % de l'évaporation nette. Ce sont des niveaux ahurissants qui suscitent des interrogations légitimes sur la pérennité des activités de dessalement.

Dans cet article, nous nous concentrons sur la possibilité d'accumulations de salinité dans le golfe, et en particulier dans ses régions moins profondes (côtières de l'isobathe - 30 m). Nous n'abordons pas ce qui peut se passer à court terme et à proximité d'une grande usine de dessalement, un sujet qui a déjà beaucoup retenu l'attention dans la littérature, mais nous examinons les effets à long terme à l'échelle du bassin avec huit scénarios qui combinent une large gamme de flux de dessalement avec des hypothèses spécifiques sur l'évolution future du climat régional et la nature dynamique de la circulation de renversement dans le Golfe. À cette fin, nous avons évité l'utilisation de modèles de circulation générale à part entière. Des études antérieures, passées en revue dans l'introduction, ont obtenu des résultats contrastés et ont fait peu de progrès dans l'élucidation des chaînes mécanistes de causes et d'effets qui ont produit les augmentations signalées de la salinité (ou son absence). Ici, nous utilisons un modèle de boîte spécifiquement développé pour représenter la circulation de renversement du Golfe. Cela nous permet d'identifier les limites de ce qui doit être considéré comme possible et réaliste, et d'identifier les conditions externes et les chaînes d'événements internes qui produisent un résultat donné.

Notre principale conclusion est que la salinité du golfe est liée de manière cruciale au débordement profond par le détroit d'Ormuz. Ce n'est peut-être pas une conclusion surprenante, compte tenu de la géographie du golfe, mais nous ne connaissons pas d'autres études établissant clairement ce lien et explorant ses conséquences. L'augmentation de la salinité vers la côte de l'isobathe - 30 m directement due au dessalement est estimée à pas plus de 0,4 psu, même à l'extrémité la plus élevée de la production d'eau douce par dessalement que nous avons considérée, et qui dépasse de loin les projections pour 2050. Avec les flux de dessalement actuels, l'augmentation est inférieure à 0,1 psu, une quantité pratiquement indétectable. Les augmentations de salinité induites par le dessalement au-dessus de 1 psu ne peuvent être atteintes que sous l'hypothèse que le débit sortant d'Ormuz diminue avec l'augmentation du gradient de salinité à travers Ormuz. Les auteurs n'ont connaissance d'aucune preuve (théorique ou observationnelle) qui pourrait soutenir la présence d'une telle relation inverse dans le Golfe. L'augmentation limitée de la salinité prédite par le modèle est cohérente avec le fait que le temps de rinçage du Golfe (la principale échelle de temps de réponse aux forçages d'évaporation ou de dessalement) n'est que de 1,7 ans. Ainsi, dans les conditions actuelles, le Golfe répond à des forçages sur une échelle de temps comparable à celle de la variabilité interannuelle de l'évaporation nette. Il n'est donc pas surprenant qu'un forçage régulier dû au dessalement, avec une intensité comparable aux fluctuations interannuelles de l'évaporation (environ 10 % de l'évaporation nette totale) produise une augmentation de la salinité comparable aux fluctuations interannuelles observées de la salinité18. De plus, des augmentations régulières de la salinité (par exemple par dessalement) entraînent une augmentation du débit à travers le détroit d'Ormuz, ce qui raccourcit le temps de rinçage. Cette rétroaction négative limite davantage l'effet du dessalement sur la salinité.

Un deuxième facteur important est le réchauffement de l'air dû au changement climatique. La circulation de renversement vigoureuse et dense du golfe amène rapidement les eaux côtières ventilées vers la partie la plus profonde du bassin, où elles sont expulsées du golfe par le détroit d'Ormuz16,52. Le modèle montre que même le réchauffement extrême se produisant dans le scénario SSP5-8.5 n'est pas suffisant pour compenser la formation d'eau dense dans les régions moins profondes du Golfe, qui, même dans ce scénario, s'enfonce dans la partie la plus profonde du Golfe. Ce processus transmet rapidement aux eaux profondes du Golfe toute tendance de réchauffement atmosphérique régional, conduisant à une situation où les eaux profondes du Golfe sont sensiblement plus légères que dans les conditions actuelles. Cela réduit le gradient de densité à travers Ormuz et, par conséquent, le volume de l'écoulement profond. Le chauffage atmosphérique facilite donc une accumulation de salinité. Cependant, même lorsqu'elle est accompagnée d'une augmentation de 5 % de l'évaporation nette, dans le modèle, cette accumulation est contenue dans 1 psu, même pour les niveaux de dessalement les plus élevés. Une certaine prudence est nécessaire dans l'interprétation des résultats de ces scénarios, car dans le modèle de boîte, la description de la stratification dans la partie profonde du golfe est extrêmement grossière, étant approximée par deux masses d'eau homogènes de volume fixe (les boîtes « profonde » et « offshore »), empilées l'une sur l'autre. Les détails quantitatifs de nos découvertes seront vérifiés avec un modèle réaliste de circulation océanique. Cependant, tant notre modèle que les observations disponibles16 suggèrent que la circulation de renversement est entraînée par des processus se produisant dans les zones côtières peu profondes (la boîte "côtière"), où l'hypothèse d'homogénéité verticale semble être raisonnable. Nous sommes donc convaincus que des modèles plus réalistes, même dans un scénario de changement climatique, montreraient qualitativement la même dynamique que le modèle actuel.

Nous devons souligner que la discussion ci-dessus est basée sur le scénario climatique SSP5-8.5 du GIEC, qui est très pessimiste et peu susceptible de refléter ce qui se passera réellement53. Par conséquent, nos scénarios de changement climatique identifient des limites supérieures plutôt que les valeurs les plus probables pour les augmentations futures de la salinité dans le Golfe. De plus, dans nos scénarios, l'IOSW est supposé ne pas se réchauffer, ce qui exagère la réduction du gradient de densité à travers Ormuz. Enfin, pour un tel scénario extrême, le GIEC prévoit une diminution de la vitesse du vent sur le golfe, et, éventuellement, une augmentation des précipitations (tableau 1), qui se traduirait, à son tour, par une réduction de l'évaporation nette, ce qui atténuerait quelque peu l'effet de la chaleur sur la salinité, comme dans le scénario "faible évaporation, haute température".

Une source possible d'incertitude dans nos estimations est due à l'eau dite produite. Il s'agit d'eau salée pompée des puits de pétrole et de gaz avec les hydrocarbures. Il est séparé in situ puis soit réinjecté dans le puits, soit purifié et rejeté en mer. Nous n'avons connaissance d'aucune donnée publiée sur l'eau produite dans le golfe, ni sur sa salinité. Cependant, on estime54 que le flux mondial annuel d'eau produite dans les océans est d'environ 700 millions de m\(^3\). Cela correspond à un rejet global d'environ 2 millions de m\(^3\)/jour, soit l'équivalent d'une seule très grande usine de dessalement. Nous supposons donc que l'impact de l'eau produite par les puits de pétrole sur la salinité du golfe est une contribution mineure par rapport à l'impact total des usines de dessalement, bien que davantage de données soient nécessaires pour étayer cette hypothèse sur des bases solides.

Les eaux du golfe sont déjà caractérisées par une forte variabilité saisonnière et interannuelle de la salinité15,18, par conséquent, l'augmentation de la salinité de 1 psu prévue par notre pire scénario (c. En effet, la flore et la faune qui habitent actuellement le Golfe représentent un sous-ensemble du biote de l'océan Indien occidental55 et sont déjà adaptées pour résister à des températures et à une salinité extrêmes et à de grandes fluctuations intra- et interannuelles56,57. De toute évidence, notre déclaration selon laquelle, même dans un scénario de changement climatique extrême, la salinité à l'échelle du golfe n'atteindra pas des niveaux alarmants, ne doit pas être interprétée comme une affirmation selon laquelle ces scénarios n'auraient pas d'impact sur la biogéochimie et l'écologie du golfe. Par exemple, déjà dans les conditions diurnes actuelles, il y a de plus en plus de preuves de l'apparition d'hypoxie, de façon saisonnière dans la partie la plus profonde du Golfe58 et occasionnellement dans les récifs côtiers peu profonds59. Le réchauffement de la partie la plus profonde du golfe suggéré par le modèle suscite également des inquiétudes. En outre, les impacts de l'augmentation de la salinité associée aux rejets de saumure ont été signalés ailleurs pour les coraux60, les herbiers61,62,63 et les poissons64, tandis que les données empiriques sur les espèces du Golfe manquent encore presque entièrement, bien que l'hypersalinité ait été associée à une diversité réduite de coraux et d'échinodermes (étoiles de mer, oursins et apparentés) dans le Golfe21,22,23,24. La salinité, en effet, peut jouer un rôle significatif dans la structuration de la biodiversité du Golfe, et des effets contrastés ont déjà été rapportés sur différents organismes. Chez les poissons, par exemple, les augmentations de la salinité et la variation de la salinité ont été identifiées comme l'une des causes potentielles du nanisme dans les populations du Golfe, suggérant des augmentations potentielles des coûts d'osmorégulation et de la disponibilité réduite d'énergie associée pour la croissance, ce qui conduira éventuellement à une réduction de la fécondité, du renouvellement et de la persistance à long terme de la population25. D'autre part, chez les coraux durs et les anémones de mer, la salinité élevée du Golfe a été liée à une thermotolérance accrue et à une diminution de la sensibilité au blanchiment, suggérant un lien potentiellement important entre l'osmoadaptation aux salinités élevées et la tolérance au stress thermique65,66,67. Ainsi, d'autres études sont nécessaires de toute urgence pour clarifier pleinement comment l'interaction mutuelle de la salinité élevée, des températures élevées et de leurs grandes fluctuations, entraîne ou affecte autrement les adaptations physiologiques uniques qui façonnent les divers écosystèmes marins du Golfe, à la fois dans les conditions actuelles et dans les futurs scénarios de modélisation.

En résumé, nous avons constaté que pour que la salinité côtière de l'isobathe −30 augmente sensiblement au-dessus de 1 psu d'ici la fin de ce siècle, il faudrait l'action de processus physiques encore inconnus. Au contraire, à moins que la température de l'air n'augmente autant que dans le scénario SSP5-8.5 du GIEC, il est raisonnable de s'attendre à ce que les augmentations de la salinité soient contenues à moins de 0,5 psu, une valeur comparable aux fluctuations saisonnières et interannuelles. Il est peu probable que cette augmentation contenue de la salinité affecte directement la vie marine, mais elle peut jouer un rôle dans un réseau entrelacé de facteurs physiques et de réponses écologiques dont la compréhension est nécessaire pour identifier correctement les vulnérabilités exceptionnelles et proposer des stratégies d'atténuation significatives.

Notre modèle de boîte divise les eaux du Golfe en trois boîtes homogènes idéales (Fig. 2) : côtière, représentant les eaux entre le rivage et l'isobathe de − 30 m, offshore, représentant les eaux au large de l'isobathe de − 30 m depuis la surface jusqu'à − 30 m de profondeur, et profonde, représentant les eaux du large en dessous de − 30 m de profondeur. Deux régions dynamiquement distinctes existent dans le golfe : une plus profonde dominée du printemps à l'automne par de vigoureux tourbillons à mésoéchelle, et une peu profonde dominée par les marées et les courants induits par la densité15,18,49,68,69. L'isobathe − 30 m apparaît comme un seuil de séparation raisonnable entre les deux régions18,68 et nous l'avons donc choisi pour définir les boîtes. Les différences de densité entraînent des flux de volume entre les trois boîtes. Les boîtes offshore et profondes sont également en contact avec les eaux de surface de l'océan Indien (IOSW), qui, pour simplifier, sont modélisées comme un réservoir d'eau infini à température et salinité constantes. La température des caissons offshore et inshore se relâche à la température de l'air, selon un cycle saisonnier70. Les flux d'évaporation et de précipitations sont prescrits pour correspondre à la moyenne, à l'amplitude et à la phase du cycle saisonnier illustré à la Fig. 3. Dans la boîte côtière, les flux de dessalement sont également prescrits et sont utilisés comme paramètre de contrôle. Les équations du modèle sont :

où \(T_{I}\), \(T_{O}\), \(T_{D}\), \(S_{I}\), \(S_{O}\), \(S_{D}\) sont des fonctions du temps et représentent respectivement les températures et les salinités des boîtes côtières, offshore et profondes. H est la fonction échelon de Heaviside (dont la valeur est un pour les arguments positifs et zéro sinon). Les flux volumiques \(q_{I}\), \(q_{OD}\), \(q_{H}\) sont définis comme

Elles sont prises positives dans le sens des flèches de la Fig. 2. Nous utilisons une équation d'état linéaire pour les densités \(\rho _{i}=\rho _{ref}(1-\alpha T_{i}+\beta T_{i})\) pour \(i\in \{I,D,IOSW\}\). Nous sommes étayés dans nos choix d'expressions pour \(q_{I}\) et \(q_{H}\) par des preuves d'observation que les flux de volume dans le Golfe sont déterminés par les différences de densité du fond16. L'expression de \(q_{OD}\) est alors dictée par la conservation du volume. Dans deux des huit scénarios discutés ci-dessus, le flux \(q_{H}\) à travers le détroit d'Ormuz est imposé de l'extérieur et ne dépend pas de la différence de densité à travers le détroit. Dans le scénario "sortie fixe", le flux est maintenu constant : \(q_{H}=0,152\) Sv. Dans le scénario « débit décroissant », le flux décroît linéairement avec les flux de dessalement selon \(q_{H}=0,152(1-1,25\cdot 10^{-3}D)\). L'évaporation nette \(E_{net}\) et la température atmosphérique de référence \(T^{*}\) sont des fonctions du temps définies comme :

où Y est la durée d'une année, \(\phi _{net}\) est choisi pour avoir une évaporation maximale à la mi-octobre, \(\phi ^{*}\) est choisi pour avoir une température de l'air maximale à la mi-juillet. Les autres constantes qui apparaissent dans toutes les équations ci-dessus sont définies dans le tableau 2, avec leur valeur et les références à l'appui. Un modèle de base exécuté avec les valeurs des paramètres du tableau 2, après un transitoire initial, produit des salinités moyennes annuelles de 41,8 psu, 37,7 psu, 39,5 psu, respectivement pour les boîtes côtières, offshore et profondes. La zone côtière et la zone profonde affichent des fluctuations annuelles de 0,8 psu. La salinité dans la boîte offshore fluctue de 0,4 psu. La densité dans la boîte côtière varie de 1028,2 kg m\(^{-1}\) (atteint en août) à 1030,7 kg m\(^{-1}\)(atteint en février) ; la densité dans la boîte offshore varie de 1025,1 kg m\(^{-1}\)(août) à 1027,4 kg m\(^{-1}\)(février) ; la densité dans la boîte profonde varie de 1027,3 kg m\(^{-1}\)(octobre) à 1028,3 kg m\(^{-1}\)(avril). Le débit simulé \(q_{H}\) à travers le détroit d'Ormuz a une moyenne annuelle de 0,152 Sv, avec des fluctuations saisonnières de \(\pm 0,048\) Sv. Malgré le caractère simplifié du modèle, et de sa représentation grossière de la stratification verticale, ces valeurs sont cohérentes avec les valeurs observées15,16 (voir notamment Figs. 7a–d, 8 dans Swift & Bower). Le modèle donne un flux \(q_{I}\) de la zone côtière vers la boîte profonde allant de 0,025 Sv (juillet) à 0,11 Sv (janvier), ce qui est en très bon accord avec les simulations OGCM d'Al-Shehhi et al.52 (voir leur Fig. 10). Chaque scénario, à l'exception de celui "par défaut", modifie certains des paramètres du tableau 2 comme spécifié dans la section "résultats". Pour chaque scénario, le flux de dessalement est varié dans la plage \(0-120\cdot 10^{6}\) m\(^{3}\) jour\(^{-1}\). A chaque niveau de dessalement, la simulation est exécutée jusqu'à l'obtention d'un cycle annuel stationnaire. La variation de la moyenne annuelle par rapport à la ligne de base est illustrée à la Fig. 5.

Le logiciel du modèle de boîte est accessible au public sur https://doi.org/10.5281/zenodo.6519835. Les données de réanalyse ERA5 sont accessibles au public à partir du référentiel de données Copernicus à l'adresse https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=overview. Les données de capacité de dessalement présentées à la Fig. 1 sont la propriété de DesalData https://www.desaldata.com. Des restrictions s'appliquent à la disponibilité de ces données, qui ont été utilisées sous licence pour l'étude actuelle, et ne sont donc pas accessibles au public. Les données sont cependant disponibles auprès des auteurs sur demande raisonnable et avec l'autorisation de DesalData.

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Ce projet a été financé par Tamkeen dans le cadre du prix CG007 du NYU Abu Dhabi Research Institute pour le Water Research Center (Burt, D'Agostino), du prix CG009 pour le Arabian Center for Climate Change and Environmental Sciences (Burt, Paparella) et du prix CG002 pour le Center on Stability, Instability and Turbulence (Paparella). Ce soutien financier est grandement apprécié.

Division des sciences, New York University Abu Dhabi, Abu Dhabi, Émirats arabes unis

Francesco Paparella et John A. Burt

Arabian Center for Climate and Environmental Sciences, New York University Abu Dhabi, Abu Dhabi, Émirats arabes unis

Francesco Paparella et John A. Burt

Water Research Center, New York University Abu Dhabi, Abu Dhabi, Émirats arabes unis

Daniele D'Agostino et John A. Burt

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FP, JAB : conception de l'étude. PF : modélisation. FP, DD : collecte de données, analyse de données. Tous les auteurs : discussion des résultats, rédaction, édition.

Correspondance à Francesco Paparella.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Paparella, F., D'Agostino, D. & A. Burt, J. Impacts à long terme sur la salinité à l'échelle du bassin du dessalement dans le golfe Persique/persique. Sci Rep 12, 20549 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25167-5

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Reçu : 01 mai 2022

Accepté : 25 novembre 2022

Publié: 29 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-25167-5

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