Dynamique des éléments biogènes dans le continuum fluvio-estuarien de la zone hydrologique d'influence du Bassin d'Arcachon

Mathieu Canton

Description

Sous la direction de Pierre Anschutz
Thèse soutenue le 09 décembre 2009: Bordeaux 1
Les bassins versants anthropisés sont soumis à des forçages qui évoluent rapidement et déséquilibrent les écosystèmes. Les écosystèmes côtiers et en particulier lagunaires sont très sensibles à la qualité et à la quantité de la source biogène d’origine continentale. La lagune d’Arcachon (Sud Ouest de la France) est alimentée par un bassin versant de 3.000 km2 dont l’occupation des sols est dominée par la forêt depuis plus de 150 ans. La maïsiculture s’est fortement développée depuis les années 1970 et un centre de stockage de déchets ménagers et industriels (CSDU) a été aménagé à moins de 3 km du littoral. Cette thèse se propose d’évaluer la dynamique des éléments biogènes dans le continuum fluvio-estuarien du bassin versant. L’analyse de l’occupation des sols par SIG, une mission d’observation de deux ans, et des études ponctuelles de crues et du continuum fluvial ont permis d’évaluer précisément le flux biogène d’origine continentale et de construire les bases d’un modèle de transport : les taux d’exportation dépendent de l’occupation des sols avec 45, 93, 2.850 et 61 kg N-Nitrate km-2 an-1 calculés pour les parcelles forestières, déforestées, agricoles et urbaines respectivement. L’exportation a lieu préférentiellement en tout début de crue mais le lessivage est rapidement limité. En revanche, les eaux souterraines peuvent contribuer significativement au flux annuel pour les bassins versants les plus agricoles. On a pu démontrer qu’une réduction de 10 % des apports d’engrais azotés réduirait de plus de 50 % le flux d’azote vers la lagune. Une étude approfondie intégrant hydrologie, biogéochimie et géophysique a permis de comprendre les mécanismes de dispersion et d’atténuation d’un panache de pollution issu du CSDU. Celui-ci s’écoule vers la lagune avec l’aquifère superficiel à une vitesse de 23 m an-1 pour l’ammonium et environ 50 m an-1 pour le chlorure mettant en évidence une forte atténuation de l’ammonium dans l’aquifère par sorption et nitrification. Actuellement, le panache n’a pas atteint le littoral et seul le drainage par la rivière permet une exportation rapide jusqu’à la lagune. Ce drainage favorise une très forte nitrification dans la zone hyporhéique et dans la rivière, ce qui limite le flux d’ammonium vers la lagune. Dans ces conditions, le temps de résidence de l’ammonium dans l’aquifère est entre 7 et 18 ans. L’intégration des processus biogéochimiques estuariens dans la dynamique des flux biogènes vers la lagune est une nouveauté. L’étude des éléments biogènes et de la matière organique particulaire permet de démontrer que les estuaires de la lagune sont autotrophes à l’échelle de l’année et permettent un abattement d’environ 30 % du flux de nitrate continental. Saisonnièrement toutefois, les processus de reminéralisation peuvent dominer. Les estuaires ont peu d’impact sur la biogéochimie du phosphore contrairement au sédiment de la lagune.
-Nutriment
-Bassin versant
-Lessivage
-Estuaire
-Aquifère
-Crue
-Phosphore
-Azote
-Gradient redox
-Tomographie de résistivité électrique
-Eau interstitielle
-Lixiviat
The anthropized watersheds shift quickly and may disturb the ecosystems. Coastal ecosystems and coastal lagoons are highly sensitive to the amount and the quality of biogenic material originating from continents. The Arcachon lagoon (France South West) raises continental waters originating from a watershed of 3,000 km2 . Pine forestry cover the main surface area of the watershed since 150 years. Cornfields are appeared since 1970 and quickly increase. A solid waste disposal has been created near the littoral. The purpose of this PhD is to assess the global cycle of biogenic materials through the riverine and estuarine continuum. Land-use analyze by GIS, two years of monitoring and some studies of flood events and river continuum have permit to assess the flux of biogenic material and to build a transport model. The export rates depend of land-use and we assess the annual export rate to 45, 93, 2,850, and 61 kg N-Nitrate km-2 year -1 in forested parcel, deforested parcel, agricultural parcel and urban parcel respectively. The export is more efficiency at the beginning of flood events. However the groundwater may supply high amount of nitrogen in highly agricultural watershed. We have shown that a decrease of 10 % in fertilizer input to farming areas would probably reduce the annual flux of more than 50 %. A study based on hydrology, biogeochemistry and geophysics permit to understand the behavior of a contaminated plume originating from the waste disposal. The ammonium plume flows towards the lagoon at a velocity of 23 m year -1 whereas the chloride plume should flows at 50 m year -1. It highlights an efficiency attenuation of ammonium dispersion due to sorption in soil and nitrification. The plume needs about 100 years to reach the lagoon and nowadays the only way of dispersion is the drainage of contaminated groundwater by the river. This way permits an efficiency nitrification in the hyporheic zone and limits the flux of ammonium. Considering that the input of ammonium from the landfill is balanced by the present day output via the river, the residence time of ammonium in the aquifer is between 7 and 18 years. The integration of estuarine biogeochemistry has been realized for the first time. The survey of biogenic materials and organic matter emphasizes that estuaries are autotrophic at annual scale and decrease the nitrogen continental flux of about 30 %. But in autumn, the mineralization and nutrient recycling is observed. In the Arcachon lagoon, the estuaries have a negligible impact on phosphorus biogeochemistry contrary to the sediment.
-Nutrient
-Catchment
-Leaching
-Estuary
-Groundwater
-Flood
-Phosphorus
-Nitrogen
-Redox gradient
-Electrical resististivity tomography
-Porewater
-Leachate
-Self potential
-Organic matter
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13919/document

Sujets

• Nutriment
• Bassin versant
• Crue
• Phosphore
• Azote
• Lixiviat

Informations

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Extrait

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THÈSE

PRÉSENTÉE A

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1

ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET ENVIRONNEMENTS

Par Mathieu CANTON

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Biogéochimie de l’environnement

DYNAMIQUE DES ELEMENTS BIOGENES DANS LE CONTINUUM
FLUVIO-ESTUARIEN DE LA ZONE HYDROLOGIQUE D’INFLUENCE DU
BASSIN D’ARCACHON


Directeur de recherche : Pierre ANSCHUTZ



Soutenue le : 9 décembre 2009

Devant la commission d’examen formée de :

Mme Josette GARNIER, Directeur de Recherche CNRS Université de Paris Jussieu Rapporteur
M. Jean-Luc PROBST, Directeur de Recherche CNRS, Université de Toulouse 3 Rapporteur
M. Pierre ANSCHUTZ, Professeur, Université Bordeaux 1 Directeur
Mme Isabelle AUBY, Chargée de Recherche Ifremer Examinateur
M. Olivier ATTEIA, Professeur, Université Bordeaux 3 Examinateur
M. Benoit SAUTOUR, Professeur, Université Bordeaux 1 Président









A ma fille qui va pointer son nez dans
quelques jours à peine,

à ses frères et/ou sœurs à venir (in preps
comme on dit…),

à Anne, ma compagne de tous les voyages,
toutes les aventures et tous les quotidiens qui
ainsi ne le sont plus.


Avec le fol espoir que la joie de déguster des huitres dans les
marais d’Audenge ou à bord d’un kayak entre deux eaux ne
devienne pas un privilège du passé. Nul doute qu’elles (ils)
verront dans cette thèse un merveilleux conte !



Résumé


Les bassins versants anthropisés sont soumis à des forçages qui évoluent rapidement et
déséquilibrent les écosystèmes. Les écosystèmes côtiers et en particulier lagunaires sont très
sensibles à la qualité et à la quantité de la source biogène d’origine continentale. La lagune
2d’Arcachon (Sud Ouest de la France) est alimentée par un bassin versant de 3.000 km dont
l’occupation des sols est dominée par la forêt depuis plus de 150 ans. La maïsiculture s’est
fortement développée depuis les années 1970 et un centre de stockage de déchets ménagers et
industriels (CSDU) a été aménagé à moins de 3 km du littoral.
Cette thèse se propose d’évaluer la dynamique des éléments biogènes dans le
continuum fluvio-estuarien du bassin versant. L’analyse de l’occupation des sols par SIG, une
mission d’observation de deux ans, et des études ponctuelles de crues et du continuum fluvial
ont permis d’évaluer précisément le flux biogène d’origine continentale et de construire les
bases d’un modèle de transport : les taux d’exportation dépendent de l’occupation des sols
-2 -1avec 45, 93, 2.850 et 61 kg N-Nitrate km an calculés pour les parcelles forestières,
déforestées, agricoles et urbaines respectivement. L’exportation a lieu préférentiellement en
tout début de crue mais le lessivage est rapidement limité. En revanche, les eaux souterraines
peuvent contribuer significativement au flux annuel pour les bassins versants les plus
agricoles. On a pu démontrer qu’une réduction de 10 % des apports d’engrais azotés réduirait
de plus de 50 % le flux d’azote vers la lagune. Une étude approfondie intégrant hydrologie,
biogéochimie et géophysique a permis de comprendre les mécanismes de dispersion et
d’atténuation d’un panache de pollution issu du CSDU. Celui-ci s’écoule vers la lagune avec
-1 -1l’aquifère superficiel à une vitesse de 23 m an pour l’ammonium et environ 50 m an pour
le chlorure mettant en évidence une forte atténuation de l’ammonium dans l’aquifère par
sorption et nitrification. Actuellement, le panache n’a pas atteint le littoral et seul le drainage
par la rivière permet une exportation rapide jusqu’à la lagune. Ce drainage favorise une très
forte nitrification dans la zone hyporhéique et dans la rivière, ce qui limite le flux
d’ammonium vers la lagune. Dans ces conditions, le temps de résidence de l’ammonium dans
l’aquifère est entre 7 et 18 ans. L’intégration des processus biogéochimiques estuariens dans
la dynamique des flux biogènes vers la lagune est une nouveauté. L’étude des éléments
biogènes et de la matière organique particulaire permet de démontrer que les estuaires de la
lagune sont autotrophes à l’échelle de l’année et permettent un abattement d’environ 30 % du
flux de nitrate continental. Saisonnièrement toutefois, les processus de reminéralisation
peuvent dominer. Les estuaires ont peu d’impact sur la biogéochimie du phosphore
contrairement au sédiment de la lagune.

Mots clés : Bassin versant, Occupation des sols, Monitoring, Géophysique,
Nutriments, Azote, Phosphore, Silice, Lixiviat, zone hyporhéique, estuaire, ERT, Bassin
d’Arcachon.



Abstract


The anthropized watersheds shift quickly and may disturb the ecosystems. Coastal
ecosystems and coastal lagoons are highly sensitive to the amount and the quality of biogenic
material originating from continents. The Arcachon lagoon (France South West) raises
2continental waters originating from a watershed of 3,000 km . Pine forestry cover the main
surface area of the watershed since 150 years. Cornfields are appeared since 1970 and quickly
increase. A solid waste disposal has been created near the littoral.
The purpose of this PhD is to assess the global cycle of biogenic materials through the
riverine and estuarine continuum. Land-use analyze by GIS, two years of monitoring and
some studies of flood events and river continuum have permit to assess the flux of biogenic
material and to build a transport model. The export rates depend of land-use and we assess the
-2 -1annual export rate to 45, 93, 2,850, and 61 kg N-Nitrate km year in forested parcel,
deforested parcel, agricultural parcel and urban parcel respectively. The export is more
efficiency at the beginning of flood events. However the groundwater may supply high
amount of nitrogen in highly agricultural watershed. We have shown that a decrease of 10 %
in fertilizer input to farming areas would probably reduce the annual flux of more than 50 %.
A study based on hydrology, biogeochemistry and geophysics permit to understand the
behavior of a contaminated plume originating from the waste disposal. The ammonium plume
-1flows towards the lagoon at a velocity of 23 m year whereas the chloride plume should flows
-1at 50 m year . It highlights an efficiency attenuation of ammonium dispersion due to sorption
in soil and nitrification. The plume needs about 100 years to reach the lagoon and nowadays
the only way of dispersion is the drainage of contaminated groundwater by the river. This way
permits an efficiency nitrification in the hyporheic zone and limits the flux of ammonium.
Considering that the input of ammonium from the landfill is balanced by the present day
output via the river, the residence time of ammonium in the aquifer is between 7 and 18 years.
The integration of estuarine biogeochemistry has been realized for the first time. The survey
of biogenic materials and organic matter emphasizes that estuaries are autotrophic at annual
scale and decrease the nitrogen continental flux of about 30 %. But in autumn, the
mineralization and nutrient recycling is observed. In the Arcachon lagoon, the estuaries have
a negligible impact on phosphorus biogeochemistry contrary to the sediment.

Keywords: Catchment, Land-use, Monitoring, Geophysic, Nutrient, Nitrogen,
Phosphorus, Silica, Hyporheic zone, estuary, ERT, leachate, landfill. Arcachon Bay



Remerciements


Tout a commencé par une matinée d’automne 2004, entre deux cours de master.

— Heu… Monsieur Anschutz ?
— Oui ?
— Ben voilà, j’ai vu votre proposition de stage géochimie à vélo, alors je sais pas,
ça m’intéresse quoi !
— (Hésitant) Bon je vais réfléchir
— Oui mais … il est bien votre sujet, je veux faire des sciences actives et utiles
moi.
— ….
— Et puis j’ai justement un vélo
— D’accord, tu commences à pédaler le mois prochain

Et voilà comment j’ai commencé à pédaler, sans me douter que je pédalerais si loin.
Du pédalage de master 1, je suis passé au pédalage de master 2, et contre toute attente, au
pédalage de thèse.

Alors en tout premier lieu je remercie du fond du cœur, Pierre, le Monsieur Anschutz
de cette matinée d’automne 2004, de m’avoir fait confiance et de s’être investi pour que je
puisse pédaler jusqu’au jury final, même si ce jour là j’ai préféré laisser le vélo en dehors de