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N° d’ordre : 4236
THESE
présentée à
L’UNIVERSITE BORDEAUX 1
Ecole Doctorale Sciences de l’Environnement

Par Mlle Thi Ha DANG

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR
Spécialité : Biogéochimie et Ecosystèmes


EROSION ET TRANSFERTS DE MATIERES EN SUSPENSION, CARBONE
ET METAUX DANS LE BASSIN VERSANT DU FLEUVE ROUGE DEPUIS
LA FRONTIERE SINO-VIETNAMIENNE JUSQU’A L’ENTREE DU DELTA

Thèse soutenue le 18 Mars 2011


Devant la commission d’examen formée par :
M. Gérard Blanc, Pr, EPOC, Univ. Bordeaux 1 Président du Jury
M. Christian France-Lanord, DR, CRPG, Vandoeuvre les Nancy Rapporteur
Mme. Josette Garnier, DR, CNRS, UMPC, Paris Rapporteur
M. Sylvain Ouillon, DR, IRD, LEGOS, Toulouse Examinateur
M. Georges Vachaud, DR Emérite, LTHE Grenoble Examinateur
M. Didier Orange, CR, IRD, Hanoi, Vietnam Encadrant Scientifique, Vietnam
Mme. Lan Anh Le, Pr, Institut de Chimie, VAST, Hanoi, Vietnam Encadrant Scientifique, Vietnam
M. Henri Etcheber, CR, CNRS, EPOC, Univ. Bordeaux 1 Directeur de thèse
Mlle Alexandra Coynel, MCU, EPOC, Univ. Bordeaux 1 Co-directrice
Remerciements
C’est un plaisir de rédiger cette page de remerciements. Beaucoup de personnes ont
participé à l’élaboration de ce travail et je tiens à remercier ici l’ensemble des personnes avec
qui j’ai pu travailler au cours de ma thèse, sur le terrain et au laboratoire, tant au Vietnam
qu’en France. Je dois dire que ces trois années de thèse ont largement rempli leurs promesses,
en me donnant l’occasion tout d’abord de participer à des campagnes de terrain, passionnantes
à tous points de vue, humains et scientifiques.
J’aimerais avant tout remercier mes deux directeurs de thèse : Alexandra Coynel et
Henri Etcheber pour leur confiance, leur soutien et la qualité de leur encadrement
scientifique très différent mais complémentaire qui m’ont permis de mener ce travail à son
terme.
- En premier lieu, je voudrais remercier de tout mon cœur Alexandra Coynel pour
tout ce qu’elle a fait pour moi. Cette thèse ne serait pas ce qu’elle est sans son soutien et son
enthousiasme. Sa gentillesse et sa grande compétence m’ont permis de poursuivre ma thèse en
toute sérénité de bout en bout. Elle m’a toujours « sauvée », soit dans le travail, soit dans la
vie quotidienne car la vie est très dure pour Ha. Et c’est elle qui m’a beaucoup « interrogée »
(sur les cahiers de terrain et de laboratoire, les fichiers d’analyses et de calculs, la liste
d’échantillons, les bases de données de MAPINFO…et qui voulait couper mes doigts si elle
repèrait des fautes quelle méchante, pauvre Ha). Merci beaucoup Alex de m’avoir
supportée jusqu’à la fin (je sais que je suis très chiante !!!).
- Je tiens fortement à exprimer tous mes remerciements à Henri Etcheber pour avoir
accepté de m’encadrer depuis mon Master 2. Je le remercie également pour nos rendez-vous
manqués (en dimanche, 14 juillet ou fin de la journée) car il m’a souvent oublié !
Mes remerciements particuliers vont également à mes deux encadrants scientifiques au
Vietnam : Lan Anh pour son large soutien, sa sympathie et la liberté qu’elle m'a accordée
tout au long de ce travail ; Didier Orange pour sa grande confiance depuis 6 ans quand il a
accepté d’encadrer mon stage de Maîtrise et pour m’avoir aidé depuis mon Master 2. Je le
remercie sincèrement pour m’avoir aidé à découvrir la Science et aussi la France.
J’exprime également tous mes remerciements à Gérard Blanc pour m’avoir accueillie
au sein de son équipe, pour ses encouragements tout au long de la thèse et pour avoir accepté
d’être le président de mon jury de thèse.

Je tiens à remercier tous les membres de mon jury :
- Monsieur Christian France – Lanord qui a accepté de rapporter ce travail de
thèse ;
- Madame Josette Garnier, second rapporteur de ce travail. Je la remercie
également pour ses encourgaments au cours de la thèse.
- Monsieur Sylvain Ouillon et Monsieur Georges Vachaud d’avoir accepté de
juger ce travail de thèse. Je les remercie sincèrement pour leurs
encouragements permanents au cours de la thèse et pour tout ce qu’ils font
pour les recherches environnementales et à la formation au Vietnam.
Je dois beaucoup pour la partie analytique aux ingénieurs et techniciens qui m’ont
initiée au travail en salle blanche et aidée dans mes analyses : Gilbert Lavaux, Cécile Bossy,
Lionel Dutruch pour l’ICP-MS, Jean-Pierre Lissalde pour les dosages de mercure, Hervé
Derriennic pour le carbone, et Gérard Chabaud pour la granulométrie. Merci à Antoine
Marache – « chef de notre groupe » pour ses tests statistiques et sa patience lors des attentes
les soirs (bien que quelques fois je n’étais pas contente car il m’a enlevé mon Alex). Merci à
Eric Maneux pour son aide depuis mon Master 2, pour les figures de l’ADCP, pour sa
patience lors de l’impression nocturne des posters (malheureusement je n’ai pas eu le prix du
meilleur poster pour le partager avec lui et pour m’acheter une paire de chaussures). Merci à
Jörg Schafer (même s’il a voulu me couper les cheveux pour faire des dosages). Merci à
Michèle Frayssinet et Marjorie Schmeltz pour leur relecture en français et en anglais.
Un grand merci à Claire Vaguener pour le tamisage des sédiments, à Lauren Grace-
Chenot pour l’accompagnement sur le terrain, à Marine Deschatre– « Capitaine de
mercure » (Je suis Général de rien) pour tes deux excellents stages sur le Fleuve Rouge et
aussi pour notre collaboration dans le futur (il reste à négocier un voyage au Canada avec
Alex !). Je vous souhaite à toutes une bonne continuation !
J’adresse tous mes remerciements à l’Ambassade de France au Vietnam pour
m’avoir attribué une bourse me permettant de financer 15 mois de thèse en France. Je
lle meremercie particulièrement M Fleur et M Giang pour la gestion des bourses. Je voudrais
également remercier le service d’accueil des étudiants boursiers du Gouvernement Français -
CROUS Bordeaux pour leur aide et leur sympathie durant mon séjour à Bordeaux.
Ma reconnaissance va également à l’équipe IRD au Vietnam : M. Jacques Boulègue
me
– représentant de l’IRD au Vietnam, Thierry Henri de Tureau, Pascal Jouquet, M Giang
(ancienne secrétaire de Didier) pour leur aide, leur gentillesse durant mon séjour là bas.
Merci beaucoup à Minh pour les bons moments que l’on a passés ensemble sur le terrain
(avec ma moto) mais aussi à laboratoire (à l’IRD et au VAST) ; à anh Duc, anh Loi, anh Huy,
chi Giang, chi Ha, cô Loan, cô Vân, chu Môn, bac Gian de l’Insitut de Chimie pour ses
gentilleses durant mon séjour au VAST.
J’exprime aussi mes remerciements à Philippe Bertrand, directeur de l’UMR 5805
EPOC durant ma thèse, pour son accueil, et à Jacques Giraudeau pour le soutien et les
encouragements concernant les demandes de financements et pour m’avoir assuré les
meilleures conditions de travail possibles. Merci beaucoup à Cathy pour le service
bibliothèque mais aussi pour les bons moments passés tous les matins. Merci à Mimi, Nicole,
Sandrine et Nathalie pour leur gentillesse et pour s’être occupée de mes contrats et mes
voyages entre Bordeaux et Hanoi. Merci à Jean-Michel et à Hubert pour le service
informatique, ainsi qu’à Joël pour les bonbons du matin (quel réconfort en période de stress),
et à Georges pour les blagues (dans le couloir et dans le bureau). Merci beaucoup à Emilie,
Rim, Florent, Benjamin et Camille pour votre amitié et votre sympathie au bureau ainsi
qu’aux autres doctorants de l’équipe, Laurent, Aurélie qui terminent leur thèse, et Nicole-
Victoria qui vient d’arriver (bon courage à toi).
Mes distingués remerciements s’adressent à Patrice Castaing pour sa grande
gentillesse et ses constants encouragements depuis mon Master 2 (et je vous souhaite une
bonne retraite) ; à Cécile Grosbois pour m’avoir initiée à la minéralogie et m’avoir accueillie
à Tours.
meJe dois remercier aussi mon ancien professeur, M Tran Thi My Linh, qui m’a
suivie à chaque pas, m’a orientée vers la chimie environnementale et sans qui je n’aurais pas
eu l’occasion de découvrir la France.
Je ne peux pas non plus oublier de mentionner mes amis français et vietnamiens en
Europe : Philippe, Amadu, Floriane, Denis, LeAnh, Hoa, Quynh, Thuy, HaiAn, Loi,
Phuong, Binh, Tuan, Toan, Hoi, Anh, Thiet…ainsi que ma famille au Vietnam, qui m’ont
aidée, soutenue et encouragée tout au long de la réalisation de ce travail.
Encore, merci à tous …

Dang Thi Ha

Sommaire
INTRODUCTION GENERALE ........................................................................................... 1
CHAPITRE 1 : ETAT DES CONNAISSANCES SUR L’EROSION CONTINENTALE ET LE
TRANSFERT DE MATIERES A L’ECHELLE DES BASSINS VERSANTS : SPECIFICITES
ASIATIQUES..................................................................................................................... 5
I. Processus d’érosion à l’échelle mondiale .......................................................... 6
I.1. Généralité sur le processus de transfert de matières................................................ 6
I.1.1. Erosion....................................................................................................................... 6
I.1.2. Transport.................................................................................................................... 7
I.1.3. Sédimentation............................................................................................................ 7
I.2. Quantification de l’érosion ...................................................................................... 8
I.2.1. Mode de transport des sédiments............................................................................... 8
I.2.2. Mesure des flux sédimentaires .................................................................................. 9
I.2.2.a. Mesure des concentrations en MES ................................................................. 9
I.2.2.b. Répartition dans la colonne d’eau des concentrations en MES....................... 9
I.2.2.c. Variation temporelle des concentrations en MES .......................................... 11
I.3. Contribution des continents aux flux solides et liquides ....................................... 12
I.3.1. Continent américain................................................................................................. 12
I.3.1.a. Amérique du Nord .......................................................................................... 12
I.3.1.b. Amérique du Sud ............................................................................................ 13
I.3.2. Continent européen.................................................................................................. 13
I.3.3. Continent africain .................................................................................................... 14
I.3.4. Continent asiatique 14
I.3.5. Continent océanien 14
I.4. Variabilité spatiale de taux d’érosion : facteurs de contrôles naturels et
anthropiques ......................................................................................................................... 17
I.5. Flux de sédiments à l’échelle globale et problème d’estimation des flux ............. 21
II. Erosion et transfert de carbone dans les systèmes fluviaux ........................ 24
II.1. Introduction .......................................................................................................... 24
II.2. Généralités sur le cycle global du carbone........................................................... 24
II.3. Transferts fluviaux de carbone aux océans et facteurs de contrôle...................... 25
II.3.1. Sources de carbone dans les fleuves et rivières...................................................... 25
II.3.2. Facteurs contrôlant les apports fluviaux de carbone .............................................. 26
II.3.2.a. Carbone inorganique .................................................................................... 26
II.3.2.b. Carbone organique ....................................................................................... 27
II.4. Contribution de l’Asie au flux de carbone mondial ............................................. 30
III. Erosion et transfert des métaux dans les systèmes fluviaux ...................... 32
III.1. Introduction : Transfert de métaux dans le milieu aquatique.............................. 32
III.2. Sources métalliques dans les systèmes aquatiques 33
III.3. Toxicité ............................................................................................................... 35
III.4. Caractéristiques physico-chimiques des métaux dans l’environnement............. 36
III.4.1. Vanadium.............................................................................................................. 36
III.4.2. Chrome.................................................................................................................. 36
III.4.3. Cobalt.................................................................................................................... 36
III.4.4. Nickel 37
III.4.5. Cuivre 37
III.4.6. Zinc ....................................................................................................................... 37
III.4.7. Arsenic 38
III.4.8. Cadmium............................................................................................................... 38
III.4.9. Mercure................................................................................................................. 38
III.4.10. Antimoine ........................................................................................................... 39
III.4.11. Plomb 39
III.4.12. Uranium 39
III.4.13. Thorium .............................................................................................................. 39
III.5. Concentrations et flux de métaux à l’échelle globale ......................................... 40
III.5.1. Concentrations moyennes en métaux.................................................................... 40
III.5.2. Contribution de l’Asie aux flux mondiaux des ETM............................................ 43
IV. Spécificités de la zone asiatique..................................................................... 44
IV.1. Apport d’eaux et de matières .............................................................................. 46
IV.1.1. Flux hydriques ...................................................................................................... 46
IV.1.2. Flux sédimentaires................................................................................................ 47
IV.1.2.a. Impact des réservoirs et de la conservation des sols sur les flux de sédiments
............................................................................................................................................... 48
IV.1.2.b. Activités anthropiques secondaires.............................................................. 50
IV.2. Carbone dans les fleuves et rivières asiatiques................................................... 52
IV.3. Problèmes engendrés par des pollutions métalliques en Asie ............................ 53
IV.3.1. Contamination en mercure.................................................................................... 54
IV.3.2. Contamination en arsenic ..................................................................................... 56
V. Le Fleuve Rouge : un excellent modèle de terrain en zone tropicale.......... 58
CHAPITRE 2 : MATERIEL ET METHODES - PRESENTATION DU SITE D’ETUDE, DE LA
STRATEGIE D’ECHANTILLONNAGE ET DES TECHNIQUES ANALYTIQUES .................. 63
I. Introduction : « le Vietnam, un pays d’eau » ................................................. 65
II. Présentation du bassin versant du Fleuve Rouge ......................................... 68
II.1. Situation géographique du Fleuve Rouge ............................................................ 68
II.2. Contexte géomorphologique du Fleuve Rouge.................................................... 70
II.3. Occupation des sols dans le bassin du Fleuve Rouge .......................................... 74
II.3.1. Hétérogénéité dans la couverture végétale............................................................. 74
II.3.1.a. Evolution de la forêt : de la déforestation aux stratégies de reforestation... 74
II.3.1.b. Répartition actuelle de la couverture végétale : 74
II.3.2. Un pays agricole densément peuplé en « reconversion »....................................... 76
II.4. Climatologie et Hydrologie du Fleuve Rouge...................................................... 79
II.4.1. Un climat influencé par la mousson....................................................................... 79
II.4.2. Hydrologie : une saisonnalité marquée .................................................................. 80
II.4.3. Localisation des barrages sur le Fleuve Rouge 80
III. Méthodologie .................................................................................................. 82
III.1. Présentation du réseau d’observation et des spécificités des sites ...................... 82
III.2. Description des bases de données « MES – débits » .......................................... 85
III.2.1. Validation de la base de données de l’IMHE........................................................ 85
III.2.2. Calcul des flux de matières en suspension............................................................ 85
III.3. Présentation des campagnes d’échantillonnage .................................................. 86
III.3.1. Stratégie d’échantillonnage pour le suivi « régulier » 86
III.3.2. Présentation des campagnes spécifiques (ponctuelles)......................................... 88
III.3.2.a. Campagne « couverture spatiale ».............................................................. 88
III.3.2.b. Test de représentativité spatiale dans la colonne d’eau du Fleuve Rouge à
SonTay ................................................................................................................................... 90
III.4. Méthodes de prélèvement et de conditionnement............................................... 92
III.4.1. Préparation du matériel......................................................................................... 92
III.4.1.a. Préparation du matériel pour les mesures de carbone................................ 92
III.4.1.b. Préparation du matériel pour les mesures de métaux ................................. 93
III.4.2. Prélèvements d’eau ............................................................................................... 93
III.4.2.a. Prélèvements d’échantillons d’eau en surface ............................................ 93
III.4.2.b. Prélèvements d’échantillons d’eau en profondeur ...................................... 93
III.4.3. Prélèvements des laisses de crue........................................................................... 94
III.4.4. Traitement et conditionnement des échantillons................................................... 95
III.4.4.a. MES et carbone particulaire (COP/CIP) .................................................... 95
III.4.4.b. carbone dissous (COD/CID) ....................................................................... 95
III.4.4.c. Majeurs et métaux dissous 95
III.4.4.d. Métaux particulaires.................................................................................... 96
III.4.4.e. Granulométrie.............................................................................................. 96
IV. Méthodes analytiques..................................................................................... 97
IV.1. Détermination de la taille des particules - granulométrie ................................... 97
IV.2. Détermination des concentrations en carbone .................................................... 98
IV.2.1. Analyses du carbone particulaire.......................................................................... 98
IV.2.2. Analyses du carbone dissous ................................................................................ 98
IV.2.3. Analyses des éléments traces métalliques par ICP-MS ........................................ 99
IV.2.3.a. Mise en solution des métaux particulaires................................................... 99
IV.2.3.b. Dosage des ETM par ICP-MS ..................................................................... 99
IV.2.4. Analyses du mercure particulaire par Spectrométrie d’absorption atomique (AAS,
DMA-80).................................................................................................................................. 101
IV.2.5. Analyse des différentes phases porteuses par extractions sélectives : spéciation
solide d’Hg 102
IV.2.5.a. Fraction 1 : Ascobate-mercure lié aux oxydes de Fe et Mn ...................... 102
IV.2.5.b. Fraction 2 : H O – Hg associé à la matière organique et les sulfures labiles2 2.............. 103
IV.2.5.c. Fraction 3 : KOH – Hg organo-chelaté..................................................... 103
IV.2.5.d. Fraction 4: eau Milli Q.............................................................................. 103
CHAPITRE 3 : VARIABILITE TEMPORELLE ET SPATIALE DES FLUX DE MES DANS LE
BASSIN DU FLEUVE ROUGE........................................................................................ 105
I. Introduction ..................................................................................................... 107
II. Variabilité temporelle des flux à l’exutoire du bassin du Fleuve Rouge :
impact des barrages .................................................................................................. 108
II.1. Résumé des principaux résultats ........................................................................ 108
II.2. Article # 1 : Long-term monitoring (1960-2008) of the river-sediment transport in
the Red River Watershed (Vietnam): temporal variability and dam-reservoir impact....... 109
II.2.1. Introduction.......................................................................................................... 110
II.2.2. Materials and Methods......................................................................................... 111
II.2.2.a. Area description.......................................................................................... 111
II.2.2.b. Data and methodology................................................................................ 112
II.2.3. Results.................................................................................................................. 115
II.2.4. Discussion ............................................................................................................ 118
II.2.4.a. Sampling frequency and the uncertainty of annual SPM flux estimates..... 118
II.2.4.b. Factors controlling annual SPM transport in the Red River...................... 119
II.2.4.c. Sediment Discharge relationship ................................................................ 120
II.2.4.d. The impact of the HoaBinh Reservoir on the SPM transport regime in the
Red River.............................................................................................................................. 123
II.2.4.e. Estimation of sediment and metal/metalloid stocks trapped in the HoaBinh
Reservoir 124
II.2.5. Conclusion............................................................................................................ 131
III. Variabilité spatiale : sources et mécanismes de transfert des flux de MES .
........................................................................................................... 138
III.1. Résumé des principaux résultats....................................................................... 138
III.2. Article # 2 : River hydrology and recent sediment flux in a large Asian tropical
system (Red River, China/Vietnam): implication for assessing soil erosion and sediment
transport/deposition processes............................................................................................ 139
III.2.1. Introduction......................................................................................................... 141
III.2.2. Materials and Methods........................................................................................ 142
III.2.2.a. Area descriptions....................................................................................... 142
III.2.2.b. Data and methodology............................................................................... 144
III.2.3. Results................................................................................................................. 147
III.2.3.a. Variability of the water discharges in the Red River System..................... 147
III.2.3.b. Variability of the SPM concentrations in the Red River System................ 150
III.2.3.c. Behaviours of SPM concentrations with water discharges........................ 151
III.2.4. Discussion........................................................................................................... 154
III.2.4.a. Variability of the annual SPM fluxes and specific erosion yields:
localisation of sediment sources .......................................................................................... 154
III.2.4.b. Sediment yield cartography of the Red River by GIS ................................ 155
III.2.4.c. Erosion / Transport Model for the Red River System 156
III.2.5. Conclusions and perspectives ............................................................................. 161
CHAPITRE 4 : TRANSFERT DE CARBONE DANS LES EAUX DU FLEUVE ROUGE ...... 169
I. Introduction ..................................................................................................... 171
II. Variations temporelles et spatiales des concentrations en carbone dans les
eaux du Fleuve Rouge............................................................................................... 172
II.1. Résumé des principaux résultats ........................................................................ 172
II.2. Distribution, dynamics and delivery of organic and inorganic carbon in a large
tropical Asian River............................................................................................................ 173
II.2.1. Introduction.......................................................................................................... 174
II.2.2. Materials and Methods......................................................................................... 175
II.2.2.a. Sampling area ............................................................................................. 175
II.2.2.b. Data and methodology................................................................................ 178
II.2.3. Results.................................................................................................................. 182