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

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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

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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
l’amphi. Merci pour la liberté totale que tu m’as laissée, surement la meilleure des écoles bien
qu’un peu effrayante parfois. Merci pour ton humour, ton sens incroyable de la diplomatie,
ton efficacité redoutable et un très grand merci pour Shanghai !
La confiance de Pierre m’a assuré du meilleur, mais cette thèse n’est devenue
vraiment possible que grâce au financement de la région Aquitaine que je remercie. Le
financement intervient dans le cadre du projet du Réseau de Recherche Littoral Aquitain «
Qualité des espaces littoraux en Aquitaine et Pays Basque espagnol : Flux de contaminants et
évolution du trait de côte » et je remercie Philippe Maron de l'Université de Pau et de Pays de
l'Adour qui a porté ce projet. Cette thèse s'inscrit également dans deux projets nationaux : le
projet du Programme National en Environnement Côtier (PNEC) « Chantier littoral
Atlantique : Modes de fonctionnements des systèmes semi fermés du littoral atlantique » sous
la responsabilité de Guy Bachelet (EPOC, Univ. Bordeaux1) et Pierre Richard (LiEnSs, Univ.
La Rochelle) et l'ANR « PROTIDAL : Les processus biogéochimiques transitoires dans la
zone intertidale » dirigé par Pierre Anschutz (EPOC). Ces projets ont permis le financement
des missions de terrain et des analyses. Par conséquent, j’adresse un grand merci à leurs
auteurs.
Cette thèse a profité de l’aide, de l’information et du soutien de nombreux
administrateurs et élus locaux. Je tiens à remercier le Syndicat Intercommunal du Bassin
d’Arcachon (SIBA) et en particulier Pierre Capdeville, Richard Genet et Gérard Regazzoni, la
mairie d’Audenge et en Mme le Yondre, Maire de la commune, la mairie de
Lanton, la COBAN et la COBAS. Je remercie également l’entreprise Antea et M. Barbedor
pour leurs informations sur le CSDU d’Audenge, ainsi que M. Dia de l’entreprise Edisit.

Je tiens à remercier les membres du jury, Jean-Luc Probst, Josette Garnier, Benoit
Sautour, Olivier Atteïa et Isabelle Auby pour leur disponibilité, leurs commentaires et leurs
précieuses suggestions qui ont permis la maturation de ce manuscrit. Et je remercie tout
particulièrement Anne et Jean-Luc Probst pour leur chaleureux accueil à Ecolab qui m’a
permis de leur présenter ces travaux.
Au cours de cette thèse, j’ai bénéficié des conseils avisés, de discussions
enrichissantes et de coups de mains indispensables de la part des chercheurs de l’Egid et de
l’Ifremer. Je remercie tout particulièrement Olivier Atteïa, Michel Franceschi et Isabelle
Auby.
Le laboratoire EPOC a mis à disposition ses moyens d’accueil, de logistique et a
financé les congrès auxquels j’ai participés. Je remercie donc Philippe Bertrand représentant
de EPOC et les nombreuses personnes de EPOC et du GHYMAC qui m’ont aidé d’une
manière ou d’une autre. Merci à Sébastien Zaragozi et Vincent Hanquiez pour leur formation
à Arcgis, à Sabrina Bichon pour les analyses à la station marine, à Stéphane Bujan pour les
missions qui roulent sans soucis, à Philippe Martinez, Isabelle Billy et Karine Charlier pour
leur aide précieuse sur le spectro, à Arnaud Caillo pour ses fabuleuses bases de données, à
Frédéric Huneau pour son aide en hydrologie, à Fabien Naessens pour les campagnes de
géophysique, à Jonathan Deborde pour la formation aux techniques et à l’organisation du
labo, à Bruno Deflandre et Pascal Lecroart pour leur soutien amical et à tous les stagiaires qui
m’ont aidé sur le terrain ou au labo, spécialement Laureline et Nathalie. Un très grand merci
pour leur disponibilité à Véronique Naudet qui n’a pas hésité une seconde à m’enseigner les
joies de la géophysique et à participer aux campagnes autour d’une décharge nauséabonde, à
Alexandra Coynel sans qui j’aurais surement fait naufrage dans mon fouillis de données et
enfin à Nicolas Savoye qui m’a toujours fait profiter de son immense culture et de sa
pédagogie grâce à son altruisme infini !
Les missions de terrain n’auraient jamais été aussi pittoresques et agréables sans la
participation sans faille de Domi. Grâce à toi la centaine de jours de terrain ne me laisse que
d’agréables souvenirs d’huitres et de saucisses à l’échalote (et quelques jolies boulettes mais
jamais deux fois la même erreur, c’est ce qui compte). Mon quotidien pendant plus de trois
2 ans dans un bureau de 14 m tapissé de papier vintage et d’un linoléum hors d’âge, aurait pu
être gris et triste. Il ne le fut pas grâce à Romain, à ton infinie curiosité, ton goût du voyage et
de la photo (comme quoi le sang royal est un gage de qualité). Merci à Aurélia, Marie et
Marie-Lise pour votre bonne humeur constante et vos exotiques missions (personnellement je
préfère le sable à la vase et à la houle du Golfe de Gascogne mais je ne reproche rien à
personne). Aurélia, merci aussi pour tes innombrables coups de mains. Merci à Nathalie
(encore) pour ta motivation exceptionnelle et contagieuse et ta bonne humeur. Merci à Pierre
Popol qui a lui aussi connu la dure condition de l’échantillonneur des rivières arcachonnaises.
Merci aussi à vous tous et à Caro, Julien, Raphaël et Aurélie pour les apéros caraïbes et autres
apéros. A vous tous, bonne chance pour la suite !!
Merci aussi à Cyril Mazurier pour ses excellentes huitres qui ont agrémenté tant de
missions et créé chez moi une telle dépendance que je suis maintenant obligé d’aller à Gujan
Mestras uniquement pour me sustenter. Je n’oublie pas non plus de remercier décathlon pour
le vélo et mes parents qui m’ont fait naître avec deux jambes et un cœur, très utiles pour
pédaler. Et puis un merci infini à Anne pour ton soutien quotidien. D’ailleurs c’est promis je
ne rédigerais plus jamais de thèse.
Et merci à celui ou celle qui me proposera un post-doc !