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Un modèle hydrobiogéochimique pour décrire les échanges entre l'eau de surface et la zone hyporhéique de grandes plaines alluviales

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Academic year: 2021

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(1)Université Toulouse III – Paul Sabatier. UFR Sciences de la Vie et de la Terre. THESE Pour obtenir le grade de. DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE TOULOUSE Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier. Spécialité : Hydroécologie. Présentée par Dimitri PEYRARD. Un modèle hydrobiogéochimique pour décrire les échanges entre l'eau de surface et la zone hyporhéique de grandes plaines alluviales. Directeurs de thèse : Philippe VERVIER et Michel QUINTARD. Soutenue le 26 mai 2008. Devant le jury composé de :. Magali Gérino Eric Arquis Jean-Marie Mouchel Pascal Breil Janine Gibert Sabine Sauvage Michel Quintard Philippe Vervier. Professeur, Université Paul Sabatier, Toulouse III Professeur, ENSCP Bordeaux Professeur, Université Pierre et Marie Curie, Paris 6 Chargé de Recherche, CEMAGREF Professeur, Université Claude Bernard, Lyon 1 Ingénieur de Recherche, CNRS Directeur de Recherche, CNRS Directeur de Recherche, CNRS. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. Présidente Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Directeur de thèse Directeur de thèse. 1.

(2) Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 2.

(3) Remerciements La rédaction d’une thèse est une expérience souvent longue et laborieuse, mais enrichissante à bien des points de vue puisqu’elle permet en particulier de se remémorer les nombreuses rencontres et collaborations qui ont permis son aboutissement. Alors que mon manuscrit n’est à ce jour pas encore terminé, je me permets donc avec plaisir une brève "récréation intellectuelle" pour me rappeler du chemin parcouru depuis le début de cette aventure, et pour remercier tous ceux qui ont jalonné le parcours. Merci tout d’abord à monsieur Jean-Luc ROLS, Professeur à l’Université Paul Sabatier, et à monsieur Eric CHAUVET, Directeur de Recherche au CNRS, pour m’avoir successivement accueilli au sein du Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes (LEH) et du Laboratoire d’Ecologie Fonctionnelle (EcoLab). Je tiens évidemment à remercier Philippe VERVIER (DR CNRS) et Michel QUINTARD (DR CNRS) pour avoir assuré la direction partagée de ce travail, pour leur soutien, leur disponibilité et pour leurs nombreux conseils. Je remercie également les membres du jury qui ont accepté de juger ce travail : Eric ARQUIS (Professeur à l'ENSCP de Bordeaux), Jean-Marie MOUCHEL (Professeur à l'Université Pierre et Marie Curie, Paris 6), Pascal BREIL (Chargé de recherche, Cemagref Lyon), Magali GERINO (Professeur à l'Université Paul Sabatier, Toulouse III), Jeanine GIBERT (Professeur à l'Université Claude Bernard, Lyon 1) et Sabine Sauvage (Ingénieur de recherche, CNRS). Un merci tout particulier à Sabine SAUVAGE (IR CNRS) dont l’optimisme, la gaieté et la rigueur ont permis la réalisation de ce travail dans les meilleures conditions. Elle a toujours été disponible pour aider à clarifier mes interrogations, respectant avec patience le temps qu’il m’a parfois fallu pour assimiler toutes les notions nouvelles que j’ai dû aborder pour cette thèse. Merci aussi pour m’avoir guidé sur les voies impénétrables de la modélisation et pour avoir assuré le rôle d'encadrante intermittente ;) Les remerciements sont également l’occasion de rendre hommage à tous les collègues qui ont été indispensables, à un moment ou à un autre, à la réalisation de ce travail : Hugues ALEXANDRE qui a réussi à réanimer le serveur de calcul à chaque fois que COMSOL le mettait à genou ; les bienveillantes Annick CORREGE et Dominique GALY, Catherine FROUVELLE et Catherine MONIER qui ont toujours su trouver les réponses et les solutions à tous les problèmes ; Marie-Hélène O'DONOGHUE pour avoir déniché les précieux articles que je lui demandais ; Tom, Sylvain et François qui m’ont appris les ficelles d’arcgis et à kriger de mes propres ailes.... Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 3.

(4) Si au plan scientifique il est inconcevable de réaliser une thèse sans nouer de nombreux contacts, sur un plan personnel il m’aurait tout simplement été impossible de la mener à terme sans le soutien de mes amis. Un très grand merci donc à : - Laurent et à Nico pour avoir su me rebooster quand j’avais le moral dans les chaussettes et la valise qui me démangeait ; - Manu, Vincent, Rémy, Lucas, Jerem’, Allan et tous les TTmembers pour m’avoir accepté et supporté pendant les salons et pour m’avoir permis de publier autre chose que des modèles (cf. la biblio ;) !!) ; - les ex-marvigiens : Seb "le général Zerg", Steph "miss boul", Fred "el matador", Dov "Saquet", Amaia, Sylvain "la blonde" et Guillaume pour nos longues discussions philosophiques, anatomiques ou médicales à la pause déjeuner ; - les ENSATiens qui m’ont appuyé à toute heure lors du dernier rush final à grands coups de pauses bab' : Bertrand "le pedoc", Tom "la fouine", Christophe "la gamelle", Tim "les deux mains gauches", Alain "la brute", Fred "tire qu'un coup", Christian "Minitim" et Geoff "la passoire" ; - mes compagnons d'Algeco au fond du jardin, Anne-so' et Matthieu qui ont supporté mes pics de stress des dernières semaines :D Bonne route à vous tous, et à très bientôt j’espère !! Un énorme merci à toute ma famille. Que chacun trouve dans ce travail une part infime de ce que je dois à leur patience et à leurs encouragements permanents. Enfin, merci beaucoup à Marylène, toujours présente et aimante. Sans vous, rien de ce qui suit n’aurait été possible…. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 4.

(5) SOMMAIRE Introduction générale. p.9. CHAPITRE1. Contexte et objectifs. p.17. Introduction. p.19. Partie A. Zone hyporhéique et fonctionnement hydrobiogéochimique des systèmes fluviaux. p.21. AI. Définitions et concepts AII. Fonctionnement et rôle de la zone hyporhéique. p.21 p.33. Partie B. Modélisation numérique de la zone hyporhéique. p.51. BI. Contexte BII. Principes généraux de modélisation numérique BIII. Les différents types de modèles numériques pour l’étude de la zone hyporhéique. p.51 p.53 p.57. Partie C. Objectifs de la thèse. p.71. CI. Résumé de la problématique CII. Objectifs. p.71 p.72. CHAPITRE 2. Méthodologies. p.75. Introduction. p.77. Partie A. Démarche générale de développement du modèle hydrobiogéochimique. p.79. AI. Les différentes étapes de développement du modèle AII. Choix d’un modèle bidimensionnel horizontal et transitoire. p.79 p.81. Partie B. Présentation du modèle hydrobiogéochimique. p.83. BI. Le module hydrodynamique BII. Le module biogéochimique. p.83 p.97. Partie C. Présentation des sites d’étude. p.101. CI. Place des différents sites dans la démarche de modélisation CII. Présentation des deux sites français CIII. Le site de Monbéqui CIV. L’Hers mort CV. Le site de Freienbrink. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. p.101 p.102 p.104 p.108 p.110. 5.

(6) CHAPITRE 3. Modélisation hydrodynamique de la zone hyporhéique. p.113. Introduction. p.115. Partie A. Un modèle intégré verticalement pour décrire les échanges latéraux entre surface et subsurface dans les grandes plaines alluviales. p.117. AI. Introduction AII. Study site AIII. Numerical model AIV. Field application AV. Results and discussion AVI. Conclusions References. p.120 p.121 p.125 p.130 p.132 p.139 p.140. Partie B. Résultats complémentaires à la publication. p.145. BI. Période de simulation et données pour le modèle BII. Conditions initiales et aux limites BIII. Validation du modèle de transport conservatif BIV. Etude de sensibilité du modèle de transport conservatif... BV. Conclusions. p.145 p.148 p.149 p.153 p.155. Partie C. Application de 2SWEM sur le site de Freienbrink (Allemagne). p.157. CI. Contexte et objectifs CII. Application de 2SWEM sur le site de Freienbrink CIII. Résultats et discussion CIV. Conclusions et perspectives. p.157 p.158 p.162 p.165. Conclusions du chapitre. p.167. CHAPITRE 4. Modélisation biogéochimique de la zone hyporhéique. p.169. Introduction. p.171. Transformation longitudinale de l'azote et du carbone dans la zone hyporhéique d'un cours d'eau riche en azote : approche combinée numérique et expérimentale. p.173. I. Introduction II. Study site III. Numerical model IV. Field application V. Results VI. Discussion VII. Conclusions References. p.176 p.177 p.180 p.184 p.185 p.193 p.197 p.197. Conclusions du chapitre Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. p.203 6.

(7) CHAPITRE 5. Modélisation hydrobiogéochimique de la zone hyporhéique. p.205. Introduction. p.207. Modélisation de la dynamique des nitrates au sein de la zone hyporhéique du site de Monbéqui. p.209. I. Introduction II. Matériel et méthode III. Résultats et discussion IV. Conclusions. p.209 p.211 p.224 p.235. Conclusions et perspectives. p.237. Références bibliographiques. p.253. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 7.

(8) Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 8.

(9) Introduction générale. Introduction générale. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 9.

(10) Introduction générale. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 10.

(11) Introduction générale La Directive Cadre Européenne (DCE) sur l’eau a été adoptée par le parlement européen et le Conseil le 23 octobre 2000. Ce texte établit un cadre juridique et réglementaire pour une politique communautaire dans le domaine de l’eau. Son objectif est clair : il s’agit d’atteindre, d’ici 2015, le "bon état" écologique et chimique pour tous les milieux aquatiques naturels et de préserver ceux qui sont en très bon état. Or le rapport public du Sénat de 2003 sur "La qualité de l'eau et l'assainissement en France" dressait un bilan plutôt pessimiste. Pollutions atmosphériques, rejets industriels et domestiques, industrialisation, augmentation de la population et intensification de l'agriculture depuis les années 50 sont à l'origine de l'augmentation, souvent spectaculaire, de la teneur en certains polluants (notamment les nitrates) des eaux de surface et des nappes souterraines dans de nombreuses régions (Galloway et al., 2003 ; Smith, 2003 ; Seitzinger et al., 2006 ; Birgand et al., 2007). Dans ce contexte de dégradation environnementale, les responsables de la mise en œuvre de la DCE ont défini plusieurs leviers d'actions pour atteindre les objectifs. Ces actions constituent les programmes de mesures, qui peuvent porter sur la réduction des Pressions qui modifient l'Etat des milieux (par exemple la diminution des intrants pour l'agriculture). Les mesures peuvent également concerner la diminution des Incidences (ou Impacts) des Pressions, comme par exemple les stations d'épuration (pour les pollutions ponctuelles urbaines et industrielles) ou les bandes enherbées (pour les pollutions agricoles). Quand les contaminants qui résultent des Pressions pénètrent les milieux aquatiques, les actions portent bien souvent sur la restriction des usages de l'eau et la restauration des milieux aquatiques contaminés. Les actions dites de restauration ou de remédiation relèvent de l'ingénierie écologique. Elles visent à utiliser les fonctionnalités des milieux pour réduire, voire éliminer, la présence de ces contaminants. L'ingénierie écologique doit s'appuyer sur la connaissance du fonctionnement des systèmes naturels concernés afin d'identifier les mesures pertinentes, mais aussi sur des outils de simulations qui permettent de tester les actions envisagées. L'utilisation des outils de simulations comme aide à la décision pour les "gestionnaires" de l'eau et des milieux aquatiques a donc induit la production de modèles numériques susceptibles de simuler les évolutions possibles des lacs et des cours d'eau.. Au cours des dernières décennies, l'amélioration des connaissances des écosystèmes aquatiques, et plus particulièrement celles portant sur le fonctionnement des hydrosystèmes fluviaux, a permis de mieux décrire les mécanismes de transfert, d'échanges et de transformations des éléments transportés au sein des hydrosystèmes (Amoros et Petts, 1993 ; Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 11.

(12) Introduction générale Tetzlaff et al., 2007 ; Smith et al., 2007). Les études menées sur le fonctionnement biogéochimique des cours d’eau ont ainsi mis en évidence la nécessité de prendre en compte les différents compartiments biogéochimiquement actifs et leurs interactions au sein de l’hydrosystème fluvial (Sauvage et al., 2003 ; Baker et Vervier, 2004). Ces compartiments, appelés "compartiments fonctionnels" (Vervier et al., 1998) sont caractérisés par les processeurs biologiques, par leur dimension et par le type d'échanges qui les relient avec l'eau de surface (principal vecteur de matières au sein de l'hydrosystème).. Dans ce cadre, l’un des principaux objectifs de recherche de l’équipe "Hydrobiogéochimie des bassins versants" (Laboratoire d'Ecologie Fonctionnelle, Ecolab) est la caractérisation des impacts des différentes activités anthropiques sur le fonctionnement des hydrosystèmes continentaux, en termes d’écoulement, de transport de matières et de qualité des sols et des eaux. L'approche globale choisie intègre les interactions entre le cours d'eau et les écosystèmes qui lui sont adjacents comme les interfaces sol-eau et sol-plante, les systèmes riverains et les eaux souterraines (Amoros et Petts, 1993 ; Jones et Mulholland, 2000). Le fonctionnement de l'hydrosystème étant très complexe, des efforts considérables ont été déployés depuis plusieurs années pour la mise au point et la diffusion d'outils permettant l’identification des sources de pollutions et le suivi du transport des polluants dans les hydrosystèmes (Harvey et Wagner, 2000). Ainsi, dans pratiquement tous les domaines de la recherche et de l’ingénierie, le calcul numérique a pris une place essentielle et la recherche scientifique s’est largement développée grâce à l’association de travaux théoriques et expérimentaux (Runkel et al., 2003). L’émergence de grands calculateurs depuis les années 90 a également ouvert la voie de la simulation numérique.. Dès les années 1990, un axe de recherche portant sur la dynamique des éléments biogènes dans les hydrosystèmes fluviaux s'est développé pour aborder, par une approche systémique, le fonctionnement hydrobiogéochimique d’un cours d’eau en intégrant les différents compartiments fonctionnels. L'équipe pluridisciplinaire EcoFonBio a eu pour objectif, jusqu'en 2006, d'intégrer par modélisation les processus physiques, biologiques et chimiques et leurs interactions, au sein et entre les compartiments fonctionnels. Au cours des dernières années, cet axe de recherche s'est largement développé en intégrant notamment la modélisation des processus de production-transport-dégradation-sédimentation de la matière organique constituée par le biofilm épilithique (thèse de S. Boulêtreau, soutenue fin 2007) et la modélisation des transports biologiques de types locaux (biodiffusion et bioadvection) et Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 12.

(13) Introduction générale non locaux (convoyage et régénération) produits par les communautés benthiques vivant dans les sédiments fins (thèse de S. Delmotte, soutenue début 2007). L’intégration des fuites de matière organique et d’azote depuis les zones agricoles jusqu'à l'aquifère est également en cours (thèse de G. Jego). Ces travaux de modélisation pour une approche intégrée des hydrosystèmes fluviaux constituent un axe fort d'un des départements de l'Unité de Recherche EcoLab.. Le travail présenté dans ce manuscrit a pour objectif la modélisation de l'hydrodynamique et du fonctionnement biogéochimique du système "eau de surface-zone hyporhéique-aquifère" des vallées alluviales. La zone hyporhéique est un compartiment particulièrement important dans le cycle des nutriments et d’autres solutés dissous dans l'hydrosystème fluvial (Findlay, 1995 ; Jones et Holmes, 1996 ; Brunke et Gonser, 1997 ; Boulton et al., 1998 ; Jones et Mulholland, 2000). Elle est définie comme étant la zone des sédiments saturés des lits mineur et majeur du cours d'eau dans laquelle l’eau de surface du cours d’eau et l'eau interstitielle des sédiments s'échangent activement. Elle contient donc en proportions variables : - des eaux de surface récemment infiltrées, - des eaux de surface ayant séjourné au sein des sédiments poreux sur des périodes suffisamment longues pour avoir entraîné des modifications de leur composition chimique, - des eaux souterraines provenant des aquifères adjacents au cours d'eau. Les objectifs de cette étude seront détaillés à la fin du Chapitre 1.. Le présent mémoire est structuré en 5 Chapitres :  Le Chapitre 1 présente le contexte scientifique dans lequel s’inscrit cette étude avant de définir ses objectifs. Il est divisé en 3 trois parties. - La partie A vise à préciser les concepts d’hydrosystème fluvial, de compartiments fonctionnels et de zone hyporhéique, et présente les principaux processus physiques et biogéochimiques impliqués dans les échanges entre le cours d'eau et la zone hyporhéique. - La partie B est consacrée aux modèles numériques les plus utilisés pour l’étude des écoulements et du transport de solutés à travers la zone hyporhéique. Les bases constitutives générales des modèles ainsi que les méthodes classiquement proposées pour cette problématique sont présentées.. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 13.

(14) Introduction générale - La partie C présente les objectifs de cette thèse. La description et l’analyse des modèles les plus souvent utilisés permettent d'alimenter la réflexion visant à retenir la démarche la plus adaptée à cette étude.  Le Chapitre 2 de méthodologies décrit les composants du modèle proposé pour cette étude et les différentes étapes nécessaires à sa construction et à sa validation. Il est divisé en 3 parties. - La partie A est une présentation de la démarche générale de modélisation. - La partie B présente les équations mathématiques retenues. - La partie C est une description générale des sites étudiés. . Le Chapitre 3 présente et discute l’utilisation de la partie hydrodynamique du modèle à. l'échelle de tronçon (plusieurs km) de cours d'eau sur deux sites différents. Le site de Monbéqui (environ 13 km²), en aval de l'agglomération de Toulouse (France), est localisé dans un tronçon de la Garonne (débit moyen de 200 m3.s-1). Le site de Freienbrink (environ 3 km²) appartient à un tronçon de la Spree (débit moyen de 10 m3.s-1) situé à l'est de Berlin (Allemagne).  Le Chapitre 4 présente le développement et l'application de la partie biogéochimique de notre modèle dans la zone hyporhéique d'un troisième site (l'Hers mort, France), à l'échelle de 2 bancs de galets de plusieurs dizaines de mètres de long. Les réactions biogéochimiques choisies se focalisent sur l'azote minéral et la matière organique.  Le Chapitre 5 porte sur l'intégration de la partie biogéochimique dans la partie hydrodynamique et sur l'utilisation du modèle hydrobiogéochimique à l'échelle du tronçon de Garonne auquel appartient le site de Monbéqui (cf. Chapitre 3). Le modèle permet de suivre la dynamique de l'azote et la dénitrification au sein de la zone d'échanges entre l'eau de surface et la zone hyporhéique et d'estimer les flux échangés.. Cette thèse a été cofinancée par une bourse MERT du Ministère de l’Education et de la Recherche et par le Projet "Garonne Moyenne" piloté par José Miguel Sanchez-Pérez, dans le cadre du Programme P2 ECOBAG.. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 14.

(15) Introduction générale Elle a été réalisée au sein du Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes (LEH, directeur : Jean-Luc Rols, Professeur) puis du Laboratoire d’Ecologie Fonctionnelle (Ecolab, directeur : Eric Chauvet, DR CNRS) de Toulouse.. Son comité de pilotage était composé de : Pascal Breil (Cemagref Lyon), Michel Lafont (Cemagref Lyon), Philippe Namour (Cemagref Lyon), Michel Quintard (CNRS, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse), José Miguel Sanchez-Pérez (CNRS, Ecolab), Sabine Sauvage (CNRS, Ecolab), et Philippe Vervier (CNRS, Ecolab).. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 15.

(16) Introduction générale. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 16.

(17) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. CHAPITRE 1. Contexte scientifique et objectifs. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 17.

(18) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 18.

(19) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. Introduction Les concepts reliés au fonctionnement des cours d'eau ont largement évolué depuis une quarantaine d’années, tant du point de vue spatial que thématique, et se sont multipliés à partir des années 80 pour décrire les complexités biologiques, biogéochimiques et physiques. Citons pour exemple le concept de "River continuum" (Vannote et al., 1980), celui de "Nutrient spiralling" (Newbold et al., 1981), ou encore le concept d'interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines (Hynes, 1983). Toute la complexité du fonctionnement des cours d'eau, et notamment des grands cours d'eau, est reprise dans le concept d’hydrosystème fluvial qui intègre un ensemble d'unités (écosystèmes présents au sein des vallées fluviales) hiérarchisées en interactions dans le temps et l’espace (Amoros et Petts, 1993). Dans ce système hiérarchisé, bien que les processus qui opèrent à l'échelle des paysages fluviaux ne soient pas directement contrôlés par ceux des unités, les propriétés qui émergent aux niveaux supérieurs intègrent la résultante des phénomènes qui se réalisent aux niveaux inférieurs. Le fonctionnement global de l’hydrosystème fluvial dépend par conséquent des processus internes de chaque unité et de leurs interactions.. Lorsqu’un cours d’eau s’écoule dans une vallée ou une plaine alluviale, des échanges d’eau et de matière se produisent entre l’eau de surface et les sédiments qui constituent les lits mineur et majeur du cours d'eau (e.g. Bencala, 1993). Ces échanges complexes varient en fonction des secteurs morphologiques, des saisons, de l'hydraulique du cours d’eau, de la position relative de la surface de l'aquifère et de celle du fond du lit du cours d'eau et des caractéristiques physiques de la couche de sédiments. L'importance de ces échanges dans le fonctionnement hydrobiogéochimique de l'hydrosystème a été mise en évidence par de nombreuses études (e.g. Grimm et Fisher, 1984 ; Triska et al., 1989 ; Gibert et al., 1990 ; Vervier et al., 1992).. Les outils de modélisations sont très utiles pour décrire le fonctionnement de systèmes complexes car ils permettent une représentation simplifiée de la réalité (Wang et Anderson, 1982) et complètent les approches expérimentales qui, dans le cas des échanges entre cours d'eau et sédiments, sont souvent difficiles à mettre en œuvre. L'apport des modèles est prépondérant dans la mise en relation des processus qui, dans un système complexe, se déroulent à des échelles de temps et d'espace très diversifiées. Ainsi, comment peut-on, par. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 19.

(20) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. exemple, par l'expérimentation seule, étudier les processus de dégradation de nutriments par des biofilms bactériens enfouis sous plusieurs mètres de sédiments ? Comment mettre également en relation ces processus avec les mécanismes de transport de ces nutriments qui sont reliés aux circulations de flux d'eau et de matière à l'échelle du paysage ? Même s’il est possible d’isoler une partie de ces communautés pour étudier certains processus, comment intégrer ensuite les connaissances à plus large échelle, afin de comprendre le rôle de ces échanges tout le long d’un cours d’eau sur plusieurs années ? Ces micro ou macro échelles d’espace ou de temps ne peuvent se manipuler directement au laboratoire ou sur le terrain. Le calcul numérique permet donc de mettre en perspective, voire en relation, des processus qui se déroulent à ces échelles différentes. Les modèles numériques permettent aussi d'évaluer le poids relatif des différentes échelles et processus par des expérimentations qui peuvent accélérer le temps, agrandir les espaces, multiplier les dimensions, contraintes et connexions, bref, contribuer à représenter "l’irreprésentable".. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 20.

(21) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. Partie A. Zone hyporhéique et fonctionnement hydrobiogéochimique des systèmes fluviaux Cette Partie A est divisée en deux sous-parties. La première précise les grands concepts et les différents termes associés à l'étude de l’hydrosystème fluvial et de la zone hyporhéique. La seconde se focalise sur la zone hyporhéique et permet de revenir sur les processus physiques et biogéochimiques déterminant son fonctionnement et son rôle dans l'hydrosystème fluvial, en particulier en ce qui concerne la dynamique de l'azote minéral.. AI. Définitions et concepts AI.1. Le système fluvial : un ensemble dynamique et hiérarchisé d’unités interactives AI.1.1. Du système à l’hydrosystème fluvial Le concept de système pour les cours d'eau fit d’abord son apparition chez les géomorphologues et hydrologues anglo-saxons (notamment Chow, 1964) qui développèrent les notions de "stream system" (Chorley, 1962) puis de "fluvial system" (Schumm, 1977). Ces premières approches privilégiaient l’étude des flux unidirectionnels de l’amont vers l’aval pour les cours d’eau, et du bassin versant vers le réseau hydrographique pour le système fluvial (Amoros et Petts, 1993). En réalité, de nombreuses études ont montré que le fonctionnement des écosystèmes d’eau courante est également influencé : 1/ par les échanges latéraux entre le cours d'eau et la plaine d'inondation (e.g. Décamps et al., 1988 ; Naiman et al., 1988 ; Chauvet et Décamps, 1989) et 2/ par les échanges verticaux entre l'eau de surface et les écosystèmes superficiels et souterrains (Figure 1.1), aussi bien à proximité de l’axe fluvial que sur les marges de la plaine (Hynes, 1983).. Le concept d'hydrosystème fluvial développé dans les années 1980 (Amoros et al., 1987 ; Amoros et Petts, 1993) intègre les flux d'énergie, de matière et d'organismes en 3 dimensions : - La dimension longitudinale rend compte du transport d’eau, de matière et d’énergie de l’amont vers l’aval des cours d’eau. A l’origine, les concepts fondamentaux de l’écologie lotique ("River Continuum Concept" de Vannote et al., 1980 ; "Serial Discontinuity Concept" de Ward et Stanford, 1983 ; "Nutrient Spiralling Concept" de Newbold et al., 1981). Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 21.

(22) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. considéraient uniquement la dimension longitudinale du cours d’eau. Le "River Continuum Concept" et le "Serial Discontinuity Concept" ont ensuite été étendus afin de prendre en compte la dimension transversale.. Figure 1.1. Schéma des flux tridimensionnels, longitudinaux (de l’amont vers l’aval), latéraux (entre le cours d’eau et la plaine) et verticaux (avec le domaine souterrain) dans l’hydrosystème (extrait de Amoros et Petts, 1993).. - La dimension transversale concerne toutes les relations avec la vallée, le bassin versant et la plaine alluviale (espace formé par l’accumulation de sédiments transportés puis déposés par le cours d’eau).. - La dimension verticale prend en compte, d'une part les relations entre le cours d'eau (eau de surface) et les sédiments qui constituent les lits mineur et majeur des cours d'eau ; et, d'autre part, les relations avec les eaux souterraines. D’un point de vue historique, les eaux de surface et les eaux souterraines ont longtemps été considérées comme des entités discrètes et séparées au sein des hydrosystèmes (Brunke et Gonser, 1997 ; Jones et Mulholland, 2000). L’existence d'interactions verticales a été mise en évidence dès les années 60 en France (Angelier, 1962 ; Bou et Rouch, 1967 ; Gibert et al., 1977). L’importance de ces échanges dans le fonctionnement global des hydrosystèmes a ensuite été soulignée lors de nombreuses études, notamment aux Etats Unis (Grimm et Fisher, 1984 ; Stanford et Ward, 1988 ; Triska et al., 1989), en Autriche (Bretschko et Leichtfried, 1988), et en France (Marmonier et Dole, 1986 ; Gibert et al., 1990). La zone d’échange entre l'eau de surface et la zone saturée de sédiments. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 22.

(23) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. constituant le lit des cours d'eau est communément appelée zone hyporhéique et sera décrite en détail dans la suite de ce chapitre. On peut toutefois noter ici que la notion d'échange vertical est à nuancer car en réalité les échanges entre le cours d'eau et la zone hyporhéique sont par essence tridimensionnels.. A ces trois dimensions spatiales, s'ajoute également la dimension temporelle (Ward, 1989) qui peut être appréhendée selon plusieurs échelles emboîtées. A court terme, les modifications saisonnières des débits et crues annuelles agissent comme des perturbations (Amoros et Petts, 1993). A moyen terme (10-100 ans), les processus d’érosion, de dépôt de sédiments, d’alluvionnement, de changements de tracés... modifient la plaine alluviale, ses habitats, ses peuplements fauniques et végétaux. Enfin, à long terme (>100 ans), les processus géomorphologiques et les événements climatiques majeurs peuvent affecter le fonctionnement et l’organisation du système fluvial et de l’hydrosystème.. De manière générale, on peut finalement définir l’hydrosystème fluvial comme étant un système composé de l’eau, de tous les milieux aquatiques associés (eau courante, zones humides, eau stagnante, milieux terrestres...) et des interactions dans le temps et l’espace entre tous ces éléments. Il peut donc être considéré comme un éco-complexe (sensu Blandin et Lamotte, 1985) composé d’écosystèmes (aussi appelés patchs, unités ou compartiments) qui s’emboîtent les uns dans les autres selon une structure hiérarchisée (Allen et Starr, 1982).. AI.1.2. La mosaïque d’unités hiérarchisées en interactions dans l'hydrosystème fluvial L’hydrosystème lui-même est un sous-système du système fluvial des géomorphologues qui englobe l’ensemble du bassin hydrographique et le bassin versant. Combinées à l'hétérogénéité structurale de la plaine (changement de relief, de largeur, de pente) et aux effets de confluence, les modifications du régime hydraulique et de la charge alluviale transportée dans le bassin versant sont responsables de la différenciation de secteurs fonctionnels (voir Figure 1.2.A). Ces secteurs peuvent être identifiés selon leurs caractéristiques hydro-géomorphologiques, par exemple les secteurs de tressages (S1 et S4 sur la Figure 1.2.A), les secteurs à méandres (S2 et S5), les secteurs à chenaux uniques rectilignes (S3).... Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 23.

(24) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. A.. B.. Figure 1.2. A) Schéma de secteurs fonctionnels dans un hydrosystème fluvial et B) schéma des ensembles et des unités au sein d’un secteur fonctionnel (extrait de Amoros et Petts, 1993).. Chaque secteur fonctionnel est ensuite subdivisé en ensembles fonctionnels (Figure 1.2.B). Chaque ensemble regroupe les écosystèmes qui occupent un espace continu sur une même forme fluviale (par exemple : un ancien chenal, une levée de berge, une île) et qui sont soumis aux mêmes processus impliqués dans leur fonctionnement et leur dynamique. Enfin, à l'intérieur de chaque ensemble fonctionnel se distinguent des unités fonctionnelles relativement homogènes par les paramètres abiotiques qui caractérisent le milieu, et par leurs peuplements végétaux et animaux. Les recherches menées sur le fonctionnement biogéochimique des hydrosystèmes ont également conduit à l’identification de compartiments fonctionnels au sein des ensembles fonctionnels (voir paragraphe AI.1.3).. Dans ce système hiérarchisé, il est maintenant reconnu que des processus à échelle réduite résultent des fonctions nouvelles à l’échelle de l’hydrosystème et que les niveaux successifs sont contrôlés à différents pas de temps et d’espace. Il existe également une forte corrélation entre la durée de réalisation des processus, ou leur fréquence, et l’extension spatiale, ou la taille des sous-systèmes qu’ils affectent (Amoros et Petts, 1993). Généralement, les processus. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 24.

(25) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. se déroulant sur de longues périodes agissent sur de grands espaces et influencent très fortement les processus qui se déroulent sur des espaces plus réduits. Le choix des échelles de temps et d’espace est donc très important pour l’étude et la compréhension du fonctionnement des hydrosystèmes et doit être bien défini en fonction des objectifs. L’imbrication de cette variété d’échelles de temps et d’espace crée une complexité qui représente un des problèmes majeurs des études en écologie, comme les questions relatives aux changements d’échelle. Le fonctionnement global de l’hydrosystème dépend par conséquent des processus internes aux différentes unités, mais aussi des interactions entre ces dernières.. AI.1.3. Le concept de compartiments fonctionnels Les études menées sur le fonctionnement biogéochimique des cours d’eau ont mis en évidence la nécessité de prendre en compte les compartiments biogéochimiquement actifs composant les lits mineur et majeur, et leurs interactions au sein de l’hydrosystème fluvial (Sanchez et al., 2003b ; Baker et Vervier, 2004). A l’intérieur de chaque ensemble fonctionnel, on peut ainsi distinguer également des compartiments fonctionnels (Vervier et al., 1998 ; Steiger et al., 2000 ; Sauvage et al., 2003). Tandis que les unités fonctionnelles se distinguent par leurs caractéristiques abiotiques et biotiques, les compartiments fonctionnels peuvent être caractérisés par le fait que les processeurs biologiques sont étroitement liés dans leur structure et leur fonctionnement aux paramètres physiques de leur proche environnement. Les différents compartiments fonctionnels sont donc identifiés par les propriétés biologiques des biomasses, les modalités d’accès des processeurs biologiques aux éléments transportés par le fleuve (types d’échanges entre l’eau de surface et le compartiment) et par leur dimension. Les principaux compartiments fonctionnels des hydrosystèmes fluviaux sont (Figure 1.3) : - La pleine eau (PE) : acteurs biologiques = phyto et bactérioplancton, échanges = directs entre les éléments biogènes et les organismes. - Le complexe périphyton-sédiments (CPS) : acteurs biologiques = algues et bactéries, dimension = du millimètre aux centimètres, type d'échanges = diffusion. - Les sédiments fins : acteurs biologiques = bactéries et invertébrés, dimension = du centimètre aux mètres, type d'échanges = principalement biodiffusion et transport biologique. - Le sous-écoulement (SE) au sein des sédiments macroporeux des lits mineur et majeur : acteurs biologiques = bactéries et invertébrés, dimension = du décimètre aux décamètres (voire plus), type d'échanges = advection et diffusion.. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 25.

(26) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. Figure 1.3. Le concept de compartiments fonctionnels (extrait de Bonvallet-Garay, 2003 ; d'après Vervier et al., 1998).. Ce concept de compartiments fonctionnels s’inscrit dans celui des hydrosystèmes fluviaux (Amoros et Petts, 1993) et dans les notions relatives à la sectorisation géomorphologique (Steiger et al., 2000).. Parmi ces compartiments biogéochimiquement actifs, il a été largement démontré que le sous-écoulement (également appelé zone hyporhéique par certains auteurs) joue un rôle prépondérant dans le cycle des nutriments et d’autres solutés dissous. C’est un puissant réacteur naturel capable de modifier significativement la composition des eaux des rivières et des aquifères (Brunke et Gonser, 1997 ; Sophocleous, 2002).. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 26.

(27) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. AI.2. La zone hyporhéique AI.2.1. Terminologie La zone hyporhéique est une zone d'interactions multiples et complexe car elle dépend du climat, des paysages, de la géologie, de facteurs biotiques... (Sophocleous, 2002). Cette complexité a conduit à une multitude d'approches et à l'utilisation de nombreux termes différents pour désigner cette interface : zone hyporhéique, sous écoulement, zone parafluviale,. écotone. eau. de. surface/eau. souterraine,. zone. riveraine,. interface. surface/subsurface... Les critères de délimitation peuvent varier selon l’objet d’étude (communautés animales, processus biogéochimiques...) ou les caractéristiques hydrodynamiques. Il est donc indispensable de bien redéfinir les termes qui seront utilisés dans ce mémoire.. Dans le domaine de l’hydro-écologie, la prise en compte des interfaces entre les eaux de surface et les systèmes adjacents au sein d'un hydrosystème fluvial conduit le plus souvent à l'utilisation des termes de zone riveraine ("riparian zone"), de sous-écoulement ou de zone hyporhéique. Bien que les processus "hyporhéiques" et "riverains" fassent partie d’un même continuum à l’échelle de l'hydrosystème (Figure 1.4), ils sont généralement étudiés séparément et la terminologie associée à ces deux concepts est également assez confuse dans la littérature.. La zone riveraine peut être définie comme la région bordant le chenal actif, à l’interface entre la rivière et le sol, sur laquelle pousse généralement une végétation haute (Dent et al., 2000). La zone riveraine peut être séparée du cours d’eau par une zone parafluviale (aussi appelée la plaine alluviale ou plaine fluviale) qui est la région du chenal actif sans eau en période d’étiage (Dent et al., 2000 ; Woessner, 2000). Dans la littérature, la zone riveraine est souvent synonyme de plaine d’inondation mais il est préférable de la considérer plutôt comme un composant de cette dernière. L’aquifère est également un des compartiments de la zone riveraine. Cette zone joue un rôle important dans le fonctionnement de l’hydrosystème car elle permet par exemple de dissiper l'énergie du cours d'eau, de piéger les sédiments, de filtrer certains polluants (en particulier les nitrates via les processus de dénitrification), de fournir des corridors d’échanges mettant en relation les communautés d’organismes aquatiques et riverains.... Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 27.

(28) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. A.. B.. Figure 1.4. A) Vue transversale et B) vue de dessus d’un cours d’eau, montrant la localisation des zones parafluviale, riveraine et hyporhéique. Les lettres indiquent les connections hydrauliques entre cours d’eau et aquifère : u pour "upwelling" (flux ascendant), d pour "downwelling" (flux descendant), i pour "inflow" (infiltration) et o pour "outflow" (exfiltration) (extrait de Dent et al., 2000).. La zone hyporhéique fut identifiée comme une zone à part entière par Orghidan (1959) qui définit le terme de biotope hyporhéique. Schwoerbel (1964, 1967) fut ensuite le premier à la décrire comme une zone frontière ("Grenzbiotop") entre écosystèmes aérien et souterrain et à la considérer comme une composante intégrale de l’hydrosystème fluvial. La zone hyporhéique ("sous le courant" d'un point de vue éthymologique) désigne la zone saturée de sédiments constituant le lit des cours d'eau dans laquelle l'eau de surface venant du cours d'eau s'infiltre et se mélange à l'eau interstitielle des sédiments. A l’origine, le terme de zone hyporhéique a été utilisé dans l'étude des organismes vivant dans les sédiments macroporeux situés dans le milieu interstitiel (Angelier, 1962). Les travaux sur cette zone ont ensuite montré qu'elle pouvait jouer un rôle important sur la dynamique des substances nutritives circulant dans le cours d’eau et que les interactions avec l'aquifère au sein des sédiments pouvaient influencer son extension et son fonctionnement (Boulton et al., 1998 ; Jones et Mulholland, 2000 ; Hinkle et al., 2001). Par extension, le terme de zone hyporhéique désigne généralement la zone de sédiments saturés qui se situe sous le chenal actif, la zone. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 28.

(29) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. parafluviale et la zone riveraine, dans laquelle l'eau du cours d'eau et l'eau souterraine de l'aquifère se mélangent activement (Bencala, 1993 ; Boulton et al., 1998 ; Dent et al., 2000). Cette définition est la plus répandue car la majorité des travaux portant sur la zone hyporhéique ont été menés dans des systèmes où cette dernière se formait à l'interface entre cours d'eau et aquifère. Nous verrons toutefois dans le paragraphe suivant et dans le Chapitre 4 que l'on peut parler de zone hyporhéique même en absence d'interactions avec l'aquifère.. En parallèle, les études portant sur le fonctionnement biogéochimique de la zone hyporhéique ont identifié l'importance de l'origine de l'eau qui circule au sein des sédiments macro-poreux du chenal actif. Les eaux interstitielles peuvent être formées d'eau de surface récemment infiltrée ou d'eau souterraine qui émerge au niveau de la rivière ou encore d'un mélange de ces deux masses d'eau. Le terme de sous-écoulement se réfère ainsi à l'eau interstitielle du milieu macro-poreux dont l'origine et la direction de circulation sont fortement influencées par les eaux de la rivière (Vervier et Naiman, 1992).. Zone hyporhéique ou sous-écoulement désignent donc la même zone des sédiments saturés, dans laquelle l’eau de surface du cours d’eau et l'eau interstitielle des sédiments se mélangent activement. Cette définition générale englobe une multitude de façons de délimiter la zone hyporhéique et de nombreuses configurations sont possibles.. AI.2.2. Configurations et limites de la zone hyporhéique Les différents types de zone hyporhéique D’un point de vue conceptuel, les différents types de zone hyporhéique ont été classés en fonction de l’origine de l’eau circulant dans les sédiments, du type de liens hydrologiques, et de la direction des échanges entre le cours d’eau et l’aquifère (Figure 1.5). On peut ainsi distinguer plusieurs cas : - le cours d’eau s’écoule directement sur un substrat imperméable, il n’y a pas de zone hyporhéique (Figure 1.5.A) ; - la zone hyporhéique est créée uniquement par infiltration d’eau de surface dans les sédiments, il n’y a pas d’interactions avec l’aquifère (Figure 1.5.B) ; - la zone hyporhéique se trouve à l’interface entre eau de surface du cours d'eau et eau de l'aquifère (Figure 1.5.C) ;. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 29.

(30) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. - le cours d’eau a incisé la couche de sédiments perméables jusqu’à la roche imperméable (Figure 1.5.D), les échanges se font principalement sur les bords du cours d’eau (on parle de "fully penetrating river"), conduisant à la formation d’une zone hyporhéique latérale (Doussan, 1994). A.. B. No hyporheic zone. Hyporheic zone. C.. D.. Figure 1.5. Différents types de zone hyporhéique (adapté de Malard et al., 2002 ; d’après White, 1993).. Délimitation de la zone hyporhéique Plusieurs méthodes ont été proposées pour tenter de délimiter la zone hyporhéique : cartographie des communautés d'invertébrés benthiques et hyporhéiques, suivi des variations de hauteurs de nappe dans le cours d’eau et l’aquifère, utilisation de radars souterrains ("Ground Penetrating Radar"), profils de température... La méthode la plus utilisée consiste à injecter un traceur conservatif dans le cours d’eau et à suivre l’infiltration et la dynamique de ce dernier dans les sédiments grâce à des prélèvements piézométriques. En utilisant cette technique, Triska et al. (1989) ont mis en évidence deux zones hyporhéiques : d’une part, la "zone hyporhéique de surface" contenant plus de 98% d’eau de surface infiltrée depuis le cours d’eau ; et, d’autre part, une "zone hyporhéique interactive" plus profonde contenant au moins 10% d’eau de surface (Figure 1.6.A). Il est maintenant généralement admis que la zone hyporhéique hydrologiquement et biogéochimiquement active peut être définie comme la zone de sédiments saturés qui contient au moins 10% d’eau de surface (Triska et al., 1993a ; Lautz et Siegel, 2006). L'inconvénient de cette technique est que la limite de la zone. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 30.

(31) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. hyporhéique est définie en fonction de modifications de la qualité de l'eau qui sont en réalité très difficiles à suivre (Danielopol, 1980).. A.. B.. Figure 1.6. Comparaison entre A) le modèle de Triska et al. (1989) et B) le modèle dynamique de l’écotone eau de surface/eau souterraine proposé par Gibert et al. (1990) (extrait de Vervier et al., 1992).. De plus, le modèle proposé par Triska et al. (1989) ne prend pas en compte les changements spatio-temporels de la zone hyporhéique dont les limites peuvent varier fortement en fonction des conditions hydrologiques et environnementales (Fraser et Williams, 1998). Gibert et al. (1990) et Vervier et al. (1992) ont donc proposé un modèle plus dynamique appelé "ecotone model" (Figure 1.6.B). Ce dernier distingue deux domaines, l'eau de surface et l'eau souterraine, qui sont connectés par un écotone où l’eau souterraine pénètre dans la rivière et un écotone où l’eau de surface recharge l’eau souterraine. Depuis plusieurs années, l’émergence des modèles numériques a permis de progresser sur cette question de délimitation de la zone hyporhéique. En effet, les simulations numériques permettent de s'affranchir des expériences de traçage lourdes à mettre en œuvre et parfois. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 31.

(32) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. difficiles à interpréter. Ainsi, Wroblicky et al. (1998) et Woessner (2000) ont par exemple utilisé le modèle d’écoulement souterrain MODFLOW (McDonald et Harbaugh, 1988) couplé au modèle de transport de particules MT3D (Zheng, 1990) pour délimiter la zone hyporhéique. Pour ces simulations, ils imposent une concentration en traceur conservatif de 100 mg.L-1 dans le cours d’eau et de 0 mg.L-1 dans l’aquifère. Les limites de la zone hyporhéique sont fixées le long de l’isoligne de concentration 10 mg.L-1 après 10 jours de simulations. Lautz et Siegel (2006) ont utilisé la même technique sur un tronçon de 200m de la rivière "Red Canyon Creek" (Wioming, US) pour localiser la zone hyporhéique (zone hachurée sur la Figure 1.7 suivante) et ont estimé le volume total de cette dernière à environ 490 m3.. Figure 1.7. Vue aérienne du tronçon de rivière "Red Canyon Creek" sur lequel les modèles MODFLOW et MT3D ont permis de délimiter la zone hyporhéique (zone hachurée) (extrait de Lautz et Siegel, 2006).. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 32.

(33) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. AII. Fonctionnement et rôle de la zone hyporhéique La position de la zone hyporhéique, à l’interface entre des milieux contrastés, lui confère des caractéristiques biogéochimiques et physiques des milieux d’eau courante et des milieux sédimentaires (Hendricks et White, 1991 ; Brunke et Gonser, 1997 ; Dent et Henry, 1999). Son fonctionnement est par conséquent fortement conditionné par les échanges d'eau et de matière entre ces milieux.. AII.1. Contrôle des échanges au niveau de la zone hyporhéique AII.1.1. Nature des échanges L’eau étant le principal vecteur d'échanges au niveau de la zone hyporhéique, les interactions ont d’abord été largement documentées du point de vue hydrologique (Brunke et Gonser, 1997). Au fil des études, les chercheurs se sont ensuite focalisés sur les éléments échangés. - Les sels nutritifs en solution : les flux hydriques de surface et souterrains véhiculent des sels dissous dont certains, comme les nutriments, peuvent modifier considérablement le fonctionnement des unités de l’hydrosystème qui les reçoivent. Nitrate, ammonium et phosphates ont été les plus étudiés car ils sont en cause dans les phénomènes d’eutrophisation. Ces éléments nutritifs peuvent être successivement assimilés, stockés, recyclés et relargués vers l’aval. - La matière organique : elle constitue une source de matière et d'énergie qui sert de base au fonctionnement des écosystèmes. Selon sa nature et son origine, on distingue d’une part les écosystèmes hétérotrophes qui dépendent de sources allochtones de matière organique pour leur fonctionnement et dont le bilan global photosynthèse sur respiration des communautés vivantes (P/R) est inférieur à 1 ; et, d’autre part, les écosystèmes autotrophes qui utilisent des sources de matière organique autochtones et dont le bilan P/R est supérieur à 1 (River Continuum Concept de Vannote et al., 1980). - Les organismes vivants : leurs déplacements dans la zone hyporhéique et leur activité métabolique peuvent entraîner des transferts de matière et d’énergie (en particulier les invertébrés benthiques).. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 33.

(34) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. AII.1.2. Contrôle des échanges Trois notions permettent de caractériser les processus de contrôle qui se déroulent au niveau de la zone hyporhéique : écotone, connectivité et perméabilité. La notion d'écotone (Holland, 1988 ; Naiman et al., 1988 ; Gibert et al., 1990) recouvre un grand nombre de termes et de phénomènes tels que interface, bordure, frontière, zone de contact, zone de transition, zone d'échange... Il s’agit de zones d’échanges dynamiques entre au moins deux domaines qui se distinguent par leurs caractéristiques physiques et/ou chimiques. La zone hyporhéique peut donc être considérée comme l’écotone entre le cours d’eau et l’aquifère. La taille et les propriétés des écotones peuvent varier en fonction des échelles de temps et d’espace considérées. Une des caractéristiques les plus importantes de l’écotone est sa perméabilité aux flux (Figure 1.8).. Figure 1.8. Modèle conceptuel des flux de matière à travers l’écotone eau de surface/eau souterraine (extrait de Vervier et al., 1992).. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 34.

(35) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. La perméabilité des écotones est fondamentale pour les processus d’échanges entre les compartiments adjacents. Elle rend compte de l’effet filtre qui peut s’opérer au sein des écotones. Chaque interface peut influencer le fonctionnement global des hydrosystèmes en modifiant l'amplitude et les caractéristiques des flux d’eau, de matière et d'énergie entre les domaines. Certains flux sont perdus pour un domaine, d'autres sont arrêtés et transformés dans l'écotone.. La connectivité est un paramètre désignant la quantité (flux, fréquence…) et la qualité (organismes, eau, matière, éléments dissous…) des échanges intervenant entre les différents domaines de l’hydrosystème. La connectivité spatiale se réfère aux liens structuraux existant entre les différents domaines. La compréhension du fonctionnement d’un système nécessite de bien connaître la connectivité des différents éléments le composant (Amoros et Roux, 1988 ; Stanford et Ward, 1993).. Au cours des différents processus d'échanges, les écotones peuvent donc agir comme puits ou comme source pour les flux (Vervier et al., 1992). Les écotones peuvent ainsi contrôler le fonctionnement des hydrosystèmes fluviaux en modifiant l’amplitude et les caractéristiques des flux de matière et d’énergie entre les systèmes. Dans le cas de la zone hyporhéique, le contrôle des différents flux entre cours d'eau et aquifère a, entre autres, pour conséquence la formation de gradients physiques et chimiques.. AII.1.3. Gradients physico-chimiques dans la zone hyporhéique Les cours d'eau sont caractérisés par des forces hydrauliques fortes et turbulentes, des temps de rétention faibles, des débits contrastés, des conditions chimiques variées, le transport principalement longitudinal des composés particulaires et dissous et une morphologie du chenal dynamique (Brunke et Gonser, 1997). Au contraire, les conditions environnementales dans le milieu sédimentaire sont plus stables, les écoulements sont plutôt laminaires, les temps de résidence plus longs, la structure des sédiments est peu dynamique dans le temps, l’obscurité est totale et permanente et le ratio de biofilm par rapport au volume d’eau est plus important que dans le cours d’eau. Du fait des contrastes physiques et chimiques très prononcés entre le cours d’eau et le milieu souterrain, d’importants gradients physicochimiques peuvent donc apparaître dans la zone hyporhéique.. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 35.

(36) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. - Lumière et vitesse du courant : les sédiments macroporeux du lit de la rivière ne laissent pas passer la lumière, ce qui prive le milieu souterrain d’énergie lumineuse. La qualité et la quantité des apports nutritifs de surface déterminent donc l’activité biologique au sein de la zone hyporhéique. A ce filtre photique s’ajoute également un filtre physique de diminution de la vitesse de l’eau dès que l’eau s’infiltre dans les sédiments macroporeux. En général, les vitesses d’écoulement dans le milieu souterrain sont environ mille fois inférieures à celles qui sont observées pour l'eau de surface (Brunke et Gonser, 1997). Cependant, elles peuvent varier fortement localement en fonction de l’environnement physique. Le temps de résidence de l’eau dans la zone hyporhéique, plus long que dans la pleine eau, favorise ainsi la mise en place de processus de dégradation biochimique (Findlay, 1995) par les bactéries fixées sur les particules sédimentaires.. - Température : la zone hyporhéique peut agir comme une zone tampon pour la température, en particulier dans les petits cours d’eau. Le gradient de température dans la zone hyporhéique est déterminé par les échanges hydrauliques entre le cours d’eau et l’aquifère. Ce gradient peut être important pour le fonctionnement de l’hydrosystème car le développement des invertébrés et l’activité microbienne dépendent de la température (Ward et Stanford, 1982 ; Hedin et al., 1998). - Gradient d’oxygène dissous : la concentration en oxygène dissous dans la zone hyporhéique décroit généralement avec la profondeur et la distance à la rivière, jusqu’à atteindre la concentration de l’aquifère (Ponnamperuma, 1972 ; Valett et al., 1990 ; Triska et al., 1993a). Le gradient d’oxygène détermine également le gradient d’oxydo-réduction dans les sédiments et la succession des métabolismes s’y déroulant (Hunter et al., 1998). - Dioxyde de carbone et pH : au sein de la zone hyporhéique, les variations de teneurs en CO2 sont principalement régulées par les apports de l’eau de surface et par l’activité respiratoire des communautés vivant dans les sédiments (Pusch et Schwoerbel, 1994 ). Le pH, directement lié à la concentration en CO2, peut donc également varier. - Matière organique et nutriments : les flux hydriques de surface et souterrains véhiculent de la matière organique et des sels dissous dont certains, comme les nutriments, peuvent modifier considérablement le fonctionnement des unités de l’hydrosystème qui les reçoivent. Le cas des nitrates sera présenté plus en détail dans la suite de ce mémoire.. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 36.

(37) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. AII.2. Le transport des solutés dans la zone hyporhéique AII.2.1. Expression générale du transport Le transfert des solutés dans la zone hyporhéique est conditionné par deux mécanismes principaux : d'une part l'advection qui désigne le transport du soluté à la vitesse moyenne de l’eau ; et, d'autre part, la dispersion par diffusion moléculaire et dispersion cinématique. Dans les milieux naturels, la diffusion moléculaire est généralement négligeable devant les processus de dispersion cinématique causés par les hétérogénéités locales du milieu poreux. La dispersion a pour effet d’augmenter le volume occupé par le soluté et donc d’abaisser la concentration maximale de ce dernier et/ou de diluer le front de concentration, sans que la masse totale de soluté dans l’environnement ne change.. L’expression mathématique classique du transport des solutés en milieu libre ou en milieu poreux est l’équation d’advection-dispersion-réactions (Bear, 1972) présentée en détail dans les Chapitres 2 et 4 de ce mémoire. Pour un soluté donné et pour un problème unidimensionnel, cette équation peut s’écrire :. C t.  v. C x. D. 2C x2.  RS / P. (1.1). avec C (mg.L-1) la concentration du soluté considéré, v la vitesse d’advection interstitielle (m.s-1) et D le coefficient de dispersion (m².s-1). En milieu poreux, D est défini par : D  Da / . (1.2). v  vo / . (1.3). où Da est le coefficient de dispersion apparent (m².s-1), vo est la vitesse superficielle (m.s-1) et.  la porosité des sédiments (adimensionnelle). Le terme R est un terme réactionnel qui peut être dû aux réactions chimiques (la précipitation par exemple), aux réactions biogéochimiques dues à l'activité des bactéries (respiration, dénitrification...) ou aux phénomènes physico-chimiques tels que l'adsorption ou l'absorption. Le terme S/P est un terme source/puits qui rend compte des retraits ou apports extérieurs (pluie, recharge, lessivage, pompage...).. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 37.

(38) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. En hydroécologie, les réactions chimiques et les phénomènes physico-chimiques sont souvent négligés face aux phénomènes hydrauliques et aux réactions biogéochimiques. Par conséquent, dans les sous-parties qui suivent, nous reviendrons successivement sur les processus hydrauliques et sur les transformations biogéochimiques concernant en particulier l’azote et la matière organique.. AII.2.2. Facteurs influençant les échanges hydrauliques La compréhension des échanges entre cours d'eau et aquifère passe d’abord par une bonne représentation de l’hydraulique du système, en particulier de l’orientation des échanges et de la vitesse à l’interface entre les deux domaines. En climat tempéré, lorsque le niveau d’eau est moyen, la plupart des cours d’eau drainent l’aquifère (Profil 1 Figure 1.9).. Profil 1. Profil 2. Figure 1.9. Coupe transversale et vue aérienne d'un cours d'eau drainant l'aquifère (Profil 1) ou s'infiltrant dans l'aquifère (Profil 2).. Lorsque le niveau d’eau remonte dans le cours d'eau (crue, fortes pluies, fonte des neiges...), l'eau de surface peut s’infiltrer rapidement à travers les berges et recharger l’aquifère (Profil 2). Sur un même secteur, le sens des échanges peut donc s’inverser rapidement dans le temps. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 38.

(39) CHAPITRE 1 - Contexte scientifique et objectifs. en fonction des conditions hydrologiques et de la position relative de la surface de la nappe et de celle du fond du lit du cours d'eau. Plusieurs chercheurs ont essayé de classer les grands types de fonctionnement hydraulique du complexe cours d’eau-aquifère. En 1992, Larkin et Sharp ont par exemple proposé de classer les interactions entre cours d’eau et aquifère en se focalisant sur le sens des écoulements souterrains. Ils distinguent ainsi trois grandes catégories : - 1. "Underflow-component dominant" : les flux souterrains s’écoulent parallèlement au sens d’écoulement du cours d'eau. Cette situation se retrouve le plus souvent dans les systèmes avec des cours d’eau à fort gradient, petite sinuosité, fort ratio entre largeur et longueur et faible incision. - 2. "Baseflow-component dominant" : les écoulements souterrains sont perpendiculaires au cours d'eau, l’aquifère peut recharger ou être rechargé par l'eau de surface en fonction des conditions physiques et environnementales. - 3. Situation intermédiaire : se trouve dans les systèmes où la pente longitudinale de la vallée et la pente du cours d’eau sont très proches.. Cette vue depuis le milieu souterrain ne prenant pas en compte la dynamique des échanges entre cours d’eau et aquifère, White (1993) proposa trois modèles théoriques d’interactions préférentielles basés sur la direction des échanges à travers la zone hyporhéique (Figure 1.10). Pour les petits cours d’eau en tête de bassin, l’extension de la zone hyporhéique serait limitée à quelques décimètres et les échanges hydrauliques principalement verticaux depuis l’eau souterraine jusqu’au cours d’eau. Plus en aval, la multiplication des secteurs alternant radiers et mouilles dans les cours d’eau de taille intermédiaire favoriseraient des échanges plus importants en trois dimensions et l’extension de la zone hyporhéique jusqu’à plusieurs mètres. Enfin, dans le cas des grands cours d’eau à pente plus faible et à forte sinuosité, l’écoulement souterrain dépendrait principalement de l’hydraulique du cours d’eau et la zone hyporhéique pourrait s’étendre latéralement sur des distances pouvant aller jusqu’à plusieurs centaines de mètres.. Thèse Dimitri PEYRARD / Université Toulouse III - Paul Sabatier. 39.

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