| Caractérisation des facteurs contrôlant les concentrations en nitrates dans l’aquifère à partir de mesures en ruisseau (Characterization of the parameters controlling the nitrate concentration in the aquifer based on in-stream measurements) Vautier, Camille - (2019-12-16) / Universite de Rennes 1 - Caractérisation des facteurs contrôlant les concentrations en nitrates dans l’aquifère à partir de mesures en ruisseau
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Langue : Français, Anglais Directeur(s) de thèse: de Dreuzy, Jean-Raynald; Pinay, Gilles Discipline : Sciences de la terre et de l'environnement Laboratoire : Géosciences Rennes Ecole Doctorale : EGAAL Classification : Sciences de la terre Mots-clés : nitrates, aquifère fracturé, ruisseau de tête de bassin versant, dénitrification, temps de résidence, réaération
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Résumé : L’industrialisation de l’agriculture, portée par l’utilisation massive d’engrais azotés, a provoqué la pollution de l’eau par les nitrates, à l’origine de dégâts environnementaux comme les proliférations d’algues vertes dans les zones côtières. Aujourd’hui, des efforts sont fournis pour réduire l’utilisation d’engrais azotés, mais la diminution effective des concentrations en nitrates dans les cours d’eau dépend aussi des caractéristiques naturelles des bassins versants. Les circulations d’eau souterraine induisent en effet un stockage temporaire de nitrates dans l’aquifère, qui retarde l’effet des changements de pratiques agricoles. Dans le même temps, la dénitrification épure l’eau souterraine d’une partie de ses nitrates, ce qui abaisse les concentrations en nitrates des cours d’eau qu’elle alimente. L’aquifère exerce donc un double contrôle sur les concentrations en nitrates, dont la compréhension est nécessaire pour prédire leur évolution en fonction des scénarios d’agriculture mis en place. Cette thèse propose de caractériser les temps de résidence et la dénitrification dans l’aquifère à partir de mesures en ruisseau. La méthode est mise en place dans un petit bassin versant agricole breton, dans un aquifère cristallin. La thèse identifie tout d’abord, à travers une analyse de sensibilité, un nombre réduit de paramètres dont la connaissance permet la prédiction des concentrations en nitrates. Elle évalue ensuite la possibilité d’acquérir ces paramètres dans les ruisseaux en étiage. L’investigation des échanges de gaz entre les ruisseaux et l’atmosphère révèle que les traceurs gazeux sont délicats à utiliser à large échelle dans les ruisseaux. En revanche, l’étude de la dénitrification in situ dans les ruisseaux montre que les concentrations en nitrates sont très faiblement modifiées par les processus de surface. Finalement, des mesures de silice et de nitrates spatialement distribuées dans les ruisseaux du bassin versant fournissent une vision représentative des processus de transport et de dénitrification dans l’aquifère. Elles montrent que l’échelle d’homogénéisation est supérieure à l’échelle du bassin versant étudié et permettent de proposer des hypothèses sur les facteurs de contrôle globaux des processus. Abstract : Human activity, and especially intensive agriculture, has more than doubled reactive nitrogen delivery to Earth’s ecosystems, creating eutrophic conditions in aquatic and coastal environments around the world. In the past several decades, efforts have been made to reduce agricultural inputs of nitrogen, but the decrease of the nitrate concentration in rivers also depends on natural factors. The aquifer exerts a dual control on nitrate pollution. On one hand, the circulation of groundwater induces a temporary storage of nitrate, responsible for the nitrate legacy. On the other hand, the denitrification occurring in the aquifer lowers the nitrate concentration. Characterizing the groundwater residence time and the denitrification in the aquifer is thus necessary to predict the nitrate trajectories in agricultural catchments. This PhD thesis proposes to extract information about the aquifer from in-stream measurements. The method is tested on a 35 km2 agricultural catchment located in Brittany (France), in a fractured bedrock aquifer. First, a sensitivity analysis evidences that the nitrate concentration can be predicted with the knowledge of a limited number of parameters. Then, the possibility of getting these parameters in headwater streams during low flow is evaluated. Investigation of gas exchanges between the stream and the atmosphere shows that the use of gas tracers at the catchment scale is challenging. However, in situ nutrients injections reveals a very low effective denitrification in the stream and the hyporheic zone, which does not significantly modify the nitrate concentration. Finally, spatially distributed measurements of silica and nitrate in headwater streams provide a representative view on the processes of transport and denitrification in the aquifer. It highlights that the scale of homogenization is larger than the studied catchment and allows to hypothesise global control factors on the processes. | |||