Soutenance mémoire
Dynamique des matières dissoutes et particulaires dans les cours d’eau
Une rivière transporte bien plus que de l’eau. Ainsi, si à l’échelle planétaire, les rivières transportent plus de 37000 km3 pour les flux d’eau par année (Baumgartner et al., 1975 ; Meybeck et Ragu, 1997 ; Shiklomanov et Rodda, 2003), elles exportent aussi vers les océans 4 à 7×0⁹ t.an-1 de matières dissoutes (Probst, 1992 ; Gaillardet et al., 1999b ; Meybeck, 2007) et 13 à 23×10⁹ t.an-1 .de matières en suspension (Jansen et Painter 1974 ; Milliman et Meade, 1983; Probst, 1992 ; Ludwig et Probst, 1998). Meybeck (1982) a estimé les flux de nutriments totaux annuels (dissous et particulaires) à 946 téragrammes (10¹² g) pour le carbone, à 36 téragrammes pour l’azote et à 21 téragrammes pour le phosphore. Les flux des différents métaux ont été estimés par Martin et Meybeck (1979), qui ont démontré que pour des éléments comme le plomb, le cuivre ou le zinc, la seule altération des continents ne pouvait expliquer au maximum que 40% des flux, le reste étant dû aux activités humaines. Parmi les 60 grands fleuves ou groupes de fleuves les plus importants (60% des apports d’eau continentale aux océans), ayant pour exutoire l’Océan Atlantique (Mer Caspienne et Mer Méditerranée incluses) représentent environ 60% de ces contributions continentales en termes de flux hydrique et près de 45% des flux de matières dissoutes (Moquet, 2011).
En plus de la matière dissoute, les cours d’eau transportent des matières solides, plus généralement considérées sous le terme matières en suspension. Le flux actuel de matière solide des cours d’eau vers les océans est estimé selon les auteurs, entre 14 et 20.10⁹ t.an-1 (Milliman et Meade, 1983 ; Probst, 1992 ; Walling et Webb, 1996 ; Ludwig et Probst, 1998 ; Lerman et al., 2007 ; Moquet, 2011). La majeure partie de ce flux provient des cours d’eau de l’Asie du Sud Est. La composition de ces matières en suspension ressemble à celle des sols et des shales et se compose essentiellement de silice, d’aluminium et de fer sous forme phyllosilicates et d’oxydes. Ces MES sont essentiellement produites par l’érosion physique des sols et des berges des cours d’eau, alors que les matières dissoutes sont issues de l’érosion chimique des roches et des sols.
Origines et devenirs des sédiments en suspension dans un cours d’eau
Origine des sédiments
Les sédiments en suspension ont plusieurs origines possibles : érosion des sols des versants et des fonds de vallées, érosion du chenal (berges et lit du cours d’eau), développement de plancton (floraison), effluents urbains, rejets industriels, effluents agricoles, etc. Cependant, il est difficile de déterminer précisément l’origine des MES et des sédiments de fonds puisqu’une grande proportion du matériel accumulé dans les cours d’eau dérive initialement de sources exogènes (Wood et Armitage, 1997).
Selon leur origine, différents facteurs influencent l’apport de sédiments dans un cours d’eau. Premièrement, la nature des formations de surface dans les bassins versants gouverne les processus d’érosion à cause de leur capacité d’infiltration et de leur érodibilité (King et Le Bissonnais, 1992). La capacité d’infiltration représente le flux d’eau maximal que le sol est capable d’absorber à travers sa surface lorsqu’il reçoit une pluie efficace ou s’il est recouvert d’eau. De ce fait, elle dépend de la conductivité hydraulique, de la texture et de la structure du sol. De plus, elle varie selon la succession et les propriétés hydrodynamiques des horizons de sol avec un rôle prépondérant pour l’horizon de surface. L’érodabilité d’un sol est une mesure de la facilité avec laquelle celui-ci est érodé (Lefrançois, 2007). Elle dépend de la stabilité structurale du sol qui est liée à la cohésion des agrégats et à leur résistance à la désagrégation sous l’action de la pluie (Le Bissonnais, 1996).
Les modes d’occupation du sol conditionnent également l’apport de sédiments. En effet, la nature et la distribution spatiale des cultures, le taux d’urbanisation de même que l’importance du couvert végétal peuvent notamment constituer des obstacles plus ou moins efficaces au ruissellement (Mérot et al., 1999) et influencer globalement l’érosion, La topographie (pente, longueur de pente, etc.) conditionne la vitesse et l’importance du ruissellement sur les versants et, par conséquent, l’arrachement et le transport des particules du sol. D’autre part, les précipitations représentent l’agent principal de l’érosion hydrique. L’aptitude de la pluie à engendrer des phénomènes d’érosion (ex. briser les agrégats du sol) dépend de l’énergie cinétique qui est liée avant tout à son intensité (Lefrançois, 2007).
L’érosion est un processus naturel, mais celui -ci est amplifié par certaines actions anthropiques. Selon Abernethy (1990), la modification de l’usage des sols (pratique culturale et remembrement ) et l’intensification de l’agriculture sont à l’origine d’une augmentation de l’érosion physique des sols et des flux de sédiments transportés par cours d’eau. En effet, dans un petit bassin versant d’Asie, il a identifié une augmentation de près de 6% de la charge annuelle de MES après 50 années d’intensification de l’agriculture et d’altération des milieux naturels sur le bassin versant. Dans leur étude, Zaimes et al. (2005) démontrent que les parcelles ripariennes, utilisées pour des pâtures permanentes et dont les berges ne sont pas protégées, engendrent plus de particules érodées que des parcelles cultivées, exportant elles -mêmes davantage que les prairies non pâturées ou les bois. De surcroît, selon Walling (1999), les taux d’érosion des sols cultivés sont entre 16 et 900 fois plus élevés que les sols ayant un couvert végétal laissé à l’état naturel. Par ailleurs, il est bien connu que l’imperméabilisation des sols entraîne une diminution de l’infiltration de l’eau et une augmentation de la part ruisselée (Chocolat, 1997). Ces conditions engendrent une montée des eaux plus rapide dans les cours d’eau (crues éclairs). De plus, la suppression des méandres des cours d’eau pour produire des tronçons rectilignes, pratique très courante dans les milieux agricoles, a pour conséquence une augmentation des vitesses d’écoulement qui, jumelées à l’imperméabilisation des sols, contribuent à une érosion accrue des berges.
Devenir des sédiments fins dans un cours d’eau
Dans tout écoulement, que ce soit dans le lit de la rivière ou au sein du ruissellement sur un versant, des phénomènes d’érosion, de dépôt et de reprise sont observés. Ils sont essentiellement gouvernés par les conditions hydrauliques et la granulométrie des sédiments. La courbe de Hjülström (Figure 1) synthétise ces phénomènes et permet de déterminer les processus prédominants (érosion, dépôt ou transport) selon la vitesse du courant et le diamètre des grains. En observant la courbe d’érosion des particules moyennes à grossières, on constate que le tracé est intuitif ; plus les particules sont grossières, plus la vitesse du courant doit être élevée pour qu’elles soient prises en charge. Cependant, la portion de la courbe d’érosion des particules fines présente un tracé qui peut sembler paradoxal ; elle montre une diminution de la vitesse du courant avec l’augmentation de la taille des particules.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ET FONDEMENT DE LA ZONE D’ETUDE
Introduction
I.1. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1.1. Modes de transport dans un bassin versant
I.1.2. Dynamique des matières dissoutes et particulaires dans les cours d’eau
I.1.3. Origines et devenirs des sédiments en suspension dans un cours d’eau
I.1.4. Influence des sédiments sur la mobilité des polluants
I.1.5. Impacts des sédiments fins et des polluants associés sur les écosystèmes aquatiques
I.1.6. Qualité des eaux des cours d’eau
I.1.7. Types de pollution
I.1.8. Pollution des cours d’eau par les éléments traces
1.1.8.1. Notion d’éléments traces
1.1.8.2. Notion de Terres Rares ou Rares Elements Earth (TR)
1.1.8.3. Normalisation des terres rares
1.1.8.4. Répartition, itinéraires et devenir des ET dans l’environnement aquatique
1.1.8.5. Différentes sources des éléments traces
1.1.8.6. Spéciation et biodisponibilité des ET dans les systèmes aquatiques
1.1.8.7. Evaluation de la mobilité et la biodisponibilité des ET
I.2. FONDEMENT DU MILIEU D’ETUDE
I.2.1. Présentation du complexe fluvio-lagunaire du bassin versant du Lac Togo
I.2.2. Facteurs physiques et climatiques
I.2.2.1. Contexte climatique
I.2.2.2. Structure et relief du bassin
I.2.2.3. Le contexte géologique du BVLT
I.2.2.4. Les caractéristiques hydrographiques et hydrologiques du BVLT
I.2.2.5. Les sols du bassin
I.2.2.6. Modes d’occupation des sols et des différentes formations végétales
I.2.2.7. Erosion hydrique
I.2.3. Facteurs humains
I.2.4. Les activités économiques du BVLT
1.2.4.1. L’agriculture : activité dominante et aux formes diverses
1.2.4.2. La pêche : activité principale de la basse vallée
1.2.4.3. Les activités industrielles et minières
1.2.4.4. Les autres activités à risque dans le BVLT
I.2.5. Etat des ressources hydriques du bassin versant du lac Togo
1.2.5.1. Gestion des eaux usées
1.2.5.2. Gestion des ordures
1.2.5.3. Les rejets directs dans les rivières
I.2.6. Pollution organique et inorganique au sud du Togo
I.2.6.1. Cas des éléments traces
I.2.6.2. Cas des pesticides
Conclusion partielle
CHAPITRE II SITES D’ECHANTILLONNAGE ET METHODES D’ETUDE
Introduction
II.1. DESCRIPTION DU RESEAU D’ECHANTILLONNAGE
II.2. ANALYSES DES EAUX DE SURFACE
II.2.1. Echantillonnage, prétraitement et conservation des eaux
II.2.2. Mesure des variables physico-chimiques sur le terrain
II.2.3. Méthodes analytiques au laboratoire
II.2.3.1. Dosage des anions et cations
II.2.3.2. Alcalinité
II.2.3.3. Carbone organique dissous (COD)
II.2.3.4. L’analyse des ET et de la silice dans la phase dissoute
II.3. MESURES DES DEBITS ET DES CONCENTRATIONS EN MATIERES EN SUSPENSION
II.3.1. Mesure des débits
II.3.2. Mesure des concentrations en matières en suspension (MES)
II.3.3. Caractérisation de la qualité des matières en suspension
II.4. ANALYSE DES SEDIMENTS DE FOND
II.4.1. Echantillonnage, prétraitement et conservation des sédiments
II.4.2. Traitement physique des échantillons
II.4.3. Granulométrie et microgranulométrie
II.4.4. Analyse élémentaire de C et N
II.4.5. Extraction totale des éléments traces (ET)
II.4.6. Extraction de la phase labile ou non résiduelle
II.4.7. Localisation et données générales sur le matériau de référence
II.5. CALCUL DES FLUX DE MATIERES
Conclusion partielle
CHAPITRE III GEOCHIMIE DES COURS D’EAU DU BVLT
Introduction
III.1. VARIATION SPATIALE DES PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES DES EAUX DE SURFACE DU BVLT
III.1.1. Potentiel Hydrogène (pH)
III.1.2. Température
III.1.3. Conductivité
III.1.4. Alcalinité des eaux du BVLT
III.1.5. Carbone organique dissous (COD)
III.1.6. Silice dissoute
III.2. CONCENTRATIONS EN ELEMENTS MAJEURS DANS LA PHASE DISSOUTE
III.2.1. Teneurs en cations et anions dans les eaux du BVLT au cours du cycle hydrologique
III.2.2. Evolution des concentrations des ions majeurs dans le BVLT à l’exutoire des rivières Zio et Haho au cours du cycle hydrologique
III.3. TENEURS EN ELEMENTS TRACES (ET) DISSOUS
III.3.1. Variation spatiale des teneurs en ET dissous dans les eaux des rivières Zio
III.3.2. Interprétation de la contamination en ET des eaux
III.3.3. Evolution de la concentration des ET à l’exutoire des rivières Zio et Haho
III.3.4. Relations entre les ET et les paramètres physico-chimiques de l’eau
Conclusion partielle
CONCLUSION GENERALE
