Soutenance mémoire
FONCTIONNEMENT BIOGEOCHIMIQUE DE LA GARONNE A L’ETIAGE
OBJECTIFS L’objectif du module « biogéochimie » est d’expliquer le fonctionnement biogéochimique de la Garonne en période d’étiage et de finaliser cette connaissance par un modèle hydro-écologique, objectif final du programme ECOBAG/P1, qui couple la circulation de l’eau en période d’étiage et la transformation des flux d’éléments biogènes. Pour arriver à mettre au point une modélisation du fonctionnement bio géochimique de l’hydrosystème Garonne, il importe au préalable :
de bien connaître les flux d’eau, de nutriments et de substances dissoutes et particulaires véhiculées dans le bassin versant, et d’être en mesure d’en effectuer des bilans.
de caractériser et de quantifier les processus chimiques, biochimiques et biologiques intervenant dans l’hydrosystème de surface et ayant une conséquence sur la qualité de l’eau, ainsi que sur les bilans du bassin versant. Dans ce cadre , des travaux de recherche spécifiques ont notamment visé à éclairer le rôle du compartiment végétal (macrophytes, algues phytoplanctoniques, algues benthiques des biofilms et bactéries) dans les processus de mobilisation et d’auto-épuration de l’hydrosystème en matière de nutriments azotés. Les résultats acquis à différentes échelles ont été utilisés pour établir des bilans fonctionnels et éclairer la dynamique du carbone, du phosphore et de l’oxygène.
de caractériser les phénomènes bio-géochimiques (écoulements, flux, processus) intervenant dans la rivière et en écoulement de sub-surface. En effet, dans le cas de l’hydrosystème Garonne, les fonds de galets de granulométrie grossière permettent de forts écoulements de sub surface. Dans ce compartiment notamment, ainsi qu’à son interface avec la colonne d’eau, se développent des processus chimiques et biochimiques importants qu’il convient de quantifier pour effectuer une modélisation pertinente. Sur la base des connaissances acquises au niveau de petites unités fonctionnelles (placettes, tronçons de référence), moyennant la maîtrise des changements d’échelle adéquats et une tentative de généralisation des connaissances acquises sur les principaux compartiments fonctionnels repérés, il a été possible de poser les bases d’une modélisation de l’hydrosystème Garonne intégrant le rôle des processus biogéochimiques.
LES COMPARTIMENTS FONCTIONNELS
La réalisation de l’objectif du module « biogéochimie » du programme P1 nécessite donc de prendre en compte tous les compartiments du cours d’eau qui participent activement aux processus biogéochimiques, et pas seulement le compartiment pleine-eau. Il convient d’ajouter les sites biologiquement actifs avec lesquels interagit l’eau de surface, principal vecteur des flux de matières et d’énergie. C’est pour tenir compte de tout le potentiel d’activité biogéochimique du fleuve que le concept de compartiments fonctionnels a été développé (cf. encadré ci-dessous).
DEMARCHES ENTREPRISES POUR COMPRENDRE LE FONCTIONNEMENT BIOGEOCHIMIQUE DU TRONÇON A MODELISER
Pour parvenir à atteindre l’objectif principal évoqué au Chapitre 4-1), qui est de parvenir à mettre au point une modélisation bio-géochimique du fleuve Garonne à l’étiage, il importe de bien comprendre, à différentes échelles, le fonctionnement du linéaire de fleuve à modéliser(Garonne moyenne). Il faut donc décrire correctement et quantifier le fonctionnement des différents compartiments fonctionnels (ex : pleine eau, interface périphyton-sédiment…), mais aussi préciser le rôle fonctionnel spécifique de chaque maillon biologique identifié comme acteur notable dans le fonctionnement du fleuve (macrophytes, phytoplancton, périphyton…). Il sera également utile, afin de réussir le changement d’échelle et de valider la modélisation proposée, de comprendre les comportements de portions caractéristiques de fleuve regroupées en grands types sur la base de critères géomorphologiques (radiers, mouilles, bacs de molasse) en fonction des conditions physiques qui s’y appliquent sur les compartiments fonctionnels. La réflexion théorique et les expérimentations mises en place pendant la durée du programme se sont intéressées à ces différents niveaux d’investigations.
Bases théoriques. L’évolution de la plupart des substances chimiques – minérales et organiques – introduites dans les eaux superficielles sous forme dissoute et/ou particulaire résulte de la combinaison de processus hydrodynamiques (transport et dispersion dans le milieu liquide en mouvement) , bio-physico-chimiques (réactions de transformations et d’échanges de matière plus ou moins directement liées à l’activité de microorganismes) et biocénotiques (relations des microorganismes entre eux et avec leur habitat qui déterminent la dynamique des populations et la structure des peuplements). Les processus bio-physico-chimiques sont directement ou indirectement liés au cycle du carbone qui est régi par deux grandes fonctions :
Production ( = photosynthèse) de matières organiques par les organismes chlorophylliens (algues planctoniques et fixées, macrophytes) à partir d’éléments minéraux simples.
Biodégradation ( = respiration) de la matière organique produite et/ou importée par des microorganismes hétérotrophes ( bactéries, champignons, protozoaires) qui se développent à ses dépends et en régénèrent progressivement les éléments constitutifs.
Production et biodégradation assurent la fixation et la libération de C, N, P et d’éléments biogéniques secondaires dans des proportions à peu près fixes qui correspondent à la composition de la matière vivante. Elles se traduisent également par des échanges de O2 et de CO2 qui, lorsqu’ils se déroulent dans un milieu faiblement turbulent, entraînent des variations du potentiel Redox et du pH et conditionnent donc en retour la plupart des réactions biogéochimiques. Les modèles basés sur ce schéma général de fonctionnement s’appliquent assez bien à la description et à la prévision du comportement de substances biogéniques (oxygène dissous; formes minérales et organiques du carbone, de l’azote et du phosphore) et des biomasses de microorganismes (algues, bactéries) associés à leur transformation. Le problème est de comprendre comment les mécanismes responsables agissent en interaction dans un milieu hétérogène dans l’espace et variable dans le temps.
Les macrophytes
Le compartiment des macrophytes est particulièrement difficile à aborder de façon quantitative dans le fleuve Garonne, notamment en fonction :
– de l’aspect éminemment variable des peuplements selon l’année et le lieu (grande mobilité inter-annuelle des emplacements d’herbiers en fonction du marnage en saison d’étiage (orages, exploitation des barrages hydro-électriques amont), grande variation quantitative en relation avec l’hydrodynamique printanière),
– de sa taille rendant considérable, en volume de travail, toute action de prospection systématique,
– de la turbidité des eaux, des conditions hydrodynamiques et de la mauvaise accessibilité du fleuve rendant malaisées les mises à l’eau, les opérations d’échantillonnage et délicates les conditions opérationnelles,
– de l’aspect également gênant de la turbidité des eaux pour toute action d’acquisition des données aéroportées, qui seraient très utiles, dans un souci d’opérationnalité et d’économie de moyens, dans un contexte tel que celui de la Garonne.
Avant d’envisager toute intervention de terrain, difficilement systématisable compte-tenu de l’échelle de ce fleuve et du contexte financier de ce programme, le Cemagref a fait le tour de la bibliographie existante afin de situer l’intérêt d’une étude approfondie de ce compartiment en fonction de l’objectif du Programme ECOBAG/P1. Il en ressort, élément non surprenant compte-tenu du contexte attaché à ce fleuve, qu’il n’existe aucun élément réellement quantitatif pré-existant permettant de chiffrer précisément des biomasses ou activités fonctionnelles du compartiment macrophytes dans la Garonne. De plus, l’aspect très variable, cité ci-dessus, des localisations et des densités de peuplements d’une année à l’autre imposerait a priori une prospection annuelle pour injecter dans le modèle, ce qui ne paraît pas envisageable. Le point bibliographique réalisé est le suivant : Une première approche concernant l’étude des macrophytes sur le fleuve Garonne a été faite par le bureau d’étude IDE Environnement, en 1992 et 1993. Cette étude a été réalisée à la demande de l’Agence de l’Eau Adour-Garonne, avec le pré-supposé que les peuplements de macrophytes étaient un bon indicateur pour rendre compte du potentiel trophique de la Garonne. Dans cette optique, les objectifs de cette étude étaient la détermination du niveau trophique de la Garonne, l’évaluation des manifestations de l’eutrophisation et la détermination de ses impacts pendant les étiages estivaux, sur la base des observations des peuplements macrophytiques. Les nets progrès enregistrés depuis cette époque dans la connaissance des macrophytes aquatiques et de leur signification, notamment sur la Charente par Alain DUTARTRE & al, ainsi qu’au cours du suivi national d’un réseau « Protocole MEV » dans le cadre d’une convention Inter-agences-Cemagref signée pour le compte du GIS « Macrophytes des eaux continentales »(1995-97), permettent désormais d’affirmer qu’en cours d’eau, hormis dans les zones très amont où le phosphore peut être limitant, il n’existe pas de corrélation entre niveau trophique du système et production de biomasse pouvant conduire à des pullulations de macrophytes. Par conséquent, les forts développements de macrophytes ne sont pas expliqués par un enrichissement localisé des eaux en substances biogènes, mais sont corrélés à toute une série de facteurs physiques comme pénétration de l’éclairement dans la lame d’eau, mouvance ou non du substrat, conditions hydrodynamiques stationnelles, grandes tendances hydrologiques du printemps, voire température de la colonne d’eau.
|
Table des matières
RESUME
1- ELEMENTS DE CONTEXTE
1-1) PRESENTATION DU GIS ECOBAG ET DE SES PROGRAMMES SCIENTIFIQUES
1-2) OBJECTIFS DU PROGRAMME P1 « HYDRO-ECOLOGIE DE LA GARONNE »
1-3) EQUIPES ET MOYENS IMPLIQUES DANS SA REALISATION
1-4) DISPOSITIF FINANCIER
2- DEMARCHE GLOBALE ENTREPRISE
3- SECTORISATION GEOMORPHOLOGIQUE DE LA GARONNE MOYENNE
3-1) OBJECTIFS
3-2) LE TRONÇON TOULOUSE – CONFLUENCE AVEC LE TARN AU SEIN DU BASSIN VERSANT DE LA GARONNE
3-3) METHODES
3-3.1) IDENTIFICATION DES VARIABLES UTILISEES
La section en travers
Le profil longitudinal et les formes fluviatiles
3-3.2) LES ECHELLES DE TRAVAIL
3-4) LA SECTORISATION A L’ECHELLE DU SECTEUR
3-4.1) LA PENTE DU CHENAL OU PENTE HYDRAULIQUE, BASE DE LA SECTORISATION
3-4.2) LES PROCESSUS D’EROSION ET D’ACCUMULATION
Les formes d’érosion et d’accumulation observées dans le chenal de la Garonne
La dynamique des méandres
La dynamique de la morphologie du chenal : taille, forme et efficacité hydraulique
3-4-3) SYNTHESE
3-5) LA SECTORISATION A L’ECHELLE DU SOUS-TRONÇON
3-5.1) LES UNITES FONCTIONNELLES SEUILS ET MOUILLES : DEFINITION ET CHOIX METHODOLOGIQUE
3-5.1.1) Définitions
3-5.1.2) Méthodologie : la méthode Richards pour l’identification des unités seuils et mouilles de la Garonne
3-5.2) VALIDATION DES RESULTATS DE LA METHODE RICHARDS PAR LES CALCULS THEORIQUES D’ESPACEMENT MOYEN ENTRE LES SEUILS ET LES MOUILLES
3-5.3) VALIDATION DE LA METHODE RICHARDS PAR LA MISE EN RELATION ENTRE LES UNITES SEUIL, UNITES MOUILLES ET LES DIFFERENTES VARIABLES
3-5.3.1) Description et intérêt des variables mises en relation avec les unités seuil – mouille ou résidus des ajustements linéaires
3-5.3.2) Mise en évidence de la différenciation morphodynamique entre les unités seuil et les unités mouille
3-6) SYNTHESE
3-7 ) REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES / MORPHODYNAMIQUE FLUVIALE
4- FONCTIONNEMENT BIOGEOCHIMIQUE DE LA GARONNE A L’ETIAGE
4-1) OBJECTIFS
4-2) ORGANISATION DES TRAVAUX DU MODULE « FONCTIONNEMENT BIOGEOCHIMIQUE »
4-2.1) HYPOTHESES DE DEPART
4-2.2) LES COMPARTIMENTS FONCTIONNELS
4-2.3) STRUCTURATION DES ACTIONS RELATIVES AU FONCTIONNEMENT BIOGEOCHIMIQUE ET IMPLICATION DES EQUIPES
4-3) DEMARCHES ENTREPRISES POUR COMPRENDRE LE FONCTIONNEMENT BIOGEOCHIMIQUE DU TRONÇON A MODELISER
4-3.1) BASES THEORIQUES
4-3.2) APPROCHE METHODOLOGIQUE – LES 3 ECHELLES D’ANALYSE
4-3.3) MICRO-ECHELLE – ACTIVITE ET DYNAMIQUE DES BIOFILMS
4-3.4) MESO-ECHELLE – FONCTIONNEMENT A L’ECHELLE DE SECTEURS DE RIVIERE
4-3.5) MACRO-ECHELLE – MODELISATION DU FONCTIONNEMENT DE LA GARONNE
4-3.5.1) Modèle hydrodynamique
4-3.5.2) Modélisation biogéochimique de la Garonne
4-4) LE COMPARTIMENT FONCTIONNEL PLEINE EAU
4-4.1) ETUDE DU COMPARTIMENT PHYTOPLANCTON SUR LA GARONNE ET SES AFFLUENTS
4-4.1.1) Profil longitudinal de chlorophylle a dans la Garonne
4-4.1.2) Relations débit/chl.a et composition des algues en suspension
4-4.1.3) Conclusions sur l’étude phytoplancton
4-4.2) MESURE DES ACTIVITES IN SITU EN PLEINE EAU
4-5) LES MACROPHYTES
4.6 LE BIOFILM EPILITHIQUE
4-6.1) GENERALITES
4-6.2) ETUDE DE LA REPARTITION DU BIOFILM EPILITHIQUE EN GARONNE
4-6.2.1) Introduction
4-6.2.2) Choix des stations d’étude
4-6.2.3) Méthode d’échantillonnage et mesures
4-6.2.4) Résultats
4-6.3) CYCLE DE L’AZOTE ET PHYSIOLOGIE DU BIOFILM
4-6.3.1) Méthodes de mesures de flux d’interface biofilm – pleine eau
A) Présentation des méthodes utilisées pour la quantification des activités biologiques du cycle de l’azote – Mesures des flux d’interface
B) Echantillonnage et traitements liés aux biofilms colonisant les galets du lit de la Garonne
B1) Stratégie d’échantillonnage, choix des biofilms prélevés
B2) Traitement des échantillons
4-6.3.2) Evaluation in situ de processus bactériens identifiés : activités de nitrification et de dénitrification
A) Principe de mesure de la nitrification
A1) Prédiction de l’évolution des flux d’interface après inhibition de la nitritation par l’acétylène
B) Principe de mesure de la dénitrification
B1) Limitation de cette technique de mesure
4-6.3.3) Calcul des flux d’interface
4-6.3.4) Bilan journalier des flux d’azote, nitrification et dénitrification
A) Bilan opérationnel
B1) Fonctionnement du biofilm de jour (Voir Figure 67)
B2) Fonctionnement du biofilm de nuit (cf Figure 68)
B4) Extrapolation des résultats et compléments indispensables à l’étude de la physiologie des biofilms
C) Activité de nitrification
C1) Prise en charge du processus de nitrification par le modèle
C2) Provenance des bactéries nitrifiantes et devenir des populations
C3) Arguments contre le développement et la persistance de populations de bactéries nitrifiantes au sein des biofilms épilithiques
D) Les processus de dénitrification
E) Expérimentations de laboratoire – Dénitrification en pilote de laboratoire, application aux biofilms de Garonne
E1) Essai de corrélation entre l’activité de dénitrification mesurée en conditions standardisées et certains paramètres simples de description des biofilms
E2) Obtention de cinétiques sur des pilotes de laboratoire
4-6.3.5) Stabilité des descripteurs généraux du biofilm
4-6.3.6) Relation entre les flux d’interface mesurés in situ et les caractéristiques des biofilms
4-6.4) CONCLUSIONS SUR LES BIOFILMS ET INVESTIGATIONS COMPLEMENTAIRES
4-7) MESO-ECHELLE : ETUDES DE BILANS DE TRONÇONS DE GARONNE
4-7.1) PREAMBULE
4-7.2) BILANS DE TRONÇONS DE GARONNE AVAL TOULOUSE
4-7.3) BILANS DE TRONÇONS DU SECTEUR LAMAGISTERE-LAYRAC D’AGEN
4-7.3 1) Contraintes liées au choix de l’implantation
4-7.3.2) Choix du secteur
4-7.3.3) Equipement particulier du secteur
4-7.3.4) Variabilité spatiale de la qualité des eaux à Lamagistère
4-7.3.5) Protocole expérimental
4-7.3.6) Résultats
A) Recalage des données et calculs
B) Résultats
B1) L’azote
B2) Le phosphore
4-7.3.7) Comparaison avec les expérimentations réalisées sur la rivière Charente
A) L’azote
B) Le phosphore
C) La chlorophylle
4-7.3.8) Commentaires
4-8) LE MODELE DE FONCTIONNEMENT DE LA GARONNE EN ETIAGE ESTIVAL
4-8.1) PRESENTATION DU MODELE EN DEVELOPPEMENT
4-8.1.1) Approche méthodologique
4-8.2) DESCRIPTION DU MODULE DE TRANSPORT
4-8.2.1) Equation du transport d’un constituant passif
4-8.2.2) Résolution de l’équation de transport
A) Transport de scalaires passifs
B) Résolution numérique
C) Equation de dispersion
D) Evaluation de D
E) Equation d’advection
F) Conditions aux Limites et Condition Initiale
4-8.3) SIMULATIONS PRELIMINAIRES DU MODELE BIOGEOCHIMIQUE AZOTE – CAS DE L’AMMONIAQUE – NITRIFICATION EN PLEINE EAU – DEBUT 1998
4-8.3.1) Etat actuel de la Garonne face à l’ammoniaque
4-8.3.2) Réaction du milieu naturel : pouvoir auto-épurateur du fleuve
4-8.4) ESSAIS DE MODELISATION DE LA NITRIFICATION EN PLEINE EAU
4-8.4.1) Aspects numériques
4-8.4.2) Tests de sensibilité du modèle de nitrification en pleine eau
4-8.4.3) Résultats des simulations
4-8.4.4) Résultats concernant la pleine eau après les expérimentations de l’étiage 98
4-8.5) COUPLAGE DU MODULE HYDRODYNAMIQUE ET DU MODULE BIOGEOCHIMIQUE
4-8.5.1) Rappel de la structure globale du modèle et insertion du module biogéochimique « azote »
4-8.5.2) Apports des investigations in situ
A) Notion de compartiments fonctionnels (micro-échelle)
B) Non prise en compte du compartiment fonctionnel pleine eau par le modèle
B1) Le phytoplancton est, on l’a vu, peu représenté et les algues benthiques en dérive peu actives
B2) Pas d’activité de nitrification mise en évidence dans la pleine eau
C) Le biofilm colonisant les galets
D) Autres compartiments
4-8.5.3) Architecture du module biogéochimique (changement d’échelle)
4-8.5.4) Enseignements tirés des premiers résultats des simulations
4-8.5.5) Conclusions sur la modélisation
5- RELATIONS HABITAT-BIODIVERSITE
5-1) DYNAMIQUE DES PEUPLEMENTS PISCICOLES SUR LA GARONNE : MISE AU POINT D’UN MODELE DE RECRUTEMENT POUR UN TOXOSTOME, LA SOFIE (CHONDROSTOMA TOXOSTOMA)
5-2) HETEROGENEITE SPATIO-TEMPORELLE DE LA QUALITE DE L’EAU ET DU PEUPLEMENT PISCICOLE DE LA GARONNE, EFFETS DE L’ANTHROPISATION
5-2.1) INTRODUCTION
5-2.2) PROBLEMATIQUE
5-2.3) CONTENU DE L’ETUDE ET METHODOLOGIE
5-2.4) RESULTATS DES RECHERCHES
5-2.4.1) Qualité de l’eau (voir Figures 101 et 102 pages suivantes)
5-2.4.2) Ecotoxicologie des rejets
5-2.4.3) Fonctionnement écologique du peuplement piscicole
5-2.5) BILAN SCIENTIFIQUE
Télécharger le rapport complet
