La chimie des eaux superficielles, interstitielles et souterraines
Introduction
La contamination des eaux douces par les nitrates reprรฉsente un enjeu majeur, puisque le cycle de lโazote et ses excรจs sont dรฉcrits comme โle cycle le plus perturbรฉ par lโactivitรฉ humaineโ (Howarth et Gene 2009) et โla troisiรจme menace la plus importante pour la planรจteโ (Giles 2005).
Depuis quelques dรฉcennies, la fertilisation excessive des zones agricoles par les engrais – pour satisfaire la demande croissante de la population- a entraรฎnรฉ un excรจs dโรฉlรฉments nutritifs sur les terrains cultivรฉs qui chemine vers les cours dโeau par ruissellement superficiel et hypodermique ainsi que par drainage vers la nappe phrรฉatique (Corriveau 2009). Cet excรจs dโรฉlรฉments nutritifs perturbe l’รฉquilibre des รฉcosystรจmes aquatiques dโune part, en modifiant les propriรฉtรฉs physico-chimiques et biologiques des cours d’eau, et en induisant le phรฉnomรจne dโeutrophisation et dโautre part, menace la santรฉ humaine puisque des concentrations en nitrates trop รฉlevรฉes dans lโeau potable peuvent provoquer la mรฉthรฉmoglobinรฉmie chez le nourrisson et le cancer gastrique chez lโadulte (European Environment Agency 2000; Institut de la santรฉ publique au Quรฉbec 2003).
Les riviรจres, les cours dโeau et mรชme les oueds sont des systรจmes de transport, ร grande รฉchelle d’eau et de matรฉriaux provenant du bassin versant, dans lesquels les processus biogรฉochimiques de rรฉtention et de transformation des รฉlรฉments biogรจnes diffรจrent entre lโamont et lโaval dans les รฉcosystรจmes lotiques (Vannote et al. 1980; Elwood et al. 1983; Grimm 1987; Thomas et al. 2001). Ces processus se produisent ร l’interface entre les riviรจres et les aquifรจres appelรฉe la zone hyporhรฉique.
Cette derniรจre est dรฉfinie comme la section des sรฉdiments fluviaux dans laquelle les eaux de surface et souterraines sont mรฉlangรฉes (Gooseff 2010; Stelzer et al. 2011). Triska et al. (1989) dรฉfinissent la zone hyporhรฉique comme รฉtant une eau de subsurface qui coule dans les sรฉdiments du lit de la riviรจre et en contient plus de 10% mais moins de 98% d’eau de surface. Suite ร ces processus de transport, la zone hyporhรฉique joue un rรดle crucial dans la dynamique physico-chimique et biologique de l’eau, ainsi que dans le fonctionnement de l’รฉcosystรจme aux รฉchelles locale, rรฉgionale et du bassin versant (Mulholland et al. 2008; Bรถhlke et al. 2009; Gomes et al. 2012). La zone hyporhรฉique constitue un ยซpoint chaudยป (McClain et al. 2003) en raison de son hรฉtรฉrogรฉnรฉitรฉ รฉcologique et structurelle considรฉrable et de son impact sur la dynamique des nutriments (Lautz et Fanelli 2008; Boano et al. 2010; Zarnetske et al. 2011; Bardini et al. 2012).
ย Rรดle de la zone hyporhรฉique dans les cycles biogรฉochimiques
La zone hyporhรฉique est une zone dโรฉchange dynamique importante pour lโรฉcohydrologie des eaux souterraines et constitue un site dโune forte activitรฉ biogรฉochimique (Boulton et al. 1998; Sophocleous 2002; Krause et al. 2011). Plusieurs recherches ont montrรฉ lโimportance de la zone hyporhรฉique sur les cycles biogรฉochimiques des nutriments (Valett et al. 1996; Pinay et al. 1998; Lewandowski and Nรผtzmann 2010; Marmonier et al. 2012).
Apports naturels
Les apports mรฉtรฉoriques sont liรฉs ร la prรฉsence d’azote dans l’eau de pluie (de 0.5 ร 2 mg/l) (Tabatabai 1983). Pour une pluie annuelle de 800 mm, cet apport reprรฉsente entre 4 et 16 kg/ha/an. Ces apports sont d’autant plus importants que les bassins d’รฉtude sont situรฉs prรจs de grandes villes ou de sites industriels. Sur les bassins peu agricoles situรฉs ร proximitรฉ de pรดles urbains, cette entrรฉe peut รชtre lโapport majoritaire qui participe au flux d’azote ร l’exutoire d’un bassin (Belan 1979).
Contexte gรฉologiqueย
Le bassin versant de la Tafna se subdivise en deux principales zones :
Le bassin amont : reprรฉsentรฉ par les versants Nord et Sud des Monts de Tlemcen qui font partie des formations du Jurassique supรฉrieur (Fig. 8) constituรฉes de dolomies riches en carbonates magnรฉsiens. Ces formations recรจlent les plus grands aquifรจres de la rรฉgion (Gentil 1903).
Le bassin aval : reprรฉsentรฉ par la moyenne et la basse Tafna, il est orientรฉ vers le Nord ; il appartient globalement aux formations tertiaires du Miocรจne caractรฉrisรฉes par des marnes et des grรฉs (Gentil 1903).
Sur la rive gauche de l’oued Tafna, le miocรจne moyen recouvre de larges surfaces. Sur la rive droite, le miocรจne forme la plus grande partie de la vallรฉe, les argiles sont sableuses intercalรฉes de lits grรฉseux. Les roches รฉruptives sont trรจs frรฉquentes dans la basse Tafna sur les deux rives de l’oued.
Description des stations dโรฉtude
Dans cette รฉtude, Dix stations dโรฉchantillonnage ont รฉtรฉ choisies (fig. 7) en prenant en considรฉration lโordre du cours dโeau, lโaccessibilitรฉ aux diffรฉrentes sections du cours dโeau (la nature du substrat ยซ trรจs vaseux ยป, les cultures et les vergers sur les rives constituent parfois des contraintes de terrain pour accรฉder ร certaines stations) et de leur reprรฉsentativitรฉ au sein de la zone dโรฉtude.
Echantillonnage – Mรฉthodes d’รฉtude
ย Eau : Lโรฉchantillonnage de lโeau dans les trois milieux : superficiel, hyporhรฉique et souterrain a รฉtรฉ rรฉalisรฉ mensuellement depuis Fรฉvrier 2013 jusquโร Avril 2014, pรฉriode couvrant deux situations hydrologiques diffรฉrentes : Hautes Eaux (HE) et Etiage (E) dans dix stations rรฉparties dans le bassin versant de la Tafna.
a) lโeau de surface (un prรฉlรจvement par station) et lโeau souterraine est prรฉlevรฉe par un simple remplissage manuel de flacon de polyรฉthylรจne dโun litre.
b) Lโeau hyporhรจique: Un rรฉseau de 20 mini piรฉzomรจtres (P1-P20) a รฉtรฉ installรฉ dans les stations choisies du bassin versant de la Tafna (Fig. 7). Le pompage de lโeau hyporhรฉique est effectuรฉ ร 30 cm de profondeur dans deux unitรฉs gรฉomorphologiques diffรฉrentes par station Seuil (S) et Mouille (M) en faisant appel ร la technique de prรฉlรจvement de Bou-Rouch (Bou & Rouch 1967 ; Bou 1974) en raison de sa relative simplicitรฉ et de son faible coรปt.
Analyses statistiques
Analyses de variance et tests non paramรฉtriques
Les fluctuations spatio-temporelles de chaque paramรจtre physico-chimique particuliรจrement les nitrates de lโeau hyporhรฉique ont รฉtรฉ รฉtudiรฉes en faisant appel ร lโANOVA I et du test non paramรฉtrique de Kruskal-Wallis du logiciel MINITAB 17. Ce test permet dโanalyser la variance ร un facteur contrรดlรฉ et par consรฉquent mettre en รฉvidence dโรฉventuelles diffรฉrences entre les trois milieux, entre les stations de lโamont et celles de lโaval pour les paramรจtres physico-chimiques et des diffรฉrences entre les deux pรฉriodes hydrologiques.
Comparaison entre la chimie des eaux superficielles, interstitielles et souterraines ร l’รฉchelle du bassin versant de la Tafna
Lโanalyse comparative des donnรฉes physico-chimiques rรฉcoltรฉes sur les eaux de trois milieux superficiel, hyporhรฉique et souterrain de lโoued Tafna et ses deux affluents lโIsser et Chouly pendant deux pรฉriodes hydrologiques distinctes (soit un total de 430 prรฉlรจvements) a permis d’identifier les variations spatiales (verticales et longitudinales) des paramรจtres qui caractรฉrisent lโhydrosystรจme. De plus, elle a rรฉvรฉlรฉ des รฉchanges significatifs entre la surface et la zone hyporhรฉique, traduits par la prรฉsence des valeurs de dioxygรจne dissous et des chlorures qui se rapprochent de celles du milieu superficiel.
Dans le bassin versant de la Tafna, les caractรฉristiques chimiques de l’eau de surface (SW) diffรจrent significativement de celles de lโeau souterraine GW (p <0,05), mais elles sont similaires ร lโeau interstitielle (Fig. 25) sauf pour les concentrations de l’oxygรจne dissous (DO), qui suivent un gradient vertical dรฉcroissant et sont toujours faibles dans lโeau souterraine ร cause de la profondeur de la nappe. Lโeau souterraine est significativement plus concentrรฉe en NO3-N et en chlorure (Cl-) que l’eau de surface et lโeau interstitielle (p <0,05). Les valeurs moyennes de NO3-N de lโeau souterraine sont deux fois supรฉrieures ร celles de l’eau de surface et lโeau interstitielle (Fig. 25a).
Conclusion gรฉnรฉrale
La zone hyporhรฉique joue un rรดle crucial dans le fonctionnement biogรฉochimique et รฉcologique des รฉcosystรจmes dโeaux douces, puisque les รฉchanges hyporhรฉiques sont susceptibles de contribuer au transfert des nutriments et des polluants entre les eaux superficielles et les eaux interstitielles et favoriser la transformation et la rรฉtention des nutriments et matiรจres organiques (Kasahara et Hill 2006).
Bien que la dynamique des รฉchanges dโeau et de nutriments ร lโinterface nappe-riviรจre et le rรดle de la zone hyporhรฉique dans les รฉcosystรจmes aquatiques soient connu depuis plusieurs annรฉes (chapitre 1) et se dรฉveloppent de maniรจre diverse suivant les รฉchelles spatiales dโรฉtude, le fonctionnement de la zone hyporhรฉique ร large รฉchelle reste peu รฉtudiรฉ.
Lโobjectif principal de cette thรจse est de caractรฉriser la dynamique et la variabilitรฉ spatio-temporelle des nitrates dans les eaux superficielles, hyporhรฉiques et souterraines afin de mettre en รฉvidence la contribution de la zone hyporhรฉique dans le fonctionnement biogรฉochimique des cours dโeau mais aussi de dรฉterminer les points chauds au niveau du bassin versant de la Tafna dans un climat semi aride qui caractรฉrise la rรฉgion dโรฉtude.
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Table des matiรจres
Introduction
Chapitre 1 : Etude bibliographique
1.1 Fonctionnement des cours dโeau
1.1.1 La zone hyporhรฉique
1.1.2 Rรดle de la zone hyporhรฉique dans les cycles biogรฉochimiques
1.1.3 Facteurs de contrรดle des รฉchanges au niveau hyporhรฉique
1. 2 Dynamique des nitrates ร lโรฉchelle du bassin versant
1.2.1 Cycle de lโazote
1.2.2 Sources de nitrates ร lโรฉchelle du bassin versant
a) Apports anthropiques
b) Apports naturels
1.2.3 Processus de transformation de lโazote
Chapitre 2 : milieu physique
2.1 Le bassin versant de la Tafna
2.1.1 Rรฉseau hydrographique
2.1.2 Contexte gรฉologique
2.1.3 Contexte topographique
2.1.4 Contexte pรฉdologique
2.1.5 Rรฉgime hydrologique
2.1.6 Climatologie rรฉgionale
2.1.7 Occupation du sol
2.2 Prรฉsentation gรฉnรฉrale du sous bassin de lโIsser et de lโoued Chouly
2.2.1 Sous bassin versant de lโIsser
2.2.2 Sous bassin versant de Chouly
2.3 Description des stations dโรฉtude
2.4 Caractรฉristiques des points de prรฉlรจvement de lโeau souterraine (puits) des diffรฉrentes stations รฉtudiรฉes
Chapitre 3 : Matรฉriel et Mรฉthodes
3. 1 Echantillonnage – Mรฉthodes d’รฉtude
3.1.1 Eau
Le sondage Bou-Rouch
3.1.2 Sรฉdiments
3.2 Analyses physico-chimiques de lโeau
3.2.1 Mesures rรฉalisรฉes in situ
3.2.2 Analyses rรฉalisรฉes au laboratoire
Les chlorures (Cl)
Les nitrates (NO3-)
3.3 Analyse granulomรฉtrique
3.3.1 Prรฉparation des รฉchantillons
3.3.2 Dosage du carbone organique
3.3.3 Conductivitรฉ Hydraulique
3.4 Analyses statistiques
3.4.1 Analyses de variance et tests non paramรฉtriques
3.4.2 Analyses Multivariรฉes
a) analyse en composantes principales (ACP)
b) Principe de lโACP
Chapitre 4 : rรฉsultats et interprรฉtations
4.1 Chimie de lโeau de surface
4.1.1 Evolution spatio-temporelle des paramรจtres physico-chimiques de lโeau de surface
4.1.2 Analyse en composantes principales de lโeau de surface
4.1.3 Discussion
4.2. Milieu hyporhรฉique
4.2.1 Echanges hydrologiques
a) Gradient hydraulique vertical
B) Mรฉlange des eaux dans le milieu hyporhรฉique
4.2.2 Evolution spatio-temporelle des paramรจtres physico-chimiques de lโeau hyporhรฉique
4.2.3 Evolution spatio-temporelle des nitrates de lโeau hyporhรฉique
a) Evolution amont/aval du bassin versant de la Tafna
b) Evolution longitudinale des nitrates (par station) dans le cours dโeau principal la Tafna et ses affluents Isser et Chouly
4.2.4 Rรฉtention des nitrates
4.2.5 Influence de la gรฉomorphologie sur la variabilitรฉ des nitrates
4.2.6 Relation entre les concentrations en NO3-N de lโeau hyporhรฉique, DO, K, la granulomรฉtrie des sรฉdiments et l’ordre des cours d’eau ร l’รฉchelle du bassin versant
4.2.7 Les facteurs qui contrรดlent les concentrations en nitrates
4.3 Milieu phrรฉatique
4.3.1 Niveau de la nappe
4.3.2 Hydrochimie de la nappe
4.3.3 Conclusion
4.4 Comparaison entre la chimie des eaux superficielles, interstitielles et souterraines ร l’รฉchelle du bassin versant de la Tafna
Discussion gรฉnรฉrale
Conclusion gรฉnรฉrale
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