Modélisation intégrée des transferts d'azote dans les aquifères et les rivières : application au bassin du grand morin

Modelling of nitrogen transfer in aquifers and rivers : the grand morin catchment case study.

• Auteur / Autrice : Nicolas Flipo
• Direction : Michel Poulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie et hydrogéologie quantitatives
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrates

Nitrification

Hydrologie

Dénitrification

Hydrogéologie

Mots clés libres

Modélisation

Périphyton

Bassin versant

Résumé

Ce travail réalise une synthèse des connaissances du programme de recherche PIREN Seine concernant la problématique de l’azote sur le bassin du Grand Morin (1200 km2). A cet effet, la plate-forme de modélisation CAWAQS (CAtchment WAter Quality Simulator) a été construite. CAWAQS simule la qualité de l'eau des différents compartiments d'un bassin versant : sols, aquifères, cours d'eau. Il a été construit à partir des modèles STICS, NEWSAM et ProSe. L'utilisation conjointe de techniques géostatistiques (logiciel Isatis®) et de CAWAQS a permis de dresser un état de la contamination en nitrate des aquifères sur la période 1977-1996. La confrontation des concentrations de nitrate simulées en rivière avec des observations à haute fréquence sur la période 1991-1996 permet l'estimation des capacités dénitrifiantes. On estime sur la période 1991-1996, que les nitrates infiltrés à la base de la zone racinaire (4 000 tN. An-1) sont exportés vers l'aval par le réseau hydrographique (41 %), stockés dans les aquifères (39%) et éliminés par dénitrification (20 %) dans les zones humides, les nappes alluviales, la zone hyporhéique, et par les processus benthiques en rivière. Des campagnes de terrain et des simulations numériques ont aussi été réalisées à l’aval du Grand Morin afin de prendre en compte les processus dominants dans la transformation des polluants pour les cours d'eau à faible profondeur. Les résultats obtenus suggèrent l’existence d’une forte élimination de l'azote ammoniacal par nitrification-dénitrification dans les compartiments benthiques. Pour l'ensemble du Grand Morin, la quantité d'azote éliminée par ce processus a été estimée à 140 tN. An-1. .

The objective of this research is to understand the nitrate transfer and transformation in the grand morin catchment (1200 km2), which is submitted to a strong agricultural pressure. Based on the experience concerning hydrogeological modelling and nitrate migration in aquifers, and on different researches done on the ecological modelling of surface water, a hydrodynamic and biogeochemical model of river, prose, was coupled with a hydrogeological model, newsam, in order to obtain the catchment water quality simulator (cawaqs). Cawaqs was coupled with the agronomic model, stics, in order to model nitrates migration and transformation in each component of the basin : root zone, unsaturated zone, aquifers, wetlands and rivers. Nitrates distribution in aquifers was simulated from 1977 to 1996 using two analyzing tools : the kriging and the physically based modelling. Afterwards the model results and in-stream measurements over the period 1991-1996 were used to determine denitrification rate in both wetlands and benthic compartments in rivers. From 1991 to 1996, cawaqs simulates that 40% of the nitrate inputs at the surface of the soil (4000tn. Yr-1) are exported by rivers, 40% are stored in aquifers and 20% are lost by denitrification. Moreover in-stream processes were studied and especially benthic processes. The 40 downstream kilometres of the grand morin were sampled and numerical simulations were achieved. The results show an important elimination of the ammonium by nitrification-denitrification in the benthic compartments. The elimination of nitrogen by this process for all the rivers of the basin is estimated to 140 tn. Yr-1.