Evaluation des apports fluviaux de microplastiques et modélisation de leur dispersion en mer Méditerranée

Evaluation of microplastics riverine fluxes and modelling of their dispersion in the Mediterranean Sea

• Auteur / Autrice : Lisa Weiss
• Direction : Wolfgang Ludwig, Claude Estournel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océanologie
• Date : Soutenance le 19/03/2021
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Formation et de recherche sur les environnements méditerranéens (Perpignan)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Ter Halle, Yann Ourmières, Johnny Gasperi, Jean-François Ghiglione, Isabel Jalón Rojas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandra Ter Halle, Yann Ourmières

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cours d'eau

Mer -- Pollution

Méditerranée (mer)

Modèles mathématiques

Microplastiques

Mots clés libres

Microplastiques

Bassins versants

Apports fluviaux

Mer Méditerranée

Modélisation océanique

Suivi lagrangien

Microplastics

Drainage basins

Riverine fluxes

Mediterranean Sea

Ocean modelling

Lagrangian tracking

Résumé

Le rôle des fleuves dans le transfert des microplastiques (MP) vers le milieu marin est majeur : ils sont le point de convergence des eaux usées et des flux particulaires charriés par le ruissellement des eaux de pluie à la surface des bassins versants. Les modèles empiriques d'apports fluviaux existants sont basés sur plusieurs erreurs méthodologiques que nous corrigeons dans cette thèse en nous basant sur une analyse statistique approfondie des observations disponibles à l'échelle globale. Nous montrons que les estimations actuelles des apports fluviaux de MP vers les océans sont surestimées : au lieu de plusieurs millions, il n'y aurait en fait que quelques milliers de tonnes exportées chaque année. En comparant ces estimations aux stocks océaniques, notre réévaluation des apports fluviaux remet en question l'idée d'un puit séquestrant la majorité du plastique dès son entrée dans le milieu marin et soutient l'hypothèse d'une dérive lente des particules à la surface des océans avec des temps de résidence moyens de plusieurs années, prolongeant ainsi l'exposition des écosystèmes aux effets délétères des MP flottantsLa mer Méditerranée fait partie des zones les plus critiques du fait de sa structure semi-fermée et son littoral fortement anthropisé. Nous avons ainsi adapté notre modèle global d'apports fluviaux à l'ensemble des bassins versants méditerranéens afin de simuler la dispersion des MP en Méditerranée. Le suivi lagrangien des particules dans les courants est réalisé grâce au modèle hydrodynamique 3D SYMPHONIE, prenant en compte l'interaction de la dérive de Stokes liée aux vagues avec la circulation plus basse fréquence liée aux gradients thermohalins et au vent. Les particules déployées dans notre modèle sont caractérisées par une large gamme de vitesses verticales de flottabilité calculées à partir de distributions de tailles, formes et types de polymères observées dans les fleuves : 65% dérivent dans la couche de surface et 35% en profondeur. Nous montrons qu'en surface, la Méditerranée orientale et notamment le bassin Ionien est l'exutoire pour les MP flottants, les particules qui s'y accumulent présenteraient donc potentiellement un état de vieillissement avancé, témoin d'une longue dérive à la surface de la mer. En considérant des apports fluviaux continus, le front Nord-Baléares, la mer Tyrrhénienne et le gyre cyclonique sud-Adriatique piègent les MP de façon temporaire. En profondeur, le transport des MP est très lent et l'accumulation se fait principalement sur les plateaux ou le long des talus continentaux. Cette thèse permet d'envisager, pour le futur, des simulations où les sources et les processus de piégeage seront mieux contraints et permettront de se rapprocher davantage des observations in situ.

The purpose of this work was to better understand the microplastics (MP) cycle from their sources on land to their sinks in the marine environment. It starts with an evaluation of the annual MP fluxes in rivers, which play a key role in their transfer from continental areas to the sea: they are the convergence point for both natural surface water flows and inputs from point sources such as wastewaters. We demonstrate in the following that current estimates of riverine MP inputs to the oceans are overestimated. The previously established empirical models include several methodological errors that were corrected in this thesis based on an in-depth statistical analysis of available observations at the global scale. Instead of several million tons, rivers probably only carry several thousand tons to the sea annually. In combination with the estimated oceanic stock of floating MP, the average residence time of MP in the ocean consequently raises from a few days to several years. This strongly reduces the necessity for a "missing oceanic plastic sink" and supports the idea of a slow drift of particles at the ocean surface, extending the exposure time of ecosystems to the deleterious effects of floating MP.Then, we adapted our global model of riverine inputs to the Mediterranean drainage basins in order to simulate the dispersion of MP in the Mediterranean Sea, one of the most critical polluted areas due to its semi-enclosed structure and its highly anthropized coastline. The Lagrangian particle tracking in the ocean currents was performed with the 3D hydrodynamic model SYMPHONIE, taking into account the interaction between the Stokes drift due to waves and the lower frequency circulation due to thermohaline gradients and wind. A wide range of vertical buoyant velocities, derived from size, shape and polymer type distributions observed in rivers, characterizes the particles released in our model: 65% drift in the surface layer and 35% in the water column to the seabed. We show that at surface, the Eastern Mediterranean and especially the Ionian Basin accumulate many of the MP that potentially present the most advanced state of ageing as the result of a relative long drift at the sea surface. Moreover, the North-Balearic front, the Tyrrhenian Sea and the South Adriatic cyclonic gyre efficiently trap MP temporarily. At depth, the transport of MP is very slow and the accumulation occurs mainly on the continental shelves or along the continental slopes. In our model, beaching is considered to represent a strong and rapid sink of MP. After 2 years of continuous river inputs, the floating MP stock we produce is lower than the current estimates derived from in situ observations, which means either that our model is far away from steady state conditions, or that beaching rates are overestimated. Our work therefore provides important information for further model improvements for the prediction of MP cycling in the sea.