Modélisation des dynamiques spatiales et temporelles des stocks et des transferts de flux d'eau et de nitrates dans un bassin versant : Application au bassin versant de la Vienne.

Modeling of spatial and temporal dynamics of water and nitrate stocks and flux transfers in a watershed : Application to the Vienne watershed.

• Auteur / Autrice : Sarah Manteaux
• Direction : Sabine Simeoni-Sauvage, José Miguel Sanchez-Pérez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie Fonctionnelle
• Date : Soutenance le 05/04/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (Toulouse ; 2007-2023)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Payraudeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabine Simeoni-Sauvage, José Miguel Sanchez-Pérez, Sylvain Payraudeau, Jean-François Deliège, Nathalie Gassama, René Samie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Deliège

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en nitrates

Dénitrification

Mots clés libres

Nitrate

Dénitrification

Modélisation

Hydrologie

Qualité de l’eau

Bassin de la Vienne

Nitrate

Denitrification

Modeling

Hydrology

Water quality

Vienne watershed

Résumé

Dans un contexte de raréfaction et de pollution des eaux, la connaissance des processus de transferts et de régulation des contaminants au sein du bassin versant est essentielle. Par une approche de modélisation, cette thèse s’intéresse principalement au devenir des nitrates à l'échelle du bassin versant. L'objectif est de caractériser et de quantifier les flux de nitrates et leur régulation dans le bassin versant de la Vienne, dans tous les compartiments de l'environnement. Pour cela, le modèle biogéochimique de réseau hydrographique RIVE a été intégré dans le modèle hydro-agro-environnemental à base physique SWAT. La validation du couplage a été faite sur une section de la Garonne du fait des données et des connaissances du fonctionnement physique et biogéochimique des milieux disponibles sur ce secteur. Une équation de croissance et de détachement du biofilm épilithique a également été implémentée dans le modèle SWAT-RIVE afin de représenter les diatomées benthiques, espèce dominante dans la Garonne. Le modèle couplé a permis de mettre en évidence les processus biogéochimiques majoritaires dans le tronçon, notamment la consommation de nitrates par dénitrification benthique. En moyenne, 0,6% des flux de nitrates entrants sont retenus annuellement dans le tronçon. Le modèle SWAT-RIVE a ensuite été appliqué au bassin de la Vienne. Afin d'alimenter spatialement le modèle, deux campagnes de mesures des principaux éléments physico-chimiques (y compris les nitrates et autres formes de l'azote) ont été effectuées sur la Vienne aval et ses deux principaux affluents. Ces données ont également été exploitées, avec l’ensemble des données disponibles, dans une analyse de l’évolution amont-aval des concentrations (de 2 mgNO3-.l-1 en moyenne à 12 mgNO3-.l-1 pour la Vienne), ainsi qu'historique, en appui à la compréhension du système et à la modélisation. A l'échelle du bassin versant, le modèle simule pour la période 1993-2017 une dénitrification dans les sols moyenne de 20 kgN.ha-1.an-1, éliminant 15% du flux rejoignant le pool de nitrates des sols. Les taux de dénitrification les plus importants sont dans les sols agricoles, associés aux apports de nitrates, et dans les zones humides en lien avec une teneur en eau et une concentration en carbone plus importantes. 8,5% du flux d'azote rejoignant le pool nitrates des sols est transféré au réseau hydrographique. Les apports diffus de nitrates ne présentent pas de tendance significative, excepté le flux souterrain de l'aquifère profond qui diminue légèrement. La majorité de la rétention a lieu dans les versants, la rétention des nitrates simulée dans les cours d'eau est faible : seul 2% des flux de nitrates entrants dans le réseau hydrographique n'est pas exporté à l’exutoire. Le processus in-stream majoritaire est la dénitrification benthique, représentant 54% de la part éliminée, suivie du prélèvement par le biofilm (38%). La dénitrification benthique est plus forte à l’étiage et à l’aval du bassin et des stations d’épuration, en lien avec les quantités de matières organiques sédimentées et les temps de résidence les plus importants. Cette approche holistique permet également d'étudier le transfert d'autres éléments nutritifs, tel que le phosphore, ainsi que l’eutrophisation des cours d’eau et des retenues de barrage. Ce projet de modélisation pourra servir de base pour estimer l'impact sur la quantité et la qualité de l'eau d’évolutions futures, tels que des modifications d'occupation du sol ou des changements climatiques.

In a context of water scarcity and pollution, knowledge of contaminant transfer and regulation processes within the watershed is essential. With a modeling approach, this thesis is mainly interested in nitrates fate at watershed scale. The objective is to characterize and quantify nitrate fluxes and their regulation in the Vienne watershed, in all environmental compartments. For this purpose, the drainage network biogeochemical model RIVE was integrated into the physically-based hydro-agro-environmental model SWAT. The validation of the coupling was done on a section of the Garonne river, due to available data and knowledge of the physical and biogeochemical functioning of the environment in this sector. An equation for epilithic biofilm growth and detachment was also implemented in SWAT-RIVE model to represent benthic diatoms, the dominant species in the Garonne. The coupled model was used to highlight the major in-stream biogeochemical processes, including nitrate consumption by benthic denitrification. On average, 0.6% of nitrates inputs is retained annually in the reach. SWAT-RIVE model was then applied to the Vienne river basin. To spatially supply the model, two measurement campaigns of the main physico-chemical elements (including nitrates and other nitrogen forms) were carried out on downstream Vienne and its two main tributaries. These data were also used, along with all the available data, in an analysis of the upstream-downstream evolution of concentrations (from 2 mgNO3-.l-1 on average to 12 mgNO3-.l-1 for the Vienne river), as well as historical evolution, in support of modeling and understanding of the system. At watershed scale, the model simulates an average denitrification in soils of 20 kgN.ha-1.yr-1 for the 1993-2017 period, removing 15% of the flux coming into the soil nitrate pool. The highest denitrification rates are in agricultural soils, associated with nitrate inputs, and in wetlands related to higher water content and carbon concentration. 8.5% of the incoming flow to the soil nitrate pool is transferred to the river system. Nitrates diffuse inputs do not show a significant trend, except for the deep aquifer groundwater flow, which decreases slightly. The majority of retention occurs on the lands, simulated in-stream nitrate retention is low: only 2% of the nitrate fluxes entering the river system are not exported at the outlet. The dominant in-stream process is benthic denitrification, accounting for 54% of the removal, followed by biofilm removal (38%). Benthic denitrification is higher at low water levels and downstream of the watershed and of wastewater treatment plants, due to deposited organic matter quantities and longest residence times. This holistic approach also allows the study of the transfer of other nutrients, such as phosphorus, as well as the eutrophication of rivers and dams. This modeling project can be used as a basis for estimating the impact of future changes, such as land use changes or climate change, on water quantity and quality.