Interaction between dissolved organic carbon and hydropedology in Afromontane catchments (South Africa)

Interaction entre le carbone organique dissous et l'hydropédologie dans les bassins afromontagnards (Afrique du Sud)

• Auteur / Autrice : Rowena Louise Harrison
• Direction : Philippe Amiotte Suchet, Johan Van Tol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géodynamique des enveloppes supérieures
• Date : Soutenance le 21/06/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec University of the Free State (Bloemfontein, Afrique du Sud ; 1904-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale E2S Environnements, Santé, STIC (Dijon ; ....-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéosciences (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Wolfgang Ludwig
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Amiotte Suchet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Jaffrezic, Michael Van der Laan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézomètres

Approvisionnement en eau

Cartographie numérique des sols

Hydrologie

Afrique du Sud

Carbone

Mots clés libres

Carbone

Hydrologie

Hydropédologie

La science du sol

Hydrology

Hydropedology

Carbon

Soil Science

Résumé

L'objectif principal de cette thèse était de déterminer comment les caractéristiques hydropédologiques interagissent avec la dynamique DOC de ces écosystèmes de captage. Nous avons mené un exercice de cartographie numérique des sols afin d'acquérir une compréhension générale des caractéristiques hydropédologiques des bassins versants. Nous avons créé des cartes hydropédologiques qui permettent une compréhension générale des voies d'écoulement et des aires de stockage de ces bassins versants. Nous avons ensuite utilisé ces cartes et des données spécifiques au site pour étudier les caractéristiques hydropédologiques de chaque bassin versant. Nous avons identifié les voies d'écoulement dominantes de chaque groupe de sol suite à un événement pluvieux. Différents facteurs se sont avérés interdépendants et déterminent les voies d'écoulement et la connexion entre les voies d'écoulement. Ces facteurs sont dominés par l'humidité antérieure du sol, l'intensité des précipitations, la durée des périodes sèches et humides ainsi que la profondeur des profils pédologiques. L'étude a ensuite utilisé une approche de modélisation SWAT pour mieux comprendre les voies d'écoulement hydropédologiques des bassins versants. Deux séries de simulations ont été exécutées, l'une utilisant les entrées de temps latérales par défaut et l'autre les entrées de temps latérales spécifiques et celles-ci ont été comparées au débit observé. Les entrées de temps latérales spécifiques ont amélioré la précision de la modélisation dans tous les paramètres statistiques utilisés, soulignant que les informations pertinentes sur le sol sont essentielles dans la modélisation hydrologiqueLes facteurs environnementaux qui influencent les concentrations de COD dans 2 des bassins versants sélectionnés ont été étudiés en utilisant la connaissance du caractère hydropédologique des bassins versants. Des échantillons d'eau ont été analysés pour le COD et cette information couplée avec des mesures prises de la hauteur de l'eau dans les piézomètres. Les piézomètres étaient situés dans diverses classes environnementales, y compris différentes couvertures terrestres, groupes de sols, zones topographiques et profils de courbure des pentes. Les concentrations de COD ont été identifiées pour suivre les tendances saisonnières des précipitations et de la température. Une différence statistique a été enregistrée entre les zones terrestres et les zones humides ainsi qu'entre les sols intercalés et les sols réactifs saturés, ce dernier groupe enregistrant les concentrations de COD les plus élevées. L'étude a mis en évidence l'importance des systèmes de zones humides en tant que principaux moteurs des concentrations de COD.Des capteurs optiques à haute fréquence ont été utilisés dans 2 bassins versants pour comprendre l'influence de la connectivité hydropédologique des bassins versants sur l'exportation de COD. Des données quotidiennes ont été recueillies pendant une période d'étude de trois ans et utilisées pour comparer les concentrations de COD aux précipitations, à la température de l'eau, à la turbidité, à la conductivité, au carbone organique total quotidien et au débit quotidien du débit. L'étude a identifié qu'il existe une dynamique variable d'exportation de COD dans les bassins versants. La connectivité des voies d'écoulement et la manière dont celles-ci influencent les flux de COD sont importantes.Cette thèse souligne l'importance de comprendre les caractéristiques hydropédologiques d'un bassin versant à la fois pour améliorer nos connaissances sur les aspects d'écoulement et pour comprendre la dynamique du COD et comment ceux-ci affectent le bilan carbone global d'un système.

The main aim of this thesis was to determine how the hydropedological characteristics interact with DOC dynamics of these catchment ecosystems. We conducted a digital soil mapping exercise to gain a general understanding of the hydropedological characteristics of the catchments. We created hydropedological maps that provide a general understanding of the flow paths and storage areas of these watersheds. We then used these maps and site-specific data to investigate the hydropedological characteristics of each catchment. We identified the dominant flow paths of each soil group following a rainfall event. Different factors were found to be interrelated and determine the flow paths and the connection between flow paths. These factors are dominated by antecedent soil moisture, rainfall intensity, the duration of dry and wet periods as well as the depth of soil profiles. The study then utilised a SWAT modelling approach to gain a deeper understanding of the hydropedological flow paths of the catchments. Two sets of simulations were run, one utilising the default lateral time inputs and one the specific lateral time inputs and these were compared against observed streamflow. The specific lateral time inputs improved modelling accuracy in all statistical parameters used, highlighting that relevant soil information, is essential in hydrological modelling.The environmental factors that influence DOC concentrations in 2 of the selected catchments were investigated using the knowledge of the hydropedological character of the catchments. Water samples were analysed for DOC and this information coupled with measurements taken of the height of the water within piezometers. Piezometers were located within various environmental classes including different land covers, soil groups, topographical areas, and slope curvature profiles. DOC concentrations were identified to follow seasonal trends of rainfall and temperature. A statistical difference was recorded between terrestrial and wetland areas as well as between interflow soils and saturated responsive soils, with the latter group recording the higher DOC concentrations. The study highlighted the importance of wetland systems as major drivers in DOC concentrations.High frequency optical sensors were used in 2 catchments to gain an understanding of the influence of the hydropedological connectivity of catchment areas on DOC export. Daily data was collected for a three-year study period and used to compare DOC concentrations against rainfall, water temperature, turbidity, conductivity, daily total organic carbon and daily streamflow discharge. The study identified that there are variable DOC export dynamics within the catchment areas. Of importance is the connectivity of flow paths and how these influence the fluxes of DOC.This thesis highlights the importance of understanding the hydropedological characteristics of a watershed for both improving our knowledge on the streamflow aspects as well as understanding the DOC dynamics and how these affect the overall carbon budget of a system.