Thèse
Auteur :
Flipo Nicolas

Date de soutenance :
25 mars 2005

Directeur(s) de thèse :
Poulin M.



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Modélisation intégrée des transferts d'azote dans les aquifères et les rivières: Application au bassin du Grand Morin


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.Table des matières - vii
Table des figures - xiii
Liste des tableaux - xvi
I Problématiques de la thèse- Le contexte - 1
1 Introduction - 3
1.1 Hydrosystème et anthropisation - 3
1.2 Etat des contaminations azotés - 4
1.3 Le PIREN Seine - 5
1.3.1 Présentation générale - 5
1.3.2 La problématique des apports diffus - 5
1.3.3 Positionnement du travail de thèse - 6
1.4 Structure du mémoire - 7
2 Dynamique de l'azote dans le milieu naturel - 9
2.1 Les apports en nitrate - 9
2.2 La zone racinaire - 10
2.3 La zone non saturée - 11
2.4 Les aquifères - 12
2.4.1 Etat de la contamination - 12
2.4.2 Capacité dénitrifiante des aquifères - 14
2.4.3 Stratification verticale des concentrations en nitrate - 15
2.5 La zone riparienne - 16
2.6 La dénitrification en rivière - 17
2.7 Conclusions - 18
3 Le site expérimental du Grand Morin - 19
3.1 Introduction - 19
3.2 Description géographique - 19
3.2.1 Localisation du bassin - 19
3.2.2 Le climat - 19
3.2.3 La géologie - 20
3.2.4 La nature des formations superficielles - 21
3.2.5 L'Hydrogéologie - 23
3.2.6 Le réseau hydrographique - 24
3.3 L'anthropisation du bassin - 25
3.3.1 Modifications hydroliques - 25
3.3.2 L'occupation du sol - 26
3.3.3 L'activité agricole - 27
II Modélisation intégrée d'un bassin versant - 31
4 Modélisation intégrée du bassin du Grand Morin - Choix conceptuels - 33
4.1 La notion de modèle - 33
4.2 Classification des modèles - 34
4.3 Les différents types de couplages - 35
4.4 L'état de l'art - 35
4.4.1 Les modèles de bassin - 35
4.4.2 Modélisation des transferts d'eau et de nitrates dans le sol et la zone non saturée - 36
4.4.3 Modélisation hydrogéologique - 39
4.4.4 Modélisation des rivières - 39
4.5 Gestion de l'information spatiale - 41
4.6 La plate-forme de modélisation CAWAQS - 41
4.6.1 Le réseau hydrographique - 42
4.6.3 Transit dans la zone non saturée - 42
4.6.4 Les aquifères - 43
4.7 Conclusions - 43
5 La structure de modélisation: CAWAQS - CAtchment WAter Quality Simulator - 45
5.1 Introduction - 45
5.2 Structure spatiale de CAWAQS - 46
5.2.1 Définition des objets manipulés - 46
5.2.2 Gestion des informations spatiales - 47
5.3 Les modèles de la chaîne de modélisation - 49
5.3.1 Calcul du bilan hydrique - module REPSUR - 49
5.3.2 Génération des flux d'azote - modèle STICS - 49
5.3.3 Couplage STICS - REPSUR - 51
5.3.4 Transfert dans la zone non saturée - module NONSAT - 53
5.3.5 Transfert dans la zone saturée - modèle NEWSAM - 56
5.3.6 Transfert en rivière - modèle PROSE - 58
5.3.7 La biogéochimie en rivière - adaptation du modèle RIVE - 63
5.3.8 Echanges colonne d'eau-benthos - 64
5.3.9 Echanges surface-souterrain - 69
5.4 Couplages temporels - 70
5.5 Conclusions - 70
III Comportement hydrologique du Grand Morin - 73
6 Construction du modèle hydrologique - 75
6.1 Introduction - Le contexte - 75
6.2 Les données utilisées - 75
6.2.1 Les aquifères - 76
6.2.2 Les données du modèle de surface - 77
6.2.3 La zone non saturée - 80
6.2.4 Les cellules de transfert sous-bassin versant - rivière - 80
6.3 Les outils d'aide à la construction du modèle - 82
6.3.1 Formatage des données d'entrée - 82
6.3.2 Construction du modèle souterrain - l'extension Av-XMAILLE - 82
6.4 Adaptation de PROSE à la modélisation d'un chevelu hydrographique hétérogène - 83
6.4.1 Le contexte - Les régimes d'écoulement - 83
6.4.2 Stratégie de modélisation - 84
6.5 Les conditions limites du modèle - 85
6.5.1 Les conditions limites hydrogéologiques - 85
6.5.2 Les conditions limites hydroliques - 86
6.6 Les variables de forçage - Les données météorologiques - 87
6.7 Conclusions - 87
7 Calage et validation de l'hydrologie - 89
7.1 Introduction - 89
7.2 Les observations - 89
7.3 Critères statistiques utilisés - 90
7.4 Calage des paramètres - 91
7.4.1 Ajustement du modèle de surface - Calage des fonctions production - 91
7.4.2 Ajustement des modèles de la zone non-saturée
7.4.3 Ajustement du modèle souterrain - 93
7.4.4 Ajustement du modèle hydrolique en rivière - 94
7.5 Comparaison des observations et des résultats de simulation - 94
7.5.1 Etape de calage - 94
7.5.2 Etape de validation - 98
7.6 Fermeture du bilan du modèle hydrologique - 100
7.6.1 Méthode d'évaluation du bilan - 100
7.6.2 Les termes du bilan - 102
7.6.3 Quantification de la fermeture du bilan - 102
7.7 Conclusions sur les étapes de calage-validation - 103
8 Synthèse sur le comportement hydrologique du Grand Morin - 105
8.1 Bilans hydriques - 105
8.1.1 Les termes du bilan - 105
8.1.2 Analyse des bilans - 105
8.2 Foctionnement du bassin - 108
8.2.1 Bilan hydrogéologique - 108
8.2.2 La zone non saturée - 109
8.3 Temps de régénération des eaux - 110
8.4 Conclusions - 112
IV Transfert des nitrates en aquifère - 115
9 Interprétation des données - 117
9.1 Problématique - 117
9.2 Analyse et validation des bases de données - 117
9.2.1 Origine des bases de données - 117
9.2.2 Critique des bases de données - 118
9.3 Interprétation des données à l'échelle du Grand Morin - Utilisation du krigeage - 120
9.3.1 Rappels de géostatistique - 120
9.3.2 Hypothèse de représentativité verticale des mesures - 121
9.3.3 Détermination du variogramme - 122
9.3.4 Estimation des concentrations de nitrate dans les couches - 123
9.3.5 Détermination d'un intervalle de confiance - 125
9.4 Conclusions - 126
10 Modélisation du transfert des nitrates dans les aquifères - 127
10.1 Introduction - 127
10.2 Estimation des apports de nitrate - Mise en ouevre de STICS - 127
10.3 Paramétrisation du transport à l'échelle du bassin - 128
10.3.1 Paramétrisation de la zone non-saturée - 129
10.3.2 Paramétrisation des aquifères - 129
10.4 Définition des simulations - 129
10.5 Validation des résultats de la modélisation déterminisme - 130
10.5.1 Vérification de CAWAQS - Quantification des erreurs - 130
10.5.2 Vérification des flux infiltrés - 131
10.5.3 Confrontation des résultats de CAWAQS avec la vision statistique en 1988 - 132
10.6 Simulation de la contamination des aquifères en 1996 - 137
10.6.1 Contamination estimée de l'Oligocène en 1996 - 138
10.6.2 Contamination estimée de l'Eocène en 1996 - 138
10.7 Bilan d'azote en aquifère - 139
10.7.1 Fractionnement des flux d'azote - 139
10.7.2 Foctionnement des aquifères - 140
10.8 Conclusions - 141
V Transfert et transformations de l'azote en rivière - 143
11 Transferts et transformations dans les cours d'eau: rôle du périphyton - 145
11.1 Le contexte - 145
11.2 Définition du périphyton - 145
11.3 Les campagnes de terrain - 146
11.3.1 Echantillonnage de la colonne d'eau - 147
11.3.2 Les rejets de STEP - 148
11.3.3 Echantillonnage du benthos - 150
11.4 Elaboration du schéma conceptuel du périphyton - 151
11.5 Description des simulations - 152
11.6 Résultats des simulations - 154
11.6.1 L'ammonium - 154
11.6.2 Les nitrates - 156
11.7 Bilan d'azote en rivière - 157
11.7.1 Bilans globaux - 157
11.7.2 Estimation de l'activité du périphyton - 158
11.8 Discussion sur le rôle du périphyton - 160
11.8.1 Dénitrification potentielle nocturne - 160
11.8.2 Critique du modèle de périphyton - 161
11.9 Conclusions - 161
12 Quantification de la dénitrification sur l'ensemble du bassin du Grand Morin - 163
12.1 Problématique - 163
12.2 Résultats du transfert passif en rivière - 163
12.2.1 Les concentrations d'étiage - 163
12.2.2 Les eaux de ruissellement - 166
12.3 Estimation de la dénitrification sur le bassin du Grand Morin - 166
12.3.1 Reconstitution des flux observés - 166
12.3.2 Quantification de la dénitrification - 167
12.3.3 Quantification du processus de nitrification-dénitrification - 168
12.4 Conclusions - 168
VI Conclusions générales - 171
13 Conclusions générales et perspectives - 173
13.1 Problématique des apports diffus agricoles au sein du PIREN Seine - 173
13.2 Bilan des principaux développements méthodologiques - 174
13.3 Synthèse des principaux résultats obtenus sur le Grand Morin - 175
13.4 Perspectives - 177
Annexes - 197
A Le modèle biogéochimique de PROSE - RIVE - 197
A.1 Notations utilisées - 197
A.2 Organisation de l'annexe - 199
A.3 Les producteurs primaires - 199
A.3.1 Synthèse des produits de réserve - 200
A.3.2 La croissance - 200
A.3.3 Catabolyse de produits de réserve et respiration - 200
A.3.4 La mortalité - 201
A.4 Les bactéries hétérotrophes et la matière organique - 201
A.4.1 La matière organique particulaire - 201
A.4.2 La matière organique dissoute - 201
A.4.3 Les substrats directs et la croissance des bactéries hétérotrophes - 201
A.5 Les bactéries nitrifiantes - 202
A.6 L'ammoniaque - 202
A.7 Les nitrates - 202
A.8 Le phosphore - 202
A.9 L'oxygène - 203
A.10 Présentation tabulaire de RIVE - 203
B Evolution des chroniques de débit en fonction du pas de temps de calcul - 207
C Rappels de géostatistique - 215
C.1 Introduction - 215
C.2 Notions statistiques - 215
C.3 Variables régionalisées - 216
C.4 Fonctions aléatoires - 216
C.5 Variogramme - 217
C.5.1 Variogramme expérimentale - 217
C.5.2 Modèles de variogrammes - 217
C.5.3 Cas stationnaire - 218
C.5.4 Pratique de l'analyse structurale - 218
C.5.5 Interprétation physique - 219
C.6 Estimation locale - 220
C.6.1 Etapes du krigeage - 220
C.6.2 Quelques propriétés - 221
C.7 Quantification de l'incertitude locale - 221
D Estimation statistique des teneurs en azote de l'Eocène (1977-1988) - 223
E Biogeochemical modelling at the river scale: plankton and periphyton dynamics. (Grand Morin case study,France) - 227
E.1 Material and method - 229
E.1.1 Site description - 229
E.1.2 Sampling - 229
E.1.3 Model description - 230
E.1.4 Simulations - 233
E.2 Results - 236
E.2.1 Periphytic experimental data - 236
E.2.2 Simulation of primary producers - 236
E.2.3 Dissolved organic matter - 237
E.2.4 Nutrients - 237
E.3 Discussion - 238
E.3.1 Periphytic carbon storage - 238
E.3.2 Exportation of carbon - 239
E.3.3 DOM dynamic - 241

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