Soutenance mémoire
Importance des cours d’eau et de leur qualité pour la société et les écosystèmes
La zone critique
La couche terrestre sur laquelle l’Homme agit le plus, celle sur laquelle il a le plus d’impact, est appelée « zone critique ». D’après le National Research Council aux États-Unis (2001), la zone critique désigne la zone imparfaitement délimitée « entre le ciel et les roches », située entre la canopée et la zone de circulation des eaux souterraines. La zone critique est l’épaisseur terrestre dans laquelle apparait le plus de réactions chimiques à l’interface terre/air/eau. Elle est également le lieu de vie et d’habitat privilégié pour la plupart des espèces vivantes. L’Homme y exerce une influence directe de par l’exploitation du sol, de l’eau et les déchets qu’il produit. La zone critique est donc une interface dynamique, lieu de nombreux processus physiques, chimiques et biologiques plus ou moins rapides pouvant aller de la seconde à des milliers d’années . Cette zone critique fait l’objet de nombreuses recherches scientifiques souvent pluridisciplinaires étant donné que cette interface ne s’arrête pas à une seule spécialité ou une seule discipline. Les processus complexes s’emmêlent, se mélangent et interagissent de manière plus ou moins connue. D’après le National Research Council (2001), les processus peuvent être divisés en 4 catégories :
– Les processus tectoniques alimentés par l’énergie du manteau et produisant des failles, des soulèvements ou encore des affaissements,
– Les processus d’altération ayant un impact sur le développement du sol et de son érosion
– Les processus de transport permettant une redistribution des matériaux et la formation des paysages
– Les processus liés aux activités biologiques au niveau des sols, des roches, de l’air et de l’eau.
La zone critique désigne la pellicule la plus externe de la planète Terre qui s’étend de la surface à la roche mère non altérée (Gaillardet et al., 2018). La diversité de structure et de composition des sols induit une grande variabilité et diversité dans les processus biogéochimiques. l’eau a un rôle primordial dans le transport et la réaction des processus des grands cycles biogéochimiques. L’Homme peut avoir une plus ou moins grande influence sur ces processus. Certains scientifiques commencent même à évoquer l’influence de l’Homme sur les processus géologiques en utilisant le terme d’anthropocène (Crutzen, 2006; Steffen et al., 2007).
Qu’est-ce qu’un cours d’eau ?
Tout le monde sait, a priori, ce qu’est un cours d’eau, un ruisseau, une rivière ou encore un fleuve. Cependant, ces définitions ne sont ni explicites ni communes en particulier dans le milieu juridique. Au fil des siècles, les géologues et les géographes ont peu à peu réussi à ancrer le terme « cours d’eau » désignant des « eaux courantes ou courants d’eau » (Lévêque, 2016). La loi sur la biodiversité (Loi n° 2016-1087, 2016) donne une des définitions les plus récentes en caractérisant un cours d’eau comme étant l’« écoulement d’eaux courantes dans un lit naturel à l’origine, alimenté par une source et présentant un débit suffisant la majeure partie de l’année » (L. 215-7-1). Une rivière se différencie par rapport au cours d’eau dans sa relation à l’Homme comme le démontre Julian Rzóska dans « On the Nature of Rivers » (Rzóska, 1978). Par ailleurs, l’Encyclopédie de Diderot différencie les termes ruisseau, rivière et fleuve par rapport à leur taille (Diderot, 1780). Un ruisseau y est défini comme une eau courante trop faible pour porter des petits bateaux, une rivière comme ayant un courant assez fort pour le transport de petits bateaux tandis qu’un fleuve va pouvoir transporter d’importants bateaux. Ces définitions ont évolué, mais le principe reste le même. Les géographes français définissent un fleuve comme un cours d’eau se jetant dans un océan ou une mer (incluant les mers intérieures comme la mer morte ou le lac Tchad) (Lévêque, 2016) alors qu’une rivière est définie comme se jetant dans une autre rivière ou dans un fleuve. Si autant de termes sont employés pour désigner un cours d’eau, c’est parce que les cours d’eau prennent une place importance, encore aujourd’hui dans notre société. En effet, un cours d’eau est exploité et étudié du ruisseau à l’embouchure.
Le statut des rivières et fleuves en France et en Europe
En France, depuis la loi sur l’eau (Loi n° 92-3, 1992), l’eau fait partie du patrimoine commun de la nation. Sa protection, son utilisation, sa mise en valeur et son développement sont d’intérêt général. Ce principe remonte déjà à l’époque carolingienne avec les voies navigables qui appartiennent au pouvoir royal. Les lois de la révolution actent que l’eau n’appartient à personne. Cependant, les lois pour la protection de l’eau et pour la régulation de l’exploitation des ressources sont créées au lendemain de la Seconde Guerre mondiale à la suite d’épisodes de pollutions qui deviennent une préoccupation majeure. La gestion de l’eau est décentralisée par bassin hydrographique depuis la loi de 1964 (Code de l’environnement – Article L213 2, 2007 ; Loi n° 64-1245- Article 13, 1964) qui met en avant le principe pollueur payeur. Ce n’est qu’à partir de 1980 que la sensibilité écologique se développe dépassant le simple fait de la pollution. Des termes comme « milieu aquatique », « écosystème », « gestion globale » et une décennie plus tard « services écosystémiques » et « fonctions écologiques » sont apparus. Ces termes sont issus de travaux scientifiques qui démontrent la résilience d’un système aquatique face à la pollution et son rôle dans la dépollution. Encore aujourd’hui, même si les lois environnementales sont floues et tendent à être précisées, la gestion de l’eau est, malgré tout, contrôlée et préservée par les institutions. Le statut des cours d’eau français est, depuis les années 2000, soumis à la législation européenne : la Directive Cadre sur l’Eau (DCE , Directive 2000/60/CE, 2000) et la Directive Nitrates (Directive 91/676/CEE, 1991).
En Europe, il existe 150 rivières transfrontalières ne prenant pas en compte les politiques frontalières (Whitton, 1984). C’est le cas du Taje en Espagne et au Portugal qui alimente deux capitales européennes : Lisbonne et Madrid. L’Europe, depuis 1975, a mis en place une politique de lutte contre la pollution des eaux et la dégradation des milieux aquatiques (Directive 76/160/CEE, 1976). La création de la DCE, dans un souci d’harmonisation et de simplification des politiques de l’eau, oblige les Etats membres à atteindre, avant 2015 (maintenant 2020), un bon état écologique de leurs cours d’eau (Décision (UE) 2017/848, 2017). En effet, la majorité du réseau hydrique européen est fragmentée, canalisée et polluée par l’activité anthropique (EEA Report, 2018a; Nilsson et al., 2005; Petts et al., 1989; Tockner and Stanford, 2002). Depuis 2000, l’ensemble des lois françaises sur l’eau mis en place intègre les recommandations de la Directive Cadre Européenne (Loi n° 2006-1772, 2006). Toujours dans un souci d’harmonisation, l’Union Européenne a financé des études et des recherches sur l’environnement, le climat et les habitats naturels.
En Europe, la région la plus vulnérable en termes de ressource en eau et au maintien de sa qualité est la région du Sud-Ouest européen englobant l’Espagne, le Portugal et le sud de la France. Cette région possède un climat plus aride et est soumise à davantage d’épisodes de sécheresse face au changement climatique (EEA Report, 2018a; Smakhtin et al., 2004). La gestion de la qualité et de la quantité est une problématique actuelle et récurrente des gestionnaires de cette région qui doivent gérer de façon optimale l’approvisionnement en eau de la population, mais également des secteurs primaires (agriculture), secondaires (industries) et tertiaires (tourisme) (Romero et al., 2013a). Dans les régions semi-arides, la gestion de la ressource en eau est sujet à controverse (Aldaya et al., 2010) . En effet, une mauvaise gestion de la ressource amplifie les problèmes de rareté de la ressource (Aldaya et al., 2010). D’autant plus que la région du Sud-Ouest de l’Europe est une région touristique, en particulier l’été, quand le manque d’eau se fait le plus ressentir (Cazcarro et al., 2014). Depuis de nombreuses recherches tentent de résoudre et d’apporter des solutions de la gestion de la ressource en eau dans cette région (Lecina et al., 2010; Paredes et al., 2010). D’autant plus que le changement climatique, l’augmentation de la population et les activités anthropiques associées augmente le risque de détérioration de la quantité et de la qualité de l’eau (Raimonet et al., 2018a; Roudier et al., 2016). Ces détériorations sont associées à la disparition des écosystèmes, des services écosystémiques associés (Smakhtin et al., 2004), voire à une modification des régions biogéographiques. Le Sud-Ouest européen est divisé en quatre régions biogéographiques, décrivant les habitats types et les espèces vivantes sous les mêmes conditions, et en onze écorégions caractérisées par le climat, la topographie et la botanique selon l’Agence Européenne pour l’Environnement (EEA) (Figure 2). Pour toute ces raisons, le Sud-Ouest européen est la zone d’étude sur laquelle se focalisera cette thèse.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Introduction générale
A. Importance des cours d’eau et de leur qualité pour la société et les écosystèmes
1. La zone critique
2. Qu’est-ce qu’un cours d’eau ?
3. Le statut des rivières et fleuves en France et en Europe
4. Un bassin versant : de l’écosystème au paysage
L’hydrosystème et l’anthroposystème
Paysages fluviaux et écologie des paysages
5. La rivière : un milieu dynamique
Quand le fleuve fait son lit
Cycle de l’eau et les régimes hydrologiques
Les processus d’érosion, de transport et de sédimentation
Les unités du paysage
… sont structurées par le bassin versant
… et le corridor fluvial : continuité écologique et continuum fluvial
… dépendent des interactions entre milieux terrestres et aquatiques
Les fonctions écologiques liées à la ressource en eau
Origine et définition des bénéfices naturels et des fonctions écologiques
États des lieux des SE en Europe
Le service de régulation de la qualité de l’eau douce et ses fonctions écologiques
Les facteurs de perturbations
B. Les nitrates comme traceurs environnementaux de la qualité de l’eau
1. La pollution chimique des cours d’eau
2. Cycle de l’azote
3. Fuites de nitrates et pollution azotée au sein du bassin versant
4. Nitrates dans les cours d’eau
5. Les fonctions écologiques de régulation des nitrates : Processus de production, d’immobilisation et d’élimination des nitrates dans l’environnement
Les voies de production, de stockage et d’élimination des nitrates dans les cours d’eau
Les zones humides (plaine alluviale)
Les fonctions écologiques liées aux nitrates permettant une régulation de la qualité des eaux
C. Estimation des stocks et des flux de nitrates dans l’environnement
1. Les capacités des mesures terrains
2. Les capacités de la modélisation
Un modèle… À quoi ça sert ?
Les approches en modélisation hydrologique
Modélisation hydrologique
Modélisation des flux de nitrates
Le concept de modélisation des services écosystémiques et des fonctions écologiques en modélisation
D. Problématique scientifique et questions de recherche
1. Problématique et objectifs
2. Cheminement de la thèse
Chapitre 2 : Sites d’étude, données et modèles utilisés
Introduction
A. Description des bassins versants étudiés
1. Les bassins versants du Sud-Ouest européen
Structures physiques
Influence de l’Homme sur le Sud-Ouest européen
Occupation des sols et pratiques agricoles
Ouvrages hydrauliques
Prélèvement de la ressource en eaux
Gestion de la ressource en eau : Découpage administratif
2. Le bassin versant de la Garonne
Structure physique
Influence de l’Homme sur le bassin versant Garonne
B. Description du modèle SWAT
1. Choix du modèle
2. Présentation de SWAT
3. Fonctionnement hydrologique
Au sein des versants
L’évapotranspiration
Ruissellement et infiltration
Au sein de la rivière
4. Fonctionnement sédimentaire
5. Fonctionnement du cycle de l’azote
Au sein des versants
La minéralisation, la décomposition et l’immobilisation
La dénitrification dans les sols
Au sein de la rivière
6. Fonctionnement de l’impact anthropique
Le module agronomique
La modélisation des activités humaines dans SWAT
Les pratiques agricoles liées à la production agricole
Les pratiques de productions des secteurs primaires, secondaires et/ou tertiaires liées à la gestion de l’eau
La gestion de l’eau en zone urbaine
Autres pratiques liées à la gestion de l’eau
7. Définition des entrées du modèle
8. Spécificité des projets SWAT mis en place
Prise en compte des activités agricoles
Prise en compte des rejets anthropiques
Prise en compte des ouvrages hydrauliques
C. Utilisation d’autres outils de modélisation
1. LOADEST
2. SIMPA
D. Gestion des incertitudes
1. Méthode de calibration et analyse de sensibilité
2. Indices statistiques pour l’évaluation des résultats
Chapitre 3 : Fonctions de régulation des nitrates au sein du cours d’eau et facteurs de contrôle
Introduction au chapitre 3
A. Quantification et cartographie de la production et de l’élimination des nitrates dans la Garonne à
l’aide d’un modèle conceptuel à base physique
1. Introduction
2. Materials and Methods
Study Area
Model description
Model inputs
Model setup
Model calibration, validation and uncertainty analysis
Ecological Functions Indicators and Statistical Analysis
Nitrate Net Balance (NNB) and Nitrate Net Balance Rate (NNBR)
Identifying relevant factors for NR
3. Results
Assessment of NNB in the Garonne River Network
NNB Rate Dynamics
Seasonal Variation
Spatio-Temporal Variability of NNB
NR and influencing factors
Effects of hydro-morphological factors
Background Effect of Nitrate Concentration
Land Cover Effect
4. Discussion
Model Performance
Hydrology
Nitrate loads
Nitrate Net Balance (NNB)
NNB Variations in Time and Space
Hot Spots And Hot Moments Of NR
Influence of hillside characteristics on NR
Influencing factors for in-stream NR
5. Conclusion
Acknowledgments
B. Prédiction de l’élimination des nitrates au sein du cours d’eau à partir de facteurs de contrôle environnementaux
1. Introduction
2. Matériels et méthodes
Observations in situ d’élimination de nitrates à l’échelle de tronçons de cours d’eau
Variables prédictives
Équations paramétriques
3. Résultats
Sélection des variables explicatives
Définition des groupes de rivières
Modélisation des fonctions écologiques d’élimination
Validation des fonctions écologiques d’élimination AR, PR et NR sur deux cours d’eau de la Garonne : Lézat & Montégut
Comparaison ente les fonctions écologiques NR modélisées par l’approche paramétrique et par le modèle SWAT
4. Discussions
Limites du modèle paramétrique
Liens avec les variables environnementales
Exploration de l’intégration d’un indicateur biologique IBG-MPCE dans l’équation paramétrique
Intérêt du modèle paramétrique et ses applications
5. Conclusion
Récapitulatif du chapitre 3
Conclusion générale du chapitre 3
Chapitre 4 : Calibration du modèle et quantification des fonctions écologiques de régulation des nitrates dans les cours d’eau du Sud-Ouest Européen : à la recherche de facteurs d’influences
Introduction au chapitre 4
A. Index d’Altération Hydrologique, un indicateur de la calibration complexe en termes de qualité et
de quantité d’eau dans un contexte de changements globaux
Avant-propos de la section A
1. Introduction
2. Materials and Methods
Study area
Global Methodology
Modeling approach: the SWAT model
Input Data
Dam management
Urban Sewage
Crop management
Study Area Discretization
Calibration, multiples validations and uncertainties
The Conventional Calibration (CC)
The Additional Calibration (AC)
Climate change and agricultural practices changes
Indicators of Hydrological Alteration
3. Results and Discussions
Water quantity evaluation
Streamflow evaluation of Conventional Calibration (CC)
Streamflow evaluation of Additional Calibration (AC)
Comparison of streamflow simulations between Conventional Calibration (CC) and
Additional Calibration (AC)
Water Yield validation with observations and model outputs
Water quality evaluation
Sediment Loads
Nitrate loads
Yield and Fertilization
Variability of the model through the climate change scenario
Index of Hydrological Alteration (IHA) helping in the choice of calibration/validation procedure between
CC and AC
Limitations and uncertainties of this study
Conclusion générale
