Modélisation du cycle du carbone organique le long du continuum rivière-estuaire-milieu côtier. Exemple d'un système fortement anthropisé : la Seine

Les deficits chroniques en oxygene et l'eutrophisation, consequence des nombreux apports resultant des activites humaines, ont ete mes principales thematiques de recherche. En effet les determinismes de ces phenomenes ou la quantification des relations de causes a effet restent mal connus. Ma methode de travail se base sur le developpement et l'utilisation de modeles mathematiques deterministes. Le necessaire couplage avec des approches de terrain et en laboratoire a ete rendu possible par mon integration dans des programmes nationaux interdisciplinaires, PIREN SEINE et SEINE-AVAL. Le systeme etudie, la Seine, est un fleuve modeste pour lequel les impacts des activites humaines sont particulierement importants. A la suite de ma these, mes recherches ont eu pour objectif de mieux comprendre les relations quantitatives entre les rejets urbains de temps de pluie (RUTPs) et les deficits en oxygene observes. Partant du constat que des modeles simplifies etaient peu aptes a les caracteriser, l'objectif a ete d'analyser les processus responsables de ces deficits. Des mesures in situ ont ete exploitees avec le modele PROSE, developpe pendant ma these, couplant un modele hydrodynamique base sur les equations de Saint-Venant avec le modele de processus biochimiques RIVE et un modele de transport sedimentaire en transitoire. Ainsi les deficits en oxygene immediats sont determines par la charge en carbone organique dissous biodegradable (CODB) tandis que la fraction particulaire est responsable d'effets remanents a grande echelle de temps (20 % du flux d'oxygene consomme en periode estivale sur 50 km dans Paris). La mise en evidence de ce phenomene, du aux depots riches en carbone organique en aval des RUTPs, est tout a fait originale. Par ailleurs une partie non negligeable du deficit en oxygene est due a la couverture nuageuse responsable d'une baisse de l'activite phytoplanctonique. Les observations montrent en outre que la fraction biodegradable du carbone organique dissous (COD) est anormalement elevee a l'amont de Paris (70 %). Le site atelier «rivieres amont» du PIREN SEINE sur le Grand-Morin, nous a permis de montrer le role majeur de l'eutrophisation. Le resultat le plus original est que la contribution du periphyton aux flux de COD a l'exutoire du bassin est du meme ordre de grandeur que les apports directs anthropiques et que le produit de la lyse du phytoplancton. La question de l'impact des rejets de l'agglomeration parisienne m'a conduit a etendre mes travaux a l'estuaire dans le cadre du programme SEINE-AVAL. Ces rejets sont responsables de teneurs en carbone organique elevees dans les matieres en suspension dans la zone du maximum de turbidite. Une modelisation spatialisee a l'aide du modele SiAM3D-RIVE, a, en outre, permis de mettre en evidence des flux importants de carbone organique en provenance du milieu cotier. Les consequences de ce phenomene sur le recyclage des elements nutritifs et le developpement de l'eutrophisation cotiere doivent encore etre etudiees. Le developpement d'approches du fonctionnement biogeochimique des hydrosystemes a l'echelle des bassins reste actuellement un enjeu. Pour caracteriser l'evolution sur le long terme de la contamination des hydrosystemes par les nitrates et comprendre les processus de transformation de cette variable, le modele PROSE a ete couple a une representation par SIG de l'occupation des sols, au modele agronomique STICS (INRA) et a une modelisation multicouches des aquiferes (modele NEWSAM, Mines ParisTech). Le modele couple (CaWaQS) a ete applique sur l'ensemble du bassin du Grand-Morin. Il a permis d'etablir que les cours d'eau y sont alimentes, en moyenne et du point de vue hydrologique, a 20 % par l'Oligocene et a 80 % par l'Eocene. Les deux aquiferes ont, par ailleurs, des concentrations moyennes en nitrates et des tendances d'evolution tres differentes. La modelisation multicouches a permis de representer explicitement le phenomene de contamination des cours d'eau par des aquiferes ayant des niveaux de contamination differents ; ce phenomene est rarement pris en compte ce qui conduit a une mauvaise interpretation des observations et des processus. Finalement les pertes de nitrates par denitrification ont ete estimees a pres de 20 % du flux de nitrate infiltre a partir de la zone sous-racinaire. Les recherches doivent se poursuivre pour spatialiser ces pertes. La chaine de modeles SENEQUE (UMR SISYPHE)/PROSE/SiAM1D-RIVE (IFREMER/MINES PARISTECH)/ SiAM3D-ELISE (IFREMER) a par ailleurs ete mise en oeuvre sur l'ensemble du bassin de la Seine afin de mettre en evidence les enjeux futurs de la gestion environnementale sur ce bassin. D'apres les modeles, les desoxygenations chroniques seront fortement reduites d'ici 2015 suite a l'amelioration des traitements aux stations d'epuration ; l'eutrophisation et la maitrise des pollutions diffuses d'origine agricole, tant pour les nitrates que pour les orthophosphates, restent par contre des enjeux importants.