Modélisation des échanges nappe-rivière et du processus de dénitrification dans les plaines alluviales à l'échelle du bassin versant

La pollution par les nitrates des eaux de surface et des eaux souterraines a suscite une attention mondiale ces dernieres annees. La recharge des eaux souterraines via d'infiltration dans les zones cultivees est une source importante de la contamination des eaux de surfaces. Les plaines alluviales supportent une activite agricole intensive et subissent une pollution aux nitrates importante. Il a ete demontre que les echanges entre les eaux de nappes et la riviere contribuent a la retention et/ou transformation de l'azote dans le continuum eaux de surface-eaux souterrains. La comprehension et la quantification des processus d'attenuation des concentrations en nitrates se produisant a l'interface nappe-riviere permettraient d'ameliorer la connaissance du cycle de l'azote a l'echelle du bassin versant. Les objectifs de cette these sont : 1) quantifier les volumes d'eau echanges entre la riviere et l'aquifere alluvial dans les zones de plaine alluviale a l'echelle du bassin versant et 2) quantifier les taux de denitrification dans les nappes alluviales a l'echelle du bassin versant et evaluer leurs influences sur les flux de nitrates de la riviere. Un echantillonnage sur le terrain ainsi qu'un travail de modelisation ont ete effectues pour atteindre ces objectifs. Les campagnes d'echantillonnages sur le terrain ont eu lieu d'avril 2013 a mars 2014 sur le site d'etude de Monbequi dans la plaine alluviale de la Garonne. Le modele Soil and Water Assessment Tool (SWAT) qui est largement utilise a travers le monde a ete choisi pour simuler les processus hydrologiques et le cycle de l'azote. Cependant, la simulation des echanges nappe-riviere qui se produisent dans la plaine alluviale n'est pas prise en compte dans la version originale de SWAT. Premierement, l'equation de Darcy a ete introduite pour simuler les echanges nappe-riviere a partir de la structure Landscape Unit (LU). L'influence des crues debordantes sur ces echanges a egalement ete ajoutee dans le modele. Le modele modifie, SWAT-LUD, a d'abord ete applique a un meandre de la plaine alluviale de la Garonne- Monbequi (25 km²). Ensuite, un module supplementaire representant les processus de denitrification dans les aquiferes peu profonds des nappes alluviales a ete developpe et ajoute au modele SWAT-LUD. Les flux de nitrates ainsi que les taux de denitrification de l'aquifere alluvial de Monbequi ont alors ete quantifies. Dans un deuxieme temps, le modele SWAT-LUD a ete applique a l'echelle de la plaine alluviale de la Garonne dans son cours moyen (environ 4600 km²) et l'influence de la denitrification de l'aquifere alluvial sur les flux de nitrates de la riviere a ete quantifiee. Finalement, le modele a ete applique sur l'ensemble du bassin versant de la Garonne (environ 51 500 km²) et l'influence des echanges nappes-rivieres sur le cycle hydrologique du bassin versant a ete evaluee. Les resultats ont montre que le modele SWAT-LUD pouvait representer de facon realiste les echanges nappe-riviere ainsi que les taux de denitrification dans les aquiferes alluviaux a differentes echelles. Les flux echanges vont majoritairement de l'aquifere vers la riviere et contribuent pour 65% du volume total echange. A l'echelle du bassin versant de la Garonne, le volume annuel echange entre la nappe et la riviere represente environ 5% du debit annuel de la Garonne. A l'echelle du meandre, le taux annuel de denitrification dans la zone riparienne a ete estime a environ 130 N-NO3-. ha-1.an-1. Pres de 40% des nitrates arrivant dans cette zone ont ete degrades via les processus de denitrification. Dans le cours moyen de la Garonne, les taux de denitrification annuels dans ces memes zones varient entre 55 et 120 kg N-NO3-. ha-1. an-1.