Transferts et dynamique des contaminants métalliques en zone côtière. : Impact d’une grande agglomération méditerranéenne

par Benjamin Oursel

Thèse de doctorat en Chimie de l'environnement

Sous la direction de Cédric Garnier et de Yves Lucas.

Soutenue le 10-12-2013

à Toulon , dans le cadre de École doctorale Mer et Sciences (Toulon) , en partenariat avec Laboratoire de Processus de Transferts et d'Echanges dans l'Environnement (La Garde, Var) (laboratoire) et de PROTEE (laboratoire) .


  • Résumé

    L’étude réalisée lors de ce travail de thèse porte sur l’évaluation de l'impact de l’agglomération Marseillaise sur le milieu côtier à travers la quantification des éléments traces métalliques (ETM) et du carbone organique. Sur le littoral méditerranéen français, Marseille représente la plus grande agglomération (~ 1.7M Ha) et possède la station d’épuration (STEP) enterrée la plus grande d’Europe (capacité de 1.62M équivalent-habitants), avec une façade directement ouverte sur la Méditerranée. L’impact de cette zone urbaine et industrialisée (flux brut) sur la zone côtière reste mal compris, de par la multiplicité des sources (apports directs(rivières/effluents) vs. apports diffus (friches industrielles côtières, aérosols, ...)) en partie contrôlée par le climat. Il en est de même des mécanismes de transfert des contaminants conditionnant leur devenir dans le milieu marin (flux nets vers le large). Dans ce contexte, différentes campagnes de prélèvements d’eau et de sédiments ont été mises en oeuvre sous des conditions climatiques contrastées (temps sec vs. pluie) dans les rivières ainsi qu'en mer, le long d’un transect allant de la côte à plus de 2 km au large des rejets. Les objectifs de cette étude visaient à déterminer les sources de contaminants au milieu côtier et à comprendre leurs mécanismes de transfert et leur devenir en mer. Par temps sec, les résultats obtenus ont montré que la dynamique du système est principalement contrôlée par les rejets de la STEP qui, par exemple, est responsable à plus de 75% des apports en Ag, Cu ou Pb au milieu côtier. Une fois en mer, les différents ETM analysés présentent un profil non conservatif, dû à un fractionnement dissous/particulaire hors équilibre dans les émissaires associé à un relargage rapide au début du gradient de salinité. Ces résultats ont été confirmés par une expérience de remobilisation réalisée au laboratoire permettant de mieux comprendre la cinétique de désorption des ETM. Dans ces conditions, il a été démontré qu'il était indispensable de filtrersur le terrain les échantillons pour ne pas sous-estimer la fraction dissoute des ETM. Par temps de pluie, le suivi des apports au cours d'une crue a montré la très grande réactivité du système, typique de rivières côtières. La majorité des ETM, transportés principalement sous forme particulaire, subissent une fois en mer des processus de désorption avec des cinétiques plus lentes et à des salinités plus importantes que par temps sec. Ces différences sont probablement liées à la nature des particules, urbaines et très organiques par temps sec, plutôt terrigène et inorganiques par temps de pluie. Enfin, une expérience de vitesse de chute des particules transitant dans le système par temps sec et de pluie a été développée au laboratoire. Elle a permis de caractériser les particules étudiées par des paramètres physico-chimiques intégrables au modèle hydro-sédimentaire de l'IFREMER, permettant de mieux évaluer le devenir des particules en zone côtière.

  • Titre traduit

    Metallic contaminants transfer and dynamic in coastal zone. : impact from a large Mediterranean agglomeration


  • Résumé

    The aim of this PhD was to evaluate the impact from Marseille agglomeration on thecoastal area, using trace metals and organic carbon quantification. On the French Mediterraneancoast, Marseille is the largest agglomeration (~1.7M inhabitants), located directly on coast andhave the biggest European underground wastewater treatment plan (WWTP, 1.62M eq). Theimpact of this urbanized and industrialized area on the coastal zone (bulk fluxes) remainsmisunderstood, because of the multiplicity of contaminant sources (direct inputs(rivers/effluents) vs. diffusive ones (coastal industrial wasteland, aerosols, …)) partlycontrolled by climatic conditions. Similarly, the transfer mechanisms of contaminants thatcontrol their fate to the open sea (net fluxes) have to be studied. In such context, numerouswater and sediment sampling campaigns were performed during contrasted climatic conditions(baseflow vs. flood) in the tributaries and along a 2km coastal-offshore transect in front of theoutputs. The main objectives of this study were to determine contaminants sources, transfermechanisms and fate in the coastal zone. During baseflow conditions, results have shown thatthe system dynamic is mainly controlled by the WWTP inputs, that are for instance the maincontributor (>75%) of Ag, Cu or Pb inputs to the coastal area. When discharged to the sea, thestudied trace metals presented non-conservative behaviours, consecutive to adissolved/particulate fractionation out of equilibrium in the outlets associated to fastremobilization at the beginning of the salinity gradient. These results were confirmed by labremobilization experiments allowing to better understand the desorption kinetics of tracemetals. Under such conditions, it was demonstrated that on-field filtration is a prerequisite toavoid under-estimation of the dissolved fraction of trace metals. The monitoring of a flood eventduring a rainy period has shown the high reactivity of the studied system, a peculiarity ofMediterraneean coastal rivers. Most of the studied trace metals, mainly brought in theparticulate fraction, suffer desorption processes when discharged to the sea, a processcharacterized by kinetics slower and effective at higher salinity in comparison to baseflowinputs. These differences are most probably linked to the nature of particles being urban andorganic during baseflow, mostly terrigeneous and inorganic during flood. Finally, a settling rateexperiment was designed in the lab in order to evaluate the physical and chemical characteristicsof representative particles. The obtained parameters were integrated in the 3D hydrodynamicand sediment transport model of IFREMER allowing to better evaluate the fate of pollutedparticles in the coastal area.


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