Fonctionnement biogéochimique d'un barrage tropical : application au système turbide de Cointzio (Mexique)

par Thuy Kim Phuong Doan

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement

Sous la direction de Nicolas Gratiot et de Julien Némery.

Le président du jury était Eric Barthélémy.

Le jury était composé de Martin Schmid, Phuoc Dan Nguyen.

Les rapporteurs étaient Bruno Tassin, Florentina Moatar.


  • Résumé

    La qualité globale des eaux continentales (lacs et réservoirs) continue à se détériorer dans de nombreuses régions du Mexique. Le réservoir Cointzio, situé dans la partie sud du Plateau Central Mexicain, sur la ceinture “Trans-Mexicain Volcanique Belt » (TMVB), ne fait pas exception. Ce réservoir tropical turbide est un système monomictique chaud (surface = 6 km2, capacité = 66 Mm3, temps de séjour ~ 1 an). Il est stratégique pour l'approvisionnement en eau potable de la ville de Morelia, capitale de l'état du Michoacán, et pour l'irrigation en aval pendant la saison sèche. Le réservoir est menacé par l'accumulation des sédiments et des nutriments provenant d'eaux non traitées dans le bassin versant amont. La haute teneur en particules d'argile très fines et le manque d'installations de traitement de l'eau conduisent à de graves épisodes d'eutrophisation (jusqu'à 70 µg chl. a L-1) ainsi qu'à des périodes saisonnières de forte turbidité (profondeur de Secchi < 30 cm) et d'anoxie (de Mai à Octobre). Sur la base de mesures intensives de terrain réalisées en 2009 (échantillonnage dans le bassin versant, sédiments déposés, profils verticaux de l'eau, bilan entrées et sorties) nous avons présenté une étude intégrée du fonctionnement hydrodynamique et biogéochimique du réservoir Cointzio. Les profils verticaux de température (T), de concentration en sédiment en suspension (TSS), d'oxygène dissous (DO), de chlorophylle a, de carbone et de nutriments ont été utilisés pour évaluer les cycles internes au réservoir. Pour compléter l'analyse des données de terrain, nous avons examiné la capacité de différents modèles numériques 1DV (Aquasim modèle biogéochimique couplé avec le modèle de mélange k-ε) à (i) reproduire les principaux cycles biogéochimiques dans le réservoir Cointzio et (ii) préciser les scénarios de réduction des éléments nutritifs (P and N) pour limiter l'eutrophisation dans les prochaines décennies. Le modèle k-ε s'est avéré le plus robuste pour reproduire les conditions hydrodynamiques, en particulier la stratification modérée liée à la très grande turbidité et au régime soutenu de vent thermique. Le modèle Aquasim s'est avéré pertinent pour reproduire les principaux cycles de l'oxygène dissous DO, des nutriments et de la chlorophylle a au cours de l'année 2009. Les différentes simulations ont souligné l'impact négatif à long terme du réchauffement climatique. A la fin du siècle (2090), une augmentation de la température de l'air atteignant 4.4° C a été prédite à partir de modèles de circulation mondiale. Couplé avec une année hydrologique sèche, une telle situation pourrait conduire à des conditions anoxiques sévères et à des blooms importants de chlorophylle a (jusqu'à de 94 µg L-1). Diverses simulations ont montré que la réduction drastique de l'apport de nutriments (à 90%) serait nécessaire pour réduire de façon significative les teneurs en chlorophylle a. Si de telles mesures d'atténuation sont adoptées, le pic maximal de chlorophylle a se stabiliserait à 40 µg L-1, au lieu de 94 mg L-1, après une période de cinq ans d'efforts. À notre connaissance, cette étude fournit la première application numérique de modèles k-ε et AQUASIM pour simuler les niveaux d'eutrophisation élevés dans un réservoir tropical très turbide.

  • Titre traduit

    Biogeochemical functioning of turbid tropical reservoirs : the case study of cointzio, mexico


  • Résumé

    La qualité globale des eaux continentales (lacs et réservoirs) continue à se détériorer dans de nombreuses régions du Mexique. Le réservoir Cointzio, situé dans la partie sud du Plateau Central Mexicain, sur la ceinture “Trans-Mexicain Volcanique Belt » (TMVB), ne fait pas exception. Ce réservoir tropical turbide est un système monomictique chaud (surface = 6 km2, capacité = 66 Mm3, temps de séjour ~ 1 an). Il est stratégique pour l'approvisionnement en eau potable de la ville de Morelia, capitale de l'état du Michoacán, et pour l'irrigation en aval pendant la saison sèche. Le réservoir est menacé par l'accumulation des sédiments et des nutriments provenant d'eaux non traitées dans le bassin versant amont. La haute teneur en particules d'argile très fines et le manque d'installations de traitement de l'eau conduisent à de graves épisodes d'eutrophisation (jusqu'à 70 µg chl. a L-1) ainsi qu'à des périodes saisonnières de forte turbidité (profondeur de Secchi < 30 cm) et d'anoxie (de Mai à Octobre). Sur la base de mesures intensives de terrain réalisées en 2009 (échantillonnage dans le bassin versant, sédiments déposés, profils verticaux de l'eau, bilan entrées et sorties) nous avons présenté une étude intégrée du fonctionnement hydrodynamique et biogéochimique du réservoir Cointzio. Les profils verticaux de température (T), de concentration en sédiment en suspension (TSS), d'oxygène dissous (DO), de chlorophylle a, de carbone et de nutriments ont été utilisés pour évaluer les cycles internes au réservoir. Pour compléter l'analyse des données de terrain, nous avons examiné la capacité de différents modèles numériques 1DV (Aquasim modèle biogéochimique couplé avec le modèle de mélange k-ε) à (i) reproduire les principaux cycles biogéochimiques dans le réservoir Cointzio et (ii) préciser les scénarios de réduction des éléments nutritifs (P and N) pour limiter l'eutrophisation dans les prochaines décennies. Le modèle k-ε s'est avéré le plus robuste pour reproduire les conditions hydrodynamiques, en particulier la stratification modérée liée à la très grande turbidité et au régime soutenu de vent thermique. Le modèle Aquasim s'est avéré pertinent pour reproduire les principaux cycles de l'oxygène dissous DO, des nutriments et de la chlorophylle a au cours de l'année 2009. Les différentes simulations ont souligné l'impact négatif à long terme du réchauffement climatique. A la fin du siècle (2090), une augmentation de la température de l'air atteignant 4.4° C a été prédite à partir de modèles de circulation mondiale. Couplé avec une année hydrologique sèche, une telle situation pourrait conduire à des conditions anoxiques sévères et à des blooms importants de chlorophylle a (jusqu'à de 94 µg L-1). Diverses simulations ont montré que la réduction drastique de l'apport de nutriments (à 90%) serait nécessaire pour réduire de façon significative les teneurs en chlorophylle a. Si de telles mesures d'atténuation sont adoptées, le pic maximal de chlorophylle a se stabiliserait à 40 µg L-1, au lieu de 94 mg L-1, après une période de cinq ans d'efforts. À notre connaissance, cette étude fournit la première application numérique de modèles k-ε et AQUASIM pour simuler les niveaux d'eutrophisation élevés dans un réservoir tropical très turbide.


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