Modélisation du processus de dénitrification dans les eaux souterraines des plaines alluviales

par Léonard Bernard-Jannin

Thèse de doctorat en Hydrologie, Hydrochimie, Sols et Environnement

Le président du jury était Philippe Behra.

Le jury était composé de José Miguel Sanchez-Pérez, Sabine Simeoni-Sauvage, Philippe Behra, Olivier Atteia, Philippe Ackerer, Ramiro Neves, Josette Garnier.

Les rapporteurs étaient Olivier Atteia, Philippe Ackerer.


  • Résumé

    Les eaux souterraines des plaines alluviales agricoles sont particulièrement vulnérables à la contamination en nitrates en raison d’une fertilisation importante, et de la faible profondeur des aquifères. Au sein de ces plaines alluviales, les zones ripariennes, caractérisées par des échanges importants entre les eaux de surface et les eaux souterraines, constituent des environnements propices à l’atténuation des nitrates via le processus de dénitrification. Ce processus naturel dépend de nombreux facteurs et est caractérisé par une forte variabilité spatio-temporelle. La modélisation est une approche intéressante pour étudier la dénitrification au sein des zones ripariennes car elle permet d’intégrer les différents facteurs contrôlant le processus de manière dynamique. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la caractérisation et la quantification du processus de dénitrification et d’identifier ses facteurs de contrôle dans les plaines alluviales à travers une approche de modélisation à l’échelle du tronçon de plaine alluviale. L’analyse d’un jeu de données collectées dans un réseau de 25 piézomètres installés dans un méandre de la Garonne (Monbéqui, 6,6 km²) lors de 12 campagnes mensuelles a permis, dans un premier temps, d’identifier les facteurs contrôlant la dynamique des nitrates et le processus de dénitrification. Les données ont ensuite servi à la mise en place et à la validation de l’application du modèle distribué MOHID Land pour simuler l’hydrologie de la zone d’étude. Puis, un module permettant de simuler la dénitrification et prenant en compte les facteurs identifiés au préalable, a été introduit dans le modèle. L’analyse des données récoltées sur le terrain a montré que la dénitrification dans la zone d’étude est contrôlée par la géomorphologie, l’hydrologie et la présence de carbone organique. L’application du modèle hydrologique distribué MOHID Land a permis de simuler correctement l’hydrologie du site étudié en prenant en compte la géomorphologie de la plaine alluviale, les échanges eaux de surface - eaux souterraines et les épisodes de crues. Un module de dénitrification incluant à la fois le carbone organique dissous apporté par la rivière et le carbone organique particulaire présent dans l’horizon supérieur des sols a été implémenté dans le modèle hydrologique. Les résultats indiquent une dénitrification moyenne de 28 kg-N.ha-1.an-1 sur la période simulée dans la zone riparienne de Monbéqui. La dénitrification est plus importante dans les zones ripariennes de basses altitudes et plus globalement dans la partie aval du méandre, caractérisée par de fortes concentrations en nitrates. Les facteurs contrôlant la dénitrification au sein des plaines alluviales ont été identifiés et sont i) la géomorphologie qui détermine la saturation des horizons supérieurs des sols et la disponibilité du carbone organique ; ii) les écoulements souterrains qui contrôlent la répartition spatiale des nitrates, et iii) l’intensité et la fréquence des épisodes de crues qui entrainent des périodes favorables à la dénitrification. Finalement, les résultats obtenus dans la zone d’étude ont été comparés avec des applications du modèle dans des plaines alluviales possédant des caractéristiques contrastées, validant ainsi l’utilisation du modèle dans les environnements de plaine alluviale variés. Les résultats ont mis en avant l’importance de la connectivité hydrologique entre la rivière et la nappe alluviale ainsi que la distribution spatiale des sources de nitrates et de carbone organique comme facteurs expliquant les différences de capacité de dénitrification entre les sites. Ces travaux ouvrent des perspectives pour évaluer l’impact des modifications induites par le changement global sur le processus de dénitrification ainsi que sur leur modélisation à plus large échelle.

  • Titre traduit

    Modelling denitrification process in groundwater of floodplain areas


  • Résumé

    Groundwater systems in cultivated floodplains are vulnerable to nitrate contamination due to extensive fertilisationand the shallow depth of the groundwater. Within the floodplain environment, riparian areas, characterised by significantexchanges between surface water and groundwater, are a favourable site for nitrate removal through denitrification.Denitrification is a natural process influenced by numerous factors and characterised by a high spatio-temporal variability.Modelling is an interesting approach for the study of denitrification within riparian areas because it means that floodplainspatial heterogeneity can be taken into account and many of its control factors integrated.The main objective of this thesis was to enhance knowledge of the denitrification process in floodplains and toidentify its control factors using a modelling approach at the scale of the floodplain reach. First, a dataset collected at amonthly time step over the course of a year within a 25-piezometer network of a meander area (Monbéqui, 6.6 km²) wasanalysed in order to identify factors controlling nitrate and denitrification patterns. The data were then used to set up andvalidate the MOHID Land model to simulate the hydrology in the study area. A module designed to simulate thedenitrification process, taking the main denitrification control factors into account, was then integrated into the MOHID Landmodel.The analysis of the dataset collected from the study area showed that denitrification was controlled bygeomorphology, hydrology and organic carbon presence. The application of the MOHID Land model allowed the hydrologyof the study area to be reproduced correctly, particularly the surface water – groundwater exchanges and the influence offlood events. A denitrification module integrating dissolved organic carbon borne by the river and particulate organic carbonfrom soil was added to the model. The results indicated that denitrification in the modelled riparian area was an average ofaround 28 kg-N.ha-1.yr-1 over the simulated period. High denitrification areas were located within the low elevation riparianarea and, more generally, in the downstream area of the meander where the nitrate concentrations were highest. The factors controlling denitrification that were identified in the study area were i) geomorphology, which controlled topsoil layersaturation and organic carbon availability; ii) groundwater flowpaths, which controlled the variability in nitrateconcentrations over the study area; and iii) flood event frequency and intensity, leading to high denitrification periods.Finally, the results were compared with other applications of the model in contrasting floodplains in order to assess themodel’s performance in various floodplain environment. The results indicated that hydrologic connectivity between the riverand groundwater and the spatial location of sources of nitrates and organic carbon were the major factors behind differencesin the denitrification process between floodplains. This study provides insight for an assessment of the impact ofmodifications that could be brought about by global changes to the denitrification process and for the modelling ofdenitrification at larger scales.


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