Caractérisation et rôle respectif des apports organiques amont et locaux sur l'oxygénation des eaux de la Garonne estuarienne

Characterization and roles of upstream and local organic imputs and the water oxygenation in the estuarine Garonne

• Auteur / Autrice : Aurélie Lanoux
• Direction : Henri Etcheber, Gwenaël Abril
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biogéochimie et écosystèmes
• Date : Soutenance le 16/07/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Pessac, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements et Paléoenvironnements Océaniques et Continentaux (Talence, Gironde ; 1999-....) - Environnements et Paléoenvironnements OCéaniques / EPOC
• Jury : Président / Présidente : Pierre Anschutz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Litrico, Aldo Sottolichio, Alexandre Ventura
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Luc Bertrand-Krajewski, Josette Garnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets des eaux usées

Eau -- Teneur en oxygène

Écoulement urbain

Turbidité

Écologie des estuaires

Gironde (France ; estuaire)

Effets de la qualité de l'eau

Matière organique

Mots clés libres

Estuaire de la Gironde

Garonne estuarienne

Hypoxie

Stations d'épuration

Matière organique

Ammonium

Consommation d'oxygène

Etiage

Bouchon vaseux

Hétérotrophie

Nitrification

The Gironde Estuary

The estuarine Garonne

Hypoxia

Wastewater treatment plants

Organic matter

Ammonium

Oxygen consumption

Low water

Turbidity maximum zone

Heterotrophy

Nitrification

Résumé

L’estuaire de la Gironde est le plus grand estuaire macrotidal d’Europe formé par la confluence de la Garonne (où se situe l’agglomération de Bordeaux) et de la Dordogne. L’une de ses principales caractéristiques est la présence d’une zone à forte turbidité (bouchon vaseux) où les processus hétérotrophes (dégradation de la matière organique) sont favorisés et où au contraire les processus autotrophes (production primaire) sont limités par le manque de lumière. Ainsi, des déficits en oxygène pouvant être préjudiciables à la vie aquatique se développent systématiquement dans la zone du bouchon vaseux de la Garonne estuarienne. Ces préoccupations environnementales ont donc conduit à étudier en détail dans le cadre de ce travail de doctorat, les facteurs environnementaux qui provoquent ces hypoxies estuariennes. Dans un premier temps, j’ai réalisé un suivi sur le réseau d’eaux urbaines partiellement séparatif et unitaire de la Communauté Urbaine de Bordeaux, de ses stations d’épurations et déversoirs d’orage afin d’appréhender les apports urbains de matières organique et azotées et de les comparer à ceux en provenance du bassin versant amont. Bien que les deux stations d’épuration réalisent des abattements très significatifs sur la matière organique et l’ammonium, il s’avère que les flux vers le milieu naturel restent importants, notamment durant les périodes estivales, pendant lesquelles des orages peuvent engendrer des déversements d’effluents non traités. Ensuite, des expériences d’incubations ont permis de mettre en évidence le caractère fortement labile de cette matière organique urbaine. Le carbone organique dissous et l’ammonium, contenus dans les eaux usées, sont des composés fortement consommateurs en oxygène. Des expériences de respirométrie ont également permis d’estimer les taux de consommation en oxygène nettement plus importants dans les effluents urbains que dans les eaux de la Gironde. Enfin, l’analyse des données du réseau de mesures en continu de la qualité physico-chimique des eaux MAGEST (MArel Gironde ESTuaire) a démontré que l’estuaire subit dans sa section garonnaise des périodes d’hypoxie lors d’étiages prononcés, la masse d’eau la plus affectée par ces désoxygénations étant celle qui oscille aux alentours de l’agglomération de Bordeaux. Si ces résultats démontrent l’impact significatif de l’agglomération Bordelaise, le traitement statistique des données MAGEST pour la période 2005-2011 montre que les phénomènes de désoxygénation sont accrus en période d’étiage prononcé, en présence du bouchon vaseux et lorsque la température de l’eau est élevée. Dans ces conditions, l’oxygène dissous, déjà présent en faible quantité, peut être rapidement consommé lors d’apports supplémentaires d’eaux urbaines non traitées qui ont lieu pendant de fortes précipitations orageuses. Ce travail démontre également que le type de traitement biologique des eaux usées employé par les stations d’épuration et les capacités de stockage temporaire d’eaux d’orages ont un rôle critique sur les bilans de ces composés rejetés dans le milieu naturel. Enfin, ce travail permet de proposer aux gestionnaires des stratégies de rejets des effluents à court et moyen terme, en fonction des conditions hydrologiques et physico-chimiques du milieu, dans le but de limiter leur impact sur l’oxygénation des eaux estuariennes de la Garonne.

The Gironde Estuary is the largest macrotidal estuary in Western Europa, formed by the Garonne River (where the urban area of Bordeaux is located) and the Dordogne River. One of its main characteristics is the presence of a Turbidity Maximum Zone (TMZ) where heterotrophic processes (organic matter decomposition) are favored and where low penetration of light limits autotrophic processes (photosynthetic activity). Low dissolved oxygen (DO) that could impact aquatic biota occurred exclusively in the fluvial, low salinity and high turbidity sections of the estuary. These environmental concerns have led to study in detail in this work factors that cause estuarine hypoxia. First, I have estimated organic matter and ammonium fluxes from urban inputs in separate and combined sewer network of the Urban Community of Bordeaux, its wastewater treatment plants (WWTP) and combined sewer overflow, to compare them to the upstream watershed inputs. Even if the two WWTPs succeed in significant reduction in organic matter and ammonium contents of effluents, discharges into estuarine waters are important especially during summer, periods while storm events can generate untreated effluent inputs. This work demonstrates the high lability of this urban organic matter through incubation experiments. The dissolved organic carbon and ammonium contents in wastewater consume oxygen. Respirometry experiments allowed us to estimate higher oxygen uptake rates in wastewater than in the waters of the Gironde Estuary. Finally, the analysis of 7-yr data series from the continuous monitoring of the physico-chemical water quality (MAGEST network: MArel Gironde ESTuary) highlights periods of hypoxia in the upstream section of the estuary during pronounced low water around the Bordeaux conurbation. Statistical treatments of the 7-yr time series of DO concentration demonstrate the significant impact of the Bordeaux metropolitan area as it appears that the under-oxygenations increase during marked low water, in the presence of the TMZ, when the water temperature is high, and where the dissolved oxygen content is already low and can be quickly consumed after untreated storm water discharges. This study also shows that the nature of biological treatment used by the WWTPs and the temporary storage capacity of storm water have a critical role in the release of such compounds into the environment. This work finally provides strategies for effluent discharges to water managers, to short and medium terms, based on hydrological and physico-chemical conditions of the environment in order to limit their impact on the water oxygenation of the Garonne River.