Modélisation biogéochimique des nutriments dans un estuaire tropical urbanisé et scénario de gestion de l’eutrophisation

Modeling of nutrient dynamics in an urbanized tropical estuary and application to eutrophication risk management

• Auteur / Autrice : Truong An Nguyen
• Direction : Julien Némery, Nicolas Gratiot, Thanh-Son Dao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 20/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Josette Garnier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florentina Moatar-Bertrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Bonnet, Sandra Arndt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eaux usées

Biologie des estuaires

Effets de l'eutrophisation

Mots clés libres

Eutrophisation

Estuaire

Modélisation

Estuary

Eutrophication

Modeling

Résumé

Les estuaires tropicaux urbanisés des pays émergents connaissent un déséquilibre entre l'urbanisation et les pratiques de gestion de la qualité de l'eau. Le manque de programmes de surveillance et l'application de la modélisation n'ont pas permis de comprendre la dynamique des nutriments. Cette thèse vise à étudier la dynamique des nutriments dans un estuaire tropical sous l'influence d'une mégapole. Trois objectifs spécifiques sont (i) l'évaluation du fonctionnement biogéochimique d'un estuaire tropical urbanisé (estuaire de la rivière Saigon, Vietnam) recevant les eaux usées de la mégapole Ho Chi Minh (HCMC) ; (ii) la quantification du rôle des facteurs de contrôle (par exemple, les charges en nutriments, les taux de réaction, les conditions hydrologiques) dans le développement de l'eutrophisation ; (iii) l'évaluation du risque d'eutrophisation dans le cadre de scénarios d'urbanisation rapide, d'augmentation de la capacité des stations d'épuration des eaux usées (STEP).Le Carbon-Generic Estuarine Model (C-GEM), un modèle de transport réactif unidimensionnel, a été appliqué et ajusté aux données limitées des pays en développement. Le fonctionnement biogéochimique a été évalué par l'analyse des données de surveillance (paramètres physiochimiques, nutritifs, espèces de phytoplancton et gaz à effet de serre) et complété par l'approche de modélisation. Le C-GEM a été calibré et validé pour l'estuaire de la rivière Saigon en 2014-2017 pour évaluer l'intensité des réactions biogéochimiques. Les dynamiques des nutriments, du phytoplancton et de l'eutrophisation ont été évaluées par la version transitoire du C-GEM pour 2017-2020. Enfin, des scénarios orientés vers le développement des mégapoles ont été évalués par le C-GEM pour évaluer le risque d'eutrophisation.Les résultats de cette thèse sont présentés respectivement en quatre parties. La première partie identifie l'impact des eaux usées domestiques des mégapoles sur les variations spatio-temporelles des nutriments, du phytoplancton, de l'eutrophisation et des gaz à effet de serre. Il n'y avait pas de différence statistiquement significative dans les concentrations de nutriments polluants entre la saison sèche et la saison des pluies. Cependant, les densités de phytoplancton en saison sèche sont environ 100 fois supérieures à celles de la saison des pluies. Les concentrations élevées de carbone organique et d'ammonium (facteur de charge en nutriments) ont entraîné un appauvrissement en oxygène et une formation abondante de phytoplancton dans la zone urbaine de l'estuaire. La deuxième partie explique le fonctionnement biogéochimique des estuaires tropicaux urbanisés avec le support de C-GEM (version steady-state). Les processus biogéochimiques clés (i.e., la nitrification, la dénitrification, la production primaire) sont quantifiés. Cet estuaire élimine efficacement l'azote grâce aux forts processus de nitrification et de dénitrification. La troisième partie étudie la variation saisonnière des nutriments et du phytoplancton sous les fortes fluctuations des conditions hydrologiques des estuaires tropicaux. Le temps de vidange est l'un des plus importants facteurs de contrôle de la biomasse phytoplanctonique. Enfin, les résultats de l'évaluation du risque d'eutrophisation basée sur le développement des mégapoles montrent qu'une augmentation du nombre de stations d'épuration ne garantit toujours pas une bonne qualité de l'eau dans l'estuaire. Par conséquent, des solutions telles que des solutions basées sur la nature sont recommandées en conjonction avec la construction de STEP, en particulier pour minimiser les concentrations de NH4.L'application du modèle C-GEM avec une source de données minimale met en évidence les processus biogéochimiques et les facteurs hydrologiques dans la dynamique des nutriments et de l'eutrophisation dans les estuaires tropicaux urbanisés. Ainsi, cette étude fournit une solution efficace pour les pays en développement dans la gestion de l'eutrophisation.

Urbanized tropical estuaries in emerging countries are experiencing an imbalance between urbanization and water quality management practices. The lack of monitoring programs and the modeling application have not allowed understanding the dynamics of nutrients. This thesis aims to study nutrients dynamics at a tropical estuary under the influence of megacity. Three specific objectives are (i) assessing the biogeochemical functioning of an urbanized tropical estuary (Saigon River Estuary, Vietnam) receiving wastewater of Ho Chi Minh Megacity (HCMC); (ii) quantify the role of controlling factors (e.g., nutrient loads, reaction rates, hydrological conditions) in the eutrophication development; (iii) eutrophication risk assessment under the scenarios of rapid urbanization, increased wastewater treatment plants (WWTPs) capacity.The Carbon-Generic Estuarine Model (C-GEM), a one-dimensional, reactive-transport model, was applied and adjusted to the limited data in developing countries. The biogeochemical functioning was evaluated by analysis of monitoring data (physiochemical, nutrient parameters, phytoplankton species and greenhouse gases) and completed by the modeling approach. The C-GEM was calibrated and validated for Saigon River Estuary in 2014-2017 to evaluate the intensity of biogeochemical reactions. Dynamics of nutrients, phytoplankton, eutrophication were assessed by the transient version of C-GEM for 2017-2020. Statistical methods (e.g., Principal component analysis, Redundancy analysis and Hierarchical Partitioning) were applied to evaluate the contribution of environmental parameters to the responses of phytoplankton, eutrophication, greenhouse gases. Finally, scenarios oriented towards megacity development were evaluated by the C-GEM to assess the eutrophication risk.The results of this thesis are presented in four parts, respectively. The first part identifies the impact of domestic wastewater of megacity on the temporal-spatial variations of nutrients, phytoplankton, eutrophication and greenhouse gases. There was no statistically significant difference in nutrient pollutant concentrations between the dry season and rainy season. However, the phytoplankton densities in the dry season are about 100 times higher than that in the rainy season. High concentrations of organic carbon and ammonium (nutrient loads factor) have resulted in oxygen depletion and abundant phytoplankton formation in the urban area of the estuary. The second part explains the biogeochemical functioning of urbanized tropical estuaries with the support of C-GEM (steady-state version). The key biogeochemical processes (i.e., nitrification, denitrification, primary production) are quantified. This estuary effectively removes nitrogen thanks to the strong nitrification and denitrification processes. The third part studies the seasonal variation of nutrients and phytoplankton under the strong fluctuations of hydrological conditions of tropical estuaries. Flushing time is one of the most important controlling factors affecting phytoplankton biomass. Finally, the eutrophication risk assessment results based on megacity development show that an increase in WWTPs still does not guarantee good water quality conditions of the estuary. Therefore, solutions such as nature-based solutions are recommended in conjunction with the construction of WWTPs, especially in minimizing NH4 concentrations.Applying the C-GEM model with minimal data source highlights biogeochemical processes and hydrological factors in nutrients and eutrophication dynamics in urbanized tropical estuaries. Thus, this study provides an effective solution for developing countries in eutrophication management.