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«Thibault DATRY Par Urbanisation et qualité des nappes phréatiques - Réponses des écosystèmes aquatiques souterrains aux pratiques ...»

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N° d’ordre 181-2003

THÈSE

Présentée devant

l’Université Claude Bernard-Lyon 1

Pour obtenir le diplôme de

DOCTORAT

(Arreté du 25 avril 2002)

ECOLOGIE

Spécialité :

Thibault DATRY

Par

Urbanisation et qualité des nappes phréatiques -

Réponses des écosystèmes aquatiques souterrains

aux pratiques d’infiltration d’eau pluviale

Soutenue le 26 Novembre 2003 devant le Jury composé de:

M. Bernard CHOCAT, INSA- Lyon (Président) M. Clifford DAHM, University of New Mexico (Rapporteur) M. Pierre MARMONIER, Université de Rennes 1 (Rapporteur) M. Eduard HOEHN, EAWAG-Zurich (Examinateur) M. Florian MALARD, Université Claude Bernard - Lyon 1 (Examinateur) Mme Janine GIBERT, Université Claude Bernard - Lyon 1 (Directrice de thèse)

- 2003 -

REMERCIEMENTS

Avant d’entamer la présentation de mon travail, je tiens à exprimer mes sincères

remerciements à tous les membres du jury :

- Madame Janine Gibert, directrice de l’équipe « Hydrobiologie et Ecologie Souterraines » du laboratoire « Ecologie des Hydrosystèmes Fluviaux » de l’Université Claude Bernard de Lyon qui, en tant que directrice de ma thèse, est à l’origine des recherches présentées dans cet ouvrage et qui m’a accordé son entière confiance tout au long de ce travail ;

- Messieurs Pierre Marmonier et Clifford Dahm pour avoir accepté de rapporter mon travail ;

- Messieurs Bernard Chocat, Eduard Hoehn et Florian Malard qui ont bien voulu faire partie de mon jury de thèse.

Je tiens tout particulièrement à exprimer ma reconnaissance envers Florian Malard.

Pour ses conseils éclairés, pour ses encouragements répétés, pour sa disponibilité à toute épreuve, pour la flamme qui anime ses recherches, ainsi que pour tout ce que j’ai pu apprendre à ses côtés pendant ces trois années passées au laboratoire….en un mot, Florian, merci !

Je remercie Mesdames Sylvie Barraud et Yvette Bouvet, ainsi que Messieurs Pierre Hubert et Alain Durbec, pour leurs conseils au sein du comité de pilotage de thèse.

Que les différentes personnes qui ont facilité mes travaux reçoivent toute ma

gratitude :

- l’OTHU, son leader Bernard Chocat et toutes les personnes impliquées dans la structure, pour le financement de ce travail ;

- Messieurs Michel Odin, directeur général de l’IUT A, Frédéric Ringot, Désiré Rakotondramanitra, ainsi que l’ensemble du personnel technique de l’IUT pour avoir facilité mes travaux sur le bassin d’infiltration de l’IUT ;

- Messieurs Jean Chapgier, Stéphane Lagoutte et Jean-Claude Varnier de la Direction de l’Eau du Grand Lyon (COURLY), et Madame Anne Martelat de la Direction Régionale de l’Environnement (DIREN), pour leurs précieux renseignements sur les différents bassins d’infiltration et piézomètres existant sur la nappe de l’Est lyonnais.

Enfin, je remercie l’ensemble des spécialistes qui ont effectué la détermination du matériel biologique : M. Creuzé des Châtelliers (Oligochètes), R. Ginet (Amphipodes), M.-J.

Dole-Olivier (Salentinella), P. Marmonier (Ostracodes), J. Mathieu et F. Lescher-Moutoué (Cyclopoïdes).

Je souhaite aussi exprimer toute ma reconnaissance aux personnes qui ont participé, de près ou de loin, à la bonne conduite de ce travail. Que ce soit l’ensemble de l’équipe « Hydrobiologie et Ecologie Souterraines » qui m’a accueilli chaleureusement. Que ce soient aussi les personnes qui, sans compter, ont participé aux campagnes de terrain (Guillaume Bouger, Valérie Canivet, Cécile Claret, Julien Dujin, David Ferreira, Christophe Henry, Tristan Lefébure, Medhi Mabbas, Florian Mermillod-Blondin, Patricia Philis et Laurent Vitry). Que ce soient enfin les personnes qui m’ont aidé, accompagné ou supporté (Cédric, Clotilde, mon frère Damien, Doudou, Gaël, Georges et son Cavagnolo, LeGlou, Laurence, Lolo, Sophie, Sybille, Tatane, Toto, Totofe, Valérie, ainsi que tous ceux que je n’ai pas nommés).

–  –  –

Le vingtième siècle a été caractérisé par une urbanisation grandissante ; la moitié de la population mondiale vit désormais en ville. L’imperméabilisation du territoire réduit l’impluvium des aquifères et augmente les flux d’eau contaminée provenant du lessivage des surfaces urbaines lors des épisodes pluvieux. Sollicitant les processus naturels de décontamination du système sol – zone non saturée, l’infiltration artificielle des eaux de ruissellement pluvial dans le sous-sol contribue à recharger les nappes phréatiques. Les objectifs des recherches étaient de déterminer les effets de l’infiltration artificielle d’eau pluviale sur la dynamique spatio-temporelle des solutés et des invertébrés dans le lit d’un bassin d’infiltration et dans les horizons supérieurs de la nappe phréatique sous-jacente.

L’approche écosystémique développée dans ce travail consistait à appréhender les réponses d’un écosystème considéré dans sa globalité à des perturbations successives qui consistaient en des infiltrations massives, brèves et très localisées dans l’espace, d’eau de ruissellement pluvial.





Ces recherches ont montré que l’infiltration induite des eaux pluviales augmentait considérablement l’hétérogénéité spatio-temporelle des solutés et de l’oxygène dissous dans les eaux souterraines. Les niveaux supérieurs de la nappe phréatique adoptent un fonctionnement de type « pulsatile » dans la mesure où chaque épisode pluvieux entraîne une perturbation environnementale qui se résorbe progressivement au cours du temps. Dans un contexte de zone non saturée peu épaisse ( 2 m), la composition physico-chimique des eaux souterraines est étroitement liée aux processus biogéochimiques qui affectent la qualité des eaux pluviales lors de leur transit dans le lit du bassin d’infiltration. La matière organique particulaire, sur laquelle sont adsorbés les métaux et les hydrocarbures, est retenue dans le lit du bassin mais son oxydation consomme de l’oxygène et libère de l’ammonium, des phosphates et du carbone organique dissous. L’activité bioturbatrice des vers Tubifex tubifex (Fisher 1851), quantifiée par prospection vidéo, permet le remaniement sédimentaire des sédiments organiques stockés en profondeur dans le lit du basin. L’infiltration d’eau pluviale, lorsqu’elle enrichit les eaux souterraines en carbone organique dissous et en nutriments (i.e.

phosphate) sans toutefois entraîner de conditions anoxiques, stimule la diversité et la densité des peuplements d’invertébrés. Ce dernier résultat supporte l’hypothèse selon laquelle la biodiversité dans les eaux souterraines est limitée par la disponibilité en matière organique.

ABSTRACT

Urbanisation has been a dominant demographic trend during the 20th century; cities now contain about half of the world’s population. Landscape proofing reduces the recharge area of aquifers and increases fluxes of contaminated water originating from the washing-up of urban surfaces during rainfall events. Artificial infiltration of storm water into the subsoil relies on the decontamination capacities of the soil and vadose zone for recharging ground water. The objective of this PhD thesis is to determine the influence of artificial stormwater infiltration on the spatio-temporal dynamics of solutes and invertebrates in the bed of an infiltration basin and within the upper layers of phreatic ground water. Research is based on a system approach that examines the response of a groundwater ecosystem to successive disturbances consisting of fast and spatially-localised infiltration of large quantities of storm water.

Results show that artificial stormwater infiltration considerably increases the spatiotemporal heterogeneity of solutes and dissolved oxygen in a shallow phreatic aquifer. The water table region of aquifers behaves as a pulsing system because each rainfall event induces an environmental disturbance which progressively resorbs during dry weather. The physicochemical composition of ground water strongly depends on biogeochemical processes that alter the quality of storm waters during their movement within the infiltration bed of the basin. Particulate organic matter, onto which metals and hydrocarbons are adsorbed, is retained in the infiltration bed but oxidation processes consume dissolved oxygen and release ammonium, phosphates and dissolved organic carbon in solution. The bioturbation activity of the worm Tubifex tubifex (Fisher 1851), measured by video-logging through transparent tubes, induces the reworking of organic sediments within deep layers of the infiltration bed. The infiltration of storm water increases dissolved organic carbon (DOC) and nutrient concentrations in ground water but it does not induce suboxic conditions. In the absence of suboxic conditions, DOC and nutrient supply increases the diversity and density of groundwater invertebrate assemblages. This result supports the hypothesis following which biodiversity in ground water is limited by organic matter supply.

SOMMAIRE INTRODUCTION------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 ORGANISATION DU DOCUMENT ------------------------------------------------------------------------------------- 3 CHAPITRE 1 : PROBLEMATIQUE GENERALE, CADRE CONCEPTUEL ET OBJECTIFS ------------- 5 1- PROBLEMATIQUE GENERALE ------------------------------------------------------------------------------------- 5 1.1- Les eaux souterraines------------------------------------------------------------------------------------------------ 5 1.1.1- Importance et vulnérabilité-------------------------------------------------------------------------------------------------5 1.1.2- Un milieu vivant-------------------------------------------------------------------------------------------------------------7 1.2- L’urbanisation et l’assainissement : le problème des eaux pluviales --------------------------------------- 9 1.2.1- Les contaminants véhiculés par les eaux pluviales ------------------------------------------------------------------- 10 1.2.2- Les processus biogéochimiques impliqués lors de l’infiltration d’eau pluviale ---------------------------------- 13 1.2.3- Bilan des impacts mesurés dans les sols et les nappes --------------------------------------------------------------- 15 2- LE CADRE CONCEPTUEL ------------------------------------------------------------------------------------------ 16 2.1- Les horizons supérieurs des nappes phréatiques------------------------------------------------------------- 17 2.2- Deux variables écologiquement importantes dans le milieu souterrain : le carbone organique dissous et l’oxygène dissous -------------------------------------------------------------------------------------------- 18 2.3- Modèle prédictif des réponses des horizons supérieurs des écosystèmes souterrains à l’infiltration d’eau pluviale ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20 3- OBJECTIFS DU TRAVAIL ------------------------------------------------------------------------------------------- 23

CHAPITRE 2 : CONTEXTE HYDROGEOLOGIQUE ET PRESSIONS ANTHROPIQUES

REGIONALES, APPROCHE METHODOLOGIQUE ET SITES ATELIERS -------------------------------- 24

1- LE SYSTEME AQUIFERE « NAPPE DE L’EST-NAPPE D’ACCOMPAGNEMENT DU RHONE » 24

1.1- Généralités ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24 1.2- Contexte hydrogéologique ---------------------------------------------------------------------------------------- 26 1.3- Pressions anthropiques -------------------------------------------------------------------------------------------- 30 1.3.1- Occupation des sols ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30 1.3.2- Les prélèvements ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31 1.3.3- Les principales sources de contamination------------------------------------------------------------------------------ 33 2- APPROCHE METHODOLOGIQUE-------------------------------------------------------------------------------- 38 3- LES SITES ATELIERS------------------------------------------------------------------------------------------------- 39 3.1- Le bassin d’infiltration de l’IUT--------------------------------------------------------------------------------- 39 3.1.1- Précipitations et bassin versant ------------------------------------------------------------------------------------------ 39 3.1.2- Fonctionnement hydrologique ------------------------------------------------------------------------------------------- 42 3.1.3- Equipement du site -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 45 3.2- Le bassin d’infiltration Django Reinhardt -------------------------------------------------------------------- 48 3.3- Les bassins de l’Est lyonnais ------------------------------------------------------------------------------------- 51

CHAPITRE 3 : DYNAMIQUE DES SOLUTES ET PROCESSUS BIOGEOCHIMIQUES LORS DE

L’INFILTRATION D’EAU PLUVIALE ------------------------------------------------------------------------------- 53

1- SOLUTES DYNAMICS IN THE BED SEDIMENTS OF A STORMWATER INFILTRATION BASIN

(ARTICLE 1)----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 53

2- DYNAMICS OF SOLUTES AND DISSOLVED OXYGEN IN SHALLOW GROUNDWATER

BELOW A STORMWATER INFILTRATION BASIN (ARTICLE 2) ------------------------------------------ 82

CHAPITRE 4 : LES INVERTEBRES SOUTERRAINS : REPONSES AUX GRADIENTS

ENVIRONNEMENTAUX GENERES PAR L’INFILTRATION D’EAU PLUVIALE ---------------------- 110

1- DYNAMICS AND ADAPTIVE RESPONSES OF INVERTEBRATES TO SUBOXIA IN



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