THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE ...

THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE Spécialité Biogéochimie des hydrosystèmes Ecole doctorale 398 Géosciences et ressources naturelles Présentée par Vincent THIEU Pour obtenir le grade de DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE MODELISATION SPATIALISEE DES FLUX DE NUTRIMENTS (N, P, SI) DES BASSINS DE LA SEINE, DE LA SOMME ET DE L’ESCAUT : Impact sur l’eutrophisation de la Manche et de la Mer du Nord Soutenue publiquement le 2 Juillet 2009 Devant le jury composé de : M. Gilles BILLEN Directeur de thèse Mme. Josette GARNIER Directrice de thèse Mme. Christiane LANCELOT Examinatrice M. Wolfgang LUDWIG Rapporteur M. Patrick MEIRE teur Mme. Florentina MOATAR Examinatrice M. Alain SALIOT Président Université Pierre & Marie Curie - Paris 6 Tél. Secrétariat : 01 42 34 68 35 Bureau d’accueil, inscription des doctorants et base de Fax : 01 42 34 68 40 données Tél. pour les étudiants de A à EL : 01 42 34 69 54 èmeEsc G, 2 étage Tél. pour les étudiants de EM à ME : 01 42 34 68 41 15 rue de l’école de médecine Tél. pour les étudiants de MF à Z : 01 42 34 68 51 75270-PARIS CEDEX 06 E-mail : scolarite.doctorat@upmc.fr   Modélisation spatialisée des flux de nutriments (N, P, Si) des bassins de la Seine, de la Somme et de l’Escaut : Impact sur l’eutrophisation de la Manche et de la Mer du Nord Vincent Thieu Thèse de doctorat présentée à l’Université Pierre et Marie Curie Ecole Doctorale 398 – Géosciences et Ressources Naturelles  À Camille, v vi  Remerciements Au terme de ce travail, je souhaite adresser mes remerciements à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à sa réalisation. Certain s’y retrouveront plusieurs fois, d’autres seront peut-être oubliés et je m’en excuse par avance. Faut-il y structurer cette reconnaissance de façon solennelle ou bien laisser les sentiments s’immiscer dans la seule partie qui l’autorise? J’opte pour la galanterie en commençant par remercier Mesdames Florentina Moatar, Christiane Lancelot et Josette Garnier pour l’intérêt qu’elles témoignent à ce travail en participant à mon jury de thèse, ainsi que Messieurs Alain Saliot, Wolfgang Ludwid, Patrick Meire et Gilles Billen pour le temps qu’ils ont bien voulu consacrer à la lecture du manuscrit, pour leurs remarques et leurs corrections. La réalisation de ce travail doit beaucoup aux programmes Thresholds, PIREN-Seine et Timothy, qui, au-delà du simple soutien financier, ont apporté un cadre scientifiquement très riche. Je voudrais remercier séparément la co-direction de cette étude : Josette Garnier et Gilles Billen, qui m’ont non seulement offert l’opportunité de réaliser cette thèse, mais aussi proposé un encadrement de grande qualité durant ces trois années. Josette, certaines de tes remarques font encore leur chemin dans ma tête, merci pour ta disponibilité de chaque instant. Gilles, merci pour ta pédagogie, je garde précieusement les nombreux brouillons et autres croquis unpublished issus de nos réunions. Je souhaite remercier les équipes Belges, je pense ici à Nathalie Gypens et Christiane Lancelot pour leur gentillesse et leur patience lors du couplage des modèles, Audrey Polard et Walter Hecq pour la partie socio-économique ainsi que Stefan Van Damme qui a participé à l’évaluation à mi-parcours de mes travaux, au côté d’Emmanuel Ledoux. Je suis reconnaissant à Sybil Seitzinger qui m’a intégré aux travaux du groupe GlobalNEWS, ainsi qu’à Carolien Kroeze et Lex Bouwman pour leurs suggestions pertinentes durant la rédaction d’un papier en collaboration avec Emilio Mayorga. Je pense avoir bénéficié d’un environnement de travail privilégié au sein de l’UMR Sisyphe et il me semble alors de rigueur d’en remercier les directions successives d’Alain Tabbagh et de Pierre Ribstein, ainsi que l’ensemble du personnel du laboratoire, notamment Maya, Nadine, Nora, Valérie Dominique et Lisette. A la façon d’un générique de fin, je remercie par ordre d’apparition : Sidonie, Nader et Michel pour leur accueil, suivis de Marie qui a pris la relève avec brio et avec qui j’ai partagé d’excellents moments. Viennent ensuite Noémie, Pauline et Minh, qui ont tout d’abord feint de tolérer une présence masculine dans leur bureau avant de s’exiler, une par une, à l’autre bout de la planète. Merci Gueutin pour ton soutien. La relève bien qu’un petit peu moins coquette, n’en fut pas moins sympathique. Merci Guillaume et Alex pour votre bonne humeur, je vous laisse le soin de subvenir aux besoins en café quotidien de Julio. Fatima, Simon et Christelle, ce n’est pas facile de passer derrière vous. François, c’est toujours un plaisir de faire des affaires avec toi. Fabrizio, courage pour la fin. Merci à Anne pour l’organisation des séminaires, Sandro, Agnès et Ludovic pour avoir partagé avec moi les banquets trois étoiles du restaurant administratif. Mes derniers remerciements vont à ma famille. À mes parents qui m’ont encouragé tout au long de ces trois années, et qui ont accepté de me voir un peu moins souvent. À mes grands-parents, qui se sont inquiétés de me voir travailler dur sans pour autant obtenir « le CDI ». À l’ensemble de mes proches, à qui je n’ai jamais vraiment pris le temps d’expliquer ce que je faisais et pour lesquels je tiens maintenant, un document écrit à leur disposition. vii viii  Résumé Modélisation spatialisée des flux de nutriments (N, P, Si) des bassins de la Seine, de la Somme et de l’Escaut : impact sur l’eutrophisation de la Manche et de la Mer du Nord Vincent THIEU Les apports fluviaux en éléments nutritifs comme l’azote (N) le phosphore (P) et la Silice (Si) sont indispensables au fonctionnement des écosystèmes côtiers et en conditionnent la productivité. Cependant, l’intensité et le déséquilibre des flux de nutriments peuvent conduire à l’eutrophisation de ces zones de transition marines. En Manche – Mer du Nord cet enrichissement excessif se caractérise par des blooms phytoplanctoniques qui apparaissent sous l’influence des apports de la Seine, de la Somme et de l’Escaut. Ces trois hydrosystèmes, qui diffèrent largement par leur morphologie, leurs débits mais également les pressions anthropiques qui s’y exercent, offrent un cas d’étude exemplaire pour analyser les flux d’éléments nutritifs dans les bassins versants et leurs impacts à la zone côtière. L’objectif de cette thèse a été d’implémenter, pour ce continuum aquatique drainant plus de 100 000 km2 de surface continentale, une modélisation déterministe du fonctionnement des hydrosystèmes, s’attachant à décrire l’ensemble des processus microscopiques impliqués dans le transport, la rétention et la transformation des éléments N, P et Si. Validé sur la période récente (1996- 2001), le modèle Sénèque-Riverstrahler a permis un calcul détaillé des transferts de nutriments, nécessaire pour quantifier le déséquilibre des flux d’azote et de phosphore exportés à la zone côtière franco-belge, par rapport à la silice. Différents scenarios, incluant des mesures de gestion concrètes, du type de celles préconisées par la directive Cadre Européenne sur l’eau (DCE), mais également des prospectives plus théoriques sur long terme, ont été élaborées et simulées. L’évaluation de ces scénarios porte sur la possibilité de rééquilibrer les apports fluviaux, en se basant sur les rapports de Redfield, de limiter la contamination azotée et phosphatée dans les réseaux hydrographiques et de réduire l’ouverture des cycles biogéochimiques qui a prévalu depuis plus de 30 ans. Dans le cadre d’une approche intégrée ‘rivière – zone côtière’, ces résultats ont été couplés avec un modèle du fonctionnement des écosystèmes marins côtiers, permettant ainsi de traduire l’impact des mesures implémentées à l’échelle des bassins versants, en terme de développement algal atteint dans la zone côtière. Mots-clés : continuum aquatique, fonctionnement biogéochimique, scenarios, eutrophisation, Seine, Somme, Escaut, azote, phosphore, silice. ix Abstract Modeling nutrient fluxes (N, P, Si) in the Seine, Somme and Scheldt rivers basins: impact on the eutrophication of the Eastern Channel and Southern Bight of the North Sea Vincent THIEU The productivity of coastal ecosystems is linked to river nutrient sources, in particular nitrogen (N), phosphorous (P) and Silica (Si), three elements essential for their functioning. However, nutrient loading and their imbalance can result in the eutrophication of costal marine areas. In the continental coastal zone of the Channel and Southern Bight of the North Sea, enriched water inflows from the Seine, Somme and Scheldt rivers contribute to the massive development of harmful algae species. The adjacent and contrasted watersheds of these three rivers differ by their morphology, hydrology and anthropogenic activities, and offer a textbook example for in-depth analysis of nutrient fluxes in river basins and their impact at the coastal zone. This PhD thesis aimed to implement, at the scale of the 100,000 km² watershed drained by the aquatic continuum of the three rivers, a determinist modeling approach describing all basic processes involved in the transport, the retention and the transformation of nutrient (N, P, Si). The Seneque- Riverstrahler model implemented for that purpose, has been first validated for the recent period (1996- 2001) and then used to establish a detailed budget of nutrient transfers. This latter was required to quantify the fluxes of nitrogen and phosphorus delivered in excess over silica at the French and Belgian coastal zone. Several mitigation measures have been designed and tested, including operational management options requested by the European Water Framework Directive (Eu