Présentation du programme de recherche consacré au Développement d’un système de mesure des flux de nutriments à l’interface eau-sédiment dans les milieux aquatiques

Partenaires

• LEESU (porteur du projet) : Bruno LEMAIRE
• Institute for Environmental Sciences, University of Koblenz-Landau, Allemagne  : Andreas LORKE
• Laboratoire Hydraulique Saint-Venant : Magali JODEAU

  

Financement

• Appel à projets : Union Européenne - mobilité sortante Agreenskills (CO-FUND)
• Appel à projets interne : AgroParisTech
• Allocation doctorale : École des Ponts ParisTech

Résumé

Les proliférations d’algues limitent les usages des plans d’eau. On s’attend à ce qu’un de leurs principaux facteurs, la charge interne, c’est-à-dire le flux de nutriments depuis les sédiments, varie à l’échelle de l’heure dans les lacs peu profonds, en fonction des conditions météorologiques. Pour le vérifier, les objectifs du projet sont de développer et valider une technique de prélèvement innovante, de caractériser la variabilité des flux et d’évaluer leur description dans les modules biogéochimiques des modèles à base physique. Ces modèles sont utilisés dans les systèmes d’alerte des proliférations algales, pour l’évaluation des mesures de restauration écologique et les bilans biogéochimiques à l’échelle du milieu aquatique puis à l’échelle mondiale.

Schéma de principe d’un dispositif de “relaxed eddy accumulation” subaquatique

1. Problématique et présentation du projet

L’eutrophisation reste une préoccupation majeure, dans un contexte de réchauffement climatique et de croissance de la population mondiale, des zones urbaines, de la demande en eau et de la consommation d’engrais. Les proliférations d’algues, parfois toxiques, nuisent aux usages de l’eau. Dans les écosystèmes aquatiques, la répartition des nutriments et leur disponibilité pour le phytoplancton sont contrôlées par une vaste gamme de processus bien étudiés, physiques et biogéochimiques. Les efforts actuels visent à établir des réseaux de surveillance et à les combiner avec des modèles couplés hydrodynamiques et biogéochimiques. Au-delà des seules concentrations, la mesure des flux de nutriments est nécessaire pour valider la représentation des processus dans les modèles, particulièrement à l’interface eau-sédiment. Elle est difficile dans les lacs peu profonds car les flux dépendent des courants, de la turbulence et du vent, qui varient rapidement. L’Université de Coblence-Landau a observé que les flux d’oxygène dissous entrant dans les sédiments d’un lac peu profond varient avec les courants à l’échelle horaire, autant qu’avec la température des sédiments entre les saisons. Mais la technique employée, la covariance turbulente (“eddy covariance”), ne permet pas de mesurer les flux de nutriments, faute de capteurs rapides. Il en est de même pour les autres techniques dont la résolution temporelle est insuffisante. A l’interface terre-atmosphère, la technique de “relaxed eddy accumulation” REA remplace la covariance turbulente en l’absence de capteur de concentration rapide. L’air est pompé séparément dans deux échantillons suivant le sens de la composante turbulente de la vitesse verticale du courant. Le flux turbulent est proportionnel à la différence de concentration entre les échantillons accumulés pendant 30 min. Dans ce projet, nous proposons d’adapter cette technique à l’interface eau-sédiment.

2. Objectifs

Le premier objectif du projet est de développer un système de prélèvement innovant pour la mesure des flux de nutriments à l’interface eau-sédiment dans les milieux aquatiques et de déterminer son domaine d’utilisation. Le second est de caractériser la variabilité temporelle et spatiale des flux pour déterminer les conditions de généralisation des mesures à un écosystème entier, et relier la variabilité temporelle aux conditions environnementales. Le troisième est d’utiliser ces mesures pour évaluer la description des flux benthiques de nutriments dans les modèles hydrodynamiques-biogéochimiques. Ce travail devrait contribuer à améliorer les systèmes d’alerte des proliférations algales, la conception et l’évaluation des mesures de restauration des milieux aquatiques et l’évaluation de la qualité de l’eau et des bilans biogéochimiques à l’échelle mondiale.

3. Organisation

Il s’agit de procéder par étapes.

• Faisabilité théorique de l’adaptation de la technique de “relaxed eddy accumulation” REA au milieu aquatique par la réanalyse de mesures de covariance turbulente (tâche 1, Bruno Lemaire, Christian Noss, Andreas Lorke. Toward relaxed eddy accumulation measurements of sediment-water exchange in aquatic ecosystems. Geophysical Research Letters, American Geophysical Union, 2017, 44 (17), pp.8901-8909. 〈10.1002/2017GL074625).
• Développement d’un prototype de système de prélèvement et validation en laboratoire avec une méthode de référence à l’université de Coblence-Landau (tâche 2.
• Adaptation du prototype pour le terrain et validation pour la mesure de flux de nutriments en conditions réelles (tâche 3.
• Campagnes de mesures systématiques sur un site déjà instrumenté par ailleurs : domaine d’utilisation de la technique (gamme de flux, substances et fractions dissoute ou particulaire, turbulence) et conditions de généralisation de mesures ponctuelles à l’ensemble d’un milieu aquatique (tâche 4).
• Caractérisation de la variabilité temporelle des flux en lien avec les conditions environnementales (tâche 5).
• Diffusion des résultats en accès libre (tâche transversale 6).

4. Calendrier

Doctorat de Guilherme Calabro-Souza : 2018-2021