Measurement of nutrient and contaminant flux dynamics at the water-sediment interface in aquatic environments.

Mesure de la dynamique des flux de nutriments et de contaminants à l'interface eau-sédiment dans les milieux aquatiques La qualité de l'eau douce dans les milieux naturels est une préoccupation majeure pour les secteurs agricole, industriel et domestique. Malgré des décennies d'efforts pour réduire les apports de polluants, la récupération de la qualité de l'eau peut être lente, en raison du stock de polluants dans les sédiments des écosystèmes aquatiques. Par exemple, la charge dite interne présente une contribution notable à la dynamique de l'eutrophisation. Ces flux benthiques (à l'interface entre les sédiments et la colonne d'eau) résultent de l'activité microbiologique et chimique dans les sédiments. Ils ont différents moteurs dont l'hydrodynamique. La turbulence affecte la couche limite benthique plus précisément les flux à travers l'épaisseur de la sous-couche diffusive (DBL). Différentes techniques sont largement utilisées pour quantifier les flux benthiques (chambres benthiques, chambres à dialyse…). Seule la technique d'eddy covariance (EC) permet de mesurer les flux benthiques turbulents sur une grande surface de sédiments sans perturber l'écoulement mais pour un nombre limité de flux (chaleur, oxygène dissous, nitrates, particules et alcalinité). L'adaptation au milieu aquatique de la "relaxed eddy accumulation" (REA), s'est avérée théoriquement faisable. La REA consiste en un échantillonnage conditionné par la direction de la fluctuation turbulente de la vitesse verticale : différentes paires d'échantillons sont accumulés pour les courants ascendants et descendants et le flux benthique est proportionnel à la différence de concentration entre ces paires d'échantillons. Notre objectif était de développer un prototype, de le valider, et d'acquérir les premières séries temporelles à un pas de temps horaire des flux benthiques turbulents de nutriments. Au cours du développement, les principes de la REA ont été transférés aux environnements aquatiques à travers différentes expériences et simulations. Celles-ci ont été réalisées en collaboration avec l'Institut d'études environnementales de l'Université de Koblenz-Landau. La validation de la REA aquatique a été effectuée en comparant les flux d'oxygène mesurés simultanément par REA et par EC. En 2020, des campagnes ont été menées sur quatre sites avec des conditions hydrodynamiques et écologiques différentes, allant d'un canal de laboratoire à un lac peu profond hautement eutrophe. Les flux benthiques mesurés par quatre techniques différentes ont été comparés en collaboration avec l'Université de Bohème du Sud (République tchèque). La première loi de Fick a été appliquée aux flux diffusifs dans des carottes de sédiments ex-situ en mesurant les microprofils de concentration avec des films minces diffusifs et aux flux turbulents en mesurant in situ l'écart de concentration entre les sous-couches diffusives et turbulentes de la couche limite benthique et en calculant un coefficient de transfert de masse proportionnel à la vitesse de friction (MTC, une autre technique innovante). Le prototype équipé pour la mesure des flux par EC et REA a également été déployé. Les flux d'oxygène dissous et d'ions phosphate, ammonium, sulfate, fer et manganèse ont été mesurés dans le lac de Champs-sur-Marne (juin 2021). Les flux turbulents de nutriments et d'ions métalliques mesurés par REA et par MTC étaient comparables, augmentant la confiance dans les deux nouvelles techniques. Le développement, la validation et l'application de la REA aquatique sont décrits et discutés dans ce travail. Les exigences de mesure et la gamme d'utilisation sont également illustrées. Même si la REA doit encore être développée, les flux de nutriments et d'ions métalliques ont été mesurés par cette nouvelle technique et ont montré une dynamique rapide. Tous ces éléments nous permettent de présenter la REA comme une technique fiable pour suivre la dynamique rapide des flux benthiques, et donc leur contribution aux processus biogéochimiques des écosystèmes aquatiques.