L’estuaire de la Gironde est sujet à des épisodes d’hypoxie très marqués en été dans la Garonne estuarienne autour de Bordeaux, lorsque le bouchon vaseux y est très concentré, le débit fluvial faible et la température élevée. Les observations indiquent que la diminution des concentrations en oxygène est liée à la combinaison des facteurs naturels (apports par le bassin versant et hydrodynamique sédimentaire) et anthropiques (rejets d’eaux urbaines partiellement traitées). Afin de quantifier les mécanismes contrôlant les variations temporelles et spatiales de l’oxygène dissous, un modèle biogéochimique a été couplé à un modèle hydro-sédimentaire à 3D, capable de simuler le transport des variables dissoutes et particulaires, les réactions consommant l’oxygène, et la ré-aération par l’atmosphère. Le modèle biogéochimique reproduit bien les variations d’oxygène dans la Garonne à Bordeaux à l’échelle saisonnière et lunaire et permet de quantifier les contributions relatives des rejets urbains et des apports du bassin versant à la consommation en oxygène. Utilisé pour simuler des conditions futures (d’ici à 50 ans), le modèle indique que les phénomènes d’hypoxie estivale ont tendance à s’amplifier dans la Garonne estuarienne du fait de l’augmentation de la température de l’eau, de la diminution des débits fluviaux et de l’augmentation de la population dans l’agglomération bordelaise. Les simulations de différents scenarii de gestion indiquent que des soutiens d’étiage, une amélioration du traitement des eaux urbaines et éventuellement un transfert des rejets vers l’aval seraient nécessaires pour éviter une altération drastique de la qualité du milieu aquatique. / The Gironde estuary shows frequent events of hypoxia, particularly during summer in the Garonne tidal river near the city of Bordeaux, in the presence of a dense turbidity maximum, when river discharge is low and water is warm. Field observations reveal that decreases in oxygen concentrations are linked to the combination natural processes (inputs from the watershed and sediment hydrodynamics) and anthropogenic processes (loads of partially treated urban waters). In order to quantify the mechanisms controlling the temporal and spatial variations of dissolved oxygen, a 3D biogeochemical model was coupled to the hydro-sedimentary model. It allowed simulate the transport of solutes and suspended material, the biological reactions consuming oxygen, and the re-aeration by the atmosphere. The biogeochemical model reproduces satisfactorily the seasonal and neap-spring time scale variations of dissolved oxygen around the city of Bordeaux and quantifies the relative contribution of urban and watershed inputs to oxygen consumption. When used to simulate future conditions (50 years), the model indicates that summer hypoxia will likely increase in the future, due to the increase in water temperatures and decrease in river discharge (droughts), and increase in population in the megacity of Bordeaux. Simulation of different management scenarios indicate that support for low-water river discharge, improvement of waste water treatments, and eventually a displacement of urban load downstream will be necessary in order to avoid a drastic alteration of the quality of the aquatic system.

L’objectif de ce travail est d’étudier la dynamique du bouchon vaseux, ainsi que la dynamique saline, dans l’estuaire de la Gironde. La stratégie adoptée consiste à examiner, par le biais du modèle de simulation SIAM-3D, l’impact du paramétrage hydro-sédimentaire, du débit fluvial et de la bathymétrie, sur le comportement des sédiments et sur l’évolution de la salinité. L’effet de la vitesse de chute sur la dynamique sédimentaire est l’un des cas étudiés ; son impact sur la distribution des suspensions est considérable. Ainsi, la diminution de ce paramètre entraîne l’homogénéisation de la concentration sur la verticale, mais aussi l’étalement du bouchon vaseux et l’évacuation d’une masse de sédiment hors de l’estuaire. Nous avons également mis en évidence lors d’une période de débits moyens ou faibles précédée par une crue, la partition du bouchon vaseux simulé en deux masses turbides, l’une remonte l’estuaire alors que l’autre se maintient en aval. La dynamique saline a été étudiée, entre autres, par l’analyse des gradients de salinité, calculés dans l’estuaire aval et en situation de forts débits. On observe, la diminution de ces gradients avec l’augmentation de l’intensité de la marée à l’échelle des cycles vives-eaux/mortes-eaux, toutefois, de fortes valeurs sont maintenues lors de la phase d’augmentation de cette grandeur à l’échelle de la marée. D’autres résultats ont permis de vérifier la capacité du modèle à simuler des dynamiques sédimentaires observées in-situ ; on peut citer entre autres, le détachement du bouchon vaseux de la rive gauche dans l’estuaire aval et son transfert vers la rive droite, en situation de forts débits. Afin d’évaluer l’impact de l’évolution du fond des fleuves de 1959 à 2002 sur l’hydrodynamique et les dynamiques sédimentaire et saline, nous avons comparé deux simulations, l’une effectuée avec l’ancienne bathymétrie de 1959, l’autre avec la nouvelle bathymétrie de 2002. Les résultats montrent l’augmentation de la masse sédimentaire dans les fleuves avec la bathymétrie de 2002 comparée à celle de 1959, ainsi que la hausse de la salinité dans la Garonne et l’amplification de la marée dans la Dordogne. Ces résultats sont en accord avec les mesures et observations in-situ. / The aim of this work is to study the turbidity maximum dynamics as well as the salinity dynamics in the Gironde estuary. The adopted strategy consists in analysing, by means of the SIAM-3D simulation model, the impact of hydro-sedimentary parameters, the fluvial flow and the bathymetry on sediment behaviour and salinity evolution. The effect of settling velocity on sediment dynamics is one of the studied cases; its impact on suspended sediment distribution is goodly. Thus, the diminution of this parameter leads to homogenisation of concentration in water column, but also spreading the turbidity maximum and evacuation of a sediment mass outside the Gironde estuary. We gave also prominence to the division of the turbidity maximum into two parts during low or mean water flow preceded by peak high water discharge, one of the parts migrates upstream whereas the other remains downstream. We studied the salinity dynamics, among others things, by means of analysing the calculated salinity gradients in the lower estuary during high water discharge. We observe the decrease of these gradients with increase of the tide intensity on a scale of spring tides/neap tides cycles, however, on a scale of tide, these gradients reach high values during the augmentation phase. Others results indicate the model capacity to simulate in-situ observations of the sediment dynamics; for example, the detachment of turbidity maximum from the left bank in the lower estuary and its transfer to the right bank during high water discharge. In order to evaluate the impact of the bed river evolution from 1959 to 2002 on hydrodynamics, sediment and salinity dynamics, we compared two simulations performed using the former (1959) and recent (2002) bathymetries. The results demonstrate that the sediment mass increase in the rivers with recent bathymetry, as well as, the salinity in the Garonne river and the tide amplitude in the Dordogne river. These results are in accordance with the in-situ measures and observations.

L'estuaire de la Gironde est le plus grand estuaire macrotidal d'Europe formé par la confluence de la Garonne (où se situe l'agglomération de Bordeaux) et de la Dordogne. L'une de ses principales caractéristiques est la présence d'une zone à forte turbidité (bouchon vaseux) où les processus hétérotrophes (dégradation de la matière organique) sont favorisés et où au contraire les processus autotrophes (production primaire) sont limités par le manque de lumière. Ainsi, des déficits en oxygène pouvant être préjudiciables à la vie aquatique se développent systématiquement dans la zone du bouchon vaseux de la Garonne estuarienne. Ces préoccupations environnementales ont donc conduit à étudier en détail dans le cadre de ce travail de doctorat, les facteurs environnementaux qui provoquent ces hypoxies estuariennes. Dans un premier temps, j'ai réalisé un suivi sur le réseau d'eaux urbaines partiellement séparatif et unitaire de la Communauté Urbaine de Bordeaux, de ses stations d'épurations et déversoirs d'orage afin d'appréhender les apports urbains de matières organique et azotées et de les comparer à ceux en provenance du bassin versant amont. Bien que les deux stations d'épuration réalisent des abattements très significatifs sur la matière organique et l'ammonium, il s'avère que les flux vers le milieu naturel restent importants, notamment durant les périodes estivales, pendant lesquelles des orages peuvent engendrer des déversements d'effluents non traités. Ensuite, des expériences d'incubations ont permis de mettre en évidence le caractère fortement labile de cette matière organique urbaine. Le carbone organique dissous et l'ammonium, contenus dans les eaux usées, sont des composés fortement consommateurs en oxygène. Des expériences de respirométrie ont également permis d'estimer les taux de consommation en oxygène nettement plus importants dans les effluents urbains que dans les eaux de la Gironde. Enfin, l'analyse des données du réseau de mesures en continu de la qualité physico-chimique des eaux MAGEST (MArel Gironde ESTuaire) a démontré que l'estuaire subit dans sa section garonnaise des périodes d'hypoxie lors d'étiages prononcés, la masse d'eau la plus affectée par ces désoxygénations étant celle qui oscille aux alentours de l'agglomération de Bordeaux. Si ces résultats démontrent l'impact significatif de l'agglomération Bordelaise, le traitement statistique des données MAGEST pour la période 2005-2011 montre que les phénomènes de désoxygénation sont accrus en période d'étiage prononcé, en présence du bouchon vaseux et lorsque la température de l'eau est élevée. Dans ces conditions, l'oxygène dissous, déjà présent en faible quantité, peut être rapidement consommé lors d'apports supplémentaires d'eaux urbaines non traitées qui ont lieu pendant de fortes précipitations orageuses. Ce travail démontre également que le type de traitement biologique des eaux usées employé par les stations d'épuration et les capacités de stockage temporaire d'eaux d'orages ont un rôle critique sur les bilans de ces composés rejetés dans le milieu naturel. Enfin, ce travail permet de proposer aux gestionnaires des stratégies de rejets des effluents à court et moyen terme, en fonction des conditions hydrologiques et physico-chimiques du milieu, dans le but de limiter leur impact sur l'oxygénation des eaux estuariennes de la Garonne.

Les estuaires macrotidaux tels que l'estuaire de la Charente sont le siège d'une interaction constante entre la marée et le débit fluvial. L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement de l'estuaire en fonction de ces forçages, et de déterminer leur impact sur les distributions horizontale et verticale de la salinité et des sédiments fins cohésifs. Un modèle tridimensionnel hydrosédimentaire a été mis en place sur l'estuaire afin de reproduire la dynamique estuarienne observée dans la Charente. Ce modèle a été validé via l'obtention de mesures in-situ venant également appuyer et compléter les simulations de réponse aux forçages effectuées. Dans l’estuaire de la Charente, l'asymétrie de la marée présente la particularité de s’inverser en fonction du cycle morte-eau/vive-eau. Le modèle a permis de déterminer l'influence de la marée incidente et de la morphologie de l'estuaire sur ce comportement, et d'évaluer son impact sur la salinité et la dynamique sédimentaire de l'estuaire. L'évolution globale de la marée lors de sa propagation dans l'estuaire a été étudiée, ainsi que l'influence du débit fluvial sur la circulation estuarienne, l'intrusion saline, et la stratification. Les résultats montrent que l'embouchure de l'estuaire reste dominée par la marée même en cas de crue, et que la stratification est inversement proportionnelle au débit fluvial. Le bouchon vaseux est reproduit par le modèle hydrosédimentaire, et ses variations en fonction des cycles de marée flot/jusant et morte-eau/vive-eau sont étudiées. La marée est le processus dominant dans la formation et le déplacement du bouchon vaseux. Les simulations montrent cependant une forte influence du débit fluvial sur sa géométrie et sa concentration, particulièrement en crue où il est plus compact et se déplace sur une distance plus courte. Les flux sédimentaires et les observations faites sur le terrain suggèrent que les sédiments sont importés dans l'estuaire en régime fluvial moyen et d'étiage, et qu'un envasement se produit. En crue, le bouchon vaseux est maintenu à 10 km en aval de l'embouchure et un export de sédiments vers la baie de Marennes-Oléron est obtenu. / Macrotidal estuaries such as the Charente estuary are characterized by a constant interaction between the tides and the river runoff. The aim of this work is to study the estuary behavior in function of these forcings, and to determine their impact of the horizontal and vertical distributions of salinity and fine cohesive sediments. A three-dimensional model was developed to reproduce the estuarine dynamics observed in the Charente estuary. This model was validated using in-situ measurements, which can also confirm and provide additional information when compared to the different forcing simulations. In the Charente estuary, the tidal asymmetry is characterized by its inversions in function of the neap/spring tidal cycle. The model was used to determine the influence of the incident tide and the estuarine morphology on this behavior, and to evaluate its impact on salinity and sediment dynamics in the system. The overall evolution of the tide during its propagation in the estuary was studied, together with the river runoff influence on the estuarine circulation, the saline intrusion and stratification. Results show that the estuary mouth stays tide-dominated even in the event of a flood, and that stratification is inversely proportional to the river runoff. The turbidity maximum is well reproduced by the hydrosedimentary model, and its variations infunction of the flood/ebb and neap/spring tidal cycles are studied. Tidal forcing is the main mechanism leading to the formation and movement of the turbidity maximum. However, simulations show a strong influence of the river runoff on its geometry and concentration, especially when the runoff is high. The turbidity maximum is then more compact and moving on shorter distances. Calculated sedimentary fluxes and observations made on the field suggest that sediments are imported in the estuary for low and medium river runoffs, and that siltation is occurring. In the event of a flood, the turbidity maximum is maintained 10km upstream of the mouth and sediments are exported into the Marennes-Oléron bay.

L’estuaire de la Gironde est le plus grand estuaire macrotidal d’Europe formé par la confluence de la Garonne (où se situe l’agglomération de Bordeaux) et de la Dordogne. L’une de ses principales caractéristiques est la présence d’une zone à forte turbidité (bouchon vaseux) où les processus hétérotrophes (dégradation de la matière organique) sont favorisés et où au contraire les processus autotrophes (production primaire) sont limités par le manque de lumière. Ainsi, des déficits en oxygène pouvant être préjudiciables à la vie aquatique se développent systématiquement dans la zone du bouchon vaseux de la Garonne estuarienne. Ces préoccupations environnementales ont donc conduit à étudier en détail dans le cadre de ce travail de doctorat, les facteurs environnementaux qui provoquent ces hypoxies estuariennes. Dans un premier temps, j’ai réalisé un suivi sur le réseau d’eaux urbaines partiellement séparatif et unitaire de la Communauté Urbaine de Bordeaux, de ses stations d’épurations et déversoirs d’orage afin d’appréhender les apports urbains de matières organique et azotées et de les comparer à ceux en provenance du bassin versant amont. Bien que les deux stations d’épuration réalisent des abattements très significatifs sur la matière organique et l’ammonium, il s’avère que les flux vers le milieu naturel restent importants, notamment durant les périodes estivales, pendant lesquelles des orages peuvent engendrer des déversements d’effluents non traités. Ensuite, des expériences d’incubations ont permis de mettre en évidence le caractère fortement labile de cette matière organique urbaine. Le carbone organique dissous et l’ammonium, contenus dans les eaux usées, sont des composés fortement consommateurs en oxygène. Des expériences de respirométrie ont également permis d’estimer les taux de consommation en oxygène nettement plus importants dans les effluents urbains que dans les eaux de la Gironde. Enfin, l’analyse des données du réseau de mesures en continu de la qualité physico-chimique des eaux MAGEST (MArel Gironde ESTuaire) a démontré que l’estuaire subit dans sa section garonnaise des périodes d’hypoxie lors d’étiages prononcés, la masse d’eau la plus affectée par ces désoxygénations étant celle qui oscille aux alentours de l’agglomération de Bordeaux. Si ces résultats démontrent l’impact significatif de l’agglomération Bordelaise, le traitement statistique des données MAGEST pour la période 2005-2011 montre que les phénomènes de désoxygénation sont accrus en période d’étiage prononcé, en présence du bouchon vaseux et lorsque la température de l’eau est élevée. Dans ces conditions, l’oxygène dissous, déjà présent en faible quantité, peut être rapidement consommé lors d’apports supplémentaires d’eaux urbaines non traitées qui ont lieu pendant de fortes précipitations orageuses. Ce travail démontre également que le type de traitement biologique des eaux usées employé par les stations d’épuration et les capacités de stockage temporaire d’eaux d’orages ont un rôle critique sur les bilans de ces composés rejetés dans le milieu naturel. Enfin, ce travail permet de proposer aux gestionnaires des stratégies de rejets des effluents à court et moyen terme, en fonction des conditions hydrologiques et physico-chimiques du milieu, dans le but de limiter leur impact sur l’oxygénation des eaux estuariennes de la Garonne. / The Gironde Estuary is the largest macrotidal estuary in Western Europa, formed by the Garonne River (where the urban area of Bordeaux is located) and the Dordogne River. One of its main characteristics is the presence of a Turbidity Maximum Zone (TMZ) where heterotrophic processes (organic matter decomposition) are favored and where low penetration of light limits autotrophic processes (photosynthetic activity). Low dissolved oxygen (DO) that could impact aquatic biota occurred exclusively in the fluvial, low salinity and high turbidity sections of the estuary. These environmental concerns have led to study in detail in this work factors that cause estuarine hypoxia. First, I have estimated organic matter and ammonium fluxes from urban inputs in separate and combined sewer network of the Urban Community of Bordeaux, its wastewater treatment plants (WWTP) and combined sewer overflow, to compare them to the upstream watershed inputs. Even if the two WWTPs succeed in significant reduction in organic matter and ammonium contents of effluents, discharges into estuarine waters are important especially during summer, periods while storm events can generate untreated effluent inputs. This work demonstrates the high lability of this urban organic matter through incubation experiments. The dissolved organic carbon and ammonium contents in wastewater consume oxygen. Respirometry experiments allowed us to estimate higher oxygen uptake rates in wastewater than in the waters of the Gironde Estuary. Finally, the analysis of 7-yr data series from the continuous monitoring of the physico-chemical water quality (MAGEST network: MArel Gironde ESTuary) highlights periods of hypoxia in the upstream section of the estuary during pronounced low water around the Bordeaux conurbation. Statistical treatments of the 7-yr time series of DO concentration demonstrate the significant impact of the Bordeaux metropolitan area as it appears that the under-oxygenations increase during marked low water, in the presence of the TMZ, when the water temperature is high, and where the dissolved oxygen content is already low and can be quickly consumed after untreated storm water discharges. This study also shows that the nature of biological treatment used by the WWTPs and the temporary storage capacity of storm water have a critical role in the release of such compounds into the environment. This work finally provides strategies for effluent discharges to water managers, to short and medium terms, based on hydrological and physico-chemical conditions of the environment in order to limit their impact on the water oxygenation of the Garonne River.

Jusqu’à présent, la dynamique des fractions végétales n’avait jamais été étudiée dans les estuaires macrotidaux en raison de leur faible quantité, par rapports aux fortes charges en matières en suspension fines, et du manque de protocoles d’étude et d’échantillonnage adéquats. Les débris végétaux sont toutefois à l’origine de perturbations d’activités économiques qui impliquent la filtration de larges volumes d’eau. L’objectif de cette thèse était ainsi de comprendre la dynamique d’apport et de transit de ces débris végétaux dans l’estuaire de la Gironde par la mise en oeuvre d’un suivi spatio-temporel de leur distribution et de techniques nouvelles pour un tel estuaire hyper-turbide (incubations in-situ litter-bag, caractérisation biogéochimique, identification des sources). Les résultats principaux sont la mise en évidence du contrôle du régime hydrologique sur leur distribution et la détermination des échelles de temps de leur persistance dans l’estuaire de la Gironde. / Up to now, vegetal fraction dynamics has not been studied in macrotidal estuaries, due to its low quantity in comparison to the strong charge of suspended particulate matter, and due to the lack of appropriate protocols to sample and examine it. Nevertheless, vegetal debris have been identified as a factor able to disrupt a wide range of stakeholder activities that require huge volumes of water to filter. The objective of this PhD was to understand the input and transfer dynamics of vegetal debris in the Gironde Estuary by the implementation of a spatiotemporal btrack of their distribution and by the development of new techniques for this hyper-turbide estuary (in situ litter-bag incubations, biogeochemical characterization, and identification of the sources). Mean results highlight the influence of the hydrological regime in their distribution and reveal time scales of their persistence in the Gironde Estuary.