Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’étude réalisée lors de ce travail de thèse porte sur l’évaluation de l'impact de l’agglomération Marseillaise sur le milieu côtier à travers la quantification des éléments traces métalliques (ETM) et du carbone organique. Sur le littoral méditerranéen français, Marseille représente la plus grande agglomération (~ 1.7M Ha) et possède la station d’épuration (STEP) enterrée la plus grande d’Europe (capacité de 1.62M équivalent-habitants), avec une façade directement ouverte sur la Méditerranée. L’impact de cette zone urbaine et industrialisée (flux brut) sur la zone côtière reste mal compris, de par la multiplicité des sources (apports directs(rivières/effluents) vs. apports diffus (friches industrielles côtières, aérosols, ...)) en partie contrôlée par le climat. Il en est de même des mécanismes de transfert des contaminants conditionnant leur devenir dans le milieu marin (flux nets vers le large). Dans ce contexte, différentes campagnes de prélèvements d’eau et de sédiments ont été mises en oeuvre sous des conditions climatiques contrastées (temps sec vs. pluie) dans les rivières ainsi qu'en mer, le long d’un transect allant de la côte à plus de 2 km au large des rejets. Les objectifs de cette étude visaient à déterminer les sources de contaminants au milieu côtier et à comprendre leurs mécanismes de transfert et leur devenir en mer. Par temps sec, les résultats obtenus ont montré que la dynamique du système est principalement contrôlée par les rejets de la STEP qui, par exemple, est responsable à plus de 75% des apports en Ag, Cu ou Pb au milieu côtier. Une fois en mer, les différents ETM analysés présentent un profil non conservatif, dû à un fractionnement dissous/particulaire hors équilibre dans les émissaires associé à un relargage rapide au début du gradient de salinité. Ces résultats ont été confirmés par une expérience de remobilisation réalisée au laboratoire permettant de mieux comprendre la cinétique de désorption des ETM. Dans ces conditions, il a été démontré qu'il était indispensable de filtrersur le terrain les échantillons pour ne pas sous-estimer la fraction dissoute des ETM. Par temps de pluie, le suivi des apports au cours d'une crue a montré la très grande réactivité du système, typique de rivières côtières. La majorité des ETM, transportés principalement sous forme particulaire, subissent une fois en mer des processus de désorption avec des cinétiques plus lentes et à des salinités plus importantes que par temps sec. Ces différences sont probablement liées à la nature des particules, urbaines et très organiques par temps sec, plutôt terrigène et inorganiques par temps de pluie. Enfin, une expérience de vitesse de chute des particules transitant dans le système par temps sec et de pluie a été développée au laboratoire. Elle a permis de caractériser les particules étudiées par des paramètres physico-chimiques intégrables au modèle hydro-sédimentaire de l'IFREMER, permettant de mieux évaluer le devenir des particules en zone côtière. / The aim of this PhD was to evaluate the impact from Marseille agglomeration on thecoastal area, using trace metals and organic carbon quantification. On the French Mediterraneancoast, Marseille is the largest agglomeration (~1.7M inhabitants), located directly on coast andhave the biggest European underground wastewater treatment plan (WWTP, 1.62M eq). Theimpact of this urbanized and industrialized area on the coastal zone (bulk fluxes) remainsmisunderstood, because of the multiplicity of contaminant sources (direct inputs(rivers/effluents) vs. diffusive ones (coastal industrial wasteland, aerosols, …)) partlycontrolled by climatic conditions. Similarly, the transfer mechanisms of contaminants thatcontrol their fate to the open sea (net fluxes) have to be studied. In such context, numerouswater and sediment sampling campaigns were performed during contrasted climatic conditions(baseflow vs. flood) in the tributaries and along a 2km coastal-offshore transect in front of theoutputs. The main objectives of this study were to determine contaminants sources, transfermechanisms and fate in the coastal zone. During baseflow conditions, results have shown thatthe system dynamic is mainly controlled by the WWTP inputs, that are for instance the maincontributor (>75%) of Ag, Cu or Pb inputs to the coastal area. When discharged to the sea, thestudied trace metals presented non-conservative behaviours, consecutive to adissolved/particulate fractionation out of equilibrium in the outlets associated to fastremobilization at the beginning of the salinity gradient. These results were confirmed by labremobilization experiments allowing to better understand the desorption kinetics of tracemetals. Under such conditions, it was demonstrated that on-field filtration is a prerequisite toavoid under-estimation of the dissolved fraction of trace metals. The monitoring of a flood eventduring a rainy period has shown the high reactivity of the studied system, a peculiarity ofMediterraneean coastal rivers. Most of the studied trace metals, mainly brought in theparticulate fraction, suffer desorption processes when discharged to the sea, a processcharacterized by kinetics slower and effective at higher salinity in comparison to baseflowinputs. These differences are most probably linked to the nature of particles being urban andorganic during baseflow, mostly terrigeneous and inorganic during flood. Finally, a settling rateexperiment was designed in the lab in order to evaluate the physical and chemical characteristicsof representative particles. The obtained parameters were integrated in the 3D hydrodynamicand sediment transport model of IFREMER allowing to better evaluate the fate of pollutedparticles in the coastal area.

Cette thèse s'intéresse à la modélisation de la contamination nitrique de la nappe des calcaires de Champigny, ressource stratégique pour l'alimentation en eau potable de l'Île-de-France et pour laquelle plusieurs champs captants ont été identifiés comme prioritaires. Le couplage d'un modèle agronomique STICS et d'un modèle hydrogéologique MODCOU permet de modéliser le transfert des nitrates résultant des pratiques agricoles à travers l'hydrosystème.La mise en place de MODCOU sur la zone d'étude a nécessité d'apporter des modifications au logiciel afin de représenter le fonctionnement de l'hydrosystème comportant des singularités hydrogéologiques. L'application du modèle entre 1971 et 2011 a montré l'importance des échanges nappes-rivières dans le fonctionnement de la nappe et particulièrement sur les bassins d'alimentation des captages (BAC) prioritaires, préalablement identifiés lors d'études antérieures. Pour prendre en compte ces échanges dans la modélisation de la contamination nitrique, un module évaluant les concentrations en rivières par bassin versant a été développé et permet de reproduire l'évolution de la contamination du passé à l'actuel et de réaliser par la suite des scénarios prospectifs.Le développement d'une méthodologie spécifique a permis d'identifier les zones les plus contributives à l'alimentation des captages. Elles se révèlent être situées essentiellement le long des cours d'eaux et représentent un peu moins de la moitié de la superficie des BAC. La mise en rapport des zones d'alimentation principale et de la rapidité du transfert permet de déterminer les zones d'actions prioritaires les plus pertinentes sur lesquelles des mesures de protection pourraient être plus spécifiquement appliquées

La forme des rivières alluviales est contrôlée par l'interaction des sédiments composant le lit avec l'écoulement : l'écoulement, déterminé par la forme du lit, entraîne les sédiments et modifie la forme du lit. Les sédiments sont transportés lorsqu'ils sont soumis à une contrainte supérieure au seuil de mise en mouvement. Dans la première partie de ce manuscrit, nous discutons le cas des rivières qui ne transportent pas de sédiments. Pour ces rivières, la contrainte sur les berges est égale au seuil de mise en mouvement. Cette condition détermine entièrement la géométrie de la rivière, c'est-à-dire la forme de sa section mais aussi sa pente. L'intégration de l'écoulement sur ce profil permet d'obtenir des équations de régime déterminant la variation de la largeur et de la pente avec le débit d'eau. Ces équations de régime en régime laminaire prédisent correctement la forme de micro-rivières de laboratoires. L'application aux données de terrain est moins satisfaisante : l'exposant des lois d'échelle est bien prédit mais le rapport d'aspect des rivières naturelles est souvent supérieur à sa valeur théorique. Dans la seconde partie du manuscrit, nous montrons que cet effet s'explique par le fait que la forme des rivières dépend également de la quantité de sédiments charriés. Au cours de son transport par l'écoulement, chaque grain voit sa trajectoire subir de petites déviations dans le sens transverse à l'écoulement, ce qui crée une dispersion transverse équivalente à un phénomène de diffusion. Cette diffusion des grains permet d'expliquer la stabilité d'une rivière pour laquelle la contrainte sur les berges est supérieure au seuil de mise en mouvement. Nous déterminons ainsi de nouvelles équations de régime valables pour le cas des rivières avec transport de sédiments. Nous montrons en particulier qu'augmenter le transport de sédiments augmente le rapport d'aspect et la pente de la rivière. Ce comportement est vérifié qualitativement à la fois expérimentalement et dans la nature. Au-delà d'un rapport d'aspect critique, on observe expérimentalement que le chenal se déstabilise en plusieurs chenaux, conduisant à la formation d'une rivière en tresse.

Au cours du XXe siècle, les lits de nombreuses rivières ont été sujets à l'installation de végétation alluviale. Dans le cas des rivières aménagées, cette tendance est souvent associée à des altérations géomorphologiques directes (extractions de granulats, endiguements, etc.) ainsi qu'à des modifications anthropiques de leur régime hydrologique et sédimentaire conduisant à une stabilisation du lit qui permet l'installation de la végétation. Cette végétation augmente le risque d'inondation en diminuant les vitesses d'écoulement et en augmentant les niveaux d'eau en crue. Par ailleurs la biodiversité est dégradée par la diminution des habitats pionniers caractéristiques de ces environnements. Manipuler artificiellement le régime hydrologique d'une manière qui pourrait limiter l'installation de végétation sur les bancs est une option considérée par les gestionnaires. Dans ce contexte, ce projet de thèse a pour objectif de comprendre les impacts des crues d'amplitude variable sur la destruction de végétation, et d'identifier les mécanismes associés. Le site d'étude sur lequel cette thèse se focalise est l'Isère en Combe de Savoie, une rivière à galets très aménagée des Alpes françaises.Dans le cadre de cette étude, la destruction de végétation a été étudiée à l'échelle du tronçon à partir d'une analyse des données hydrologiques, des photos aériennes, et des données topographiques disponibles pour la période 1996-2015. À l'échelle du banc, un suivi de terrain avant et après les événements hydrologiques marquants entre avril 2014 et septembre 2015 nous a permis d'étudier l'action des crues sur la mobilité sédimentaire et sur la végétation. Ces observations ont été complétées par une modélisation numérique bidimensionnelle de l'écoulement en crue.À l'échelle du tronçon (20 km), nous avons trouvé une corrélation très forte entre les volumes d'eau ayant transité dans le chenal sur une période donnée, et la destruction de végétation associée au cours de la période 1996-2015. Les débits associés à des temps de retour infra-annuels semblent permettre la destruction de végétation. Le mécanisme de destruction le plus efficace que l'on observe à cette échelle est l'érosion latérale ; les mécanismes prenant place à la surface des bancs sont très minoritaires. Cependant, les surfaces détruites sont modestes ; 3,4 % de la surface végétalisée est détruite annuellement en moyenne. À l'échelle du banc, la période de suivi de terrain a couvert une série de crues fréquentes (temps de retour < 1 an) et une crue de temps de retour 10 ans. Seule cette crue a partiellement détruit la végétation pionnière sur les bancs suivis. La destruction de végétation ligneuse jeune a eu lieu par le biais de quatre mécanismes : 1) déracinement par érosion de surface supérieure à 20 cm, 2) enfouissement sous une couche de sédiment grossiers supérieure à 30 cm, 3) déracinement par une combinaison d'érosion et de dépôt, et 4) érosion latérale en marge des bancs. La destruction de végétation est toujours associée à une mobilité sédimentaire importante.Ces résultats montrent qu'une crue très importante est nécessaire pour détruire la végétation par la mobilisation de la surface des bancs sur ce site. Par contraste, les débits forts mais non exceptionnels (temps de retour infra-annuel) sont en mesure de détruire la végétation par érosion latérale. Dans le cas de l'Isère en Combe de Savoie, il semble que l'utilisation de crues artificielles ne peut pas seule permettre de maintenir la largeur inter-digues libre de végétation. Pour la suite, on propose de s'intéresser à la destruction de végétation dans le contexte de la dynamique des bancs alternés plus ou moins végétalisés, en prenant en compte les apports et le transport des sédiments en plus de l'hydrologie. / Many rivers worldwide have seen vegetation establish within their beds throughout the 20th century. In the case of managed rivers, this trend is usually linked to direct geomorphological alterations (sediment mining, diking, etc.) as well as anthropic alterations of flow regime and sediment supply. These pressures have stabilized river beds, allowing vegetation to establish permanently. This vegetation increases the risk of flooding by decreasing flow velocities and increasing water levels. In addition, the associated reduction in availability of pioneer habitats characteristic of these stabilized environments typically degrades biodiversity. Managing hydrology in a way that would limit vegetation establishment on bars presents an interesting management option. In this context, our study was aimed at understanding the impacts of floods of varying magnitude on vegetation removal, as well as identifying and quantifying the underlying mechanisms. This work focused on the Isère River, a heavily managed gravel bed river located in the western French Alps.Vegetation removal was studied at the reach scale using hydrological data, aerial photographs, and topographic data available between 1996 and 2015. At the bar scale, field monitoring before and after floods from april 2014 to september 2015 allowed us to document the impact of floods on sediment mobility and vegetation. A 2D numerical model was used to document fine scale hydraulics.At the reach scale, we found a strong correlation between water volume flowing through the river channel and the amount of vegetation removal. Discharges with return intervals of less than one year seem to have an impact on vegetation removal. The main mechanism observed from aerial photographs was lateral erosion; surface processes were negligible in comparison. However, global vegetation removal was modest: since 1996, on average 3,4 % of vegetated area was removed annually. At the bar scale, our study period permitted monitoring of a series of high frequency floods (return interval < 1 year) and a 10-year food event. Only the largest flood partially removed pioneer vegetation from bars. Young vegetation removal occurred through four different mechanisms: 1) uprooting by surface scour > 20 cm, 2) burial under a thick layer of coarse sediments > 30 cm, 3) uprooting by a combination of surface scour and sediment deposition resulting in no net topographic change, and 4) lateral erosion of bars. Vegetation removal was always associated with significant sediment mobility.We conclude that on the Isere River a very important flood is required to remove vegetation by mobilizing bar surfaces. In contrast, high but not exceptional flows (return interval < 1 an) are capable of removing vegetation through lateral erosion. However, artificial floods alone are unlikely to maintain the full width of the channelized bed of the Isere River free of vegetation. In the future, vegetation removal needs to be studied in the context of alternate bar dynamics with or without vegetation. It seems necessary to consider sediment transport as well as hydrology to understand the overall dynamics of the bed.

L'analyse des variations spatio-temporelles du charriage est un élément important pour la compréhension de la dynamique fluviale. Ce manuscrit présente les recherches réalisées sur le développement d'une méthode de mesure du transport solide par acoustique passive. Un capteur de pression acoustique est utilisé pour mesurer le bruit généré par le transport par charriage au fond du lit de la rivière. Cette méthode originale a fait l'objet de quelques explorations durant les dernières décennies, qui ont montré que la puissance et le contenu fréquentiel du son généré dépendaient de la granulométrie des matériaux et du flux solide. Mais les applications au milieu naturel sont restées très limitées ; elles sont donc au centre de cette recherche.La première difficulté de la mesure est liée à l'existence de bruit environnant qui se superpose au bruit du charriage. Des mesures acoustiques ont été réalisées dans différentes typologie de rivières, du torrent à la grande rivière navigable. A l'aide de ces différentes expériences et de la bibliographie, les éléments du paysage acoustique d'une rivière sont identifiés. Le paysage acoustique d'une rivière est composé par les processus hydrodynamiques que sont la turbulence, l'agitation de surface et le transport de sédiment par charriage. Le charriage produit des bruits larges bandes, dans la partie haute du spectre et peut être masqué par les bruits de surface dans la région du kilohertz. Des outils de traitement du signal sont proposés afin de repérer les différentes dynamiques contenues dans le signal acoustique mesuré.L'interprétation du signal ne peut être faite sans une bonne compréhension des phénomènes de propagation des ondes acoustiques dans la rivière. On montre que la rivière se comporte comme un guide d'onde et une résolution de l'équation d'onde par une approche modale est proposée. On comprend alors que la propagation des ondes acoustiques est limitée par une fréquence de coupure inversement proportionnelle à la hauteur d'eau. Les observations de terrain faites sur la variation du champ de pression acoustique dans la verticale sont bien reproduites par le modèle d'un guide d'onde de Pekeris. Le modèle est alors utilisé pour montrer l'importance de la profondeur, de la constitution du fond de la rivière ou encore de la géométrie du canal sur la constitution du signal.Finalement, trois chroniques de signaux acoustiques enregistrés dans des rivières différentes sont analysées. Un descripteur est proposé pour chaque chronique de signaux, en fonction des bruits ambiants présents dans l'environnement lors de la mesure. Ce descripteur acoustique est confronté à des mesures comparatives du charriage et de bonnes corrélations sont observée. Elles montrent que la mesure hydrophone permet d'identifier la phase de l'initiation du transport par charriage et qu'elle est intégrative du transport sur une surface importante de la rivière. Ces expériences confirment la simplicité de mise en œuvre de la méthode et précisent les limites d'utilisation de l'acoustique passive, particulièrement pour les rivières à fortes pentes. Elles confirment également la validité des méthodes d'analyse du signal qui ont été utilisées et le besoin de mesures comparatives du milieu pour interpréter le signal. / Analysing the spatio-temporal variability of solid transport processes is key to the study of fluvial morphodynamics. Our research focusses on the development of passive acoustics to monitor bedload transport. A hydrophone is used to sense the acoustic pressure in the river in order to record the sound generated by inter-particle collisions. This original method has been mostly developed in laboratories during the past decades. It has been shown that the acoustic power and the frequencies of the monitored signals are linked to bedload fluxes and granulometry. The use of passive acoustics in natural streams has encountered limited success. It is the core of our research.First we address the existence of multiple sound sources in the environment. Acoustic measurements have been realised in several types of rivers: steep channels and large gravel bed rivers. These multiple experiences along with the bibliography have allowed us to describe river soundscapes. Hydrodynamics govern the soundscape, namely turbulence, agitating surfaces, and bedload transport. Inter-particle collisions generate sound in a wide range of frequencies, which depend on their sizes. It can be masked by the occurrence of agitating surface noise in the kilohertz region. Signal processing tools are proposed to study the dynamics of the different processes composing the signal.Signal interpretation could only be achieved by understanding the propagation properties of the acoustic waves in the river. It is shown that the river acts as an acoustic wave guide. A modal approach is suggested to solve the wave equation. The model points to the existence of a cutoff frequency inversely proportional to the water depth. Observations made on the vertical variation of the field pressure are correctly simulated. The signal dependence on water depth, the structure of the bed, and the geometry of the channel are studied using this model.Finally, we analyze three chronicles of acoustic signals recorded in the field. A signal descriptor is constructed for each data set, depending on the ambient noise conditions. This descriptor is compared to other measurements of bedload transport and good correlations are found. Initiation of motion is monitored and the integrative aspect of the acoustic measure is shown. These experiences highlight the simplicity of the method and show some of its limits. It is also shown that measurements of other environmental parameters are needed to interpret the results.

L'échantillonnage passif intégratif est de plus en plus reconnu comme une alternative à l'échantillonnage ponctuel pour la mesure des concentrations de micropolluants organiques dans les milieux aquatiques. Cette technique combine l'étape d'échantillonnage et de préconcentration in situ pour délivrer une concentration intégrée sur la durée d'exposition de l'échantillonneur passif (EP). Une des limitations principales de l'échantillonnage passif est la sélectivité imposée par la phase réceptrice pour une classe de contaminants restreinte (hydrophobes ou polaires). Ainsi, il est à l'heure actuelle nécessaire d'employer plusieurs EP pour mesurer des concentrations en pesticides caractérisés par une large gamme de polarité. L'objectif principal de cette thèse s'inscrit dans une démarche de développement de phases réceptrices pour l'échantillonnage passif de pesticides dans les milieux aquatiques. Afin de répondre à ce défi, nous avons sélectionné et formulé des matériaux pour la sorption de 28 pesticides aux propriétés physico-chimiques variées par le biais de tests en laboratoire. Nous avons d'une part sélectionné un élastomère de silicone de la marque Goodfellow® parmi 7 autres élastomères de silicone à partir de tests en laboratoire sur des critères de sorption. Nous avons démontré que les élastomères de silicone ont une forte affinité pour les pesticides plutôt hydrophobes, tout en accumulant également des pesticides polaires. Des propriétés de sorption différentes ont été identifiées selon leur formulation et un mécanisme d'adsorption est suspecté pour certains pesticides. D'autre part, nous avons formulé et testé plusieurs matériaux composites innovants dont le plus performant, renommé PACSiR, combine les propriétés de sorption d'un élastomère de silicone et d'un copolymère poreux (Oasis ® HLB). Nous avons mis en évidence que le PACSiR a des propriétés mécaniques adaptées pour une exposition directe dans le milieu aquatique et permet de capter une gamme de pesticides élargie vers les pesticides plus polaires par rapport à un élastomère de silicone. Ces deux matériaux ont été calibrés en laboratoire en tant qu'EP (TS à base de silicone et TSP à base de PACSiR), sous forme de tiges de petite dimension, afin de déterminer les constantes cinétiques d'accumulation et d'étudier l'impact de la vitesse de courant. Enfin, nous avons appliqué les TS et TSP dans des eaux de surface et de subsurface afin d'en évaluer et comparer les performances dans des situations contrastées d'exposition. La gamme d'utilisation de chaque EP en termes de polarité des pesticides a pu être définie (TS : 3 < log Kow < 5,5 et TSP : 2 < log Kow < 5,5.). Les concentrations en pesticides intégrées sur la durée d'exposition sont équivalentes à un échantillonnage d'eau moyenné au temps et les incertitudes sont du même ordre de grandeur sur les concentrations calculées. Ces EP ont permis de détecter des insecticides organophosphorés faiblement quantifiés par d'autres techniques de prélèvement d'eau. Nous avons démontré leur capacité à intégrer des pics de contamination fugaces en pesticides dans des contextes agricoles variés / Time integrative passive sampling is more and more accepted as an alternative to grab sampling for measurement of organic micropollutants concentrations in aquatic environment. This technique offers the advantage to provide a concentration integrated over the deployment period of the passive sampler and to reduce limit of quantification by combining sampling and in situ pre-concentration steps. The main limitation of passive sampling is the selectivity of the receiving phase for a restricted class of contaminants (hydrophobic or hydrophilic). In this way, we need to deploy several passive samplers for sampling of pesticides covering a wide range of polarities. The aim of this thesis was to develop a receiving phase for passive sampling of pesticides in a single step in aquatic environment.We selected and developed materials for sorption of 28 pesticides with varied physicochemical properties by laboratory tests. The two selected and studied materials were a silicone rubber and a porous copolymer (Oasis ® HLB). Indeed, we shown that silicone rubber have strong affinity for hydrophobic pesticides but they also accumulate polar pesticides. We identified different sorption properties of silicone rubbers owing to their formulation and a possible adsorption mechanism for some pesticides. The composite material developed had mechanical properties adapted for a direct exposition in the aquatic environment and accumulates a range of pesticides expanded for more polar pesticides. These two materials were then shaped as rods for a simple in situ deployment and recovery of pesticides in laboratory. They have been calibrated as passive samplers by studying the impact of flow velocity on uptake kinetic parameters. In situ applications of passive samplers in surface and subsurface waters made it possible to calculate time integrated concentrations of pesticides over a duration exposure of one week. Moreover, we detected organosphorous insecticides underquantified by other techniques of water sampling. They also showed a capacity to integrate short peak contamination of pesticides in various agricultural contexts

Les systèmes aquatiques continentaux sont des vecteurs majeurs du cycle global du carbone, recevant une quantité importante de carbone qu’ils émettent vers l’atmosphère et exportent aux océans. Nous caractérisons les concentrations et les transferts de toutes les formes carbonées à l’interface eau souterraine-ruisseau-atmosphère, dans un bassin versant de plaine, tempéré, forestier et sablonneux, où l’hydrologie se produit majoritairement au travers du drainage des eaux souterraines. Nous suivons différentes stations couvrant l’ensemble de la variabilité du bassin, depuis les eaux souterraines jusqu’à l’exutoire, avec des proportions variables d’occupation du sol. Le DOC est exporté majoritairement en périodes de crues alors que la même quantité de DIC est exportée entre périodes de crues et d’étiages. Le carbone terrestre dérivé des sols forestiers est la source principale de carbone dans les eaux superficielles et seulement 3% de la NEE est exportée. L’occupation du sol modifie localement les formes de carbone dans les ruisseaux mais à l’échelle du bassin la forêt prédomine. Nous quantifions le dégazage de CO2 en s’appuyant sur un bilan de masse isotopique. Environ 75% du dégazage total se produit dans les ruisseaux de premiers et de seconds ordres, qui se comportent comme des points chauds pour l’émission de CO2. Ce travail de thèse contribue à une meilleure définition du rôle des ruisseaux et des rivières dans le cycle global du carbone. De manière plus précise, il améliore les connaissances sur la proportion du pompage biologique de CO2 atmosphérique d’un écosystème qui est exportée vers le réseau hydrographique, ainsi que le devenir de ce carbone en aval. / Inland waters are a major component of the global carbon cycle. These systems receive a significant amount of carbon from aquatic and terrestrial sources. A part of this carbon is degassed in the atmosphere while another is exported to the oceans. We characterize the concentrations and transfers of all carbon forms at the groundwater-stream-atmosphere interface, in a temperate, forested and sandy lowland watershed, where hydrology occurs in majority through drainage of groundwater. We monitored contrasting study site representative of the diversity of the ecosystem, from groundwater to river mouth, with different proportion of land use. DOC is exported in majority during high flow periods whereas the same amount of DIC is exported between high and base flow periods.Terrestrial carbon that originates from soils forests is the major source of carbon in surface waters but only 3% of the NEE is exported. Land use modifies locally the different forms of carbon in streams but at the basin scale forests predominate. We quantify the degassing ofCO2 based on fairly well balanced isotopic mass balance. About 75% of the total degassing occurs in first and second order streams, which behave as hotspots for CO2 degassing. This work contributes to a better definition of the role of streams and rivers in the global carboncycle. Specifically, this work enhances understanding on the proportion of CO2 pumped byan ecosystem and then exported to the river system, as well as the fate of this carbon downstream.

Les PCB (polychlorobiphényles), PBDE (éthers de biphényles polybromés) et OCP (pesticides organochlorés) sont des composés d’origine anthropique classés comme POP (polluants organiques persistants) dont l’usage a progressivement été restreint ou interdit. Ces composés, de par leur caractère ubiquiste, persistant et bioaccumulable, sont néanmoins toujours présents dans l’environnement, d’où l’importance de continuer à étudier leur présence, leur dynamique et leur impact. Du fait de la restriction de leurs usages, d’autres composés sont maintenant utilisés pour les remplacer, tels que les retardateurs de flamme alternatifs (RFA). Ces composés bromés et chlorés ont des propriétés physico-chimiques comparables à celles des POP précités et peuvent potentiellement constituer un danger chimique pour l’environnement. Par ailleurs, les RFA sont attendus à des niveaux de concentration plus faibles que les PCB et les PBDE que ce soit dans les compartiments biotiques et abiotiques. Ainsi, l’un des enjeux de ce travail de thèse était de développer une méthode multi-résidus, associant chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse à temps de vol, permettant d’analyser simultanément 17 RFA à des niveaux inférieurs au ng.g-1. Les niveaux et profils de contamination en POP et RFA ont ensuite été renseignés dans les compartiments biotiques et abiotiques de différents systèmes aquatiques contrastés. Le caractère bioamplifiable de ces composés a été étudié grâce à la détermination de facteurs d’amplification trophique (TMF) dans l’estuaire de la Gironde et dans le bassin du Rhône, à l’aide d’outils statistiques innovants. Dans l’estuaire de la Gironde il a été mis en évidence que certains RFA étaient autant voire plus bioamplifiables que certains POP historiques. Par ailleurs, dans le bassin du Rhône, l’utilisation des TMF comme outil prédictif, pour le BDE-47 ou la ΣPBDE-DCE par exemple, a été discutée et parait envisageable dans un cadre réglementaire. / PCBs (polychlorinated biphenyls), PBDEs (polybrominated biphenyl ethers) and OCPs (organochlorine pesticides) are anthropogenic compounds classified as POPs (Persistent Organic Pollutants), their use was restricted or prohibited. These compounds are ubiquitous, persistent and bioaccumulative and they are still present in the environment; this is the reason why it is important to continue the study of the fate and impact in the environment. Due to their usage restriction, other compounds are now used to replace them, such as alternative flame retardants (RFAs). These brominated and chlorinated compounds have physicochemical properties comparable to those of POPs and can thus be potentially hazardous to the environment. In addition, RFAs are expected to occur at lower concentrations than PCBs and PBDEs, whether in the biotic and abiotic compartments. Thus, one of the challenges of the present work was to develop a multiresidue method, based on gas chromatography coupled with a time-of-flight mass spectrometer, allowing for the simultaneous analysis of 17 RFAs at levels below ng.g-1. The levels and patterns of POP and RFA contamination were reported in the biotic and abiotic compartments of selected hydrosystems. The biomagnification potential of these compounds was also studied by determining trophic magnification factors (TMF) in the Gironde estuary and in the Rhône basin. In the Gironde estuary, it was shown that some RFA biomagnify as much or more than some historical POPs. Furthermore, in the Rhône basin, the use of TMF for predictive purpose, for BDE-47 or ΣPBDEs-WFD for example, was discussed and found possible.

Pendant la majeure partie du Pléistocène, les régions de la Terre recouvertes de pergélisol ont été des accumulateurs nets de carbone (C) d’origine végétal et transféré au sol. L’accumulation de ce C organique dans les sols de la région de pergélisol circumpolaire nord a conduit à des stocks qui contiennent actuellement une masse C supérieure à celle qui existe dans l'atmosphère par un facteur de plus de deux. Dans le même temps, les rivières du pergélisol arctique rejettent environ 11% du flux d’eau fluvial global dans les océans, et ce dans un océan (l’Arctique) correspondant à 1% du volume d’eau total des océans et une très grande surface ce qui le rend relativement sensible aux afflux de matières dérivées des surfaces terrestres. Ce flux fluvial provient de précipitations sous forme de pluie ou de neige qui, lors du contact initial avec la surface, ont le potentiel immédiat d'interagir avec le C de l'une des deux manières suivantes: d’une part, l'eau qui coule sur des roches carbonatées ou silicatées provoquera une réaction dont le réactif nécessite l'absorption de CO2 atmosphérique, qui est ensuite transporté dans l'eau des rivières. Ce C inorganique issu de l’interaction de l’eau, de l’atmosphère et de la lithosphère représente donc un vecteur de stockage ou de «puits» du C. D’autre part, l’eau qui interagit avec la matière organique présente dans les arbres, la litière ou le sol peut dissoudre le C qu’elle contient et le transférer par les eaux de surface et souterraines dans les rivières. Ce carbone peut ensuite être métabolisée vers l’atmosphère ou exportée dans la mer. Des améliorations récentes dans la compréhension de la dynamique du C terrestre indiquent que ce transfert hydrologique de matière organique représente le devenir dominant du carbone organique, après prise en compte de la respiration des plantes et du sol. Dans le contexte du réchauffement climatique d’origine anthropique amplifié de l'Arctique, l'exposition thermique imposée au stock de pergélisol de C, associé à d'une augmentation des précipitations futures, laisse présager des changements importants dans le cycle du carbone organique et inorganique induit par les flux latéraux. Cependant, la totalité des processus impliqués rend difficile la prévision de ce changement. Partant de ce constat, cette thèse s’appuie sur les avancées antérieures en matière de modélisation du système terrestre pour inclure la production et le transport latéral de carbone organique dissous (COD), de CO2 dérivé de la respiration et d’alcalinité dérivée au sein d’un modèle global de surface terrestre développé précédemment pour résoudre spécifiquement les processus des régions boréales. Al’aide de données de pointe sur le sol, l'eau, la végétation et la climatologie pour forcer les conditions aux limites nous sommes en mesure de reproduire les processus et les flux de transport latéraux existants ainsi que faire des projections futures. Dans cette thèse, nous montrons que les exportations d'alcalinité panarctique et l'absorption du CO2 qui l'accompagne augmentent avec le réchauffement, que les flux de COD diminuent en grande partie à cause des circuits d'écoulement d'eau plus profonds dans le sol et des changements qui en résultent dans les interactions carbone-eau. Enfin, nous observons que la libération de COD dans l’Articque n’est pas linéairement liée à la temperaturre. Par conséquent, la future libération de COD dans l'Arctique peut augmenter ou diminuer avec la température en fonction des modifications de l'état thermique et des trajectoires hydrologiques dans les sols profonds. L'effet net de ces flux sur les océans est de réduire l'acidification future de l'eau de mer d'origine terrestre. Les améliorations futures apportées au modèle pour inclure des représentations du carbone particulaire, de génération de méthane, de COD pyrogénique, de subsidence de glace / surface du sol sont nécessaires pour accroître la rigueur des résultats générés par ce modèle. / For much of the Pleistocene, regions of the Earth underlain by permafrost have been net accumulators of terrestrially-fixed plant carbon (C), known as organic C, to the extent that in the present day the soils of the northern circumpolar permafrost region alone contain a C mass outweighing that which exists in the modern atmosphere by a factor of over two. At the same time, the rivers of the Arctic permafrost region discharge about 11% of the global volumetric river water flux into oceans, doing so into an ocean (the Arctic) with 1% of global ocean water volume and a very high surface area: volume ratio, making it comparatively sensitive to influxes of terrestrially derived matter. This river flux is sourced from precipitation as either rain or snow, which, upon initial contact with the landscape has the immediate potential to interact with C in one of two ways: Water running over carbonate or silicate –bearing rocks will cause a reaction whose reactant requires the uptake of atmospheric CO2, which is subsequently transported in river water. This ‘inorganic’ C derived from interaction of water, atmosphere and lithosphere thus represents a C storage or ‘sink’ vector. In addition, water interacting with organic matter in tree canopies, litter or soil can dissolve C contained therein, and transfer it via surface and subsurface water flows into rivers, whereupon it may either be metabolised to the atmosphere or exported to the sea. Recent improvements in understanding of terrestrial C dynamics indicate that this hydrologic transfer of organic matter represents the dominant fate of organic carbon, after plant and soil respiration are accounted for. In the context of amplified Arctic anthropogenic warming, the thermal exposure imposed on the permafrost C stock with expectations of enhanced future precipitation point toward substantial shifts in the lateral flux-mediated organic and inorganic C cycle. However, the complex totality of the processes involved make prediction of this shift difficult. Addressing this gap in instrumental power and theoretical understanding, this collection of studies builds upon previous advances in earth system modelling to include the production and lateral transport of dissolved organic C (DOC), respiration-derived CO2, and rock-weathering derived alkalinity in a global land surface model previously developed to specifically resolve permafrost-region processes. By subjecting the resulting model to state of the art soil, water, vegetation and climatology datasets, we are able to reproduce existing lateral transport processes and fluxes, and project them into the future. In what follows, we show that while Pan-Arctic alkalinity exports and attendant CO2 uptake increase over the 20th and 21st Centuries under warming, DOC fluxes decline largely as a result of deeper soil water flow-paths and the resulting changes in carbon-water interactions. Rather than displaying a clear continuous (linear or non-linear) temperature sensitivity, future Arctic DOC release can increase or decrease with temperature depending on changes in the thermal state and hydrologic flow paths in the deep soil. The net marine effect of these fluxes is to decrease future terrestrially derived seawater acidification. Future model improvements to include representations of particulate C, methane generation, pyrogenic DOC, peat generation, soil ice/land surface subsidence are required to increase the rigor of the results generated by these models.