Située à l'interface entre les eaux de surface et les eaux souterraines, la zone hyporhéique (ZH) est depuis maintenant plusieurs décennies considérée comme une zone cruciale pour la préservation des milieux aquatiques. Elle constitue souvent un indicateur fiable de la bonne qualité des eaux et une niche écologique primordiale pour de nombreuses espèces. Mais elle est aussi le lieu d'interaction entre deux masses d'eau de signature différente, ce qui conduit à la formation d'un milieu extrêmement fragile et siège d'un grand nombre de réactions biogéochimiques. L'objectif principal de cette thèse est de parvenir à une meilleure compréhension de la dynamique des échanges au sein de la zone hyporhéique. L'approche de cette problématique s'est faite sous un aspect innovant en couplant une démarche hydrogéologique "classique" à l'aide de mesures hydrodynamiques et géochimiques, et l'utilisation de la tomographie de résistivité électrique (ERT). Plusieurs campagnes de terrain ont été menées sur la rivière Essonne, choisie comme lieu d'expérimentation. Différents outils de prélèvement et/ou de mesure ont été mis en place et un grand nombre de mesures à différentes périodes de l'année ont été réalisées. Des expériences assez techniques et innovantes de suivi d'un abaissement et relèvement de barrage, ainsi qu'un traçage artificiel au sel ont pu être effectués grâce à la collaboration avec le syndicat chargé de la gestion et l'aménagement d'une partie du réseau hydrographique de l'Essonne (SIARCE). En parallèle avec cette étude expérimentale, une maquette numérique 3D de la zone d'étude a été réalisée à l'aide du logiciel HydroGeoSphere. Des tests de sensibilité ont permis d'identifier les paramètres hydrodynamiques les plus importants et de quantifier leur impact sur la formation et l'évolution de la zone hyporhéique. Finalement, les premières simulations des expériences menées sur le terrain ont permis de confronter l'approche expérimentale et l'approche théorique. / The Hyporheic Zone (HZ) is located at the interface between surface water and groundwater. For several decades it is considered as a hotspot for the development of a rich aquatic environment in rivers. Its system is often considered as a reliable indicator for water quality and a primary ecological niche for many species. From a hydrological point of view, it is also the place of interaction between two distinct water bodies with different geochemical signatures. This place of mixing forms a very fragile equilibrium where many biogeochemical reactions can occur. The objective of this thesis is to reach a better understanding of mixing and water fluxes in a dynamic context within the hyporheic zone. An innovative method was used by coupling a "classic" hydrogeological approach with hydrodynamic and geochemical measurements with Electrical Resistivity Tomography (ERT). Several field campaigns were done on the Essonne river as experimental site. A large number of measurements were done at various periods of the year and field equipment for water sampling and measurements were installed during these three years. Technical and innovative experiments were conducted such as a dam lowering and rising and an artificial salt tracer test in collaboration with the federation in charge of organization and management of the Essonne network. Finally, a 3D-model of the studied area was built with the HydroGeosphere software. The main hydrodynamic parameters have been tested in order to understand their impact and their variation in a static or dynamic environment on the hyporheic system and its development. In addition, field experiments were reproduced to compare the experimental and theoretical approach.

Dans les cours d'eau forestiers, la décomposition des litières végétales constitue un processus écologique fondamental. Ce processus sous l'effet des contraintes abiotiques de la zone hyporhéique (ZH) de ces cours d'eau, ainsi que la quantification de la dynamique des invertébrés et des champignons décomposeurs associés ont été étudiés, le tout inséré dans une vision intégrative à l'échelle de l'écosystème. Les résultats suggèrent de réexaminer le fonctionnement écologique de ces cours d'eau, uniquement basé sur la compréhension des relations trophiques et aux flux de carbone liés à la décomposition des litières situé à la surface du sédiment, en y intégrant la dimension verticale conceptualisée par les "hyporhéologistes". Ces résultats conduisent à repenser la dynamique et le rôle des hyphomycètes aquatiques à une échelle plus large que celle de la colonne d'eau uniquement, et mettent en évidence l'importance de la ZH qui à cet égard restait jusqu'à présent en grande partie négligée.

Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont complexes et jouent un rôle prépondérant dans le fonctionnement des hydrosystèmes, tant en termes quantitatifs que qualitatifs. Ces deux compartiments interagissent à travers différentes interfaces emboitées depuis l’échelle locale, notamment la zone d’interface rivière-nappe, appelée zone hyporhéique (ZH) jusqu’à l’échelle régionale. La ZH se définit comme un buffer entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Les variations des flux d’eau et de chaleur au niveau de cette zone modulent les processus biogéochimiques. Le but de cette thèse est d’améliorer la compréhension du régime thermique et hydrologique de la ZH et de sa variation spatiale. Cette problématique est abordée par l’utilisation de stations de mesures haute fréquence des échanges nappe-rivière (MOLONARI) sur le bassin des Avenelles (sous bassin de la Seine (46 km2)) et de la modélisation. Le suivi haute fréquence a permis de réaliser une analyse des données expérimentales présentant le régime hydro-climatique du bassin ainsi que l’évolution spatiale et temporelle du fonctionnement des différents compartiments de l’hydrosystème. Un cas synthétique a été réalisé afin de caractériser les différents facteurs contrôlant le régime thermique de l’interface nappe rivière et la variation de stocks d’énergie au sein de la ZH. La démarche de modélisation suivie pour le cas synthétique fournit un cadre d’analyse des données des cinq stations MOLONARI. Les données acquises sur ces stations ont été utilisées afin de déterminer les propriétés hydrodynamiques et thermiques de la ZH ainsi que des couches géologiques sous-jacentes par inversion à l’aide du modèle METIS couplé à un script de balayage de l’espace des paramètres afin de quantifier les flux d’eau et de chaleur à l’interface nappe-rivière le long d'un corridor hydraulique. Les résultats du modèle mettent en lumière la variabilité spatio-temporelle des échanges de chaleur au niveau des cinq stations MOLONARI. La quantification des flux de chaleur a fourni un nouvel éclairage des interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines à l’interface nappe-rivière du bassin des Avenelles. / The river-aquifer interactions are complex and play a preponderant role in hydrosystems functioning, in both qualitative and quantitative terms. These two compartments interact through various nested interfaces from the local scale in particular the river aquifer interface called the Hyporheic Zone (HZ) to the regional scale. The HZ acts as a buffer between the stream and the groundwater. The water and heat fluxes variation at this zone modulates the biogeochemical processes.The aim of this thesis, is to improve the understanding of the thermal and hydrological regime of the HZ and its spatial variation. This problem is approached by the use of high frequency measurement stations of river-aquifer exchanges (LOMOS) in the Avenelles basin (sub-basin of the Seine basin (46 km2)) and by modeling. The high frequency monitoring allowed to realize an analysis of the experimental data characterizing the hydroclimatic regime of the Avenelles basin as well as the spatial and temporal evolution of the hydrosystem various compartments functioning.A synthetic case was realized to characterize the main factors controlling the thermal regime at the river aquifer interface and the energy storage variation within the ZH. The modeling approach followed by the synthetic case provides an analysis framework of the five LOMOS data.The acquired LOMOS data were used to determine the hydrogeological and thermal properties of the HZ and of the underlying aquifers by inversion by means of a 2D finite element thermo-hydrogeological model (METIS) coupled with a parameters screening script to quantify water and heat fluxes through the stream – aquifer interface over along the stream network.The model results highlight the spatiotemporal variability of the heat exchanges at the five LOMOS. The quantification of heat fluxes provided a new lighting of the stream-aquifer interactions of the Avenelles basin.

L’étude présentée a pour objectif de mieux comprendre l’influence de l’hydrodynamique sur le transfert de produits phytosanitaires lors d’écoulement dans les fossés agricoles. Quatre paramètres ont plus particulièrement été étudiés : i) la vitesse de l’écoulement de surface ; ii) la submergence, définie comme le rapport moyen entre la hauteur des formes du lit et la hauteur d’eau ; iii) la forme du lit et iv) le degré de saturation en eau du lit avant la contamination par les produits phytosanitaires. L’influence de ces paramètres a été étudiée en conditions semicontrôlées à travers la mise en oeuvre d’expérimentations en canal expérimental, au fond duquel a été fixé pour chaque expérimentation un substrat type constitué d’un assemblage de fibres de chanvre utilisé pour approcher de manière simplifiée un système naturel relativement complexe et hétérogène (en considération des nombreux substrats rencontrés dans le lit des fossés naturels : herbes, feuilles mortes, végétation en décomposition, paille, sédiments, …). Les fibres de chanvre ont été choisies après une étude préliminaire en laboratoire visant à comparer les possibilités d’adsorption et de désorption des produits phytosanitaires sélectionnés sur diverses fibres couramment utilisées dans l’industrie géotextile (jute, lin, chanvre, polyamide, polypropylène et polyester). Les expérimentations en canal expérimental ont été menées de manière à tester l’influence spécifique des paramètres étudiés. La comparaison des différentes expérimentations indique qu’une augmentation de la vitesse de l’écoulement de surface augmente la quantité de produits phytosanitaires transférés de l’écoulement de surface vers le lit, ainsi que la cinétique de ce transfert. Le constat est le même lorsqu’on augmente la submergence, ou bien lorsqu’on passe d’une géométrie de petites formes en « dunes » à une géométrie de grandes formes en « créneau ». Enfin, le fait que le lit soit saturé en eau en début d’expérimentation réduit fortement le transfert de la lame d’eau vers le lit. On observe également que l’influence de chaque paramètre semble être interdépendante. Devant le coût en temps et en argent de ces expérimentations, un modèle a été sélectionné dans la littérature, codé et utilisé pour conforter et compléter l’interprétation des données expérimentales. / The aim of this work was to better understand the influence of hydrodynamics on the transfer of pesticides in water flows in agricultural ditches. Special attention was given to four parameters: i) the speed of the surface water flow, ii) the submergence, defined as the mean ratio between the height of the bedforms and the water depth, iii) the shape of the bedforms and iv) the water content of the bed substrate before contamination by pesticides. The influence of these various parameters was investigated with an experimental flume, using a standard of substrate made of hemp fibres. Hemp fibres were chosen as a simplified model of natural substrates such as grass, dead leaves, decaying vegetation, straw and sediments, which are rather complex and heterogeneous. Hemp fibres were selected from preliminary laboratory studies which allowed to compare the adsorption and desorption characteristics of various pesticides for different fibres often used in the geotextile industry (jute, linen, hemp, polyamide, polypropylene and polyester). The flume experiments were designed in order to assess the influence of the four parameters mentioned above. The comparison between the different experiments shows that an increase in surface water speed results in an increase in the amount of pesticides transferred from the water to the bed substrate and the transfer kinetics. A similar result is observed when increasing the submergence, or when going from small sinusoidal bedforms to larger rectangular bedforms. In addition, the data show that the transfer of pesticides from surface water to the bed substrate is strongly decreased when the substrate was saturated with water at the beginning of the experiments. Also, it appears that there is a link between the influence of the differents parameters. When considering the long time duration and the cost of the experiments, it was decided to use a model from the literature which was adapted and used to confirm and extend the interpretation of the experimental data.

L'objectif de cette étude est de mieux comprendre comment la biodiversité influence le service de purification de la qualité de l'eau en tant que service de régulation capable de limiter la charge en polluants de l'eau naturelle. Peu d'études ont regardé comment les invertébrés (macro- et méio-faune) sont capables d'influencer le fonctionnement de la zone hyporhéique considérée, comme un réacteur biogéochimique contribuant largement au recyclage des nutriments. L'élimination du nitrate et la dénitrification sont utilisés comme indicateur de ce service dans les rivières afin de pouvoir suivre son évolution spatiale et temporelle. Dans cette thèse, la relation fonctionnelle entre le taux de réduction des nitrates et les organismes participant à l'expression de ce service est testée à différentes échelles d'étude allant du microcosme jusqu'à l'habitat hyporhéique d'un méandre de large rivière, la Garonne. Cette relation est mise en évidence dans une série de colonnes d'infiltration reproduisant le lit de rivière avec sa communauté benthique (projet Inbioprocess). Dans cette expérience, un gradient de biodiversité a été créé avec des combinaisons de communautés +/- biofilm, +/- méiofaune et +/- macrofaune pour tester leur influence sur l'élimination du nitrate avec et sans pesticides dans le cadre du projet Inbioprocess. Les résultats suggèrent l'influence des interactions entre communautés, sur le taux de réduction des nitrates qui est supérieur quand les invertébrés sont présents (11.8 ± 1.2) par comparaison avec les conditions sans invertébrés (7.7 ± 1.4 mg N l-1d-1 ; moyenne ± erreur standard (m ± ET)). Ces interactions ont également été suggérées comme favorisant le retour de la capacité de réduction des nitrates en présence de pesticides, utilisé comme source de stress, dans l'eau des microcosmes. Ces résultats de laboratoire montrent l'influence des interactions trophiques et non trophiques entre les différents niveaux trophiques de ce réseau, avec probablement l'implication des espèces les plus résistantes pour expliquer la capacité potentielle de résilience du système. L'existence de cette relation fonctionnelle de type "top-down" a ensuite été explorée en conditions in situ. Les taux de rétention mesurés dans 9 cours d'eau européens (projet STREAMES) ont été estimés à l'échelle du tronçon de rivière à 1.64 ± 2.39 (m ± ET) mg NO3--N m-2.min-1. L'influence des communautés d'invertébrés sur le taux de réduction des nitrates se révèle statistiquement comme aussi importante que celle des facteurs physicochimiques dans l'ensemble des tronçons explorés. L'étude des traits biologiques des communautés d'invertébrés a permis de préciser le type de communauté le plus corrélé aux processus d'élimination des nitrates. Ces organismes sont majoritairement interstitiels vivant dans les sédiments grossiers et avec des modes d'alimentation de type brouteurs de biofilm. Dans la zone hyporhéique de la zone humide alluviale de Monbéqui (projet Attenagua), la corrélation positive de la communauté d'invertébrés avec le taux de dénitrification a été seulement visible pendant automne. Cette période est considérée comme un moment propice pour l'observation de la relation diversité-fonction dans ce milieu. / This PhD study aims to understand how the biodiversity influences the water purification processes in the hyporheic zone of running water, as an important regulating service that reduces the quantity of pollutants in freshwater ecosystems. Few studies have focused on how the invertebrate community influences the functioning of hyporheic zones, which are considered as a biogeochemical reactor that largely contributes to nutrient cycling capacity of the rivers. Nitrate retention or denitrification functions in hyporheic zones are used as indicators for the water purification service. The relationship between the nitrate removal function and its associated biodiversity was tested at different scales from indoor microcosms to in-stream reaches and the hyporheic habitat of a large river (Garonne) meander, under natural and stressful conditions. First, the linkage between invertebrates and the nitrate (NO3-) removal function was given in evidence in a series of infiltration columns that mimicked the riverbed conditions with its benthic communities. A gradient of community diversity was created with biofilm, meiofauna and macrofauna communities' combination in different treatments. It enabled to test the influence of the invertebrate community on the NO3- removal rates with and without pesticides during the Inbioprocess project. The results implied the influence of invertebrate and microbial cross-community interactions on NO3- removal rates, which was higher with invertebrate communities in the sediments (11.8 ± 1.2) than without (7.7 ± 1.4 mg N.l-1.d-1). These findings suggested a top-down control of invertebrates on the microbial activities. These interactions were also depicted at the source of the recovery of the NO3- removal capacity when facing stressful conditions due to addition of pesticide in the experimental water. These laboratory findings highlighted the importance of multi-trophic level interactions in the hyporheic habitat, with probable implication of the more resistant species in the resilience capacity of this system. The occurrence of the top-down linkage was then explored in in situ habitats. The NO3- removal rates measured at the reach scale in 9 European streams during the STREAMES project ranged from 0.04 to 10.75 with an average of 1.64 ± 2.39 mg NO3--N m-2.min-1 (Mean ± SE). The results suggested that not only physico-chemical and hydrological factors, but also macro-invertebrate assemblages may influence nitrate removal. Some functional groups positively correlated with nitrate reduction were biofilm grazers and interstitial organisms associated with macro-porous substrate. In the hyporheic water of Monbequi meander of the Garonne river, the positive correlation between invertebrate diversity and the potential denitrification rates was only visible during the autumn season, suggesting a potential "hot moment" for the observation of this correlation between biodiversity and ecosystem function in fields.

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre du projet EPEC (Epuration en Eau Courante) soutenu par le programme ECOTECH 2010 de l’ANR. Ce projet doit permettre d’aider à répondre aux exigences de la Directive Cadre sur l’Eau pour les petits cours d’eau en zone rurale. Deux voies ont été explorées i) la première vise à étudier et à proposer des moyens d’améliorer la capacité d’épuration au sein de systèmes naturels, en s’appuyant sur des observations réalisées sur deux cours d’eau en Lorraine (Brénon et St-Oger) ii) la seconde concerne la réduction des impacts sur le milieu récepteur des rejets de stations d’épuration en milieu rural par l’étude du fonctionnement de zones de rejet végétalisées (ou ZRV) à la sortie de ces stations. A l’échelle de la rivière, la caractérisation sur tout son cours permet de distinguer les zones les plus susceptibles de présenter des phénomènes d’autoépuration marqués. Cela a permis, en combinaison avec des caractérisations hydromorphologiques, de sélectionner pour chacun tronçon de taille plus réduite. Ces tronçons sont localisés en aval de zones urbanisées et présentent une succession de parties rectifiées et de parties naturelles. La réponse du tronçon naturel face aux polluants domestiques est différente selon le cours d’eau. Le tronçon naturel du Brénon, d’une longueur d’environ 6 km était efficace en termes d’abattement des matières organiques, de l’azote ammoniacal et des nitrates. Quant au St-Oger, les polluants ont été beaucoup moins influencés dans le tronçon naturel dont la longueur n’était que de 0.5 km. La troisième échelle s’est intéressée au compartiment hyporhéique dont le comportement est déterminé par les caractéristiques hydromorphologiques du cours d’eau, la composition du substrat et notamment sa porosité, et les conditions hydrologiques qui varient en fonction des aléas climatiques. A partir de prélèvements dans la zone hyporhéique (- 30 et -50 cm pour le Brénon et -20 et -30 cm pour le St-Oger), quatre types de fonctionnement ont été distingués en fonction de la disponibilité en oxygène dissous et des échanges possibles entre la zone hyporhéique et l’eau de surface : (1) les zones aérobies à échange hyporhéique important contribuent à la dégradation des matières organiques et à l’oxydation de l’azote ammoniacal ; (2) les zones anoxiques à échange hyporhéique moindre caractérisées par une épuisement rapide de l’oxygène dissous par le biais de métabolismes microbiens aérobies et par une réduction des nitrates ; (3) les zones anoxiques à faible échange hyporhéique caractérisées par une accumulation des sels en profondeur et une réduction des nitrates et sulfates et (4) les zones fermées caractérisées soit par présence du colmatage soit par une très faible conductivité hydraulique. Ces fonctionnements ont pu partiellement être reproduits au laboratoire dans un réacteur à lit poreux permettant de simuler la zone hyporhéique. Le terme de ZRV est utilisé pour décrire des espaces aménagés entre le point de rejet de station d'épuration en amont et le milieu récepteur en aval, dans le but de réaliser un traitement de finition des eaux résiduaires traitées. Ces ZRV ont montré une forte capacité à éliminer les nitrates et les phosphates en période estivale, mais une production de carbone organique dissous a aussi été notée lié à la décomposition des macrophytes (phragmites, lentilles d’eau, algues, etc). En plus, une forte production d’oxygène par la photosynthèse des algues a été observée au printemps. Cependant, cette production s’atténuait progressivement avec la vitesse de recouvrement de l’eau libre par de lentilles d’eau. Deux tests biologiques sur le potentiel de la dénitrification et de méthanisation des sédiments des zones humides ont été effectués en laboratoire pour corroborer les observations de terrain / The present PhD work was carried out within the project EPEC (Epuration en Eau Courante) funded by an ANR program, ECOTECH, in order to meet the requirements of Water Framework Directive for small streams, in particular in rural areas where domestic wastewater could be directly discharged by reason of lack of sewerage network and contribute to water quality degradation. Two study directions have been taken: i) the first aimed to study natural purification in stream systems and find out the way to improve water quality, and 2) the second concerned the reduction of the impact of wastewater treatment plants (WWTP) discharge to receiving water bodies by installation of a free-surface constructed wetland between them. Three study scales were investigated within two rural streams of Lorraine, Brénon and St-Oger. At stream scale, characterization of water quality along its course allowed us to distinguish some segments where occurred naturel purification processes. The second study scale was on relevant stream sections presenting interesting hydromorphologic features. These sections were located at the downstream of urban areas and present a succession of rectified and naturel segments. The response of naturel sections to domestic pollutants was different for the two streams. The Brénon section length of about 6 km was efficient for organic matter, ammonium nitrogen and nitrates removal. Concerning the St-Oger stream, the pollutants were less influenced in the natural section long of only 0.5 km. The last study scale focused on the hyporheic zone where system function depends on hydromorphologic features of the stream, composition of streambed, especially its porosity, and hydrologic conditions which depends on climate. According to analysis on hyporheic waters sampled at -30 and -50 cm for Brénon and -20 and -30 cm for St-Oger, four functional zones were distinguished in relation with dissolved oxygen availability and possible water exchange between hyporheic zone and surface water: (1) aerobic zones at high hyporheic exchange showing contribution to organic matter degradation and oxidation of ammonium nitrogen; (2) Anoxic zones with less hyporheic exchange characterized by fast dissolved oxygen depletion by aerobic microbial metabolism and reduction of nitrates; (3) Anoxic zones with low hyporheic exchange characterized by accumulation of salts in deep layers and reduction of nitrates and sulfates and (4) “closed” zones characterized by clogged spaces or very low hydraulic conductivity. These functions could be partially reproduced in laboratory within a porous bed reactor simulating an hyporheic zone. Free-surface wetlands are spaces constructed between the discharge point of the WWTP and the receiving watercourse, here small streams in rural areas, with the aim to finish the waste water treatment. The wetlands had shown high capacity to remove nitrates and phosphates in summer periods. However a production of dissolved organic carbon was noticed and results from plant decomposition (reed, duckweed, algae, etc.). Algae contributed to high oxygen production through photosynthesis in spring. This production progressively decreased with the proliferation of duckweed on the water surface. Two biological tests on sediment's potentiality for denitrification and methane production were carried out at laboratory scale in order to corroborate the field observations