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Le 7 août 2009, un pipeline transportant du pétrole brut s'est rompu, provoquant le déversement de 5100 m3 de brut sur 5 hectares de la Réserve Naturelle des Coussouls de Crau. Le pétrole a atteint l'aquifère et a formé un LNAPL qui alimente un panache de polluants dissous, dont le benzène, composé cible car toxique. Cette étude vise à montrer que la biodégradation du pétrole (biostimulation ou atténuation naturelle), en particulier des composés dissous, est une mesure efficace de gestion à long terme des risques pour la ressource en eau. Une première étude en microcosmes a montré la biodégradation, même dans les conditions les plus réductrices, des composés cibles dont le benzène. Cette étude a confirmé que la disponibilité en oxydant est un facteur limitant et que le phosphate est un levier puissant pour stimuler la croissance bactérienne. Une seconde étude sur site a prouvé la faisabilité de la biostimulation par injection de nitrate et de phosphate dans la nappe et son efficacité pour l'abattement des concentrations en polluants dissous. L'utilisation du radon comme traceur pour estimer la saturation en pétrole dans l'aquifère a été évaluée dans une troisième étude. La facilité de mise en oeuvre de la méthode ainsi que les résultats offrent des perspectives intéressantes pour l'optimisation des systèmes de pompage-écrémage sur des sites ayant un NAPL. Une dernière étude portant sur la mise en place des processus d'oxydoréduction et de dégradation sur site a montré une évolution rapide des conditions après l'accident, traduisant un environnement favorable à l'atténuation naturelle. La dégradation in situ du benzène a été mise en évidence via des mesures isotopiques. / On August 7, 2009 a pipeline transporting crude oil broke in the heart of the Nature Reserve of Coussouls de Crau, and 5,100 m3 of oil were spilled over 5 hectares. Oil infiltrated through the subsurface and reached the most important regional aquifer where it formed a LNAPL that created a plume of dissolved compounds. Among these compounds, benzene is of particular concern because of its toxicity and high solubility. This thesis aims at showing that biodegradation of crude oil, especially of dissolved compounds, is a good option for long-term management of risks for the water resource. A first study in microcosms demonstrated biodegradation of targeted compounds, including benzene, even under the most reducing conditions. This study also revealed that the availability of electrons acceptors was a limiting factor and that phosphate was a powerful lever to stimulate bacterial growth. An on-site study proved the feasibility of biostimulation by nitrate and phosphate injection in the aquifer and showed that biostimulation was efficient to reduce concentrations of dissolved compounds. Naturally occurring radon was used as a tracer to estimate oil saturation in the saturated zone in a third study. The ease of implementation of this method and the results offer interesting perspectives to optimize the yield of pump-and-skim systems in LNAPL-contaminated sites. The last study focused on the implementation of redox processes and degradation in the saturated zone after the spill. This study showed that processes quickly evolved and that conditions were favorable to natural attenuation. In situ benzene degradation was proven by the measurements of stable isotopes of carbon.

Sur la région de la Crau, le système l’irrigation gravitaire appliqué aux prairies de foin joue un rôle important dans le maintien du cycle hydrologique en étant le principal contributeur à la recharge de la nappe souterraine de la Crau (70 à 80% de la recharge). Dans le futur, des pressions sur la ressource en eau alimentée ce système d’irrigation risquent de s’accroître du fait des changements climatiques et de l’augmentation des autres usages de l’eau (domestiques,industriels, ..) et induisent la nécessité de l’optimisation de ce système afin de maintenir l’état des ressources en eau souterraines. Cette optimisation nécessite la connaissance des vrais quantités d’eau apportées à la parcelle qui sont mal connues, et de spatialiser ces quantités à l’échelle du territoire. Ainsi, l’objectif de ce travail est de développer une méthodologie permettant d’améliorer la quantification de ces volumes à deux échelle (parcellaire et régionale). Un système numérique incluant un modèle d’irrigation gravitaire dénommé ‘Calhy’ a été développé au cours de ce travail. Ce système permet de caractériser le fonctionnement des principaux processus intervenant dans ce système d’irrigation (infiltration de l’eau dans le sol et la propagation à la surface de la parcelle). Mais l’estimation de ces processus est limité par la connaissance de certains paramètres non mesurables, tels que la conductivité hydraulique à saturation du sol et la rugosité hydraulique de la surface parcellaire. Une analyse de sensibilité AS a été menée dans un premier temps au cours de ce travail afin de définir la contribution de la variation de chaque paramètre non mesurable sur la variance des variables de sortie. Les résultats montrent la possibilité d’estimation ces paramètres à partir des accessibles variables auxquels ils sont sensibles. Ainsi, une méthode d’inversion s’est basé sur les résultats d’AS, combine le modèle Calhy et un dispositif expérimental a été appliqué dans un second temps pour l’estimation paramètres et valider l’approche proposée. Les résultats montrent que cette approche est robuste et efficace pour estimer ces paramètres. A la fois les paramètres ont été issus pour démarrer le système (estimés ou mesurés), nous avons étudié différentes modifications du système d’irrigation actuel (changement de la pente de la parcelle, du sens d’irrigation, l’apport de l’eau en différents points de la parcelle, ….), et leurs impacts sur l’homogénéité de l’infiltration et la durée de l’irrigation.296En parallèle, Nous avons établi un modèle empirique de dose d’irrigation basé sur l’analyse des pratiques d’irrigation investigués auprès des enquêtes procédés chez les agriculteurs. Différents modèles empiriques ont été développés en basant sur des régressions calculant la dose d’irrigation et la durée en fonction du débit disponible et des paramètres parcellaires caractérisant les conditions d’irrigation tels que la géométrie de la parcelle (longueur, largeur et surface). Le modèle de dose empirique investigué au cours de ce travail permet de fournir une estimation de la dose distribué sur tout le territoire de la Crau en intégrant ce modèle dans le simulateur de laCrau. / Worldwide, the irrigation accounts for 70% of all water consumption: understanding therelationship between irrigation and ecosystems and optimizing the irrigation practices cancontribute to the sustainability management of water resources. In the Crau region (southern ofFrance), the flooding irrigation system used for irrigating the hay fields plays an important role inwater cycle: in this system, considerable amounts of water are brought to the hay fields (about 20000 m3/ha/year i.e. 2 000 mm), which participate strongly to the recharge of the Crau aquifer(between 66% and 80% of the recharge). In the future, the pressures on the availability of waterresources that feed this irrigation system (the reservoir of Serre Ponçon) may increase because ofthe climate change and the increase in the another water uses. Thus, it becomes necessary tooptimize the irrigation practices in order to conserve the water and ensure a sufficient rechargefor aquifer of the Crau. This optimization requires i) the knowledge of the amount of waterbrought to the plot that are not currently known, ii) spatialize these amounts over the regionalscale. This work aims to develop a methodology to improve the quantification of these volumesat the field and regional scales. A numerical system that includes a flooding irrigation modelcalled 'Calhy' was developed, takes into account the main processes involved in this irrigationsystem (water infiltration into the soil and the runoff of water slide over the plot surface). Firstly,a sensitivity analysis was conducted in order to classify the Calhy’s parameters according to theirimportance and define an optimal experimental apparatus allowing to estimate them using aninverse approach. Secondly, an inversion procedure based on the proposed experimental297apparatus and the previous model was implemented on several plots in the study area. The resultsshow that the important parameters can be estimated and then Calhy can be used to analyse andoptimize irrigation practices. Then, different optimization scenarios were identified. In parallel,we developed an empirical model of irrigation dose based on the analysis of irrigation practicesin a group of exploitations in the study region. Different empirical models were developed;regressions were used to compute the irrigation dose and duration from geometricalcharacteristics of the borders (length, width and surface) and available water inflow rate. Theempirical model of irrigation dose developed in this work would provide a spatial estimation ofirrigation doses overall plots in the study region, and would contribute to a better quantificationof water recharge of the Crau aquifer and its locations.

La plaine de la Crau (Bouches-du-Rhône, France) renferme une nappe phréatique alluviale qualifiée de « ressource patrimoniale ». Débutée il y a près de 500 ans par la création d’un réseau de canaux, la mise en culture de prairies, est encore aujourd’hui, pratiquée selon une technique d’irrigation traditionnelle par submersion. Provenant d’un autre bassin versant, les eaux d’irrigation ont un effet majeur sur la recharge de la nappe. Néanmoins l’urbanisation progressive du territoire, l’augmentation des prélèvements, et le changement climatique, menacent l’équilibre actuel de la nappe de la Crau. La préservation de cette ressource nécessite donc la production d’un outil de gestion performant prenant en compte la globalité de cet hydro-système, ainsi que sa complexité géométrique et hydrologique. Cette thèse présente une approche originale de modélisation hydrogéologique en estimant à chaque étape les variables et paramètres nécessaires de manière indépendante, réduisant ainsi un problème récurrent d’équifinalité. Constituant donc un outil prospectif fiable, ce nouveau modèle est alimenté par des scénarios réalistes permettant d’observer les impacts du changement climatique, de l’évolution de l’occupation des sols planifiée et de réductions occasionnelles de la dotation en eaux d’irrigation à l’horizon 2030. Sous les effets combinés de ces réductions de la recharge (jusqu’à -19%), la nappe phréatique de la Crau pourrait être soumise à une diminution de sa surface piézométrique allant jusqu’à 2 m entrainant l’assèchement de zones humides rares et protégées. / The Crau plain (Southern France) contains an alluvial aquifer described as a regional "heritage resource". Started nearly 500 years ago by creating a network of canals, the cultivation of grasslands is even today performed using a traditional technique of irrigation by flooding. Derived from another watershed, irrigation water has a major impact on the recharge of the aquifer. Nevertheless, urbanization of the territory, increase of uptakes, and climate change threaten the existing balance of the Crau aquifer. The preservation of this resource therefore requires the production of an efficient management tool accounting for the whole hydro-system in its hydrological and geometric complexity. This thesis presents an original approach of hydrogeological modeling by independently estimating, for each step, the necessary variables and parameters, reducing a recurring problem of equifinality. Providing a reliable forecasting tool, this new model is implemented by realistic scenarios to observe the impacts of climate change, the evolution of the planned land-use, and occasional reductions of irrigation input in 2030. Under the combined effects of these recharge reductions (up to -19%) the water table could be subjected to local decreases up to 2 m, leading to the drying up of rare and protected wetlands.

Géographiquement cette é ptude s'étend sur le Bassin de Digne-Valensole, Basse-Durance et la Crau. L'étude stratigraphique du Néogène et du Pléistocène inférieur duranciens, dépendance orientale du Néogène rhodanien, s'appuie sur une quarantaine de coupes classiques ou inédi tes, qui font ressortir un cycle miocène et un cycle plio-vi llafranchien . Chacun d'eux s'achève par la mise en place de puissants épandages graveleux continentaux, jusqu'à maintenant confondus en une seule entité appelée 'Poudingues de Valensole ". Sont examinés successivement : - le substratum du bassin, - le Miocène marin, - le Miocène continental ( "Sables de Vinon" ), - le Tortonien supérieur lacustre, - le Complexe de Digne-Valensole : malgré le caractère lenticulaire des dépôts, leur emboîtement et l'absence générale de faune, cinq formations stratigraphiques sont mises evidence. , allant du Tortonien supérieur au Villafranchien supérieur inclus, - les formations du Pléistocène moyen et supérieur. L'analyse pétrographique des galets du Complexe de Digne-Valensole a permis de dêfinir huit groupes de roches et révélé la variété du bassin versant paléo-durancien, du Tortonien supérieur au Villafranchien : toutes les assises allant du Paléozoïque au Miocène supérieur lacustre des Alpes méridionales et de la Provence (Maures et couverture) sont représentées. Une étude statistique des différents types de galets a été réalisée sur 119 stations. Pour chacune d'elles, 1. 000 individus sont inventoriés et un diagramme est établi. On en déduit l'origine des matériaux et l'évolution morphologique de l'arrière-pays au cours des phases successives de son édification et de son démantèlement. Pour les Alpes, seule la couverture sédimentaire subalpine participe au remplissage, les massifs cristallins externes ne commençant à alimenter la Durance qu'au Pléistocène moyen( Mindel ). La disposition collective des galets , étudiée en 392 stations, permet de préciser le sens d'écoulement des paléo-cours d'eau et de reconstituer le réseau hydrographique initial, différent de l'actuel (Pl. XX à XXV). Les matériaux proviennent exclusivement du Nord, de l'Est et du Sud. L'étude des matériaux argileux montre - de la montmorillonite (héritage alpin) dans le Miocène marin, dans la formation conglomératique du Complexe de Digne-Valensole et dans la formation de Puimoisson; - de la chlorite et de l' illite , héritées des Maures, dans le Miocène continental et la formation rouge de Moustiers. L'étude du Complexe de Digne-Valensole permet de reconstituer les orogenèses successives des Chaînes Subalpine~ Méridionales au Néogène et au Pléistocène ancien et leurs incidences sur le domaine provençal.