Cette thèse est une contribution à l’étude de la dynamique sédimentaire dans l’écosystème de la rade de Brest. Elle a pour objectif de décrire, par la simulation numérique et l’observation in situ, le mouvement des masses d’eau et de sédiments sous l’influence de la marée à l’échelle de la rade, et l’impact de la distribution spatiale actuelle des populations de crépidules sur le transport de sédiments en suspension et l’évolution des fonds. Un modèle bidimensionnel horizontal (2DH) est mis en œuvre à partir du code TELEMAC. Il intègre la variabilité spatiale du substrat, et rend compte de la présence physique (macro-rugosité, partition de la contrainte de cisaillement) et de l’activité biologique (filtration de l’eau chargée de particules en suspension, production de biodépôts) des crépidules. Les mesures de hauteur d’eau, de vitesse du courant, et de vitesse de frottement valident de façon satisfaisante les choix de paramétrisation du modèle hydrodynamique. Les mesures de concentration de matière en suspension en rade de Brest sont sporadiques, et leur analyse est compliquée. Le modèle sédimentaire constitue un outil de compréhension. Il informe de l’évolution temporelle de la contribution de différents types de sédiments et de leur origine aux concentrations locales de sédiments en suspension et déposés. Il permet de suivre le cheminement des sédiments principalement en suspension, de quantifier les échanges entre les sous-bassins de la rade et avec le fond. L’introduction sur le fond des colonies de crépidules, sous forme de chaînes assimilées à des cylindres, induit une diminution de la vitesse du courant à l’aplomb et dans leur sillage, compensée par une augmentation en périphérie, entraînant une modification globale des zones d’érosion et de dépôt de sédiments. Localement, les macro-rugosités ont un effet antagoniste selon leur répartition: des densités moyennes augmentent le frottement de peau et les remises en suspension, tandis que des densités élevées induisent un masquage des sédiments sur le fond duquel résulte une accrétion. Par comparaison à leur impact hydrodynamique, l’activité biologique des crépidules joue un rôle secondaire sur la dynamique sédimentaire. / This thesis is a contribution to the study of sediment dynamic in the ecosystem of the bay of Brest. It aims at describing, by numerical simulations and field observations, the movement of water and sediments in the bay under tidal forcing, and the impact of the present spatial distribution of slipper limpets on suspended sediment transport and bed evolution. A two-dimensional horizontal (2DH) model is implemented based on the TELEMAC numerical system. It integrates the spatial variability of bed sediments, accounts for the physical presence (macro-roughness, form drag - skin friction partitioning) and biological activity (filtration of water carrying suspended particles, production of biodeposit) of slipper limpets. Measurements of water level, mean flow velocity, and friction velocity satisfactorily validate the choice of parameters in the hydrodynamic model. Measurements of suspended matter concentration in the bay of Brest are sporadic, and their analysis complicated. The sediment model stands as a tool for better understanding sedimentary processes. It informs the temporal evolution of the contribution of different types of sediment, and their origin, to local suspended and deposited sediment concentrations. It allows to follow the paths of sediment transport predominantly in suspension, and to quantify the exchanges of sediments between the sub-basins of the bay and with the bed. The introduction of slipper limpet colonies on the bed, in the form of chains assimilated as cylinders, induces decreasing flow velocity above and in their wake, compensated by increasing flow velocity on the outskirts, which globally modify the patterns of sediment erosion and deposition in the bay. Locally, the macro-roughness elements have an antagonist effect depending on their distribution: medium densities increase skin friction and erosion flux, whereas high densities shelter bed sediments from which results accretion. By comparison to their hydrodynamic impact, the biological activity plays a secondary role on sediment dynamic.

Ce travail a pour but d'améliorer la connaissance des transferts de métaux entre les phases dissoute et particulaire en milieux estuariens afin d'évaluer et de mieux comprendre les variations de la répartition des métaux et de leur spéciation en fonction des conditions physico-chimiques des systèmes étudiés. Les estuaires sont caractérisés par des gradients importants de nombreux paramètres physico-chimiques tels que la salinité, le pH, la teneur en ligands organiques, la turbidité etc... Cinq estuaires ont été sélectionnés en raison de leurs caractéristiques hydrologiques, morphologiques physico-chimiques et biologiques différentes. Deux de ces estuaires sont microtidaux et débouchent sur la Méditerranée (le Rhône et l'Ebre), le troisième est un exemple type d'estuaire macrotidal pollué (l'Escaut) et les deux derniers ont des débits liquides et solides qui les situent parmi les dix plus grands fleuves du monde (le Changjiang et la Lena). Nous avons sélectionné cinq métaux (Cs, Cd, Zn, Mn et Co) dont le devenir est tributaire de la plupart des processus recensés en estuaire. Ces métaux ont par ailleurs des isotopes émetteurs gamma ayant des périodes de demi vie assez grandes, ce qui nous a permis d'utiliser une méthode de mesure des coefficients de distribution qui caractérisent les seules fractions labiles. L'application du modèle de complexation de surface pour l'interprétation des mesures de coefficients de distribution des cinq métaux dans les différents estuaires pour différentes conditions de débit et de saison a permis d'identifier les processus qui jouent un rôle dans la spéciation de ces métaux dans de tels milieux. Ces résultats peuvent s'appliquer à la compréhension des mécanismes de transfert entre phases dissoute et particulaire dans le cas d'autres métaux et d'autres systèmes aquatiques. Un intérêt particulier a été porté au rôle des colloïdes et des ligands organiques dissous dans la spéciation des métaux dans les milieux estuariens étudiés. D'une part nous avons montré que les composés organiques dissous qui s'adsorbent à la surface des particules en suspension modifient leurs propriétés de surface et contrôlent leur réactivité de surface vis-à-vis des métaux. D'autre part les colloïdes et ligands organiques dissous contribuent à la complexation des métaux dans la phase dissoute. Une méthode simple basée sur l'ajout d'un ligand ayant un fort pouvoir complexant, 1'EDTA (éthylène-diamine-tétra-acétate) a permis d'évaluer le pouvoir complexant des colloïdes et des ligands organiques dissous pour Zn et Cd dans l'estuaire du Rhône. Cependant la nature et la concentration de ces composés dissous restent inconnues.

Erosion et transferts de matières (i.e. matières en suspension-MES, associées avec le carbone et les éléments traces métalliques - ETM) par les fleuves et rivières sont contrôlés par des facteurs naturels (ex. géologie, climat) et peuvent être significativement modifiés par les pressions anthropiques et/ou, le changement climatique. En se basant sur une banque de données de concentrations en MES et de débits, à hautes résolutions temporelles (journalières) sur le long terme (1960-2008) à l’exutoire du bassin versant du Fleuve Rouge (Chine/Vietnam), les taux d’érosion ont été estimés en moyenne à 600 t/km²/an avec des valeurs variant de 160 à 1330 t/km²/an selon les années. Cette large gamme de taux d’érosion est liée fortement aux conditions hydrologiques interannualles, mais aussi à la présence de réservoir de HoaBinh en 1989. En effet, à partir 1989, chaque année, 50% de matières transportées par le Fleuve Rouge sont piégées dans ce réservoir, correspondant à un taux de sédimentation dans le réservoir de 52 à 200 cm/an. La variabilité spatiale des flux de MES du bassin versant du Fleuve Rouge au Vietnam suggère que les MES du Fleuve Rouge viennent principalement de l’érosion en amont du bassin versant (~80%), contrairement à ce que l’on observe pour le flux liquide (~21%). De plus, l’échange des processus érosion-transport-sédimentation dans la partie médiane du bassin versant dépend fortement des conditions hydrologiques ; à l’inverse, une forte sédimentation a été observée à l’entrée du Fleuve Rouge dans le delta, quelle que soit la condition hydrologique. De même, dans la partie vietnamienne du Fleuve Rouge, les facteurs majeurs influant sur le taux d’érosion seraient les maximas d’élévation et la pente moyenne du bassin. Un suivi hebdomadaire à bimestriel en 2008-2009 des paramètres biogéochimiques (carbone et ETM) ont permis de caractériser la qualité des eaux et des particules sur l’ensemble du bassin versant du Fleuve Rouge. Les concentrations en carbone organique (particulaire et dissous) dans les eaux du Fleuve Rouge sont relativement faibles et majoritairement d’origine allochtone. Les concentrations en carbone inorganique dissous (CID) sont très importantes, en faisant le composé majoritaire (60-90%) des eaux du Fleuve Rouge, en relation avec la présence de roches carbonatées dans le bassin versant. En terme de concentrations en ETM, la qualité des eaux et des particules transportées dans le bassin versant du Fleuve Rouge au Vietnam peut être qualifiée de mauvaise dans la partie amont et de médiocre en aval. L’étude de la répartition entre phase dissoute et phase particulaire a montré que l’essentiel des transferts se fait sous forme particulaire pour plupart des ETM (excepté Mo), dû aux forts taux d’érosion mécanique. De plus, l’étude à haute résolution spatiale (40 points) réalisée sur l’ensemble bassin versant du Fleuve Rouge au Vietnam des concentrations en ETM et de leur spéciation (dissous et particulaire) a mis en évidence de fortes anomalies géochimiques dans la partie amont. Enfin, l’identification des signatures géochimiques des particules érodées a révélé des signatures similaires entre les particules de l’amont et de l’aval du Fleuve Rouge, démontrant une contribution quasi-exclusive de la partie chinoise aux flux de matière (80-95% au flux total). / Erosion and transfer of suspended particulate matter (SPM), and associated elements (e.g. carbon, trace metal elements-ETM) by river are attributed to a combination of natural parameters related to geology and climatic influences and affected by human disturbance. Based on an extensive dataset of daily water discharge and SPM concentrations between 1960 and 2008 at the outlet of the Red River system, the annual SPM yield of the Red River is estimated at 600 t/km²/yr (ranged between 160 and 1330 t/km²/yr). This large range of sediment yield is strongly related to the inter-annual hydrological conditions and the operation of the HoaBinh Reservoir in 1989. In fact, the HoaBinh Reservoir reduces annual SPM delivery to the delta by half after 1989, i.e. the mean sedimentation rate of 52-200 cm/yr. The spatial variability of SPM fluxes in the Red River watershed suggests that most SPM were eroded from the upstream catchment located in China (80%), contrasting the water discharge with only 21%. In addition, the complex processes of erosion/sedimentation occurring in the middle Red River basin strongly depend on hydrological conditions; in contrast, an important sedimentation was observed at the entry point to the Red River Delta whatever the hydrological conditions. The major factors controlling the spatial variation of the sediment yields of the Vietnamese Red River watershed are maximum elevation and mean surface.During 2008-2009, high resolution sampling (weekly to bimestrial) of biogeochemical parameters (carbon and ETM) were performed at five key sites along the Red River system. The organic carbon (particulate and dissolved) concentrations in the Red River are relatively low and mainly allochtonous; in contrast, the dissolved inorganic carbon are very important and is the major carbon form (60 -90%) in relation to the abundance of carbonate rocks in the Red River watershed. In terms of ETM concentrations, the quality of water and SPM transported in the Vietnamese Red River watershed can be classified as poor upstream and as mediocre downstream. The study of the partition between the dissolved and particulate phases showed that most ETM transported in the Red River are in particulate phase (except Mo), due to the high mechanical erosion rate. In addition, high spatial resolution study (40 sites) performed in the Vietnamese Red River watershed of ETM concentrations and their speciation (dissolved and particulate) has highlighted strong geochemical anomalies in the upstream Red River. Finally, the identification of geochemical signals showed a similarity in the geochemical signal of particulate metal transport between upstream and downstream of the Red River, suggesting a contribution quasi-exclusively from the upstream part (in China) in the ETM fluxes of the Red River (80 -95%). / Quá trình xói mòn và vận chuyển vật chất (chất rắn lơ lửng, các-bon và kim loại nặng) bởi các dòng sông, suối chịu ảnh hưởng tổng hợp từ các quá trình tự nhiên (địa chất, khí hậu) và các hoạt động của con người. Dựa trên các bảng số liệu ngày về hàm lượng chất rắn lơ lửng và lưu lượng nước trong giai đoạn từ năm 1960 đến năm 2008 trên trục chính của sông Hồng tại trạm Sơn Tây (hạ nguồn của hệ thông sông Hồng trước khi chảy vào vùng đồng bằng), mục tiêu đầu tiên của luận án là nghiên cứu sự biến đổi theo thời gian tải lượng trung bình chất rắn lơ lửng của sông Hồng. Các kết quả cho thấy trong giai đoạn quan trắc, hàng năm sông Hồng chuyển tải ra biển khoảng 24×106 đến 200×106 tấn/năm (trung bình các năm là 90×106 tấn /năm), tương đương với hệ số xâm thực từ 160 đến 1330 tấn/km²/năm. Chính sự phụ thuộc mạnh mẽ của hàm lượng chất rắn lơ lửng vào các điều kiện thuỷ văn khác nhau đã tạo ra sự đa dạng về tải lượng chất rắn chuyển tải hàng năm của hệ thống sông Hồng. Tuy nhiên, trong những năm 1989-1990, khi hồ chứa Hoà Bình đi vào hoạt động, tải lượng chất rắn lơ lửng chuyển tải ra biển của hệ thống sông Hồng đã giảm sút còn khoảng 50×106 tấn, tức là đã giảm khoảng 50%. Dựa trên chiều cao và thể tích của hồ Hoà Bình, hệ số lắng đọng chất rắn lơ lửng trong lòng hồ được xác định vào khoảng 52-200 cm/năm. Như vậy, sau 20 năm đi vào hoạt động, độ dầy lớp bùn đất lắng đọng trong hồ Hoà Bình khoảng 10.4-40m, làm giảm đáng kể thể tích của hồ Hoà Bình.Mục tiêu tiếp theo của luận án là thiết lập cân bằng hàm lượng chất rắn lơ lửng trong các đoạn sông từ thượng nguồn sông Hồng (trạm Lào Cai), tại các hạ nguồn của 3 nhánh sông chính (sông Hồng tại Phú Thọ, sông Đà và sông Lô tại Việt Trì) và tại Sơn Tây trong thời kỳ 2003-2008. Diễn biến của các quá trình xói mòn, chuyển tải và lắng đọng diễn ra trên các đoạn sông một cách phức tạp, đan xen lẫn nhau và phụ thuộc chặt chẽ vào các điều kiện thuỷ văn. Tuy vậy, hiện tượng lắng đọng mạnh mẽ các chất rắn lơ lửng trong vùng hạ nguồn của hệ thống sông Hồng (từ Phú Thọ đến Sơn Tây) đã được ghi nhận trong tất cả các năm quan trắc, không phụ thuộc vào điều kiện thuỷ văn. Ngoài ra, dựa vào các số liệu thu thập được, chúng tôi đã lập bản đồ xói mòn cho toàn bộ lưu vực sông Hồng tại Việt Nam. Hơn thế, các kết quả còn chỉ ra rằng độ cao và độ dốc trung bình lưu vực là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ số xâm thực của lưu vực sông Hồng.Đánh giá chất lượng nước và chất lượng chất rắn lơ lửng chuyển tải trong hệ thống sông Hồng là mục tiêu thứ 3 của luận án. Để đạt được mục tiêu trên, chúng tôi đã tiến hành lấy các mẫu nước và chất rắn lơ lủng trên trục chính cũng như trên các nhánh sông chính của sông Hồng để phân tích hàm lượng các-bon hữu cơ và vô cơ cũng như hàm lượng kim loại nặng trong hai năm 2008-2009, với chu kì lấy mẫu hàng tuần đến hàng tháng. Hàm lượng các-bon hữu cơ (dạng hoà tan và lơ lửng) trong nước sông Hồng tương đối thấp tại tất cả các điểm lấy mẫu và nguồn gốc chính của các-bon hữu cơ là allochtone. Ngược lại, hàm lượng các-bon vô cơ hoà tan rất cao, chiếm khoảng 60-90% hàm lượng các-bon tổng và được giải thích bằng sự có mặt phong phú của núi đá vôi trên toàn lưu vực. Đối với kim loại nặng, dựa trên các kết quả phân tích về hàm lượng kim loại nặng trong nước và trong chất rắn lơ lửng và các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng nước QCVN 08, chúng tôi đã đánh giá chất lượng nước cho toàn bộ hệ thống sông Hồng từ Lào Cai đến Sơn Tây. Nếu nước sông Hồng trên vùng thượng nguồn (tại Lào Cai và Phú Thọ) không đảm bảo chất lượng để có thể sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt thì tại các vùng hạ lưu của sông Hồng, sông Đà và sông Lô, nhìn chung nước của 3 nhánh sông có thể dùng để cung cấp nước sinh hoạt nhưng phải qua các quá trình xử lí tách cặn lơ lửng. Hơn nữa, trong năm 2008, chúng tôi đã thực hiện hai chương trình lấy mẫu nước, chất rắn lơ lửng và trầm tích trên 40 điểm phân bố đều trên toàn bộ lưu vực sông Hồng tại Việt Nam trong mùa cạn và mùa mưa.