Measurement of nutrient and contaminant flux dynamics at the water-sediment interface in aquatic environments. - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Measurement of nutrient and contaminant flux dynamics at the water-sediment interface in aquatic environments.

Mesure de la dynamique des flux de nutriments et de contaminants à l'interface eau-sédiment dans les milieux aquatiques

Résumé

Freshwater quality in natural environments is a major concern for the agricultural, industrial and domestic sectors. Despite decades of efforts to reduce pollutant inputs, water quality recovery can be slow, due to the pollutant stock in the sediments of aquatic ecosystems. For example, the so-called internal load significantly contributes to the dynamics of eutrophication. These benthic fluxes (at the interface between the sediments and the water column) result from microbiological and chemical activity in the sediments. They have different drivers including hydrodynamics. Turbulence affects the benthic boundary layer, more precisely the fluxes through the thickness of the diffusive sub-layer (DBL). Different techniques are widely used to quantify benthic fluxes (benthic chambers, dialysis chambers, etc). Only the eddy covariance (EC) technique can be used to measure turbulent benthic fluxes over a large area of sediment without disturbing the flow, but for a limited number of fluxes (heat, dissolved oxygen, nitrates, particles and alkalinity). The adaptation of relaxed eddy accumulation (REA) to the aquatic environment has been shown to be theoretically feasible. REA consists of sampling conditioned by the direction of the turbulent fluctuation of the vertical velocity: different pairs of samples are accumulated for upstream and downstream currents and the benthic flux is proportional to the difference in concentration between these sample pairs. Our objective was to develop a prototype, validate it, and acquire the first hourly time series of turbulent benthic nutrient fluxes.During the development, the principles of REA were transferred to aquatic environments through various experiments and simulations. These were carried out in collaboration with the Institute for Environmental Studies of the University of Koblenz-Landau. The validation of the aquatic REA was carried out by comparing oxygen fluxes measured simultaneously by REA and EC. In 2020, campaigns were conducted at four sites with different hydrodynamic and ecological conditions, ranging from a laboratory canal to a highly eutrophic shallow lake.The benthic fluxes measured by four different techniques were compared in collaboration with the University of South Bohemia (Czech Republic). The first Fick's law was applied to: diffusive fluxes in ex-situ sediment cores by measuring concentration microprofiles with diffusive thin films; and to turbulent fluxes by measuring in situ the concentration difference between diffusive and turbulent sublayers of the benthic boundary layer and calculating a mass transfer coefficient proportional to the friction velocity (MTC, another innovative technique). The prototype equipped for EC and REA flux measurements was also deployed. Dissolved oxygen and phosphate, ammonium, sulphate, iron and manganese ion fluxes were measured in the Lake Champs-sur-Marne (June 2021). The turbulent fluxes of nutrients and metal ions measured by REA and MTC were comparable, increasing confidence in both new techniques.The development, validation and application of aquatic REA are described and discussed in this work. The measurement requirements and range of use are also illustrated. Even if REA still requires further development, nutrient and metal ion fluxes have been measured by this new technique and have exhibited rapid dynamics. All these elements allow us to present the REA as a reliable technique for monitoring the rapid dynamics of benthic fluxes, and thus their contribution to biogeochemical processes in aquatic ecosystems.
La qualité de l'eau douce dans les milieux naturels est une préoccupation majeure pour les secteurs agricole, industriel et domestique. Malgré des décennies d'efforts pour réduire les apports de polluants, la récupération de la qualité de l'eau peut être lente, en raison du stock de polluants dans les sédiments des écosystèmes aquatiques. Par exemple, la charge dite interne présente une contribution notable à la dynamique de l'eutrophisation. Ces flux benthiques (à l'interface entre les sédiments et la colonne d'eau) résultent de l'activité microbiologique et chimique dans les sédiments. Ils ont différents moteurs dont l'hydrodynamique. La turbulence affecte la couche limite benthique plus précisément les flux à travers l'épaisseur de la sous-couche diffusive (DBL). Différentes techniques sont largement utilisées pour quantifier les flux benthiques (chambres benthiques, chambres à dialyse…). Seule la technique d'eddy covariance (EC) permet de mesurer les flux benthiques turbulents sur une grande surface de sédiments sans perturber l'écoulement mais pour un nombre limité de flux (chaleur, oxygène dissous, nitrates, particules et alcalinité). L'adaptation au milieu aquatique de la "relaxed eddy accumulation" (REA), s'est avérée théoriquement faisable. La REA consiste en un échantillonnage conditionné par la direction de la fluctuation turbulente de la vitesse verticale : différentes paires d'échantillons sont accumulés pour les courants ascendants et descendants et le flux benthique est proportionnel à la différence de concentration entre ces paires d'échantillons. Notre objectif était de développer un prototype, de le valider, et d'acquérir les premières séries temporelles à un pas de temps horaire des flux benthiques turbulents de nutriments. Au cours du développement, les principes de la REA ont été transférés aux environnements aquatiques à travers différentes expériences et simulations. Celles-ci ont été réalisées en collaboration avec l'Institut d'études environnementales de l'Université de Koblenz-Landau. La validation de la REA aquatique a été effectuée en comparant les flux d'oxygène mesurés simultanément par REA et par EC. En 2020, des campagnes ont été menées sur quatre sites avec des conditions hydrodynamiques et écologiques différentes, allant d'un canal de laboratoire à un lac peu profond hautement eutrophe. Les flux benthiques mesurés par quatre techniques différentes ont été comparés en collaboration avec l'Université de Bohème du Sud (République tchèque). La première loi de Fick a été appliquée aux flux diffusifs dans des carottes de sédiments ex-situ en mesurant les microprofils de concentration avec des films minces diffusifs et aux flux turbulents en mesurant in situ l'écart de concentration entre les sous-couches diffusives et turbulentes de la couche limite benthique et en calculant un coefficient de transfert de masse proportionnel à la vitesse de friction (MTC, une autre technique innovante). Le prototype équipé pour la mesure des flux par EC et REA a également été déployé. Les flux d'oxygène dissous et d'ions phosphate, ammonium, sulfate, fer et manganèse ont été mesurés dans le lac de Champs-sur-Marne (juin 2021). Les flux turbulents de nutriments et d'ions métalliques mesurés par REA et par MTC étaient comparables, augmentant la confiance dans les deux nouvelles techniques. Le développement, la validation et l'application de la REA aquatique sont décrits et discutés dans ce travail. Les exigences de mesure et la gamme d'utilisation sont également illustrées. Même si la REA doit encore être développée, les flux de nutriments et d'ions métalliques ont été mesurés par cette nouvelle technique et ont montré une dynamique rapide. Tous ces éléments nous permettent de présenter la REA comme une technique fiable pour suivre la dynamique rapide des flux benthiques, et donc leur contribution aux processus biogéochimiques des écosystèmes aquatiques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04199685 , version 1 (08-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04199685 , version 1

Lien texte intégral

Citer

Guilherme Calabro Souza. Measurement of nutrient and contaminant flux dynamics at the water-sediment interface in aquatic environments.. Earth Sciences. École des Ponts ParisTech, 2022. English. ⟨NNT : 2022ENPC0016⟩. ⟨tel-04199685⟩
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