Thèse Qualité de l'Eau des Têtes de Bassins Versants H/F - Doctorat.Gouv.Fr
- Lyon - 69
- CDD
- Doctorat.Gouv.Fr
Les missions du poste
Établissement : Université Claude Bernard Lyon 1 École doctorale : E2M2 - Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation Laboratoire de recherche : LEHNA - LABORATOIRE D'ÉCOLOGIE DES HYDROSYSTÈMES NATURELS ET ANTHROPISÉS Direction de la thèse : Gilles PINAY ORCID 0000000307318655 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-10T23:59:59 Les bassins versants de têtes de bassin (BVT), c'est-à-dire de moins de 20 km², drainent environ 70 % des surfaces continentales et représentent la principale ressource en eau douce accessible. Les BVT intègrent les flux hydrologiques et les processus biogéochimiques, et constituent de puissants bio-réacteurs qui contrôlent la qualité de l'eau des cours d'eau. Cependant, les cours d'eau drainant les BVT sont trop nombreux pour être systématiquement surveillés et protégés par les autorités légales et restent donc une aqua incognita. Les BVT sont de plus en plus impactés par les activités anthropiques visant à répondre aux besoins croissants de la société, ce qui augmente les apports en azote (N) et en phosphore (P), et peut entraîner des problèmes de qualité de l'eau et d'eutrophisation. L'objectif de ce projet interdisciplinaire est de développer une méthode automatique pour caractériser les attributs des BVT qui contrôlent principalement les capacités de recyclage de N et P, c'est-à-dire le temps de résidence de l'eau et la variabilité redox. Notre hypothèse est que ces attributs résultent des caractéristiques intrinsèques des BVT et sont donc prévisibles à plus grande échelle. Le changement climatique actuel, ainsi que les modifications de la couverture et de l'utilisation des terres, créent des défis sans précédent en matière de disponibilité de l'eau, qui doivent être abordés à la fois en termes de quantité (période des précipitations, distribution et intensité) et de qualité. Grâce aux cadres réglementaires existants tels que la Clean Water Act aux États-Unis, la Directive-cadre sur l'eau (DCE) en Europe ou la loi sur l'eau en Chine, par exemple, il existe beaucoup de données de suivi à long terme (jusqu'à 60 ans en Europe) pour les principaux cours d'eau douce de ces régions. Ces données ont permis de calculer les concentrations moyennes des principaux polluants, d'estimer ces flux annuels sur les périodes de surveillance et de mettre en place des lignes directrices pour la récupération de la qualité de l'eau. Pourtant, la surveillance a été principalement conçue pour se concentrer sur la pollution ponctuelle et sur les rivières de taille moyenne à grande (> 100 km2). Cette focalisation sur les sources ponctuelles dans les grands cours d'eau n'a pas permis de lutter contre la pollution de l'eau, car elle ne fournit pas d'informations sur la capacité des paysages à protéger la qualité de l'eau où la plupart de la pollution provient de la gestion des terres, et non des usines ou des villes (Le Moal et al. 2019).
Nous pensons que cet échec est en partie dû aux stratégies adoptées qui sous-estiment le rôle des têtes de bassins versants (BVT), qui drainent environ 70 % des surfaces continentales, constituent la plus grande ressource en eau douce facilement accessible (Alexander et al. 2007), et contrôlent la composition de l'eau en amont.
Les BVT reçoivent de l'eau provenant des précipitations, qui peut s'écouler directement sur la surface du sol en fonction de la pente et de la porosité, ou s'infiltrer à travers les couches de sols jusqu'au substratum rocheux imperméable (Brooks et al. 2015). Toutes ces lignes d'écoulement de l'eau sont dirigées vers les parties inférieures du bassin versant, émergeant éventuellement sous forme d'écoulement de petits ruisseaux formant finalement de grandes rivières. Les interactions entre la couverture terrestre, les caractéristiques géologiques du bassin versant et la qualité des eaux drainées sont reconnues depuis le XVIe siècle (Agricola 1556). Afin de décrire les interactions fortes entre les cours d'eau de têtes de bassins et le paysage qu'ils drainent, Lowe et Likens (2005) ont utilisé l'analogie des alvéoles pulmonaires, les branches terminales de l'arbre respiratoire qui servent d'unités principales d'échanges gazeux des poumons. Les BVT sont ainsi d'importants bio-réacteurs (Kaushal et al. 2018) alimentés par des processus microbiens dynamiques, qui sont particulièrement diversifiés dans les petits cours d'eau par rapport aux plus grands (Besemer et al. 2013). Certains BVT sont bien préservés car ils se situent dans des zones de hautes montagnes, mais la grande majorité d'entre eux se trouvent dans des zones plus basses soumises à des activités humaines intenses. Par exemple, au cours des 60 dernières années, les applications mondiales d'engrais azotés et phosphatés ont respectivement augmenté de 500 % et 200 % (Foley et al. 2011). L'intensification agricole, le drainage, la rectification des cours d'eau et l'imperméabilisation des sols dans de nombreux BVT ont fondamentalement modifié les capacités de recyclage de l'azote et du phosphore ainsi que leurs flux des terres vers les cours d'eau.
L'utilisation raisonnée des terres et la gestion des ressources sont donc essentielles pour garantir la sécurité de l'eau, car la composition de l'eau est déterminée par des activités physiques et biogéochimiques au sein de ces BVT. Pourtant, nous sommes loin de comprendre comment les caractéristiques intrinsèques des BVT déterminent en fin de compte la composition de l'eau douce, car la décomposition de la contribution des compartiments du bassin versant à l'écoulement de l'eau et à sa signature chimique n'est pas une tâche triviale. De plus, comme avec les alvéoles, le nombre même de BVT complique leur étude à grande échelle. En outre, les techniques physiques utilisées pour la modélisation du débit d'eau ne fonctionneront pas pour la composition chimique et biologique de l'eau, car elle est contrôlée par un consortium de variables physiques, biologiques et climatiques aux interactions complexes (Brinkerhoff et al. 2024 ; Messager et al. 2021). Ainsi, seule une petite fraction des BVT a été étudiée directement dans ce but, laissant ces zones critiques comme aqua incognita, des inconnues (Bishop et al. 2008). De nombreuses approches ont cependant été entreprises au cours des 50 dernières années pour résoudre ce problème, en utilisant la répartition hydrographique (McDonnell & Beven 2014), les signatures isotopiques (Klaus & McDonnell 2013), la variation à long terme des constituants dissous (Kirchner & Neal 2013), les indicateurs de risques (Guillemot et al. 2021), et les relations débit-concentration (Moatar & Meybeck 2005). Ces études montrent que la génération du flux des cours d'eau résulte à la fois de parcours de flux longs (dans l'espace et dans le temps) au sein des aquifères et de parcours de flux courts à travers les sols peu profonds (Stewart et al. 2022). La répartition du flux entre ces deux domaines est contrôlée par le climat, la géologie, la géomorphologie et les usages des sols (Chorover al al. 2011). Ces études ont également révélé que la capacité des BVT à retenir, recycler le phosphore et éliminer l'azote résulte d'un ensemble limité d'interactions incluant à la fois le temps de résidence de l'eau et la variabilité des conditions redox que cette eau rencontre (McClain et al. 2003) à travers les trois principaux composants d'un bassin versant, à savoir le sol (Sébilo et al. 2013) et l'aquifère (Kolbe et al. 2019), mais également le ruisseau et sa zone hyporhéique (Krause et al. 2022). Ces trois principaux composants des BVT, ainsi que le temps de résidence de l'eau et le potentiel redox, contrôlent les transformations biogéochimiques de l'azote et du phosphore et peuvent se produire lorsque l'eau circule des précipitations vers les ruisseaux. Cependant, il existe un très grand nombre (c'est-à-dire des centaines de milliers) de BVT qui présentent une grande variabilité de ces caractéristiques intrinsèques, trop nombreuses pour être systématiquement surveillées par les agences de l'eau et les observatoires de recherche (Bishop et al. 2008).
Nous postulons qu'il est possible d'inférer la distribution du temps de séjour de l'eau et la variabilité redox des BVT, paramètres favorables aux transformations de l'azote et du phosphore, à partir des caractéristiques physiques intrinsèques des BVT. Cela repose sur trois hypothèses de travail, à savoir : i) les BVT de moins de 20 km² constituent l'échelle spatiale appropriée pour inférer les capacités de recyclage du paysage à partir de caractéristiques physiques intrinsèques (Burt & Pinay 2005) ; ii) la capacité de recyclage de l'azote peut être révélée à partir d'un ensemble limité de proxys empiriques (Abbott, Pinay et al. 2016); iii) les capacités de recyclage des composants sol, aquifère et cours d'eau des BVT peuvent être estimées en échantillonnant la qualité de l'eau du cours d'eau durant les conditions d'écoulement de base estivales et hivernales (Abbott, Pinay et al. 2017). Ces hypothèses sont étayées par des travaux préliminaires publiés par les porteurs du projet. Il reste cependant quelques verrous à lever, notamment quant à la pertinence de la mesure des ortho-phosphates comme proxy du cycle du phosphore (supervision Lécuyer), son déploiement sur les BVT et son analyse croisée avec d'autres proxies du cycle de l'azote, isotopes des nitrates et des sulfates, (supervision Pinay), et la valeur prédictive de ces proxies pour relier le temps de résidence de l'eau et les conditions redox aux les principales caractéristiques géologiques, hydrologiques et paysagères des BVT (travaux de De Dreuzy). Le présent projet vise à requalifier cette mesure en utilisant la mesure des isotopes stables (18O/16O) de l'oxygène des PO4. En raison de l'architecture tétraédrique et des liaisons covalentes (P-O) de l'ion phosphate, l'énergie d'activation nécessaire pour favoriser l'échange d'isotopes de l'oxygène entre le phosphate et les molécules d'eau est très élevée (Lécuyer et al., 1999). Les résultats expérimentaux d'études antérieures (Blake et al., 1997 ; Liang et Blake, 2009 ; Chang et Blake, 2015) ont révélé que la composition isotopique de l'oxygène du phosphate dissous pourrait être exploitée comme traceur des réactions biogéochimiques impliquant le P, avec un potentiel pour détecter les bio-signatures de l'activité microbienne dans les environnements aquatiques et leurs sédiments. Cet aspect va être testé lors de la thèse. D'autres indicateurs biogéochimiques des cours d'eau vont aussi être mesurés. Il s'agit notamment des isotopes des nitrates, des sulfates, de l'eau qui serviront à contraindre le fonctionnement biogéochimiques des basins versants et des cours d'eau qui les drainent.
Nous pensons que cet échec est en partie dû aux stratégies adoptées qui sous-estiment le rôle des têtes de bassins versants (BVT), qui drainent environ 70 % des surfaces continentales, constituent la plus grande ressource en eau douce facilement accessible (Alexander et al. 2007), et contrôlent la composition de l'eau en amont.
Les BVT reçoivent de l'eau provenant des précipitations, qui peut s'écouler directement sur la surface du sol en fonction de la pente et de la porosité, ou s'infiltrer à travers les couches de sols jusqu'au substratum rocheux imperméable (Brooks et al. 2015). Toutes ces lignes d'écoulement de l'eau sont dirigées vers les parties inférieures du bassin versant, émergeant éventuellement sous forme d'écoulement de petits ruisseaux formant finalement de grandes rivières. Les interactions entre la couverture terrestre, les caractéristiques géologiques du bassin versant et la qualité des eaux drainées sont reconnues depuis le XVIe siècle (Agricola 1556). Afin de décrire les interactions fortes entre les cours d'eau de têtes de bassins et le paysage qu'ils drainent, Lowe et Likens (2005) ont utilisé l'analogie des alvéoles pulmonaires, les branches terminales de l'arbre respiratoire qui servent d'unités principales d'échanges gazeux des poumons. Les BVT sont ainsi d'importants bio-réacteurs (Kaushal et al. 2018) alimentés par des processus microbiens dynamiques, qui sont particulièrement diversifiés dans les petits cours d'eau par rapport aux plus grands (Besemer et al. 2013). Certains BVT sont bien préservés car ils se situent dans des zones de hautes montagnes, mais la grande majorité d'entre eux se trouvent dans des zones plus basses soumises à des activités humaines intenses. Par exemple, au cours des 60 dernières années, les applications mondiales d'engrais azotés et phosphatés ont respectivement augmenté de 500 % et 200 % (Foley et al. 2011). L'intensification agricole, le drainage, la rectification des cours d'eau et l'imperméabilisation des sols dans de nombreux BVT ont fondamentalement modifié les capacités de recyclage de l'azote et du phosphore ainsi que leurs flux des terres vers les cours d'eau.
L'utilisation raisonnée des terres et la gestion des ressources sont donc essentielles pour garantir la sécurité de l'eau, car la composition de l'eau est déterminée par des activités physiques et biogéochimiques au sein de ces BVT. Pourtant, nous sommes loin de comprendre comment les caractéristiques intrinsèques des BVT déterminent en fin de compte la composition de l'eau douce, car la décomposition de la contribution des compartiments du bassin versant à l'écoulement de l'eau et à sa signature chimique n'est pas une tâche triviale. De plus, comme avec les alvéoles, le nombre même de BVT complique leur étude à grande échelle. En outre, les techniques physiques utilisées pour la modélisation du débit d'eau ne fonctionneront pas pour la composition chimique et biologique de l'eau, car elle est contrôlée par un consortium de variables physiques, biologiques et climatiques aux interactions complexes (Brinkerhoff et al. 2024 ; Messager et al. 2021). Ainsi, seule une petite fraction des BVT a été étudiée directement dans ce but, laissant ces zones critiques comme aqua incognita, des inconnues (Bishop et al. 2008). De nombreuses approches ont cependant été entreprises au cours des 50 dernières années pour résoudre ce problème, en utilisant la répartition hydrographique (McDonnell & Beven 2014), les signatures isotopiques (Klaus & McDonnell 2013), la variation à long terme des constituants dissous (Kirchner & Neal 2013), les indicateurs de risques (Guillemot et al. 2021), et les relations débit-concentration (Moatar & Meybeck 2005). Ces études montrent que la génération du flux des cours d'eau résulte à la fois de parcours de flux longs (dans l'espace et dans le temps) au sein des aquifères et de parcours de flux courts à travers les sols peu profonds (Stewart et al. 2022). La répartition du flux entre ces deux domaines est contrôlée par le climat, la géologie, la géomorphologie et les usages des sols (Chorover al al. 2011). Ces études ont également révélé que la capacité des BVT à retenir, recycler le phosphore et éliminer l'azote résulte d'un ensemble limité d'interactions incluant à la fois le temps de résidence de l'eau et la variabilité des conditions redox que cette eau rencontre (McClain et al. 2003) à travers les trois principaux composants d'un bassin versant, à savoir le sol (Sébilo et al. 2013) et l'aquifère (Kolbe et al. 2019), mais également le ruisseau et sa zone hyporhéique (Krause et al. 2022). Ces trois principaux composants des BVT, ainsi que le temps de résidence de l'eau et le potentiel redox, contrôlent les transformations biogéochimiques de l'azote et du phosphore et peuvent se produire lorsque l'eau circule des précipitations vers les ruisseaux. Cependant, il existe un très grand nombre (c'est-à-dire des centaines de milliers) de BVT qui présentent une grande variabilité de ces caractéristiques intrinsèques, trop nombreuses pour être systématiquement surveillées par les agences de l'eau et les observatoires de recherche (Bishop et al. 2008).
Nous postulons qu'il est possible d'inférer la distribution du temps de séjour de l'eau et la variabilité redox des BVT, paramètres favorables aux transformations de l'azote et du phosphore, à partir des caractéristiques physiques intrinsèques des BVT. Cela repose sur trois hypothèses de travail, à savoir : i) les BVT de moins de 20 km² constituent l'échelle spatiale appropriée pour inférer les capacités de recyclage du paysage à partir de caractéristiques physiques intrinsèques (Burt & Pinay 2005) ; ii) la capacité de recyclage de l'azote peut être révélée à partir d'un ensemble limité de proxys empiriques (Abbott, Pinay et al. 2016); iii) les capacités de recyclage des composants sol, aquifère et cours d'eau des BVT peuvent être estimées en échantillonnant la qualité de l'eau du cours d'eau durant les conditions d'écoulement de base estivales et hivernales (Abbott, Pinay et al. 2017). Ces hypothèses sont étayées par des travaux préliminaires publiés par les porteurs du projet. Il reste cependant quelques verrous à lever, notamment quant à la pertinence de la mesure des ortho-phosphates comme proxy du cycle du phosphore (supervision Lécuyer), son déploiement sur les BVT et son analyse croisée avec d'autres proxies du cycle de l'azote, isotopes des nitrates et des sulfates, (supervision Pinay), et la valeur prédictive de ces proxies pour relier le temps de résidence de l'eau et les conditions redox aux les principales caractéristiques géologiques, hydrologiques et paysagères des BVT (travaux de De Dreuzy). Le présent projet vise à requalifier cette mesure en utilisant la mesure des isotopes stables (18O/16O) de l'oxygène des PO4. En raison de l'architecture tétraédrique et des liaisons covalentes (P-O) de l'ion phosphate, l'énergie d'activation nécessaire pour favoriser l'échange d'isotopes de l'oxygène entre le phosphate et les molécules d'eau est très élevée (Lécuyer et al., 1999). Les résultats expérimentaux d'études antérieures (Blake et al., 1997 ; Liang et Blake, 2009 ; Chang et Blake, 2015) ont révélé que la composition isotopique de l'oxygène du phosphate dissous pourrait être exploitée comme traceur des réactions biogéochimiques impliquant le P, avec un potentiel pour détecter les bio-signatures de l'activité microbienne dans les environnements aquatiques et leurs sédiments. Cet aspect va être testé lors de la thèse. D'autres indicateurs biogéochimiques des cours d'eau vont aussi être mesurés. Il s'agit notamment des isotopes des nitrates, des sulfates, de l'eau qui serviront à contraindre le fonctionnement biogéochimiques des basins versants et des cours d'eau qui les drainent.
Le profil recherché
Le projet de recherche requiert un intérêt pour les développements méthodologiques en biogéochimie et une appétence pour le travail de terrain pour la collecte, l'analyse et la gestion de la qualité des eaux.