Mécanismes hydrologiques et hydrochimiques impliqués dans les variations saisonnières des teneurs en nitrate dans les bassins versants agricoles. Approche expérimentale et modélisation
Résumé
Nitrate concentrations in streamwater of agricultural catchments on low permeable bedrock exhibit dfferent seasonal patterns. Seasonal variations are usually characterised by higher nitrate concentrations in winter than in summer. However, intermediate or inverse cycles with higher nitrate concentrations in summer are sometimes observed. This work aims to identify hydrological and hydrochemical processes involved in seasonal variations of stream nitrate concentrations in agricultural catchments. Study is based on the caracterisation of hydrological and hydrochemical behaviour of two small catchments contrasted by their seasonal cycle (Kerbernez and Kerrien catchments, Brittany, France). A field study and a modelling approach were carried out to investigate physical and chemical properties of end-members contributing to stream discharge. For Kerrien catchment, the contribution of high subsurface flow with high nitrate concentrations during high water periods and active denitrification during low water periods explained the higher streamwater nitrate concentrations in winter than in summer. For Kerbernez catchment, the high contribution of groundwater with high nitrate concentrations smoothed or inverted this trend. Model results show that water fluxes in catchments are sensitive to spatial patterns of hydraulic conductivity more than geometry of the weathered aquifer. Moreover, seasonal cycles of nitrate concentrations in the stream are partly controlled by spatial distribution of nitrate in groundwater and to denitrification. Groundwater response time to variations of nitrate concentration in the recharge water is quicker for Kerrien catchment, but remains quite long for the two catchments.
Différents types de cycles saisonniers de teneurs en nitrate dans les eaux superficielles des bassins versants sur socle sont observés. Dans la majorité des cas, les concentrations sont élevées en automne - hiver et diminuent progressivement pour atteindre leurs valeurs minimales en période estivale. Dans d'autres cas, les variations de concentration peuvent être inversées, c'est à dire minimales pendant les périodes de fort drainage et maximales pendant les périodes d'étiage estival. Ce travail a permis d'identifier les processus hydrologiques et hydrochimiques impliqués dans les variations saisonnières des teneurs en nitrate dans les bassins versants sur socle. Il s'est basé sur l'étude du fonctionnement hydrologique et hydrochimique des bassins versants de Kerrien et Kerbernez (Finistère, France), présentant deux types de cycles différents. Une étude expérimentale de terrain, couplée à une approche de modélisation des transferts d'eau et de nitrate a été développée, afin d'identifier les caractéristiques physiques et chimiques des compartiments hydrologiques contribuant à l'alimentation des rivières. Les résultats montrent que pour le bassin versant de Kerbernez, les faibles amplitudes de variations des débits et des teneurs en nitrate sont dues à la contribution majeure d'un réservoir de volume important, le cycle de concentration étant attribué aux processus de mélange à l'intérieur de ce compartiment. Pour le bassin versant de Kerrien, le mélange entre deux compartiments marqués par une dynamique plus rapide, ainsi que des processus de dénitrification dans la zone humide de fond de versant expliquent l'amplitude plus importante des débits et variations de teneurs en nitrate dans la rivière. L'approche de modélisation a montré que les écoulements d'eau dans les bassins versants étaient contraints par la distribution spatiale des paramètres hydrodynamiques plus que par la géométrie des réservoirs. La distribution spatiale des teneurs en nitrate dans les bassins versants, elle-même issue de l'histoire des apports agricoles dans le bassin, ainsi que les processus de dénitrification conditionnent le type de cycle saisonnier observé dans les rivières des bassins versants sur socle. Pour les deux bassins versants, la réponse de la nappe à une modification des conditions de recharge est marquée par des temps de mise à l'équilibre importants.