Effets écologiques de rejets urbains de temps de pluie sur deux cours d'eau periurbains de l'ouest lyonnais et un ruisseau phreatique en plaine d'alsace

[Departement_IRSTEA]MA [TR1_IRSTEA]QSA / DYNAQ [Encadrant_IRSTEA]Lafont, M.This work takes place in a multi-disciplinary research on preservation or restoration/rehabilitation of good ecological status of watercourses, in a need of durable and realistic development. The aim of this work is the knowledge of relations between fluxes of pollutants coming from combined sewer overflows, and the ecological status of several watercourses. Those relations were studied by the examination of physical and chemical parameters, and aquatic interstitial biocenoses (superficial and hyporheic oligochaete assemblages). The Ecological Ambience concept constitute the conceptual framework of this work. Three case-study sites were chosen. They are hydrogeomorphologically different and present gradients of pollution. The first case-study site is a phreatic watercourse, the Brünwasser river, polluted by combined sewer overflows and a strong capacity waste water treatment plant, in the Alsacian Ried (Sélestat, 67). The second one is the Chaudanne stream. It is a little watercourse of Lyon's suburbs, also polluted by urban sources of pollution. It is located in the Yzeron watershed. The Chaudanne stream has been studied since 1998, and is strongly instrumented. The Yzeron river is our third case-study site, it was prospected in its rural area and its urban area. The work units chosen to implement this work are the surface coarse sediments (FU3) and the hyporheic system (FU4). Those units are predominant in the studied sites, and concentrate a great part of metabolic activity. Functional traits (FTRs) are defined by studying oligochaete assemblages. Those functional traits gather ecological information common to several species. They intend to characterize the ecological functioning of the system. Four functional traits have been studied : FRT1 (permeability), FTR2 (intolerance to water pollution), FTR3 (tolerance to water pollution), and FTR4 (sludge effect). FTR1 and 2 are not only related to preserved areas of the Chaudanne and Yzeron streams, but also to reference watercourses. They are supported by moderate to high energy situations and by active hydraulic exchanges dynamics between surface and subsurface. FTR1 and 2 could be considered as good functioning or good ecological status criteria, in accordance with the WFD, and be used as references in a restoration context. A new functional trait (FTRi) has been validated and characterizes a moderately altered functioning (no severe floods or severe low water levels, average organic pollution). FTR3, and above all FTR4, are characterizing the most altered ecological functioning, in particular when pollutant loads, downwelling dynamics and storage of pollution interact in the FU4 (hyporheic system). It seems that downwellings are favoured by pollution loads coming from combined sewer overflows, and are reinforced by a geomorphological context favourable to infiltration (slope break). The rank correlations between FTR and hydraulic parameters, computed on several back-time periods, showed that maintaining 0.03 M3.s-1 discharge during at least 60 days (for the FU3) and 120 days (for the FU4) is necessary for an ecological improvement (decrease of FTR4). The previous results on the three case-study sites as well as data coming from other miscellaneous hydrosystems (Loire, Rhône, Moselle, Azergues or the glacial river Roseg) allowed the elaboration of an ecological functioning typology of watercourses. This typology highlights 7 ecological functioning schemes or types, from a very preserved functioning type (the Roseg stream, upstream Chaudanne and Yzeron areas : type 1), to a very altered functioning type (Chaudanne S4, Brünwasser, Moselle, types 6 or 7). Type 6 and 7 represent the situations where interactions between physical disturbances (predominance of downwellings) and chemical disturbances (urban or industrial pollution loads) are the highest. This typology is based on the spatial division of the factorial map from a standardized PCA. For every stations, the variables chosen to run this PCA were both surface (FU3) and hporheic FU4) functional traits. A technical guide to implement FTRs and the typology of ecological functioning is proposed. It presents the first basis of an operational bioindication of the system functionalities. Research perspectives are proposed to improve the current typology, precise the meaning of functionalities attributed to the current five FTRs, and to propose new FTRs, including FTR5 (temporal constancy of a given type), and the subdivision of FTR1 in two FTRs (FTR1a, predominance of Lumbriculidae and Propappidae, permeable substrates without hydraulic deficits, FTR1b, predominance of Enchytraeidae, permeable substrates but with hydraulic deficits). Those perspectives are only meaningful in a multi-disciplinary research framework.Cette thèse s'inscrit dans une recherche pluridisciplinaire sur la préservation et la restauration d'un « bon état écologique » dans les cours d'eau, et ce dans un contexte de développement durable et réaliste. L'objectif de cette thèse est la connaissance des relations entre les flux de polluants, provenant de déversoirs d'orage, et l'état écologique de plusieurs cours d'eau. Ces relations ont été étudiées à partir de l'examen de variables physiques et chimiques et des biocénoses aquatiques interstitielles, principalement les peuplements d'oligochètes, le concept « d'ambiance écologique » constituant le cadre conceptuel du travail. Trois sites ateliers ont été retenus, afin de disposer de gradients hydrogéomorphologiques et chimiques contrastés. Le premier site (le Brünwasser) est un cours d'eau phréatique du ried alsacien, soumis à des pollutions importantes (déversoirs d'orage, rejets d'une station d'épuration). Le second est la Chaudanne, ruisseau périurbain de l'ouest de l'agglomération lyonnaise (bassin de l'Yzeron), site atelier étudié depuis 1998 et soumis à des surverses de déversoirs d'orage. Le troisième est l'Yzeron, dans un secteur rural et un secteur urbain. Les unités fonctionnelles (UF) sur lesquelles ont porté les recherches sont les sédiments grossiers superficiels (UF3) et le milieu hyporhéique (UF4). Ces unités, prédominantes dans les sites étudiés, constituent les habitats où se produit l'essentiel de l'activité métabolique du milieu. Les peuplements d'oligochètes ont permis de définir des traits fonctionnels (TRFs), qui regroupent les informations écologiques communes qu'apportent plusieurs espèces pour caractériser le fonctionnement du système. Quatre traits fonctionnels ont été retenus : TRF1 (perméabilité), TFR2 (sensibilité à la pollution), TRF3 (résistance à la pollution), TRF4 (effet boues). Les TRF1 et 2 se rencontrent dans les secteurs préservés de la Chaudanne et de l'Yzeron, mais aussi dans d'autres milieux de référence. Ils sont favorisés par des situations d'énergie haute à modérée et par des dynamiques actives d'échanges entre les eaux superficielles. Les TRFs 1 et 2 pourraient être retenus comme critères d'un « bon fonctionnement » ou d'un « bon état écologique » au sens de la DCE et servir de modèles de restauration du milieu. Un nouveau TRF (TRFi) a été validé et caractérise un état fonctionnel moyennement altéré (pas de très fortes crues ou d'étiages sévères, pollution organique moyenne). Le TRF3, et surtout le FTR4, caractérisent les états fonctionnels les plus dégradés, en particulier ceux où l'on rencontre les plus importantes synergies entre les rejets polluants, les dynamiques d'infiltration et le stockage de la pollution dans l'UF4 (milieu hyporhéique). Les dynamiques d'infiltration semblent favorisées par les flux provenant des déversements d'orage, et sont accentuées par un contexte géomorphologique favorable à l'infiltration (rupture de pente). Les temps de réponses des TRF aux paramètres hydrauliques ont montré que 60 jours de débits soutenus (débit minimum de 0.03 M3 s-1) pour l'UF3 et 120 jours pour l'UF4 sont nécessaires pour que ces deux UF se restaurent (diminution significative du TRF4). A partir des résultats acquis sur les trois sites ateliers et de données provenant d'autres systèmes comme la Loire, le Rhône, la Moselle, l'Azergues ou la rivière glaciaire Roseg, une typologie du fonctionnement écologique des cours d'eau à permis de mettre en évidence 7 types distincts, allant d'un type très préservé (rivière Roseg, Chaudanne et Yzeron amont : type 1), à des types très altérés (Chaudanne S4, Moselle, Brünwasser, types 6 et 7), où la synergie entre altérations physiques (prédominance des dynamiques d'infiltration) et chimiques (rejets industriels ou domestiques accusés) est la plus prononcée. Cette typologie est basée sur le découpage en zones du plan factoriel d'une ACP normée, dont les variables, pour chaque station étudiée, sont les traits fonctionnels des sédiments grossiers superficiels (UF3) et du milieu hyporhéique (UF4). Un guide technique de mise en ½uvre des TRF et de la typologie est proposé et constitue les premières bases d'une bioindication opérationnelle des fonctionnalités du milieu. Des perspectives de recherche sont avancées pour améliorer la typologie actuelle, préciser la signification des fonctionnalités associées aux 5 TRF actuels et proposer d'autres TRF, dont le TRF5 (constance temporelle d'un type donné) et le découpage du TRF1 en 2 TRF (TRF1a, Lumbriculidae et Propappidae dominants, milieux perméables sans déficits hydriques, TRF1b, Enchytraeidae dominants, milieux perméables à déficits hydriques). Ces perspectives ne peuvent fonder leur existence que dans le cadre de recherches pluridisciplinaires