Fonctionnement hydro-biogéochimique des hydrosystèmes karstiques : impact du changement climatique et du changement d'occupation des sols

Power ultrasound, the cornerstone of sonochemistry, is a recurring research area in process engineering. Their mechanical and chemical effects allow the enhancement of physical processes (mixing, dissolution, emulsion, degassing, attrition ...) and the activation of chemical reactions (via free radicals production). The underlying phenomenon is the inertial (or transient) acoustic cavitation, which stands for the violent collapse of bubbles generated during the depression phases of the wave, leading locally to extreme conditions of pressure and temperature and to the formation of powerful micro-jets pointing towards solid surfaces. Despite this high potential, industrial applications of power ultrasound are scarce. This is mainly due to the fact that transient cavitation is still poorly understood and controlled, preventing the design of efficient sono-reactors on a pilot scale. The main obstacle lies in the prediction and optimization of the spatial distribution of sono-active zones. Indeed, power ultrasound is markedly attenuated over short distances, particularly in multiphase media, frequently encountered in physicochemical processes. In this context, this thesis aims at evaluating locally the physical effects of power ultrasound (at 20 kHz) applied to a liquid-solid suspension. The sono-active zones of a fluidized bed reactor equipped with an ultrasonic horn are identified and the influence of various experimental parameters (emitted power, fluid velocity, concentration and properties of the suspension) is explored. The first part evaluates the ultrasonic wave attenuation caused by both the cavitation and the solid particles, as well as the characteristics of its frequency spectrum. Indeed, acoustic bubbles have their own acoustic signature. For this purpose, acoustic pressure measurements are carried out along the reactor with a piezoelectric hydrophone and the signals are interpreted by a spectral analysis. The second part quantifies the physical effects of ultrasounds via a local measurement of liquid-solid mass transfer coefficient by an electrochemical method. The axial mapping of the reactor using microelectrodes can identify the zones of strong intensification. Compared with the previous measurements, they also reveal the link between the local mass transfer enhancement and the characteristics of the acoustic signal measured nearby. Finally, the experimental study is completed by numerical simulations of the reactor carried out by COMSOL Multiphysics. The model includes the energy dissipated by the bubbles, which is a key factor of ultrasound attenuation. Via a parametric study, those simulations also show the role of the sono-reactor design on the localization of active zones.Les hydrosystèmes karstiques sont des environnements très sensibles aux activités anthropiques (AA) et aux variations hydroclimatiques, telles que celles entraînées par le Changement Climatique (CC). Au sein de la Zone Critique (ZC), ces milieux sont les plus réactifs et également les plus vulnérables à ces forçages qui peuvent modifier le transfert interne rapide des éléments dissous, et notamment des contaminants. Ces systèmes karstiques sont donc d’excellents candidats pour étudier l’impact du CC et des AA sur les ressources en eau et sur les cycles biogéochimiques des éléments, notamment C et S, fortement perturbés par les changements d’occupation des terres, ainsi que par les retombées atmosphériques liées aux AA (dépôts acides). L’objectif de cette thèse est donc de comprendre le fonctionnement hydro- biogéochimique des systèmes karstiques en milieu tempéré et d’identifier l’impact du CC et des AA. Ces questionnements ont été abordés à différentes échelles spatiales et temporelles sur le bassin versant karstique du Baget (BC, Pyrénées Ariégeoises, bassin forestier, multilithologique et quasi pristine) et sur une vingtaine d’autres bassins versants karstiques à l'échelle régionale (Pyrénées et Massif Central). Ces bassins disposent d'une base de données robuste pour étudier à long ou moyen terme leur réponse hydrogéochimique à ces impacts. Sur BC, depuis les années 70, les suivis hydroclimatiques (précipitation, température, débit), hydrochimiques (éléments majeurs) et isotopiques (13C, 34S ), ont permis: (i) d’identifier et quantifier la contribution des sources atmosphérique, biologique, anthropique et lithologique aux flux d’éléments dissous exportés par la rivière ; (ii) de déterminer les principaux facteurs environnementaux contrôlant les concentrations et les flux d’éléments dissous exportés par la rivière, tels que la lithologie, le drainage, l’épikarst, la température et l’occupation des sols; (iii) d’établir les bilans de matières dissoutes et particulaires, l’intensité de l’érosion mécanique et chimique, et la consommation de CO2 par l’altération chimique des roches et ; (iv) de mettre en évidence de mécanismes internes au cours d’eau comme la précipitation de la calcite et le dégazage de CO2, grâce au développement innovant de diagrammes de mélange basés sur le 13CDIC. De plus, l’analyse haute fréquence a permis : (i) d’identifier l’importance des différents types d’écoulements (écoulements à réponse rapide, de subsurface et de base) sur la qualité des eaux ; (ii) d’établir une typologie des crues en fonction de leur nature, de leur intensité et du comportement des éléments; (iii) de quantifier l’importance des événements hydrologiques majeurs sur les flux totaux annuels de matières en suspension (90%) et d’éléments en solution (>50%) pendant moins d’un tiers du temps de l’année. L’évolution des concentrations en éléments majeurs dans le BC est globalement comparable aux tendances observées dans les Pyrénées (5 bassins étudiés) et le Massif Central (15 bassins). L’augmentation de Ca+Mg (+5 μeq.L-1.an-1) et de l’alcalinité (+9 μeq.L-1.an-1) dans les eaux de drainage du BC sur les 40 dernières années, est statistiquement liée à l’augmentation de la température (+0,03 °C.an-1), à la diminution du débit (-4 L.s-1.an-1) et à la fermeture du milieu (reprise de la forêt de +0,05 Km2.an-1). Cette quantification a été rendue possible grâce à la détermination d’un indicateur original d’évolution du paysage par analyse d’images depuis les années 40. De plus, la baisse des sulfates (-2,2 μeq.L-1.an-1) du cours d’eau est le reflet de la diminution du dépôt atmosphérique acide observée dans les zones rurales françaises. Cette baisse continue suggère que le déstockage du soufre des sols, issu des apports atmosphériques acides, se produit encore aujourd'hui vers le cours d’eau