Hydrological variability, mineralogy, suspended matter and surface water pollution in Niamey area

Au Sahel les eaux de surface constituent une ressource précieuse pour les populations qui y ont recours pour de multiples usages et le suivi de leur qualité est un enjeu crucial. Un accès à une eau de qualité, et un cadre de vie assaini et hygiénique peuvent conduire à une diminution des maladies hydriques, dont les maladies diarrhéiques qui touchent particulièrement les enfants en bas âge. Ces diarrhées infectieuses sont principalement causées par des bactéries pathogènes dont la présence dans l'eau est classiquement prospectée grâce à Escherichia coli qui est indicatrice de contamination fécale. Les éléments libres en surface (bactéries, matières organiques et minérales, déchets solides) sont généralement charriés vers les eaux de surfaces à la suite d'évènements pluvieux qui rendent ces dernières favorables à la prolifération des bactéries et autres pathogènes. Une meilleure compréhension des sources des agents pathogènes dans les eaux de surface, leur dynamique et les variables environnementales qui les contrôlent est donc primordiale. Ceci est d'autant plus urgent dans le contexte actuel caractérisé par les changements globaux : changement climatique, croissance démographique et modifications des écosystèmes naturels (changements de l'occupation et d'usage des terres, construction d'ouvrages hydroélectriques). L'objectif de cette thèse est d'améliorer la connaissance de la dynamique spatio-temporelle des concentrations en matières en suspension (MES), des bactéries d'origine fécale et des paramètres physico-chimique des eaux de surface dans la zone de Niamey. Un suivi régulier et adapté a été effectuée pendant 3 ans sur le tronçon du fleuve Niger entre l'amont et l'aval de la ville de Niamey et au niveau de deux lacs périurbains situés à l'est de la ville. La concentration en MES de ces eaux a été déterminée grâce à la méthode de filtration et à des mesures de la couleur des eaux dans le visible et le proche infrarouge par des radiomètres in-situ et embarqués sur satellite. La teneur des eaux en E. coli a été mesurée par la méthode de culture en microplaques grâce aux échantillonnages réalisés in-situ et les paramètres physico-chimiques ont été mesurés avec des sondes multi paramétrés. Ces mesures ont été complétées par des analyses de MES par microscopie électronique à transmission et à balayage, granulométrie et spectrométrie. Ces analyses ont montré de très fines particules de kaolinite de l'ordre de 0,2 µm avec des oxyhydroxydes de fer pendant la crue rouge. Les données issues de la radiométrie in situ et du capteur embarqué sur Sentinel-2 se sont montrées efficaces pour le suivi de la dynamique des MES dans la région et ont permis de quantifier les apports importants des affluents de la rive droite en amont de Niamey. La concentration en MES a montré une relation complexe avec le débit du fleuve Niger avec des valeurs maximales atteintes avant le pic de la crue locale (crue rouge) et de très faibles valeurs pendant le 2eme pic de crue à Niamey (crue blanche). La contamination fécale s'est avérée significative pendant toute l'année avec des pics plus importants au début de la saison des pluies qui précèdent les pics de MES et de débit. La teneur en E. coli du fleuve a révélé une importante pollution fécale provenant de la ville de Niamey avec des valeurs en moyenne 16 fois plus importantes en aval de Niamey par rapport à l'amont. Les lacs périurbains ont montré de valeurs élevées notamment en saison de pluie mais généralement plus faibles que dans le fleuve Niger. Les travaux de cette thèse ont permis de fournir des connaissances nouvelles sur l'état de la qualité microbiologique des eaux de surface dans la région de Niamey, et de mettre en évidence le rôle fondamental des sources de pollution notamment en ce qui concerne les activités anthropiques à proximité du fleuve et dans la ville de Niamey.In the Sahel region, surface water is a precious resource for the population who uses it for many purposes and monitoring of its quality is a crucial concern. Access to improved water and a healthy and hygienic living environment would lead to the reduction of waterborne diseases, especially diarrheal diseases that affect young children. These infectious diarrheas are mainly caused by pathogenic bacteria whose presence in water is classically surveyed thanks to fecal indicator bacteria such as Escherichia coli. The suspended matter in river (bacteria, organic and mineral matter, solid waste) is generally washed into surface waters by rainfall events, making them favorable to the bacteria and other pathogens growth. A better understanding of pathogens sources in surface waters, their dynamics and the environmental variables that control them is therefore essential. Such approach is particularly urgent in view of the current context characterized by global changes: climate change, strong population growth and modifications of natural ecosystems (changes in land use and occupation, building of hydroelectric facilities). The objective of this thesis is to improve the knowledge of the spatio-temporal dynamics of surface waters of the Niamey area, characterized by suspended particulate matter (SPM), bacteria of fecal origin, and physico-chemical parameters. A regular and adapted monitoring was carried out during 3 years on the section of the Niger River between the upstream and downstream of the Niamey city and on two peri-urban lakes located east of the city. SPM concentration was determined using a filtration method and measurements of water color in the visible and near infrared was performed by in-situ and satellite radiometers. The E. coli content of the water was determined by the microplate culture method through in-situ sampling and the physico-chemical parameters were measured with multi parameter probes. These measurements were completed by analyses of SPM by transmission and scanning electron microscopy (TEM & SEM), granulometry and spectrometry. The analyses revealed the presence of suspended very fine kaolinite particles around 0.2 µm with iron oxyhydroxides during the red flood. Data from in situ radiometry and Sentinel-2 on-board sensor were effective in monitoring SPM dynamics in the region and allowed the quantification of significant inputs from right bank tributaries upstream of Niamey. The SPM concentration showed a complex relationship with the Niger River discharge with maximum values reached before the peak of the local flood (red flood) and very low values during the 2nd peak of the flood in Niamey (white flood). Fecal contamination was found to be significant throughout the year with higher peaks at the beginning of the rainy season that precedes the SPM and discharge peaks. The E. coli content of the river showed significant fecal pollution from the city of Niamey with values on average 16 times higher downstream of Niamey than upstream. The peri-urban lakes showed high values of contamination especially during the rainy season but generally lower than values in the Niger River. This work provides new knowledge on the state of the microbiological quality of surface waters in the Niamey area, and highlights the fundamental role of pollution sources, particularly the anthropogenic activities near the river and in the city of Niamey