Anthropization of groundwater flows and environmental trajectory of Mediterranean lagoon littoral hydrosystems, geochemical, isotopic and socio-hydrogeological approach on Corsican and Italian sites.
Anthropisation des flux d’eau souterraine et trajectoire environnementale des hydrosystèmes littoraux lagunaires méditerranéens, approche géochimique, isotopique et socio-hydrogéologique sur des sites corses et italiens.
Résumé
Most of the time, coastal lagoon hydrosystems are groundwater-dependent ecosystems (GDEs) and of major environmental and socio-economic importance. Understanding the role of groundwater in these socio-hydro-ecosystems is essential to their optimal management, but it remains poorly known and understudied. The Mediterranean basin is characterized by a great diversity of coastal lagoon hydrosystems, most of them are highly vulnerable and sometimes threatened by anthropogenic activities at the watershed scale. This pressure is exacerbated by the effects of climate change and land use modifications in time. The aim of this research work is to identify the scientific actions required to improve the understanding of the hydrogeological functioning of coastal ecosystems that depend on groundwater, and to link their water quality with the anthropogenic activities on the watersheds. In this framework, five Mediterranean lagoon hydrosystems were studied (Biguglia, Arasu, Santa Ghjulia and Balistra for Corsica, Le Cesine for Italy), using a multi-tracer and transdisciplinary approach. Geochemical tracers and stable isotopes of the water molecule (δ18OH2O et δ2HH2O) were used to characterize the hydrochemical water quality, to determine recharge conditions and evaporation rates in the lagoons, and to develop mixing models to quantify the groundwater contribution to the lagoons. Semi-quantitative estimations of groundwater’s’ residence times were done using tritium (3H). The origin of nitrate pollution sources in the various water bodies was identified using stable nitrate isotopes (δ15NNO3 et δ18ONO3) and also enabled the temporal evolution of nitrate legacies to be estimated, in conjunction with the age of the water given by measuring water residence time using 3H; finally, emerging organic compounds (EOCs) were used to assess the qualitative status of water bodies and identify the pollution sources threatening groundwater and associated ecosystems.On Biguglia lagoon hydrosystem, the socio-hydrogeological approach evidenced a pollution source with a two-fold origin, both agricultural and domestic, corresponding to both past and present uses. This highlights the aquifer's storage capacity and the presence of pollution legacies transiting from groundwater towards the lagoon. The field survey using a questionnaire was essential for the precise identification of these pollution sources.A hydro-ecological study was carried out on three small hydrosystems in southern Corsica. The rapid and sporadic urbanization of the Arasu and Santa Ghjulia watersheds induces nitrate fluxes from domestic origin mainly from wastewater effluents. From an ecological point of view, these impacts lead to the dominance of dinoflagellates, the emergence of stress-tolerant species that are sometimes potentially toxic, an increase of phytoplankton blooms and modifications in the seasonal cycles in the lagoons.Finally, the methodology combining hydrogeological investigations with field surveys was transposed on the Le Cesine lagoon, which is a total groundwater-dependent ecosystem in southern Italy. Nitrogen isotope signatures indicate pollution mainly from agricultural origin, due to the use of manure fertilizers associated to the intensive and historical cultivation of olive trees in the area, highlighting the groundwater storage capacity of groundwater of the site.All these results provide new insights on the hydrogeological functioning of groundwater-dependent ecosystems in the Mediterranean, and highlight the need to take groundwater bodies into consideration when determining the origin and quantifying anthropogenic pollution flows and associated threats to coastal GDEs. This work therefore constitutes a solid scientific and transdisciplinary basis that can support public policies and help local stakeholders in implementing sustainable management measures adapted to Mediterranean wetlands.
La majorité des hydrosystèmes lagunaires côtiers sont des écosystèmes tributaires des eaux souterraines (GDEs) à forte importance environnementale et socio-économique. La compréhension du rôle des eaux souterraines dans ces socio-hydro-éco-systèmes est essentielle à leur gestion optimale, et demeure encore trop peu connue et sous-étudiée. Le bassin méditerranéen se distingue par une grande diversité d’hydrosystèmes lagunaires, dont la plupart sont très vulnérables et parfois menacés face aux activités anthropiques développées à l’échelle des bassins versants. Cette pression est exacerbée par les effets du changement climatique et les modifications d’occupation des sols. Ces travaux de thèse visent à identifier les actions scientifiques à mettre en place afin d’améliorer la compréhension du fonctionnement hydrogéologique des écosystèmes côtiers, tributaires des eaux souterraines, dans l’objectif de relier leur qualité aux activités anthropiques présentes sur les bassins versants. Dans ce cadre, cinq hydrosystèmes lagunaires méditerranéens ont été étudiés (Biguglia, Arasu, Santa Ghjulia et Balistra pour la Corse, Le Cesine pour l’Italie), au moyen d’une approche multi-traceurs et transdisciplinaire. Les traceurs géochimiques et les isotopes stables de la molécule d’eau (δ18OH2O et δ2HH2O) ont contribué à la caractérisation de la qualité hydrochimique des eaux, ont permis de préciser les conditions de recharge et le taux d’évaporation dans les lagunes et enfin de développer des modéles de mélange pour quantifier la contribution des eaux souterraines aux lagunes. L’estimation semi-quantitative des temps de résidence des eaux souterraines a été réalisée grâce à la mesure des temps de séjour par le tritium (3H). L’origine des sources de pollutions azotées dans les différentes masses d’eau a été identifiée à l’aide des isotopes stables du nitrate (δ15NNO3 et δ18ONO3) et a aussi permis d’estimer, en reliant avec l’âge de l’eau donnée par le 3H, l’évolution temporelle des legs nitratés ; enfin les polluants organiques émergents (EOCs) ont permis de statuer sur l’état qualitatif des masses d’eau et d’identifier les sources de pollutions menaçant les eaux souterraines et les hydrosystèmes associés. Pour l’hydrosystème de la lagune de Biguglia, l’approche socio-hydrogéologique a permis de mettre en évidence une double pollution d’origine agricole et domestique correspondant à des usages à la fois passés et présents, mettant en avant la capacité d’archivage de l’aquifère et la présence de legs de pollution transitant des eaux souterraines vers la lagune. L’enquête de terrain au moyen d’un questionnaire a été indispensable pour l’identification précise de ces sources de pollutions. Une étude hydro-écologique a été menée sur trois petits hydrosystèmes du sud de la Corse. L’urbanisation rapide et sporadique des bassins versants d’Arasu et Santa Ghjulia est à l’origine de flux de pollution nitratés notamment, d’origine domestique provenant d’effluents d’eaux usées. D’un point de vue écologique, ces impacts engendrent une dominance des dinoflagellés, l’émergence d’espèces tolérant le stress parfois potentiellement toxiques, l’augmentation des blooms phytoplanctoniques et des modifications des cycles saisonniers dans les lagunes. Enfin, la méthodologie croisant les investigations hydrogéologiques avec l’enquête de terrain a été transposée sur la lagune de Le Cesine, un écosystème totalement tributaire des eaux souterraines au sud de l’Italie. Les signatures des isotopes de l’azote indiquent une pollution d’origine agricole, majoritairement issue de l’utilisation d'engrais à base de fumier en lien avec la culture intensive et historique des oliviers, mettant en évidence la capacité d’archivage des eaux souterraines sur le site.
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