La ségrégation et le verrouillage du lit augmentent le stockage de particules naturelles et synthétiques dans les rivières

Nature Communications volume 12, Numéro d'article : 7315 (2021) Citer cet article

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Bien que l’importance écologique des échanges hyporhéiques et du transport de particules fines dans les rivières soit bien établie, ces processus sont généralement considérés comme sans rapport avec la morphodynamique du lit des rivières. Nous montrons que le couplage entre l'échange hyporhéique, le dépôt de sédiments en suspension et le mouvement du lit de sable module fortement la morphodynamique et trie les sédiments du lit. L'échange hyporhéique concentre le dépôt de fines particules à l'intérieur et au-dessous des formes de lit mobiles, ce qui supprime la mobilité du lit. Cependant, les fines déposées sont également remobilisées par le mouvement du lit, fournissant ainsi un mécanisme de ségrégation des particules grossières et fines dans le lit. Étonnamment, deux états finaux distincts émergent de l’interaction concurrente de la stabilisation et de la remobilisation du lit : un état verrouillé dans lequel le dépôt de fines particules stabilise complètement le lit, et un équilibre dynamique dans lequel une remobilisation fréquente trie le lit et rétablit la mobilité. Ces résultats démontrent l'importance de l'échange hyporhéique pour la morphodynamique du lit des rivières et clarifient comment les interactions dynamiques entre les particules grossières et fines produisent des modèles sédimentaires que l'on retrouve couramment dans les rivières.

Les rivières transportent des matières dissoutes et particulaires des continents vers les océans. Les particules terrestres jouent un rôle clé dans la structuration des canaux fluviaux alluviaux1, dans le maintien des côtes deltaïques2 et dans le soutien des écosystèmes aquatiques3,4. La matière organique particulaire est retenue dans les lits des rivières et les plaines inondables5, enfouie dans les clinoformes deltaïques6 et stockée dans les sédiments marins7,8. Par conséquent, la dynamique interne du système fluvial régule le métabolisme du carbone, produisant un flux annuel de 5,1 Pg de carbone des rivières vers l’atmosphère et délivrant 0,9 Pg9 de carbone d’origine terrestre vers les océans5,8,10,11,12. L’aménagement du territoire et l’agriculture ont considérablement accru l’érosion des sols et l’apport de particules dans les rivières13. L’accumulation excessive de ces particules fines dans les sédiments (envasement, encastrement) est aujourd’hui l’une des causes majeures de dégradation des écosystèmes aquatiques14,15. Ces impacts sont grandement exacerbés lorsque les particules sont elles-mêmes toxiques (par exemple, les résidus miniers de métaux)16. Parallèlement, de grandes quantités de plastiques ont été introduites dans les systèmes aquatiques, produisant un nombre extraordinaire de petites particules, fragments et fibres – collectivement appelés microplastiques – qui sont transportées et s’accumulent dans les systèmes fluviaux17,18. Les durées de stockage de ces particules synthétiques et leurs conséquences à long terme sur les écosystèmes aquatiques sont actuellement inconnues.

Les particules terrestres, aquatiques et anthropiques sont soumises à un large éventail de conditions lors de leur transport depuis le cours supérieur des rivières vers les écosystèmes côtiers, notamment les variations de lumière solaire et d'oxygène dans la colonne d'eau, l'abrasion physique, les forts gradients redox et le métabolisme microbien diversifié dans le lit de la rivière.19,20 ,21. La matière organique dissoute et particulaire est transformée à la fois dans le cours d'eau et dans la zone hyporhéique, la région hautement bioactive du lit de la rivière où l'eau de la rivière se mélange aux eaux souterraines19. L'échange hyporhéique facilite le métabolisme microbien en fournissant de l'oxygène, du carbone et des nutriments aux communautés microbiennes benthiques et hyporhéiques19. Le taux et l'étendue des échanges hyporhéiques sont contrôlés par le débit de la rivière, la morphologie du canal et la perméabilité du lit de la rivière. Néanmoins, les flux hyporhéiques et les échelles de temps de stockage n'ont pas été intégrés dans les modèles numériques et conceptuels de la dynamique des particules de matière organique ou des microplastiques dans les rivières22,23,24,25.

À ce jour, les dépôts de particules fines (diamètre < 50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}}\)) et légères (gravité spécifique ~ 1) inorganiques, organiques et synthétiques dans le lit des rivières ont n’ont pas été pris en compte car il est généralement admis qu’ils restent en suspension dans la colonne d’eau en raison de leurs faibles vitesses de sédimentation26. Bien que les premières études aient indiqué que les particules fines et/ou légères peuvent avoir un impact sur la morphodynamique du lit27 et que les fines sont connues pour moduler les propriétés des fluides28, on suppose généralement qu'elles n'interagissent que de manière minime avec les lits des rivières29. On prend de plus en plus conscience du fait que les particules fines peuvent avoir un impact sur la morphodynamique du lit, car des études récentes ont montré que les fines peuvent modifier la pente du lit30 et interagir avec les sédiments du lit dans le cadre de la charge de fond31,32. De plus, les fines particules en suspension sont transportées dans le lit des rivières par échange hyporhéique et s'accumulent dans le sous-sol33,34,35,36.

relative to sand alone ) decreased linearly with the stabilization ratio (Fig. 2b). Stabilization of mobile sediment beds solely by deposition of fine particles from the water column has not previously been quantified. These findings indicate that fine-particle deposition and remobilization episodically regulate the morphodynamics of sand-bed rivers./p> 0), deposited clay is frequently remobilized from within bedforms, and long-term deposition only occurs in a horizontal layer below the active region of bed sediment transport. For this case, we observed a peak in clay accumulation at the location of the most frequent (modal) scour depth (Fig. 3a). This can be considered the result of a stochastic process in which passage of a random series of bedforms induces both downward motion of suspended particles along hyporheic flow paths and remobilization of deposited particles though scour. This remobilization can be considered a type of winnowing process removing fine particles from the sediment bed. However, repeated passage of bedforms moves clay particles deeper into the bed, and ultimately into regions from which they are not remobilized44. The resulting clay accumulation layer is horizontal because it is formed by the passage of many bedforms, which longitudinally homogenizes the effects of hyporheic exchange processes45. Conversely, when stabilization dominates, there is extensive deposition of clay within each bedform and the resulting strong local stabilization slows and ultimately stops bed sediment motion. For the locked case, we observed that clay accumulation decreased monotonically with depth in the bed (Fig. 3b), as expected for a process driven by flux of sediment particle from the water column46,47./p>