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Oxygène dissous








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Oxygène Dissous


Solubilité de l'Oxygène dans l'Eau :

Comme tous les gaz, l'oxygène se dissout dans l'eau, mais cette solubilité est limitée à une valeur seuil, appelée concentration standard ou teneur à saturation, qui varie en fonction de la pression atmosphérique et de la salinité.       




Influence de la Température :

Plus la température est élevée, plus la solubilité de l'oxygène dans l'eau est faible. A  "0° C" par exemple, la teneur à saturation est de 14.16mg/l alors qu' 20°C, elle est de 8.84mg/l (à l'altitude 0). Une équation complexe donne la concentration standard en fonction de la température, mais la formule simplifiée suivante (précise à 1% près) peut également être utilisée :

     ¤  Cs   : Concentration standard en g/l


     ¤  T°    : Température de l'eau.                        
     

                                                                         Cs = 468,41/(31,64+T°C)


On peut aussi utiliser le Tableau 1. ci-dessous qui donne les teneurs à saturation en fonction de la température, à une pression atmosphérique de 1013hPa (pour une température de 22.3°C, lire la valeur à l'intersection de la ligne 22 et de la colonne 0.3).


Tableau 1. Teneurs à saturation
 T°C  0,0  0,1  0,2  0,3  0,4  0,5  0,6  0,7  0,8 0,9
0  14,16  14,12  14,08  14,04  14,00  13,97  13,93  13,89  13,85  13,81
 1  13,77  13,74  13,70  13,66  13,63  13,59  13,55  13,51  13,48  13,44
 2  13,40  13,37  13,33  13,30  13,26  13,22  13,19  13,15  13,12  13,08
 3  13,05  13,01  12,98  12,94  12,91  12,87  12,84  12,81  12,77  12,74
 4  12,70  12,67  12,64  12,60  12,57  12,54  12,51  12,47  12,44  12,41
 5  12,37  12,34  12,31  12,28  12,25  12,22  12,18  12,15  12,12  12,09
 6  12,06  12,03  12,00  11,97  11,94  11,91  11,88  11,85  11,82  11,79
 7  11,76  11,73  11,70  11,67  11,64  11,61  11,58  11,55  11,52  11,50
 8  11,47  11,44  11,41  11,38  11,36  11,33  11,30  11,27  11,25  11,22
 9  11,19  11,16  11,14  11,11  11,08  11,06  11,03  11,00  10.98  10,95
 10  10,92  10,90  10,87  10,85  10,82  10,80  10,77  10,75  10,72  10,70
 11  10,67  10,65  10,62  10,60  10,57  10,55  10,53  10,50  10,48  10,45
 12  10,42  10,40  10,38  10,36  10,34  10,31  10,29  10,27  10,24  10,22
 13  10,20  10,17  10,15  10,13  10,11  10,09  10,06  10,04  10,02  10,00
 14   9,98  9,95  9,93  9,91  9,89  9,87  9,85  9,83  9,81  9,78
 15  9,76  9,74  9,72  9,70  9,68  9,66  9,64  9,62  9,60  9,58
 16  9,56  9,54  9,52  9,50  9,48  9,46  9,45  9,43  9,41  9,39
 17  9,37  9,35  9,33  9,31  9,30  9,28  9,26  9,24  9,22  9,20
 18  9,18  9,17  9,15  9,13  9,12  9,10  9,08  9,06  9,04  9,03
 19  9,01  8,99  8,98  8,96  8,94  8,93  8,91  8,89  8,88  8,86
 20  8,84  8,83  8,81  8,79  8,78  8,76  8,75  8,73  8,72  8,70
 21  8,68  8,67  8,65  8,64  8,62  8,61  8,59  8,58  8,56  8,55
 22  8,53  8,52  8,50  8,49  8,47  8,46  8,44  8,43  8,41  8,40
 23  8,38  8,37  8,36  8,34  8,33  8,32  8,30  8,29  8,27  8,26
24  8,25  8,23  8,22  8,21  8,19  8,18  8,17  8,14  8,14  8,13
25  8,11  8,10  8,09  8,07  8,06  8,05  8,04  8,02  8,01  8,00








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 Influence de la Salinité :

La solubilité de l'oxygène dans l'eau diminue avec l'accroissement de la salinité. Le Tableau 2 ci-dessous donne les teneurs à saturation de l'oxygène en fonction de la température et de la salinité, à une pression atmosphérique de 1013 hPa.


                                                                 Tableau 2. Teneurs à saturation


 T°C  0 5 10  15  20  25  30 35 40
0  14,60  14,11  13,64  13,18  12,74  12,31 11,90  11,50  11,11
 1  14,20 13,72  13,27  12,82 12,40  11,98  11,58 11,20  10,82
 2  13,81  13,36  12,91  12,49  12,07  11,67  11,29  10,91  10,55
 3  13,44  13,00  12,58  12,16  11,76  11,38 11,00  10,64 10,29
 4  13,09  12,67  12,25  11,85  11,47  11,09  10,73  10,38  10,04
 5  12,76  12,34  11,94  11,56  11,18  10,82  10,47  10,13  9,80
 6  12,44  12,04  11,65  11,27  10,91  10,56  10,22  9,89  9,57
 7 12,13 11,74  11,36  11,00 10,65  10,31  9,98  9,66  9,35
 8 11,83  11,46  11,09  10,74  10,40  10,07  9,75  9,44  9,14
 9  11,55  11,18 10,83  10,49  10,16  9,84  9,53 9,23 8,94
 10 11,28  10,92  10,58  10,25  9,93  9;62 9,32  9,03  8,75
 11  11,02  10,67 10,34  10,02  9,71  9,41  9,12  8,83  8,56
 12  10,77  10,43 10,11  9,80 9,50  9,21  8,92 8,65  8,38
 13  10,52  10,20  9,89  9,59  9,29 9,01  8,73  8,47  8,21
 14  10,29  9,98  9,68  9,38  9,10  8,82 8,55  8,29  8,04
 15  10,07  9,77  9,47  9,19 8,91  8,64  8,38 8,13  7,88
 16  9,86  9,56  9,28  9,00  8,73  8,47  8,21  7,97 7,73
 17  9,65  9,36  9,09 8,82 8,55 8,30  8,05  7,81 7,58
 18  9,45  9,17  8,90  8,64  8,38  8,14 7,90 7,66 7,44
 19  9,26  8,99  8,73  8,47  8,22  7,98  7,75 7,52 7,30
 20  9,08  8,81  8,56  8,31  8,06 7,83  7,60  7,38  7,17
 21  8,90  8,64  8,39  8,15  7,91 7,68  7,46  7,25  7,04
 22  8,73  8,48  8,23  8,00  7,77  7,54 7,33  7,12  6,91
 23  8,56  8,32  8,08  7,85  7,63  7,41  7,20  6,99  6,79
24  8,40  8,16 7,93 7,71  7,49 7,28  7,07  6,87 6,68
25  8,24  8,01 7,79 7,57  7,36  7,15  6,95  6,75  6,56
26 8,09 7,87 7,65 7,44 7,23 7,03 6,83 6,64 6,46
27 7,95 7,73 7,51 7,31 7,10 6,91 6,72 6,53 6,35
28 7,81 7,59 7,38 7,18 6,98 6,79 6,61 6,42 6,25
29 7,67 7,46 7,26 7,06 6,87 6,68 6,50 6,32 6,15
30 7,54 7,33 7,14 6,94 6,75 6,57 6,39 6,22 6,05


 


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 Influence de la Pression Atmosphérique :

La concentration standard en oxygène diminue de façon proportionnelle avec la pression atmosphérique. L’équation ci-dessus est valable pour une pression atmosphérique de 1013 hPa (ou 760 mmHg), mais à la pression p (en hPa), la concentration standard est égale à :   

                                  Cs (p) = Cs x p / 1013


   ¤ Cs (p) : concentration standard à la pression p(en hPa),
   ¤ Cs      : concentration standard à la pression 1013 hPa

La pression atmosphérique varie avec les conditions climatiques, mais aussi avec l’altitude, et on peut donc utiliser celle-ci comme facteur correcteur selon la formule suivante :

                                         Cs (h) = Cs x Ca

   ¤ Cs (h) : concentration standard à l’altitude h,
   ¤ Ca      : coefficient de correction donné par le tableau 3.

Tab 3 : Coefficient de correction de la teneur à saturation de l’oxygène en fonction de l’altitude
 


Tab-3
Alt.   Alt.   Alt.   Alt.  
(m) Ca (m) Ca (m) Ca (m) Ca
    0 1.00 300 0.96 600 0.93  900 0.90
  50 0.99 350 0.96 650 0.93  950 0.89
100 0.99 400 0.95 700 0.92 1000 0.89
150 0.98 450 0.95 750 0.91 1050 0.88
200 0.98 500 0.94 800 0.91 1100 0.88
    250 0.97 550 0.94 850 0.90 1150 0.97

Expression de la Teneur en Oxygène Dissous :

 On peut exprimer la teneur en oxygène dans l’eau soit en concentration (mg/l ou ppm), soit en pourcentage de saturation. Ce dernier relativise la teneur mesurée par rapport à la concentration standard, selon la relation :

                                        %S = 100 x C/Cs

    ¤  % S : pourcentage de saturation en oxygène,

    ¤  C      : concentration en oxygène mesurée (mg/l),
    ¤  Cs     : concentration standard (mg/l).

Le pourcentage de saturation donne donc une indication sur le degré d’équilibre (pour l’oxygène) entre l’air et l’eau. Lorsque %S < 100 %, l’eau est sous-saturée en oxygène, et lorsque % S > 100 %, l’eau est sursaturée en oxygène.





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AERATION

 Oxygène Dissous





Processus ayant une influence sur l’oxygène dissous:

La teneur en oxygène dissous d’un milieu aquatique change en permanence sous l’influence de processus chimiques, physiques et biologiques. L’atmosphère a par contre, une concentration à peu près constante en oxygène, qui varie faiblement avec la pression atmosphérique.

Les réactions chimiques se produisant en milieu aquatique consomment ou relachent de l’oxygène selon qu’il s’agit d’oxydations ou de réductions. Le bilan de ces réactions chimiques s’exprime généralement par ce qu’on appelle la demande Chimique en Oxygène (DCO).



Le principal processus physique ayant une influence sur la teneur en oxygène est la diffusion de l’oxygène entre l’eau et l’atmosphère, qui s’effectue de l’air vers l’eau si l’eau est sous-saturée en oxygène (%S < 100 %), ces échanges se produisant jusqu’à ce que l’équilibre entre l’air et l’eau soit atteint (%S = 100 %).



La vitesse de diffusion dépend pour une large part de l’importance de la surface de contact entre l’air et l’eau. Ainsi une eau agitée, brassée, soit naturellement (courant, turbulences, cascades), soit artificiellement (aérateurs) atteindra rapidement l’état d’équilibre, et ce d’autant plus que les gouttes d’eau projetées dans l’air sont fines, alors qu’en eau calme, peu agitée (étang, lac), la diffusion est un phénomène très lent.



Les processus biologiques ayant une influence sur l’oxygène dissous dans l’eau sont la photosynthèse des organismes végétaux qui leur permet, à la lumière, de synthétiser leur propre matière à partir de carbone minéral, selon la réaction :

L’oxygène est un déchet de ce processus métabolique, déchet qui est rejeté dans le milieu. L’importance quantitative de ce processus dépend de l’abondance des végétaux, de la température, de la lumière, de la richesse en nutriments, de la turbulence de l’eau... La photosynthèse joue surtout un rôle important en eau stagnante, riche en phytoplancton. Dans ce type de milieu, c’est le phénomène le plus influent sur l’évolution de la teneur en oxygène dissous.
(Tab 4).


6CO2 + 6 H2O  --->  C6 H12O6 + 6O2


La respiration est le proessus métabolique qui fournit l’énergie aux organismes par l’oxydation du carbone organique, selon la réaction :
C’est donc une réaction nécessitant de l’oxygène, qui se produit aussi bien chez les animaux que chez les végétaux


.Aération évolution de la teneur en oxygène en milieu aquatique dans le domaine de l'aquaculture



Enfin, la dégradation aérobie de la matière organique est généralement un poste important de consommation d’oxygène, dont le siège principal est le sédiment.  
L’importance relative de chacun des processus évoqués (DCO, diffusion photosynthèse, respiration) dans l’évolution

                             C6H12O6 + 6O2 ---> 6CO2 + 6H2O + chaleur



Tab.4 : Ordres de grandeur des gains et pertes dus aux principaux processus intervenant sur l'évolution de l'oxygène en étang.


PROCESSUS
GAMME DE VARIATION


EN MG/L/JOUR


GAINS  
Photosynthèses du phytoplancton 5 à 20
Diffusion 1à 5
PERTES  
Respiration du phyto-et zooplancton 5 à 15
Respiration des poissons 2 à 6
Respiration des micro-organismes et organismes bentiques 1 à 3
Diffusion 1 à 5


de la teneur en oxygène dissous dépend largement des conditions du milieu :

¤ En milieu turbulent, froid et peu riche en organismes (phytoplancton en particulier), comme c’est le cas d’une rivière de montagne, la diffusion jouera un rôle très important.

¤ En milieu stagnant, se réchauffant facilement et riche en organismes, c’est la photosynthèse et la respiration qui jouent les rôles clés, comme le montre le   tableau 4


 


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AERATION Oxygène Dissous

  


Evolution de la teneur en oxygène en milieu aquatique :

L’évolution saisonnière et journalière de l’oxygène dissous est la résultante des principaux processus évoqués ci-dessus.
   
En milieu turbulent, la diffusion constituant une source constante d’oxygène, la teneur en oxygène est relativement stable au cours du nycthémère (espace de temps comportant un jour et une nuit : 24 h), et varie légèrement en fonction de la saison du fait de l’influence de la température sur la solubilité de l’oxygène dans l’eau.



En milieu stagnant (étang), au cours du nycthémère, la teneur en oxygène est  maximale lorsque la photosynthèse est importante (température élevée, forte luminosité) et minimale à l’obscurité. Il en découle un cycle journalier, dont l’amplitude varie principalement en fonction de l’abondance du phytoplancton, avec un maximum en fin de journée et un minimum en fin de nuit, minimum qui peut atteindre des valeurs létales pour le poisson et entraîner des mortalités catastrophiques. La connaissance de ce cycle journalier est donc importante car elle permet de déterminer les périodes à risques et d’envisager des méthodes de lutte contre les désoxygénations.


Aération évolution de la teneur en oxygène en milieu aquatique dans le domaine de l'aquaculture


La composante saisonnière joue surtout par le biais de la température, qui influence la solubilité de l’oxygène et détermine le développement des organismes.

Par ailleurs, en milieu peu agité, l’oxygène dissous diminue généralement avec la profondeur, du fait d’une moindre pénétration de la lumière, et donc d’une réduction de la photosynthèse, et d’autre part du fait de la consommation importante du sédiment, pour les processus de dégradation de la matière organique.


Besoins des poissons



La consommation d'oxygène des poissons pour leur respiration dépend principalement de l'espèce, de la taille de l'activité, de la température, de l'alimentation et de la qualité de l'eau.
Les espèces d'étang consomment entre 200 et 500mg d'oxygène par kg de poids vif et par heure en situation de repos à 17-20° C et entre 300 et 900 mg d'O2/kg/heure en activité. La consommation horaire d'oxygène (parkg) diminue avec la taille du poisson.


Tableau -5
ESPECES T°C 02(mg/l) T°C 025(mg/l)
Carpe 0-4 0.3-0.4 30 1.1
Tanche 16 1.3-0.5    
Gardon 16 0.7    


Elle augmente avec la teneur en oxygène dans le milieu, avec la température - pour la plupart les poissons, la consommation double pour une élévation de température de 10°C - avec un accroisement d'activité, et avec l'alimentation :
un poisson-chat (Ictalurus punctatus) qui consomme 300-500mg/kg/heure à jeun, consomme 680mg/kg/heure une heure après nourrissage.
La teneur minimale dépend aussi principalement de l'espèce, de la température, de la qualité de l'eau et de la durée d'exposition.
D'une manière générale, les poissons d'étang succombent après quelques heures à moins de 0.3mg/l et plusieurs jours si elle atteind 1.5mg/l. On considère généralement que le minimum souhaitable en étang est de 5mg/l.
A titre ndicatif, le tableau 5 donne les valeurs minimales auxquelles quelques espèces d'étang peuvent survivre en fonction de la température. Il est évident que le niveau d'oxygène doit être beaucoup plus élévé pour permettre une vie et une croissance normales.


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