Colloque PIREN-Seine 2009

5 et 6 février 2009

Amphithéâtre Farabeuf
Campus des Cordeliers
Université Pierre et Marie Curie
15 rue de l'Ecole de Médecine
75006 PARIS

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Session "Micropolluants"

Introduction de la session

Sources et devenir des antibiotiques dans le bassin versant de la Seine, F. Tamtam et al.

Sources et devenir des antibiotiques dans le bassin de la Seine

F.Tamtam1, B.LeBot2, F.Mercier2, T.Dinh1, J.Eurin1, M.Chevreuil1
1 : Laboratoire Hydrologie et Environnement - EPHE/UMR Sisyphe 7619, Université Pierre et Marie Curie - BC 105 - 4 place Jussieu 75252 Paris cedex 05
2 : Laboratoire d'Etude et de Recherche en Environnement et Santé (LERES), Ecole des hautes Etudes en Santé Publique, Avenue Professeur Léon Bernard, 35043 Rennes cedex

La présence de résidus d’antibiotiques dans les eaux de surface fait l’objet d’un intérêt croissant du fait de la possibilité d’un impact néfaste sur la qualité et le fonctionnement des écosystèmes aquatiques. Par ailleurs, cette présence pourrait contribuer à l’apparition de souches bactériennes antibio-résistantes et de ce fait représenter un risque pour la santé publique. Cette préoccupation est particulièrement d’actualité dans le bassin de la Seine, qui supporte une forte pression anthropique, et où plus de 50 % d’eau de surface sont utilisés pour l’alimentation en eau potable de l’Ile-de-France.

Après une première étape d’élaboration d’une procédure analytique permettant l’étude de ces contaminants dans différentes matrices environnementales, la contamination de la Seine et de certains de ces affluents a été étudiée. Une présence ubiquiste de certaines molécules, des variations au cours du cycle hydrologique, et une prépondérance des rejets urbains en tant que source de contamination aux eaux de surface ont été mis en évidence. Néanmoins, un impact local non négligeable de la médecine vétérinaire, notamment par les antibiothérapies en pisciculture, a également pu être constaté.

L’étude du devenir de ces molécules au cours des traitements d’épuration a mis en valeur des comportements différents en fonction des propriétés physico-chimiques des molécules, des filières de traitements et des conditions de saturation du réseau d’eau usées. Par ailleurs, les processus d’élimination mis en évidence sur les molécules étudiées correspondent majoritairement à des mécanismes d’adsorption, aboutissant à une contamination des boues urbaines, plutôt qu’à une réelle dégradation des substances. Les composés les plus résistants aux traitements sont retrouvés dans les cours d’eau récepteurs à des niveaux de concentrations de l’ordre de la centaine de nanogrammes par litres.

Les données d’exposition obtenues dans cette étude s’avèrent généralement bien plus faibles que les valeurs d’écotoxicité publiées dans la littérature, mais celles-ci peuvent être atteintes localement, notamment au niveau des eaux usées hospitalières et urbaines, ainsi qu’à proximité des élevages aquacoles, notamment dans les sédiments.

 

Sources et transfert des phtalates sur le bassin versant de la Seine. C. Dargnat et al.

Sources et transfert des phtalates sur le bassin versant de la Seine. Estimation de l’exposition humaine

C. Dargnat1, M. Blanchard, C. Bourges, M. Chevreuil, A. Desportes et M.J. Teil
1 : Laboratoire Hydrologie et Environnement - EPHE/UMR Sisyphe 7619, Université Pierre et Marie Curie - BC 105 - 4 place Jussieu 75252 Paris cedex 05

Les phtalates sont des composés organiques générés par l’industrie chimique, qui entrent dans la composition des matières plastiques. Leur production mondiale, estimée à 4.3 millions de tonnes, est dominée par le di-éthylhexyl phtalate (DEHP) inscrit sur la liste des substances prioritaires de la Commission Européenne (2000). Ces composés sont présents dans tous les compartiments de l’environnement. Leur toxicité se traduit par effets cancérogènes, tératogènes et des perturbations endocriniennes. Leur usage étant largement répandu, il est nécessaire de parvenir à une meilleure connaissance de leurs mécanismes de diffusion et de leur devenir dans notre environnement.

Le principal objectif de cette étude a été de déterminer les différentes sources d’émission de phtalates, en précisant leurs modalités de transport et les processus de contamination des écosystèmes.

La première phase a consisté à quantifier les phtalates dans différents compartiments de l’environnement du bassin versant de la Seine : eaux de surface, retombées atmosphériques, stations d’épuration et organismes aquatiques. L’importance du rôle du compartiment atmosphérique dans le transport des phtalates a ainsi été mise en évidence avec un maximum de contamination en milieu urbain. Au niveau des stations d’épuration, le rendement global d’épuration a été de 86 % et a confirmé l’importance de la réduction de la charge solide dans l’élimination des composés. L’évolution des concentrations en phtalates dans la Seine à Paris et Poses, a démontré le rôle prépondérant du processus de ruissellement diffus dans les apports en contaminants à la rivière. Par contre, l’évolution longitudinale des concentrations dans l’eau de la Seine entre Paris et Poses, n’a pas permis d’identifier précisément la contribution directe des sources d’apport industrielles. Dans les affluents de la zone estuarienne, les concentrations en DEHP ont été du même ordre que celles observées en Seine, mettant en évidence l’impact des activités anthropiques sur des cours d’eau à faible débit...

La seconde phase a consisté en une estimation de l’exposition humaine par la voie digestive (eau de boisson et aliments) et respiratoire (air intérieur et extérieur). Concernant la voie digestive, les eaux n’ont pas montré de contamination significative et leur apport en phtalates est négligeable par rapport aux doses journalières tolérables européennes. L’analyse des aliments a nécessité une phase préliminaire de mise au point qui a indiqué des concentrations plus importantes dans les aliments gras, en accord avec la littérature.

Concernant la voie respiratoire, l’air intérieur de locaux de travail (bureaux, laboratoire) a montré une contamination par les phtalates plus importante que l’air extérieur, du fait la présence de matériaux pouvant être une source d’émission.

Mots clés : phtalates, environnement, transfert, atmosphère, station d’épuration, rivières, exposition humaine.

Influence de la matière organique dissoute sur la speciation et la biodisponibilité des metaux... B. Pernet-Coudrier et al.

Influence de la matière organique dissoute sur la speciation et la biodisponibilité des metaux : cas de la seine, un milieu sous forte pression urbaine

B. Pernet-Coudrier1, G. Varrault1, M.-H. Tusseau-Vuillemin2 et J.M. Mouchel3

1 CEREVE, Université Paris-Est, UMR MA 102, 61 av. du Gal de Gaulle, 94010 Créteil Cedex, France
2 CEMAGREF – Unité HBAN, Parc de Tourvoie, BP 44, 92163 Antony Cedex, France
3 SISYPHE, Université Pierre et Marie Curie - Paris 6, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France

Dans les systèmes aquatiques, la matière organique dissoute (MOD) joue un rôle clef au sein des cycles biogéochimiques des métaux. La plupart des études traitent des interactions entre les substances dites humiques (fraction la plus hydrophobe de la MOD) et les métaux. Cependant dans les cours d’eau urbanisés, la contribution de cette fraction hydrophobe peut décroître à moins de 50% du carbone organique dissous au profit de la MOD hydrophile (HPI). Or, en raison de l’isolation très difficile de la fraction HPI de la MOD, très peu d’informations sont disponibles concernant sa composition mais aussi son influence sur la spéciation, la biodisponibilité et la toxicité des métaux en particulier dans les cours d’eau urbanisés.

Dans ce contexte, ce doctorat faisant partie intégrante du projet ANR BIOMET a eu pour vocation d’améliorer les connaissances actuelles sur l’influence de la matière organique dissoute sur la spéciation et la biodisponibilité des métaux particulièrement dans le cas de système sous forte pression urbaine tel que la Seine. L’extraction et la caractérisation des fractions de MOD extraites a été réalisée de manière originale par une approche multidimensionnelle à l’aide d’un véritable éventail de techniques analytiques (analyses élémentaires; isotopiques; fonctionnelles et moléculaires) permettant de mieux connaître et ainsi de mieux aborder l’influence de la MOD sur la spéciation et la biodisponibilité du cuivre et du plomb.

Dans cet objectif, les techniques : potentiométrique à l’aide d’électrode ionique spécifique et la récente technique électrochimique AGNES ainsi que des biotests de toxicité aiguë (Daphnia magna) et de bioaccumulation (Fontinalis antipyretica) ont permis :

  • d’étudier la complexation du cuivre et du plomb par les fractions de MOD obtenues afin notamment de fournir des paramètres de complexation des MOD hydrophiles peu connues jusqu’à présent et ainsi mieux prédire le transport des métaux en milieu urbain.
  • d’évaluer le rôle protecteur de la MOD d’origine urbaine sur la biodisponibilité du cuivre.

Les résultats ont montré qu’en raison des rejets importants des STEP, un fort enrichissement en MOD hydrophile a été observé à l’aval de l’agglomération parisienne. Cette MOD issue des rejets de station d’épuration présente des caractéristiques originales à savoir un fort pourcentage de MOD hydrophile, c’est à dire une faible hydrophobicité et un degré d’aromaticité peu marqué soulignant le caractère peu réfractaire decette MOD. En revanche une plus grande diversité fonctionnelle de la MOD d’origine urbaine par rapport à la MOD naturelle a été mise en évidence notamment par un taux de structures protéiques très important. Les résultats obtenus ici pour la première fois vis-à-vis des MOD hydrophiles d’origine urbaine ont montré une réactivité particulière vis-à-vis du cuivre. En effet les fractions HPI et plus généralement les fractions issues des effluents de station d’épuration ont montré une teneur en sites complexants plus élevée que ce qu’il avait été déjà observé pour des matières organiques naturelles. Le rôle particulier de l’azote dans la complexation du cuivre notamment sous la forme de groupements amines a été mis en évidence. Les approches utilisées pour évaluer la biodisponibilité du cuivre ont révélé pour l’ensemble des fractions de MOD un effet protecteur vis-à-vis du cuivre sur les organismes vivants.

Néanmoins cet effet protecteur ne se trouve pas à la hauteur de celui pouvant être prédit par le modèle de l’ion libre principalement dû à une biodisponibilité de certains complexes organiques. L’outil DGT (Diffusive Gradient in Thin films) permettant de mesurer le métal labile a montré son efficacité pour prédire la fraction biodisponible du métal en présence de MOD.

Des métaux, du CO2 et de la matière organique. A. Groleau et al.

Des métaux, du CO2 et de la matière organique

Alexis Groleau, Monique Pepe, Amaury Gaillard, Marie Amélie Pétré, Marc F. Benedetti
Laboratoire de Géochimie des Eaux. Université Paris Diderot Institut de Physique du Globe de Paris Case 7052. 35 Rue Hélène Brion 75205 Paris Cedex 13.

Notre contribution vise à quantifier et expliquer les variabilités temporelles des concentrations de la matière organique, des métaux traces dissous et du pH dans la Seine à une échelle de temps cohérente avec les processus physico-chimiques qui gouvernent cette variabilité. Nous avons adopté une stratégie d’échantillonnage qui donne la priorité, pour cette action, à l’étude de la variabilité temporelle pour une seule station de mesure. Nous cherchons ainsi à observer la variabilité du pH et de la composition de l’eau, en relation avec les différents forçages qui peuvent influencer la qualité de l’eau.

Nous présenterons les résultats des mesures et des prélèvements que nous avons réalisés selon une périodicité variable de 1 à 4 jours au niveau de la station Quai Saint Bernard et sur les autre sites en aval avec un périodicité moins importante. Cette périodicité doit permettre d’accéder à une bonne connaissance de la qualité chimique de l’eau, tout en conservant une échelle de temps que nous espérons compatible avec les processus à l’oeuvre.

La série de données ont été acquises en 2008 confirme la variabilité des concentrations en métaux dissous dans la Seine tant au site de Jussieu que sur les sites en aval. Un parallèle entre amont et aval est possible et une estimation de l’impact de la ville de Paris est envisageable. Pour le cas du zinc, nous avons enregistré des épisodes d’augmentation des concentrations qui ne durent que quelques jours. Une relation linéaire empirique est établie entre le pH et EpCO2 durant cette période qui permet d’expliquer 76% des variations de la pression partielle en CO2 de la Seine. Les variations d’alcalinité étant peu prononcées, le pH est principalement dues aux niveaux de dioxyde de carbone dissous dans le fleuve parisien.

Contamination microbiologique et chimique en Seine à la suite d'un rejet urbain de temps de pluie. C. Gourlay-Francé et al.

Contamination microbiologique et chimique en Seine à la suite d'un rejet urbain de temps de pluie

Catherine Gourlay-Francé1, Sophie Ayrault2, Marc Chevreuil3, Aurélie Da Silva4, Joëlle Eurin3, Pierre Labadie3, Françoise Lucas4, Elodie Moreau-Guigon3, Laurent Moulin5, Koffi Ouattara6, Julien Passerat6, Stéphanie Pouliquen4, Cindy Priadi2, Nicolas Radomski4, Vincent Rocher7, Pierre Servais6, Emmanuelle Uher1, Gilles Varrault4, Jean-Marie Mouchel3

1 UR Hydrosystèmes et Bioprocédés, Cemagref Antony
2 LSCE, CEA-CNRS-UVSQ / IPSL, Gif-sur-Yvette
3 UMR Sysiphe, UPMC, Paris
4 LEESU, Université Paris-Est, UMR MA 102
5 CRECEP, Paris
6 Ecologie des Systèmes Aquatiques, Université Libre de Bruxelles
7 SIAAP, Direction du Développement et de la Prospective, Colombes

Lors d'évènements pluvieux intenses, une partie des eaux usées non traitées de réseaux unitaires peut être rejetée directement en rivière. Ces rejets urbains de temps de pluie (RUTP) sont très chargés en matière organique largement biodégradable, en contaminants biologiques et chimiques. Le déversement de ces RUTP affecte donc fortement, au moins temporairement, la qualité chimique et microbiologique du milieu récepteur.

Le devenir du panache du rejet dans le milieu récepteur est aujourd'hui largement méconnu. Il dépend à la fois de phénomènes hydrauliques, physiques, biologiques et chimiques aux cinétiques parfois très rapides. Il est indispensable de mieux appréhender ces processus de façon à pouvoir prédire l'impact d'un tel rejet sur la qualité microbiologique et chimique du milieu récepteur.

Au cours d'un évènement pluvieux survenu le 7 août 2008, 577 000 m3 d'eaux usées ont été déversés dans la Seine via le déversoir d'orage de Clichy. Le devenir de ce RUTP a été étudié grâce au travail mutualisé d'échantillonnage et d'analyse de différents laboratoires partenaires du PIREN et à l'aide du SIAAP.

Durant le déversement qui a duré 6 heures, des prélèvements toutes les 30 minutes dans le rejet ont permis de caractériser le RUTP. Par ailleurs, un suivi fin in situ de la qualité de l'eau (conductivité, oxygène), a permis d'identifier la position du panache dans la rivière et son degré de dilution. L'eau de la Seine a été échantillonnée quatre fois en surface et en profondeur, depuis l'amont du collecteur jusqu'à l'île de Bougival.

Sur ces échantillons, les teneurs en bactéries indicatrices de contamination fécale et en différents pathogènes ont été déterminées ainsi que les concentrations et la répartition dans la colonne d'eau en métaux et plusieursclasses de contaminants organiques. La microcouche de surface a également été échantillonnée dans le panache pour l'analyse des contaminants organiques.

Le prélèvement en Seine avant le rejet montre que la qualité de l’eau de la Seine avait été affectée par de petits déversements de RUTP en amont de Clichy. Une augmentation de certains contaminants chimiques et microbiologique est observée en aval du rejet. L’évolution du panache montre une homogénéisation rapide dans la colonne d’eau. La variation des concentrations des contaminants au cours du rejet, qu’ils soient microbiologiques ou métalliques, met en lumière les différents mécanismes de piégeage dans le réseau, ainsi que les différences de sources.

Archives sédimentaires, empreinte chimique historique du développement du bassin. S. Ayrault et al.

Archives sédimentaires, empreinte chimique historique du développement du bassin

Sophie Ayrault1, Philippe Bonté1, Matthieu Roy-Barman1, Marie-Françoise Le Cloarec1, Irène
Lefèvre1, Cindy Priadi1, Laurence Carbonaro-Lestel2, Joëlle Eurin3, Fatima Tamtam3, Tuc Dinh3,
Catherine Lorgeoux4, Régis Moilleron4, Barbara Le Bot5

1 LSCE, CEA-CNRS-UVSQ / IPSL, Gif-sur-Yvette
2 UMR Sisyphe, UPMC, Paris
3 UMR Sisyphe, UPMC – EPHE, Paris
4 LEESU (Ex-Cereve), Université Paris-Est, UMR-MA102 -AgroParisTech, Créteil
5 Ecole des Hautes Etudes en Santé Publique, Rennes

Les archives sédimentaires : datation et caractéristiques des sites Les carottes de sédiment prélevées en différents sites de dépôt de crue dans le bassin de la Seine procurent des archives très rares des polluants circulant en rivière à l’échelle du siècle passé. Ce type de matériel, collecté depuis 2002, mérite d’être pleinement exploité : il n’existe pas d’équivalent dans des systèmes aussi anthropisés que le bassin de la Seine.

L’histoire du plomb vue par ses isotopes stables.

Le plomb présente la particularité d’avoir quatre isotopes stables (non radioactifs) dont les rapports varient suivant la genèse du gisement de minerai. Ainsi, la mesure fine des rapports isotopiques du plomb permet d’accéder aux sources de plomb. Les sources de minerais variant avec le temps et les usages, il est possible d’associer une signature enregistrée dans les sédiments à un usage, voire à une époque. En particulier, la signature isotopique du plomb routier (l’additif ajouté dans les essences) est très distincte de celle du plomb utilisé dans les industries lourdes. La variation de la signature isotopique du plomb a été enregistrée dans 4 carottes issues de 3 sites (Oise, Troyes et Les Andelys). La signature du Grand Paris a été mesurée grâce aux MES de la STEP Seine-Aval. Le bassin de l’Oise, fortement impacté par des rejets de plomb dans les années 1950-1960, rejets d’origine clairement industriels, a retrouvé un état voisin de l’état naturel. Les concentrations et signatures actuelles dans la zone aval de la Seine révèlent l’impact des rejets de Paris.

Les antibiotiques : persistance environnementale Les antibiotiques font l'objet d'un intérêt croissant du fait de la possibilité d'une toxicité pour les organismes non cibles qui y seraient exposés, tels que les organismes aquatiques. Cependant, bien que la présence de ces composés ait pu être mise en évidence dans les sédiments et les sols, très peu d'études ont porté sur la persistance de ces molécules dans les sédiments. L'étude de prélèvements sédimentaires profonds permet donc d'avoir accès à des informations sur l'éventuelle persistance et/ou mobilité de ces molécules. Les premiers résultats indiquent la présence de ces substances jusque dans les prélèvements sédimentaires les plus profonds. Ces premiers résultats confirment l'intérêt porté au devenir de ces composés, et la nécessité de poursuivre ces travaux afin d'identifier les impacts de la présence de ces molécules dans les sédiments.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) : évolution temporelle (1933 – 2002) L’étude des HAPs a été réalisée sur une partie des échantillons de la carotte de Muids (aval Seine) afin de constituer une première approche des grandes tendances de l’évolution de la contamination entre 2002 et 1933. Les résultats montrent une forte contamination sur la période 1950-1970 avec des teneurs comprises entre 26 et 110 mg/kg.ms pour la somme de 13 HAP. Les teneurs semblent se stabiliser aux alentours desannées 2000 (~ 6.5 mg/kg.ms). L’étude des différents ratios de HAP montre une signature pyrolytique marquée pour l’ensemble des échantillons.

Spéciation de métaux particulaires par voie chimique et physique... C. Priady et al.

Spéciation de métaux particulaires par voie chimique et physique : MEB, DRX, EXAFS, Digestion totale et extraction séquentielle

Cindy Priadi1, Sophie Ayrault1, Eric Robin1, Philippe Bonté1, Guillaume Morin2
1 Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement, CEA-CNRS-UVSQ / IPSL, 91198 Gif-sur-Yvette, France
2 Institut de Minéralogie et Physique des Milieux Condensés (IMPMC), UMR CNRS 7590, Universités Paris VI et VII, IPGP, 4 Place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France

L’investigation approfondie des matières en suspension (MES) est une étape importante dans l’étude de la contamination de la Seine par les métaux. Ces MES sont susceptibles de contenir des informations clé sur les sources de métaux, le transport et la formation des particules, et paramètres biogéochimiques des eaux. La toxicité des métaux est également liée avec la caractérisation des associations des métaux dans la phase particulaire car cette phase peut être une source de métaux dissous après un processus de relargage, mais aussi un puits où les métaux dissous peuvent être piégés.

Les échantillons de MES sont collectés par filtration et/ou centrifugation des eaux brutes de la Marne et la Seine en plusieurs sites en amont et aval de Paris et en différentes périodes de l’année pour pouvoir analyser l’évolution spatiale et temporelle des métaux particulaires. Un suivi mensuel a été également démarré depuis octobre 2008 sur 3 sites (Marnay sur Seine, Bougival et Triel) pour avoir une vue plus détaillée sur l’évolution. Les MES ont été analysées par des observations directes par microscope en balayage (MEB) couplé à un spectromètre à dispersion d’énergie et équipé d’un système automatisé de reconnaissance de particules. Elles sont étudiées minéralogiquement par diffraction aux rayons X (DRX).
Les particules ont été également mises en solution (teneur totale), et ont subi d’autre part une extraction séquentielle (spéciation chimique) avec un protocole du Bureau Communautaire de Référence (BCR), suivi d’une analyse multi-élémentaire sur une spectrométrie de masse couplée à un plasma inductif (ICP-MS). Les concentrations des métaux dissous ont été également mesurées pour avoir une image globale des échantillons. Les associations et les voisinages des métaux ont été analysés de façon approfondie par Extended X-Ray Absorption Fine Structure (EXAFS) au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL, USA).

Les analyses ICP-MS ont montré des facteurs d’enrichissement (teneurs comparées aux valeurs naturelles en Seine) de 2 pour Cr et Ni, mais pouvant atteindre 7 pour Cd, Cu, Zn, et Pb. L’augmentation des enrichissements en aval de Paris semble être liée à des variations de pH. Elbaz-Poulichet et al (2006) ont attribué les variations du Cu et Cd dans la phase dissoute aux variations de potentiel redox ayant beaucoup d’influence sur les oxydes de fer et de manganèse, dont la présence est démontrée par l’observation directe de particules avec le MEB.

Une tendance d’association entre Zn et Ca a été également démontrée. Dans le bassin de la Seine, la plupart du calcium se trouve sous forme de carbonate. Le zinc lié à la calcite peut être mobilisable dans la phase dissoute car l’équilibre de la calcite dépend des biogéochimiques de l’eau.

Provenance et devenir des polluants métalliques dans le bassin versant de la Seine... C. Franke et al.

Provenance et devenir des polluants métalliques dans le bassin versant de la Seine: apport de la minéralogie magnétique

Christine Franke1, Catherine Kissel1, Eric Robin1, Phillipe Bonté1, France Lagroix2
1 Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE), CEA-CNRS-UVSQ /IPSL, Campus du CNRS, Bâtiment 12, Avenue de la Terrasse, 91198 Gif-sur-Yvette Cedex, France
2 Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), CNRS et Université Paris-Diderot, Equipe de Paléomagnétisme, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France

Le présent projet a pour objectif de caractériser le complexe minéralogique magnétique des matières en suspension (MES) et des sédiments de rivière afin de déterminer la provenance, d’assurer le suivi et d’établir le devenir des polluants métalliques en milieu anthropisé. La méthodologie est basée sur des analyses des paramètres d’hystérésis magnétiques et des caractérisations minéralogiques et chimiques au microscope électronique à balayage qui est équipé d’un système automatisé de classification chimique des particules.

Les mesures d’hystérésis magnétiques fournissent des informations sur la concentration totale en minéraux magnétiques, sur le type de minéral et la taille moyenne des grains. Elles ont l’avantage d’être peu destructrices, très sensibles et nécessitent quelques milligrammes de sédiment seulement. Par ailleurs, un grand nombre de mesures peut être réalisé, permettant un tri rapide des échantillons. Le système automatisé de classification chimique des particules permet d’obtenir des informations statistiques et quantitatives détaillées sur l’abondance et la nature des phases en présence et des polluants métalliques qu’ils renferment. Les résultats montrent que chaque rivière possède ses propres caractéristiques en ce qui concerne la concentration, la taille et la nature des grains magnétiques. La concentration du matériel magnétique augmente significativement et relativement régulièrement de l’amont vers l’aval et au sein de ce matériel la quantité relative d’hématite diminue pour disparaître dans la région de Rouen (Fig. A). En parallèle, hormis l’hématite, la nature du complexe minéralogique et la taille des grains semblent être beaucoup plus dépendants de la source au sein du bassin versant. D’une façon générale, les complexes minéralogiques du nord du bassin sont plus riches en phases magnétiques riches en titane que le sud du bassin. Ces grandes tendances sont confirmées par les mesures magnétiques basses températures et les analyses au microscope électronique à balayage. On observe notamment une évolution depuis un matériel assez complexe composé d’hématite, titanohématite, magnétite vers une minéralogie progressivement de plus en plus dominée par les magnétites (Fig. B). Le résultat le plus intéressant est probablement la mise en évidence d’une nette corrélation (r2=0.9) entre la signature magnétique des matières en suspension et la concentration en antimoine (Sb ; Fig. C), un polluant caractéristique des zones fortement anthropisées. Les analyses au microscope électronique révèlent que le Sb est porté principalement par des phases d’oxyde de fer plus ou moins riches en soufre et renfermant également d’autres polluants métalliques tels que Ni, Cr et Zn (Fig. D).

Ces résultats montrent le potentiel de la minéralogie magnétique pour l’identification des sources de polluants métalliques en rivière et leur suivi spatial et temporel.

Polluants prioritaires dans les eaux de surface et les particules sédimentables... J. Gasperi et al.

Polluants prioritaires dans les eaux de surface et les particules sédimentables : Qu’en est-il de la Seine à Paris ?

Johnny Gasperi1, Stéphane Garnaud2, Vincent Rocher3 et Régis Moilleron1
1 Université Paris-Est, Cereve, UMR MA 102 - AgroParisTech, 61 avenue du Gal de Gaulle, 94010 Créteil Cedex, France.
2 Mairie de Paris, Direction de la propreté et de l'eau, Service technique de l'eau et de l'assainissement, 27 rue du Commandeur, 75014 Paris, France.
3 SIAAP, Direction du Développement et de la Prospective, 82 avenue Kléber, 92700 Colombes, France.

L’adoption en France de la Directive Cadre Européenne se traduit actuellement à l’échelle de chaque bassin hydrologique par la révision des Schémas Directeurs d'Aménagement et de Gestion des Eaux. Dans le cadre de cette révision, des programmes de surveillance ont été mis en place fin 2006 afin de s’assurer par le suivi de l’état des eaux et des milieux aquatiques que les objectifs de « bon état écologique » seront bien respectés. Entre juillet 2007 et décembre 2008, des campagnes de mesures ont été initiées par la Ville de Paris sur les eaux de surface et les particules sédimentables au sein de l’agglomération parisienne avec le soutien financier de l’Agence de l’Eau Seine - Normandie pour une partie de ces campagnes. Ce travail a porté pour les eaux de surface sur 7 stations entre Orly et Clichy et sur 4 sites pour les particules (du pont d’Austerlitz à celui d’Epinay). Ce travail restitue une partie des résultats obtenus dans le cadre de ces campagnes et examine plus particulièrement l’occurrence des substances prioritaires et dangereuses prioritaires et l’importance de leur concentration le long du linéaire considéré. Pour chaque échantillon, les 33 substances recensées par la DCE ont été recherchées. Pour les particules décantables, 20 composés jugés pertinents ont été ajoutés, portant ainsi à 62 le nombre total de composés individuels dosés.

Ce travail confirme avant tout que de nombreuses substances prioritaires sont présentes dans les particules sédimentables et dans une moindre mesure dans les eaux de surface. Dans les eaux de surface, 18 substances dont 15 dangereuses prioritaires sont observées, mais les concentrations n’excèdent que rarement les limites de quantifications. En fait, seuls le diuron, le DEHP, le fluoranthène et le para-tert-octylphénol sont fréquemment observés (occurrence > 50%) avec des concentrations variant de < 0,01 à 1,0 µg.l-1. Au regard des normes de qualité environnementale, 10 substances reflètent des concentrations supérieures aux concentrations moyennes annuelles (Environmental quality standard - average annual concentration, EQS – AAC) tandis que seul le benzo(a)pyrène excède à quelques occasions les concentrations maximales admissibles (Environmental quality standard - maximum allowable concentration, EQS –MAC).

Pour les particules sédimentables, 35 substances ont été observées. Parmi ces substances, 20 molécules dont 14 dangereuses prioritaires ont été systématiquement quantifiées. En l’absence de critère d’évaluation pour les particules sédimentables, les teneurs mesurées dans les particules ont été comparées à titre indicatif aux valeurs guides préconisées pour les sédiments par le ministère Canadien (Canadian Sediment Quality Guidelines for the Protection of Aquatic Life, Canadian Council of Minister of the Environment, 1999).

Cette norme définit deux seuils : 1) la valeur guide de qualité (Sediment Quality Guidelines, SQG) et 2) le Probable Effect Level (PEL). Il est généralement considéré que des concentrations inférieures aux SQG n’occasionnent pas d’effets biologiques néfastes alors que des concentrations supérieures au PEL sont susceptibles d’engendrer des effets biologiques néfastes. Au regard des normes établies pour les sédiments, les particules collectées en Seine apparaissent assez fortement contaminées puisque la plupart des échantillons présente des niveaux supérieurs aux valeurs guides de qualité SQG (18 substances) et dans de nombreux cas supérieurs aux PEL (15 composés). Les dépassements des PEL, imputables essentiellement aux métaux, aux hydrocarbures aromatiques polycycliques et aux polychlorobiphényles mettent en avant les risques potentiels associés à ces micropolluants pour les microorganismes aquatiques.

Développement de méthodes de quantification des mycobactéries non tuberculeuses... N. Radomski et al.

Développement de méthodes de quantification des mycobactéries non tuberculeuses dans l’eau de la Seine

Nicolas Radomski1, Françoise Lucas2, Emmanuelle Cambau3, Laurent Moulin4, Sophie Haenn4, Moilleron Régis2
1 Cereve, Ecole National des ponts et chaussées, 6-8 avenue Blaise Pascal Cité Descartes, 77455 Champs sur marne
2 Cereve, Université Paris 12-Val de Marne, 61 avenue du Général de Gaulle, 94010 Créteil
3 Laboratoire associé du Centre national de référence des mycobactéries et de la résistance aux antituberculeux, Laboratoire de bactériologie et virologie, CHU Henri Mondor, 94010 Créteil
4 Crecep, Equipe biologie, 144 avenue Paul Vaillant Couturier, 75014 Paris

 

Les mycobactéries non tuberculeuses (MNT) sont reconnues comme pathogènes émergents depuis 2004 par l’Organisation Mondiale de la Santé. Ces pathogènes opportunistes sont à l’origine d’infections humaines d’origine aqueuses. Cependant, leur cycle dans l’eau est mal connu et il n’existe pas de méthodes consensus pour quantifier des MNT dans les eaux de surface. L’objectif cette étude a donc été de développer une méthode de quantification des MNT en bactériologie par culture sur milieu solide et une technique de quantification en biologie moléculaire par Polymerase Chain Reaction (PCR) en temps réel (PCRq).

Matériel et méthode
Bactériologie. Dans un premier temps sur de l’eau artificiellement contaminée par une MNT de référence, les méthodes de concentration par centrifugation, par filtration et décrochage au Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) ou au desoxycholate et par filtration et dépôt directe sur membrane ont été comparées. Dans un second temps, sur des échantillons d’eau de la Seine en amont de prises d’eau d’usines de potabilisation, les capacités d’isolement des mycobactéries des méthodes de la littératures ont été évaluées, à savoir la supplémentation du milieu de culture Middlebrook 7H11j en PANTA (polymyxine B, amphotéricine, acide nalidixique, triméthoprime, carboxy-pénicilline) et en vancomycine, ainsi que les méthodes de décontamination chimiques Löwenstein, Petroff, Tacquet-Tison, Kubica et deux méthodes alternatives au Cetylpyridininium Chloride (CPC) et à l’acide acide oxalique (COOH)2.

Biologie moléculaire. Dans l’objectif de quantifier par PCRq, il a été entrepris de trier et sélectionner par l’algorithme BLAST sur la banque de données GenBank les amorces de la littérature les plus sensibles et spécifiques. A partir d’une collection de microorganismes non mycobactériens isolés de la Seine et identifiés par séquençage du gène codant l’ARNr 16S, la spécificité de 8 couples d’amorces sélectionnés a été évaluée empiriquement par PCR classique (SodF/SodR, Z261/Z212, gyrBA/gyrBE, F119/R184, MycF/MycR, 246/R266267, 110F/I571R et Tb11/Tb12).

Résultats, discussion et perspectives Bactériologie. La méthode de concentration par centrifugation a été retenue, car elle apparaît efficace pour traiter un grand volume d’eau chargée en matières en suspension. De plus la supplémentation en PANTA et vancomycine (PANTAV) du Middlebrook 7H11j a permis d’isoler des MNT de l’eau de Seine tout en diminuant la contamination non mycobactérienne de 6,5 à 4 Log. Néanmoins, seuls des MNT à croissance rapide peuvent être isolées car après 14j les milieux sont envahis par des moisissures. La méthode de décontamination chimique de Tacquet-Tison en combinaison avec du 7H11j PANTAV, semble être la meilleure méthode d’isolement, mais ne permet pas des incubations supérieures à 1 mois en raison de l’envahissement par des moisissures.

Biologie moléculaire. L’évaluation de la spécificité des couples d’amorces testés à permis de sélectionner le couple F119/R184 ciblant le gène gyrB et le couple 110F/I571R ciblant le gène rrs, présentant les spécificités les plus grandes (respectivement 94,83% et 93,10%).

Perspectives. La combinaison de la concentration par centrifugation, de la supplémentation du 7H11j en PANTAV, et de la décontamination chimique de Tacquet-Tison, est apparue comme le protocole permettant d’isoler le plus de MNT à croissance rapide à partir de l’eau de la Seine. D’autres pistes sont à l’étude pour éliminer le développement de moisissures afin d’isoler des MNT à croissance lente. La méthode de PCRq utilisant les deux couples d’amorces sélectionnés, va être appliquée au souchier non mycobactérien pour améliorer la spécificité, et à un souchier de MNT de référence pour déterminer sa sensibilité.

Session "Petites Rivières Urbaines"

Introduction à la session Rivières urbaines

Catherine Carré1 et  Michel Meybeck2

1 Université Paris 1, Laboratoire LADYSS,
2 UMR Sisyphe, UPMC / CNRS

 

Depuis plusieurs années, les travaux du Piren Seine se sont élargis à l’ensemble des masses d’eau, en considérant l’apport des études historiques des petites rivières urbaines à la connaissance du bassin versant de la Seine et de son fonctionnement, avec les travaux autour de Paul Benoit, Larence Lestel, Sabine Barles, et les chercheurs du LAMOP. Le programme PRUne (petites rivières urbaines) a renforcé cette approche en postulant l’existence d’un objet « Petites rivières urbaines en Ile-de-France », supposant une cohérence d’analyse et d’action, appliquée à quatre cours d’eau : la Bièvre, l’orge, l’Essonne et le Grand Morin. Face à la fragmentation de ces rivières et la multitude d’acteurs impliqués, les enjeux semblaient aujourd’hui centrés sur la construction - ou non - d’une vision commune du cours d’eau, qui permette de réduire/ résoudre les malentendus et les contradictions entre les acteurs, et qui permette de concilier le maximum d’usages de l’eau et des milieux.

Le renforcement des travaux des sciences naturalistes par les sciences sociales doit maintenant permettre aux équipes du Piren-Seine de systématiser, autour de l’objet commun « petite rivière urbaine », l’analyse des usages, des perceptions, des valeurs qui fondent les actions des hommes sur la rivière et sur les milieux aquatiques. Ces études doivent être menées sur le temps long pour obtenir un objet, des critères, transposables hors Ile-de-France à d’autres cours d’eau urbains ou périurbains. Cela fera l’objet de la présentation de Paul Benoit.

Sur la période contemporaine, l’analyse des interactions entre les acteurs et les territoires aménagés repose sur une démarche théorique et empirique de recueil des discours des acteurs de la rivière, qu’ils soient publics (services de l’Etat et assimilés, élus et personnes des collectivités territoriales) ou privés (associations, entreprises, habitants). En plaçant les usages, les perceptions de la rivière et la construction des valeurs accordée à l’eau et à la rivière et dont découle la vision qu’en a la société à une période donnée, une des questions centrales porte sur les modalités de la construction de la qualité de la rivière. La présentation de Catherine Carré esquissera, autour des impacts sur la rivière et des enjeux de la participation des usagers, l’élaboration d’un modèle rétrospectif de l’évolution de la qualité des rivières du XIXe siècle à aujourd’hui.

Puis la présentation de Jean-Paul Haghe cherchera à apprécier, autour des pratiques de la rivière par les habitants, le degré d’appropriation actuelle de la rivière et sa cohérence avec les politiques publiques de gestion des cours d’eau. Enfin, José-Fréderic Deroubaix interrogera les projets en cours de renaturationrestauration de cours d’eau pour comprendre comment les acteurs se mobilisent en faveur - ou en défaveur - de ces projets.

Sur la période contemporaine, l’analyse des interactions entre les acteurs et les territoires aménagés doit désormais être menée à plusieurs échelles, en considérant les bassins versants comme des entités spatiales ouvertes, soumises à de nombreuses interactions externes, tant réglementaires, qu’économiques et financières, et sociales. Cependant, ce travail s’inscrit dans une unité d’espace qui permet les interactions entre les disciplines. La rivière Orge est étudiée tant par les sciences sociales que les sciences de l’environnement, avec les deux présentations complémentaires sur les contaminations du bassin de l’Orge par les micropolluants, plus spécifiquement centrée sur l’étude des pesticides de l’Orge et les impacts des rejets urbains, dans la présentation de Fabrizio Botta, et, d’une façon plus large, sur les contaminations et les effets toxiques associés, pour celle de Pierre Labadie. Enfin, il s’agit de capitaliser les apports du bassin de l’Orgeval, apparemment un peu éloigné d’une problématique urbaine, mais le bassin versant le mieuxdocumenté, outillé, et qui doit permettre d’expérimenter une méthode d’inventaire des caractéristiques morphologique des cours d’eau d’un réseau hydrographique afin de la transposer à des bassins urbains ; ce qui sera exposé par Jérome Belliard pour conclure cet atelier.

Les petites rivières urbaines : un long passé. Paul Benoît et al.

Les petites rivières urbaines : un long passé.

Paul Benoit, Joséphine Rouillard
Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne

Dans le bassin de la Seine, l’histoire des petites rivières urbaines débute, pour l’essentiel, à l’époque médiévale, plus spécifiquement dans les siècles centraux du Moyen Age, aux XIe et XIIe siècle. Le développent urbain qui caractérise alors toute l’Europe se traduit le plus souvent pas une descente des villes vers les fonds de vallée où l’homme trouve à la fois l’eau indispensable et la nécessité de la contrôler le mieux possible.

Se multiplient alors dans de nombreuses villes du bassin parisien implantées sur de petits cours d’eau, de niveau 2 et 3. Les hommes divisent ces modestes cours d’eau en de nombreux biefs et canaux pour donner aux agglomérations cet aspect de « petites Venise » selon l’expression d’André Guillerme. Ces rivières et leurs dérivations possédaient des fonctions multiples. Ils apportaient l’eau nécessaire à la vie des hommes, pour la lessive, souvent le cuisine, ils abreuvaient le bétail toujours présents dans les petites agglomérations et aussi dans les grandes. Grâce à la pêche ils fournissaient une part de l’alimentation, mais surtout ils apportaient les moyens de développer de multiples activités à caractère industriel. Les petites rivières faisaient tourner des roues de moulin en grand nombre que ce soit à Provins, à Corbeil ou Beauvais, moulins qui fournissaient la farine mais aussi foulaient les draps et les toiles, l’industrie textile tenant une place de première importance dans les villes médiévales. L’eau des petites rivières servait aussi à la préparation des cuirs dont la première phase porte le nom significatif de travaux de rivière. Les petites rivières participaient à la défense de ville, défense contre les ennemis par leurs fossés, défense contre l’incendie en des périodes de constructions en bois et d’inexistence des services de lutte contre le feu. Enfin, les petites rivières évacuaient une part importante des déchets urbains apportant des pollutions auxquelles les hommes furent sensibles dès le Moyen Age. Les petites rivières urbaines ont pu être le cours d’eau principal sur les quel s’est développé la ville comme la Juine à Etampes ou le Therain à Beauvais, mais aussi appartenir à des systèmes plus complexe. Si à Paris, la Seine constitue le cours d’eau majeur, des petites rivières comme la Bièvre ou le ru de Ménilmontant ont tenu une place une place importante dans le développement de la capitale. Il en va de même pour la Vienne, affluent de la Seine à Troyes.

Dans bien des cas la petite rivière a été un élément structurant de ville et en marque encore, de manière visible ou non, profondément le paysage.

Elaboration d’un modèle narratif de l’évolution de la qualité des Petites Rivières Urbaines. C. Carré et al.

Elaboration d’un modèle narratif de l’évolution de la qualité des Petites Rivières Urbaines

Catherine Carré1, Jean Claude Deutsch2
1 Université Paris 1, Laboratoire LADYSS,
2 CEREVE - ENPC Paris-est

 

Les bassins versants des quatre rivières étudiées sont marqués par une intensification de leur occupation sur les deux derniers siècles et une redéfinition de leurs usages. Parallèlement, leur gestion s’institutionnalise avec la mise en place de structures spécifiques. Cette époque s’affirme aussi par une exacerbation des enjeux autour des cours d’eau, avec une montée en puissance des normes techniques et environnementales et une participation plus prégnante des différents acteurs. Ceci explique pour beaucoup l’accent mis, depuis une décennie, sur la question de la gouvernance de l’eau et de la rivière, les interrogations sur les compétences à agir des acteurs, leur légitimité, et la cohérence de leurs actions sur une période longue d’analyse. Il s’agit de comprendre quelle est l’évolution de la qualité dans cette dynamique à la fois socio économique et institutionnelle des rivières et de tenter d’apprécier, selon les époques, ce qui relève du contexte d’ensemble sociétal ou de l’action précise de certains acteurs.

Autour des impacts sur la rivière et des enjeux de la participation des usagers, ce travail de recherche vise à élaborer un modèle rétrospectif de l’évolution de la qualité des rivières, du XIXe siècle à aujourd’hui, modèle rétrospectif qui pourrait devenir un modèle prospectif pour une gestion future. Le modèle rétrospectif n’est pas un modèle sous une forme quantitative, fréquente en science dure, mais une construction narrative de ce qui fait la qualité de la rivière pour les acteurs, selon les époques. Des périodes homogènes sont déterminées d’une part, en fonction d’une qualité de la rivière et des milieux présentant les mêmes caractéristiques et d’autre part, selon des moments de rupture, ou de réorientation, des caractéristiques de cette qualité.

Confronté aux manques, voire à l’absence de données, et à l’impossibilité de retracer les positions des différents acteurs au cours des siècles, trois entrées ont été retenues par fournir des caractéristiques de la qualité les plus neutres et les plus intégratives possibles : les usages et les rapports entre la rivière et le territoire, la pollution déclarée et la morphologie du cours d’eau. Ces entrées supposent un travail sémantique, comme pour la pollution en distinguant qui déclare quoi et la façon dont est nommé ce qui fait pollution à une période donnée. La présentation insistera sur les usages, caractéristique la plus étudiée pour l’instant, en esquissant, en fonction des données disponibles ou récupérables, quelques grandes périodes d’évolution de ces usages et de leur contribution à la qualité des petites rivières urbaines franciliennes.

Quelles cohérences entre les pratiques des riverains et les politiques publiques ? J.-P. Haghe et al.

Quelles cohérences entre les pratiques des riverains et les politiques publiques ?

Jean-Paul Haghe1 , Catherine Carré2
1- IUFM Rouen, Laboratoire PRODIG
2- Université Paris 1, Laboratoire LADYSS.

La notion de pratique renvoie à une dimension individuelle de la relation que les habitants entretiennent avec les cours d’eau et les milieux aquatiques, à travers leurs modes de fréquentation de la rivière, et les représentations de la rivière qui y sont associées. Par rapport aux usages des rivières déjà peu connus, les pratiques des rivières et des milieux aquatiques sont quasi inconnues, en tout cas pas d’une façon systématique et dans une optique de comparaison. Pour identifier et analyser ces pratiques, le chercheur dispose des approches développées par les sociologues, depuis des techniques de comptage, d’enquêtes auprès des usagers, mais aussi d’entretien, et d’observation directe, comme la méthode des parcours commentés. Les chercheurs de Prune ont commencé leurs propres enquêtes auprès des riverains, qu’ils confrontent aux données recueillies auprès des syndicats de rivières, de collectivités territoriales et d’associations.

Cette présentation reviendra dans un premier temps sur la méconnaissance des pratiques des rivières et les premiers retours d’information obtenus des enquêtes réalisées sur certains tronçons des rivières franciliennes, de petite et grande couronne. Il s’agit dans un deuxième temps, de reconstruire le contexte d’ensemble de ces pratiques, pour apprécier les perceptions, les représentations de la rivière mais aussi les modes d’appropriation des berges et de la rivière en général par les habitants.

Ces enquêtes réalisées auprès des usagers des rivières et des propriétaires riverains ont été complétées par des entretiens auprès des gestionnaires et des associations locales. Ces entretiens doivent permettre de comprendre quel est le sens des aménagements effectués sur ces cours d’eau et de dégager quelle place est faite à la rivière dans le développement du territoire. Il s’agit ainsi de se demander quel est le degré de cohérence entre l’appropriation observée de la rivière par les habitants et les politiques publiques menées par les gestionnaires, directs et indirects, des cours d’eau et des milieux aquatiques.

Renaturation-restauration des cours d’eau : vers la construction d’une gestion intégrée ? J. F. Deroubaix et al.

Renaturation-restauration des cours d’eau : vers la construction d’une gestion intégrée ?

José Frédéric Deroubaix1 , Bernard de Gouvello2
1- CEREVE – Université Paris-Est
2- Chercheur CSTB détaché au CEREVE – Université Paris-Est

La référence à la renaturation des rivières urbaines est progressivement apparue dans le discours des acteurs qui participent à leur gestion. On serait cependant bien en peine de proposer un (ou des) référentiel(s) de la renaturation ou de la restauration des cours d’eau en milieu urbain. Les discours savants sur ces questions renvoient à un ensemble de pratiques et de projets hétérogènes ; quant à la réglementation, qu’elle soit européenne ou nationale, elle affiche bien la restauration comme un objectif mais sa définition est renvoyée à un processus de négociation entre acteurs à l’échelle de chaque masse d’eau. Il est dès lors assez légitime de s’interroger sur cette notion « processuelle » : les projets de renaturation des rivières urbaines constituent-ils une nouvelle donne dans la gestion des petites rivières urbaines ? Sur quels systèmes de coopérations ou de conflits entre les acteurs locaux de la rivière, la mise en oeuvre de projets de renaturation reposent-ils ? Ces coopérations et ces conflits autour d’une renaturation/restauration des cours d’eau en ville contribuent-ils à une mise en débat des différentes qualités et des différents usages des cours d’eau et donc à une plus grande gestion intégrée ?
L’étude porte sur trois cours d’eau de l’Ile-de-France : la Bièvre, l’Orge et le Grand Morin. Les principaux acteurs de ces rivières (élus et techniciens des syndicats, responsables d’associations de riverains ou de protection de la nature, animateurs de SAGE, …), ont été interrogés, au cours d’entretiens semidirectifs, sur leur projet de gestion et sur la question de savoir s’ils étaient porteur d’un projet de renaturation ou de restauration, de tout ou une partie du cours d’eau. Les trois cours d’eau présentent des problématiques de gestion très différentes liées notamment à leur degré « d’urbanisation » et à leur histoire industrielle. Dans les trois cas, les projets de renaturation renvoient à la fois à des réalités très variées et à des coalitions d’acteurs très particulières.

Dans le cas de la Bièvre, les actions collectives visant à la renaturation se construisent toutes autour d’une volonté de rouvrir la rivière. Mais la « renaissance de la Bièvre » résulte en une addition de projets qui renvoient à des représentations très variées de ce que doit être le lit du cours d’eau, le profil de ses berges, sa flore et sa faune, et même l’eau qui y coule. Le design de chaque projet est étroitement lié à l’existence d’un système d’acteurs très localisé. A l’échelle du bassin versant, les projets semblent indépendants les uns des autres même si certains acteurs sont amenés à opérer une mise en cohérence a posteriori (vers une Bièvre dans laquelle l’eau de l’aval est celle qui provient de l’amont et qui se jette dans la Seine).

Dans le cas de l’Orge, deux syndicats aux politiques d’assainissement divergentes se trouvent dans une situation de conflit. Si ces acteurs s’avèrent capables de se coordonner à l’échelle du bassin versant pour maîtriser leurs eaux pluviales, amont et aval s’opposent sur leur gestion des eaux usées. La qualité de l’eau liée à l’urbanisation de l’amont et les possibilités de restauration de l’Orge sont alors des enjeux politisés au travers de ce conflit. Cette segmentation de l’Orge se double d’une absence de débat autour de la question de l’effacement des seuils qui pourtant ne manquera pas d’avoir une influence déterminante sur le type de renaturation qu’on souhaite pour l’Orge.

Dans le cas du Grand Morin, les projets de renaturation consistent en la mise en scène d’une « nature artificielle ». Les acteurs locaux de la rivière (exception faîte de la Fédération de pêche) participent d’une patrimonialisation de la rivière et des dispositifs hydrauliques historiques. La rivière naturelle est celle qu’on préserve d’une pression foncière en faisant du bâti historique des éléments esthétisants du paysage urbain. Au-delà de la diversité des projets de renaturation liée au contexte propre à chaque rivière, la renaturation est une problématique de gestion qui permet de mobiliser les acteurs locaux de la rivière urbaine et qui, de fait, conduit à des repositionnements (synergies entre les projets associatifs et les projets des syndicats, oppositions acteurs locaux et acteurs extérieurs). Cependant ces projets de nature diverse ont en commun des conditions de réalisation relatives :

  • à la gestion de la qualité de l’eau (un projet de renaturation suppose une meilleure qualité de l’eau, ou du moins une qualité non dégradée) ;
  • à la gestion hydraulique du cours d’eau (un projet de renaturation ne doit pas accroitre le risque d’inondation)

Ces conditions remplies, la rivière urbaine devient l’outil de la réintroduction d’une nature en ville, outil auquel on peut donner de multiples visages. La rivière renaturée peut être qualifiée d’« équipement urbain ». Ces équipements urbains ne permettent pas d’intégrer à eux seuls les usages et les qualités des petites rivières urbaines mais ils y contribuent car ils sont l’occasion d’une mise en débat de ce que chacun projette sur les territoires de la rivière.

Les pesticides dans le bassin de l'Orge: impact des rejets urbains sur la contamination des eaux de surface. F.Botta et al.

Les pesticides dans le bassin de l'Orge: impact des rejets urbains sur la contamination des eaux de surface

Fabrizio Botta1, Gwenaëlle Lavison2, Guillaume Couturier2, Fabrice Alliot1, Nelly Aveline3, Philippe Moncaut3, Nils Fauchon4, Bénédicte Guery5, Marc Chevreuil1 et Hélène Blanchoud1

1 EPHE – UMR Sisyphe, UPMC, 4 place Jussieu, BC 105, 75252 Paris, France
2 CRECEP, 144 av Paul-Vaillant Couturier, 75014 Paris, France
3 SIVOA, 163 route de Fleury 91172 Viry-Châtillon, France
4 VEOLIA EAU, Quartier Valmy, 32 Place Ronde, 92982 Paris-la-Défense, France
5 SEDIF, 14 rue Saint-Benoît, 75006 Paris, France

L’utilisation générale des pesticides est à l’origine d’une détérioration de la qualité des eaux superficielles, tant sur le plan du risque sanitaire que de celui de l’état des écosystèmes, avec pour conséquence une augmentation du coût de traitement par les organismes de production d’eau potable.
L’Orge, affluent de la Seine situé au Sud de l’agglomération parisienne, a été choisi à partir de 2007 comme site atelier. Ce bassin versant est caractérisé par des applications en pesticides différentes : certaines molécules sont plutôt appliquées en milieu agricole (zone amont) comme l’isoproturon ou le chlortoluron, par contre d’autres sont appliquées également en zones urbaines (la partie aval) comme le glyphosate et le diuron. C’est pourquoi nous avons décidé de se focaliser sur ces molécules.

Ce projet, initié lors de cette nouvelle phase du PIREN-Seine, a pour principal objectif de hiérarchiser les différentes zones d’apports en pesticides, avec des enquêtes auprès des utilisateurs et un suivi annuel de la contamination de l’Orge en collaboration avec le programme Phyt’Eaux Cités. L’objectif initial de l’année 2008 était d’identifier les principales voies de transfert de pesticides en milieu urbain, de décrire les processus qui en sont à l’origine et d’établir un bilan entre apports et sorties. Un réseau d’assainissement séparatif nommé Ru de Fleury (4,4 km2 de surface) a été choisi pour répondre à ces objectifs. Il est situé dans la partie aval de la vallée de l’Orge, en zone complètement urbaine (essentiellement pavillonnaire). Des campagnes d’échantillonnage sur les 2 collecteurs d’eaux usées et pluviales ont été menées par temps sec et par temps de pluie en 2008. Le glyphosate et son produit de dégradation l’AMPA ont été détectés. En milieu urbain, il s’avère que les collecteurs d’eaux pluviales sont la principale voie de transfert du glyphosate vers les eaux de surface. Les concentrations sont maximales pendant les événements pluvieux. L’AMPA est retrouvé dans les collecteurs d’eaux usées et aussi dans les collecteurs d’eaux pluviales. L’origine de l’AMPA ne semble pas être la même que celle du glyphosate en dehors des périodes d’application et de temps de pluie en milieu urbain.

L’isoproturon et le chlortoluron sont surtout appliqués en tête de bassin et leur concentration diminue progressivement vers l’aval et la majorité de la contamination provient de l’Yvette. L’impact des épisodes pluvieux sur l’augmentation des concentrations en glyphosate est également mis en évidence. Afin de mieux comprendre le transfert de ces produits d’origine agricole dans le bassin versant de l’Orge un sous bassin versant amont, la Renarde, est suivi depuis octobre 2008.

Les perspectives de travail pour 2009 seront également présentées : un bilan des transferts des pesticides sur le bassin de l’Orge pour les années 2007 et 2008, la réalisation de nouvelles campagnes pour comprendre l’origine de l’AMPA partition dissous – particulaire pour le glyphosate, l’étude sur le transfert des pesticides par ruissellement en milieu agricole.

Mots clés : Orge, herbicides, eaux pluviales, eaux usées, ruissellement, transfert

Contamination du bassin versant de l'Orge par les micropolluants et effets toxiques associés. P. Labadie et al.

Contamination du bassin versant de l'Orge par les micropolluants et effets toxiques associés

Pierre Labadie1, Adeline Arini2, Martine Blanchard3, Adeline Bourgeault2, Marc Chevreuil3, Marina Coquery4, Virginie Gabet4, Johnny Gasperi5, Alain Geffard6, Catherine Gourlay2, Sara Karolak7, Yves Levi7, Catherine Lorgeoux5, Cécile Miège4, Christophe Minier8, Régis Moilleron5, Elodie Moreau-Guigon3, Frédéric Palais6, Sandrine Pain-Devin6, Lucie Oziol7, Wilfried Sanchez9, Marie-Jeanne Teil3, Marie-Hélène Tusseau-Vuillemin2, Emmanuelle Uher2, Françoise Vincent-Hubert2

1 : UMR 7619 Sisyphe, UPMC/CNRS, 4 place Jussieu, 75252 Paris cedex 05
2 : Cemagref - HBAN, Parc de Tourvoie BP 44, 92163 Antony Cedex, France
3 : Laboratoire Hydrologie et Environnement EPHE, UMR 7619 Sisyphe, UPMC/CNRS 4 place Jussieu 75252 Paris cedex 05
4 : Cemagref - QELY, 3 bis quai Chauveau, 69336 Lyon
5 : Université Paris-Est, Cereve, UMR-MA102 -AgroParisTech, 61 avenue du Gal de Gaulle, 94010 Créteil Cedex.
6 : Université de Reims Champagne Ardenne, Unité de Recherche Vignes et Vins de Champagne EA2069, Laboratoire d'Eco-toxicologie.
7 : IFR 141 - Laboratoire Santé Publique Environnement – Faculté de Pharmacie – Université Paris-Sud 11
8 : LEMA, EA 3222, Université du Havre, 25, rue Philippe Lebon, 76058 Le Havre, France
9 : Unité d'évaluation des risques écotoxicologiques, INERIS, BP2, Parc ALATA, 60550 Verneuil en Halatte, France

 

Depuis 2007, le bassin versant (BV) de l’Orge a été retenu comme site atelier par le PIREN Seine. Ce BV périurbain est, en effet, soumis à une pression anthropique importante, notamment dans sa partie aval fortement urbanisée. L’objectif de ces travaux était de poursuivre l’étude initiée en 2007, qui visait à :

  • caractériser la contamination du BV par différentes familles de micropolluants métalliques et organiques (dont plusieurs composés classés comme substances prioritaires par la DCE).
  • estimer, à l’aide de tests in vitro, le potentiel d’effet de type « perturbation endocrinienne ».
  • étudier la bioaccumulation des micropolluants par des espèces cibles et les effets toxiques observés in vivo.

Imprégnation chimique
Les résultats obtenus en 2008 ont confirmé la présence de différents contaminants métalliques et organiques (alkylphénols, éthers de biphényles polybromés (PBDE), hydrocarbures aromatiques polycycliques, oestrogènes) dans le BV, à proximité et à distance éloignée (plusieurs km) en aval de sources ponctuelles identifiées (STEP, RUTP). Les niveaux observés sont typiques de ceux observés sur des sites modérément impactés par les activités anthropiques. Une étude a également été initiée à l’exutoire du bassin versant de l’Orge, afin de pouvoir établir un bilan des flux de contaminants sortant par le réseau hydrographique et par le réseau d’assainissement. Les premiers résultats montrent que les concentrations sont plus élevées dans les eaux de surface que dans les eaux usées, sauf pour les PBDE.
Estimation du potentiel d’effet de type « perturbation » endocrinienne : tests in vitro L’étude du potentiel de perturbation endocrinienne a été abordée par l’utilisation de tests in vitro permettant de mesurer l’activité transcriptionnelle des récepteurs intracellulaires aux oestrogènes et aux hormones thyroïdiennes. Des analyses de sédiments ont montré une contamination assez faible et de l’ordre du nanogramme d’équivalent oestradiol lorsque celle-ci était détectable, tandis que l’activité « thyroïdienne » est généralement plus faible. Les analyses chimiques réalisées en parallèle ont montré que l’activité oestrogénique était principalement due aux oestrogènes naturels et synthétiques. Les composés responsables de l’activité thyroïdienne sont toujours en cours d’identification.

Bioaccumulation et effets toxiques

Poissons
L’étude de la bioaccumulation des PBDE et des phtalates par deux espèces de poissons (gardon et goujon) a permis de mettre en évidence l’existence d’un gradient amont/aval de contamination des organismes dans l’Orge, en relation avec un gradient de contamination du biotope. Les niveaux observés dans l’Orge aval à Viry-Chatillon sont comparables à ceux observés en Seine à Epinay.
Les études histopathologiques effectuées sur gonades de gardon (Orge, Seine) révèlent une proportion significative de poissons intersexués (6 à 14%, cependant pour un effectif faible). De plus, une proportion assez forte de poissons, de 15 à 25 %, présente des nécroses et fibroses intra-gonadiques.
Par ailleurs, des marqueurs liés à la biotransformation des xénobiotiques organiques (EROD et glutathion-S-transferase) et au stress oxydant (glutathion peroxidase, catalase, teneur en glutathion, lipoperoxydation) ont été mesurés dans le foie de gardons prélevés sur le site de Viry-Chatillon. Les valeurs obtenues sont comparées aux données recueillies sur un site faiblement anthropisé du bassin de la Seine. Les résultats obtenus mettent en évidence une tendance à l'induction de la glutathion-S-transferase et l'existence d'un stress oxydant marqué par une induction de l'activité catalasique et une déplétion des substances réactives à l'acide thiobarbiturique (i.e. marqueur de la lipoperoxydation). Ce profil de réponse peut être expliqué par une exposition à des polluants environnementaux dont il est impossible, de déterminer l'origine (i.e. de très nombreux polluants peuvent induire un stress oxydant chez le poisson sur la base des analyses effectuées.

Dreissènes
Différents paramètres biologiques ont été analysés chez les dreissènes transplantées sur le BV de l’Orge. Parmi ces réponses biologiques, des mesures ont été réalisées au niveau individuel (indice de condition, MXR...) et infra-individuel (MT, GST, enzymes digestives, génotoxicité, mutagénicité...). Les fluctuations de ces paramètres seront envisagées en lien avec les caractéristiques physico-chimiques des différentes stations et le degré de contamination des individus (Métaux, HAP).

Structure des peuplements de poissons et fragmentation des petits bassins versants. J. Belliard et al.

Structure des peuplements de poissons et fragmentation des petits bassins versants

Jérôme Belliard, Guillaume Gorges, Céline Le Pichon, Evelyne Tales, Amandine Zahm.
Unité de Recherche Hydrosystèmes et Bioprocédés, Cemagref, Parc de Tourvoie, BP 44, 92163 Antony

 

Une des thématiques abordées dans le cadre du PIREN Seine est d'étudier la structure des peuplements de poissons dans les cours d'eau en liaison avec l'arrangement spatial des habitats et leur accessibilité par les poissons. Pour cette étude, des approches expérimentales sont mises en oeuvre dans des petits bassins versants témoins, notamment le bassin de l'Orgeval (affluent du Grand Morin, 77).

Ce volet repose notamment sur : (1) l’acquisition de données piscicoles de façon à comprendre la répartition des espèces sur le bassin, ses variations temporelles et les déplacements des espèces et (2) l’acquisition de données sur la morphologie et les caractéristiques physiques des cours d’eau ainsi que sur les discontinuités les affectant.

Au cours de l'année 2008, des méthodes ont été mises au point pour acquérir ces deux types de données, biologiques et physiques, et testées sur l'ensemble du réseau hydrographique du bassin de l'Orgeval.

Les cours d'eau de ce bassin ont été prospectés exhaustivement et l'inventaire complet ainsi que la localisation, des discontinuités et des habitats caractérisant ce réseau a été réalisé. Les données de terrain, recueillies au moyen d'un GPS ont permis de dresser une cartographie sur SIG de l'ensemble de ces caractéristiques (morphologie, habitats et discontinuités). La méthode choisie, particulièrement adaptée aux espèces de poissons, est présentée ainsi que les premiers résultats permettant d'évaluer le degré de fragmentation du réseau hydrographique.

Parallèlement, des échantillonnages des peuplements de poissons ont été réalisés sur une partie du réseau hydrographique pour connaître la répartition des espèces. Des analyses préliminaires couplant les données biologiques et physiques mettent en évidence l'effet des discontinuités des réseaux sur la répartition de certaines espèces.

Modélisation de la répartition des espèces et de la structure des communautés de poissons... J. Belliard

Modélisation de la répartition des espèces et de la structure des communautés de poissons à l'échelle du réseau hydrographique de la Seine

Jérôme Belliard, Guillaume Gorges, Céline Le Pichon, Evelyne Tales, Amandine Zahm.
Unité de Recherche Hydrosystèmes et Bioprocédés, Cemagref, Parc de Tourvoie, BP 44, 92163 Antony

 

Le bassin de la Seine abrite environ 45 espèces de poissons dont la répartition et l'abondance des populations dépendent de nombreux facteurs naturels et anthropiques agissant à différentes échelles spatiales et temporelles. La connaissance de ces facteurs ainsi que l'évaluation des conséquences d'éventuelles modifications anthropiques des cours d'eau sur la répartition des espèces et la composition des peuplements constituent un enjeu important pour la gestion du bassin. Cet enjeu est d'autant plus d'actualité que les communautés de poissons constituent un élément clé de l'évaluation de l'état écologique des cours d'eau au coeur des objectifs environnementaux définis par la Directive cadre européenne sur l'eau (DCE).

Auparavant, la modélisation du peuplement de poissons avait montré que les descripteurs du milieu les plus robustes et les plus structurants étaient les variables de larges échelles (rang de Strahler, écorégion).

L'inconvénient de cette modélisation à partir de variable "large échelle" est qu'elle permet difficilement de prendre en compte les perturbations d'origine anthropique et la réponse "locale" du peuplement.
La construction de variables à une échelle plus fine est l'un des objectifs affiché pour cette 5ème phase.
Les premiers résultats d'une approche visant à modéliser la composition des communautés de poissons à l'échelle de l'ensemble du réseau hydrographique de la Seine sont présentés.

A partir d'un jeu de données de 129 stations réparties sur l'ensemble du bassin et regroupant plus de 1200 échantillonnages différents, des modèles statistiques ont été développés afin de prédire la probabilité de présence de certaines espèces ou de différentes métriques décrivant la composition des peuplements en place en fonction d'un ensemble de caractéristiques environnementales des cours d'eau. Ces variables environnementales utilisées comme variables d'entrée des modèles sont définies à l'échelle de tronçons de cours d'eau et sont dérivées d'un SIG. Elles rendent compte des caractéristiques naturelles des cours d'eau (surface de bassin versant, pente), des conditions thermiques (température de l'air), de modifications anthropiques de la morphologie de l'hydrosystème (navigation, densité de plan d'eau sur le bassin proche) et de la qualité d'eau (résultats issus de l'application Sénèque).

Ces modèles mettent en lumière les principaux facteurs contrôlant la répartition des différentes espèces et la structure des peuplements. Appliqués à l'ensemble des tronçons du bassin, ils permettent de prédire la répartition des espèces y compris sur des secteurs n'ayant jamais fait l'objet d'échantillonnages piscicoles. Enfin, en modifiant les valeurs des variables d'entrées des modèles, il devient envisageable de bâtir des scénarios concernant d'éventuelles modifications de conditions environnementales (par exemple modifications des conditions thermiques ou de qualité d'eau) et d'en prévoir les conséquences sur les peuplements de poissons.

Session "Zones humides"

Introduction de la session, Nicolas Flipo

Les assèchements de marais au XVIIe siècle. Une mutation dans la gestion des zones humides. R. Morera et al.

Les assèchements de marais au XVIIe siècle. Une mutation dans la gestion des zones humides

Raphaël Morera1, Paul Benoit2
1 Fondation Thiers (Institut de France-CNRS)
2 Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne

 

Les relations entre les sociétés et les zones humides ont fluctué au cours de l'histoire, principalement sous l'effet de conjonctures économiques et démographiques globales. Toutefois, au long du Moyen Âge et au début de l'Epoque moderne, marais et étangs étaient gérés localement. En 1599, Henri IV, en accordant un privilège à Humphrey Bradley afin qu'il assèche les lacs et marais de France rompt avec cette tradition et modifie considérablement les modalités de gestion des zones humides. Leur aménagement s'insère désormais dans un cadre légal fixé par le roi et valable dans l'ensemble du royaume. Cette disposition accompagne l'affirmation d'intérêts capitalistes, très proches du pouvoir central, qui investissent dans les assèchements de marais. De la sorte, les relations entre les sociétés et les zones humides ne sont plus gérées uniquement au niveau local, mais à l'échelle du royaume de France. Cette mutation affecte des territoires disséminés sur l'ensemble du pays, dont certains, comme les marais de Sacy-le-Grand, dans l'Oise, ou le marais Vernier, dans l'estuaire de la Seine, sont situés dans le bassin versant de la Seine.

Aménager des zones humides pour épurer les eaux agricoles : quels enseignements tirer de l'existant ? E. Sac et al.

Aménager des zones humides pour épurer les eaux agricoles : quels enseignements tirer de l'existant ?

Estelle Sac, Bénédicte Augeard, François Birgand, Julien Tournebize
Unité de Recherche Hydrosystèmes et Bioprocédés, Cemagref, Parc de Tourvoie, BP 44, 92163 Antony

 

Les travaux des précédentes phases du PIREN ont mis en évidence l'importance du rôle joué par l'agriculture dans la dégradation de la qualité des eaux superficielles dans le bassin de la Seine. Les eaux agricoles sont principalement caractérisées par trois types de pollution : les nitrates majoritairement transportés par les eaux de drainage, le phosphore essentiellement sous forme particulaire exportée par ruissellement et les pesticides en proportion plus faible dans les eaux de drainage que dans les eaux ruisselées mais dépassant malgré tout les normes de potabilité. Ainsi, ces eaux chargées en polluants sont responsables de la dégradation qualitative des eaux superficielles du bassin de la Seine. Pour permettre le retour au bon état écologique des eaux de surface prôné par la DCE pour 2015, trois types d'actions complémentaires peuvent être envisagées : la diminution des intrants dans les parcelles, l’adaptation des stratégies d’application pour limiter les exportations et l’implantation de petits aménagements limitant les transferts de la parcelle vers le réseau hydrographique.

Une solution à ce problème de pollution est de traiter ces eaux via des zones tampons humides situées entre les parcelles agricoles et les cours d’eau. Or le bassin de la Seine compte déjà un grand nombre de mares et d’étangs pouvant apporter des informations sur le fonctionnement de ce type d'aménagement. De plus, ces zones humides artificielles déjà existantes, recevant des eaux issues du drainage et du ruissellement de terres agricoles, pourraient être aménagées de façon à optimiser l’épuration de ces eaux. En effet, pour des risques de contamination, les zones humides artificielles alimentées par les nappes d’eaux souterraines ne sont pas intégrées dans cette étude.

La bibliographie sur les zones humides artificielles du bassin de la Seine met en évidence les usages et les fonctionnements hydrologiques et biogéochimiques de ces systèmes. Elle montre également que ces mares et étangs rendent un service supplémentaire relatif à l’écologie. Ainsi, étant généralement situés dans des zones agricoles habituellement pauvres en matière de diversité écologique, les zones tampons humides favoriseraient la diversification des habitats. Certaines zones humides artificielles ont déjà pour objectif l’épuration d’eaux autres qu’agricoles (domestiques, pluviales ou industrielles). Les études menées sur ces aménagements sont sources d’informations pour la conception de nouveaux ouvrages de traitement des eaux agricoles.

Or, le bassin de la Seine compte d’ores et déjà bon nombre de zones humides "artificielles" (dans le sens aménagées par l'homme), plus communément appelées mares ou étangs. L'analyse de leurs caractéristiques physiques (hydrologiques, écologiques, éventuellement bio-géochimiques) et de leur fonctionnement (gestion, usage) constitue une première base de réflexion pour proposer l'aménagement de nouveaux dispositifs. En particulier, certains de ces ouvrages ont été justement construits dans un objectif d'épuration de l'eau autre qu'agricole (urbaine, industrielle…). Ainsi un recensement par le biais d'échantillonnage a été mis en place. A partir des 198 petites régions agricoles, 16 zones ont été identifiées et 25 secteurs déterminés. Le recensement est basé sur l'analyse cartographique et visuelle de toutes les mares/étangs/bassins dans un carré de 100km². Il apparaît une grande disparité des zones humides artificielles. La densité et les caractéristiques des mares, étangs et bassins de chaque secteur étudié ont été calculés. Dans le cadre de cette étude, les aménagements susceptibles d'avoir un impact sur la dépollution des eaux agricoles sont ceux situés en zone agricole, dans les villages (étant généralement alimentés par les eaux agricoles), ainsi que ceux situés en zone forestière en aval de zone agricole. Les secteurs présentant le plus grand nombre de ces types de mares, étangs et bassins ont donc pu être distingué. On peut citer : Argonne, Dépression Yonne Nord, Plateaux Normands Sud, Bray, Plateaux Normands Nord, et Limons riches Sud-Est.

Gestion des niveaux d'eau et dénitrification dans une zone humide aménagée en Champagne crayeuse. J. Michelin et al.

Gestion des niveaux d'eau et dénitrification dans une zone humide aménagée en Champagne crayeuse.

J. Michelin, I. Mouloudi, J-C. Labat, J-N. Rampon
UMR AgroParistech/INRA Environnement et Grandes Cultures (EGC)

 

La zone humide tourbeuse de Courcemain (Marne) est située à l'exutoire d'un bassin versant amont (1260 ha) en Champagne crayeuse. Le substrat géologique est la craie blanche du Sénonien. La zone humide de 3,5 ha est alimentée par les eaux de nappe de la craie et par le ru qui la traverse, lui-même alimenté par la nappe de la craie. Ce site est caractéristique des petites zones humides tourbeuses nombreuses dans les bassins crayeux amont. En 1986, la zone humide a été aménagée par le creusement et le redressement du ru.

Un suivi effectué sur plusieurs cycles hydrologiques de 1990 à 2001 montre clairement l'existence de dénitrification naturelle, dans les tourbes et dans la craie sous les tourbes, avec des variations d'intensité en fonction des saisons, en relation notamment avec le niveau d'eau dans les tourbes. En 2002, un premier essai de modélisation des écoulements a montré que la part de l'eau du bassin versant qui passe par la zone dénitrifiante (tourbière) varie de 0% à 35% en fonction des périodes de basses ou de hautes eaux; de l'ordre de 50% des eaux transitent directement vers l'exutoire par le ru aménagé.

Aussi, un travail d'expérimentation a été mené sur cette zone humide pour apprécier l'impact d'une gestion du niveau d'eau dans la zone humide sur la dénitrification. A l'aide d'une vanne placée sur le ru à l'exutoire, la tourbière a été submergée par les eaux du ru, puis une vidange rapide a été effectuée.
L'opération a été réalisée deux fois en période de baisse du niveau des eaux, soit fin mai et juillet 2008. Les teneurs en nitrates, les teneurs en oxygène dissous et les températures des eaux des tourbes, de la craie et du ru ont été suivies d'amont en aval.

Pour les eaux de la craie un effet du vannage apparaît uniquement au niveau du piézomètre le plus en aval. On observe une diminution de la teneur en oxygène dissous de 9 mg/l à 3 mg/l après 20 jours de submersion. Après la vidange, la teneur en oxygène dissous revient à sa valeur initiale de 9 mg/l. La seconde mise eau provoque une chute de la teneur à 2,6 mg/l après 13 jours. Les teneurs en nitrates suivent la même tendance, elles passent de 40 mg/l à 31 mg/l en 20 jours durant la première mise en eau, et de 36 mg/l à 26 mg/l en 13 jours pour la seconde. Plus en amont les eaux de la craie restent toujours saturées en oxygène dissous (10 mg/l) et les teneurs en nitrates n'évoluent pas (45 à 65 mg/l selon les situations).

L'effet du vannage est plus net pour les eaux des tourbes, lorsque les tourbes sont submergées les teneurs en oxygène dissous sont proches de 0 mg/l et les teneurs en nitrates chutent rapidement à des valeurs quasi nulles. Dans les cas où les tourbes étaient déjà noyées avant le vannage, les teneurs en nitrates et en oxygène dissous déjà proches de 0 mg/l, n'ont pas évolué avec une submersion plus importante. Par contre, lorsque la tourbe passe de l'état sec à l'état noyé, dans la partie amont de la zone humide, il apparaît d'abord un pic de nitrates, puis une diminution rapide vers des teneurs quasi nulles (de 66 mg/l à 0,7 mg/l en 14 jours).

Les effets du vannage sur les teneurs en nitrates des eaux du ru à l'exutoire, sont peu marqués. Il apparaît néanmoins, au cours des vidanges, que les eaux échantillonnées au centre du ru sont légèrement plus riches en nitrates et en oxygène dissous que les eaux échantillonnées sur les côtés du ru (écarts de 1 à 7 mg/l pour les nitrates, et de 1 à 2 mg/l pour l'oxygène dissous). Ceci traduit une différence entre les eaux qui transitent par le ru sans échange avec les tourbes, et une alimentation du ru, en aval, par les eaux des tourbes moins chargées en nitrates.

Dans le cas de cette zone humide, tourbeuse sur craie, artificiellement drainée par un ru recalibré, la mise en place d'un vannage pour noyer les tourbes permet d'améliorer la dénitrification dans la partie aval, dans les tourbes et dans la craie. Il apparaît que le vannage pourrait être efficace avec un pas de temps de l'ordre de 15 à 20 jours. Par contre, l'effet sur les concentrations en nitrates des eaux du ru à l'exutoire est très faible. Aussi, pour restaurer la fonction dénitrifiante de cette zone humide, il serait intéressant d'étudier les effets d'un comblement du fossé pour replacer le ru dans son tracé d'origine au sein des tourbes. De plus pour évaluer l'impact environnemental de la gestion et de la restauration de la zone humide, il est indispensable d'étudier les gaz produits par la dénitrification pour ne pas déplacer la pollution de l'eau vers l'air.

Vers une modélisation à base physique de la dénitrification dans la zone hyporhéique de Droupt Saint Basle. F. Curie et al.

Vers une modélisation à base physique de la dénitrification dans la zone hyporhéique de Droupt Saint Basle

Florence Curie, Agnès Ducharne, Christelle Courbet et Hocine Bendjoudi
UMR Sisyphe, Jussieu

 

La zone riveraine du ruisseau de Beauregard à Droupt saint Basle (Aube) a fait l’objet d’un suivi hydrologique et géochimique hebdomadaire durant une période de 18 mois afin d’étudier la dénitrification et les conditions de son développement. Afin de vérifier les hypothèses de fonctionnement formulées lors de cette étude expérimentale et de mieux contraindre la dénitrification, nous nous sommes servis de cet historique de mesures pour développer une modélisation hydrobiogéochimique.

La zone riveraine étudiée borde un ancien bras de la Seine dont les niveaux d’eau sont maintenus constants tout au long de l’année par différents ouvrages hydrauliques (barrages et écluses). Les eaux en provenance de la rivière et celles en provenance du bassin versant convergent vers une zone parallèle à la rivière jouant le rôle de drain dans la plaine alluviale. La zone comprise entre ce drain et la rivière montre une importante baisse des nitrates durant l’été et l’automne qui ne peut pas être expliquée par un simple mélange des eaux. Cette baisse peut être imputée à la dénitrification puisqu’elle a lieu pour des concentrations en oxygène dissous inférieures à 2 mg/l et est accompagnée d’une consommation du COD (Carbone organique Dissous) et d’une baisse du potentiel redox. La rivière contrôle complètement le système, ce sont en effet, les conditions instaurées par la rivière qui sont à l’origine du développement de la dénitrification dans la zone riveraine.

Pour réaliser cette modélisation, nous avons choisi d’utiliser le modèle hydrologique MODFLOW, qui permet d’étudier le mouvement tridimensionnel des eaux souterraines dans un milieu poreux. Le transport réactif multi-espèces est réalisé, quant à lui, par le modèle PHT3D résultant de l’incorporation du modèle géochimique PHREEQC-2 au modèle de transport advectif-dispersif MT3DMS. Les premiers résultats de la modélisation hydrologique en régime permanent ont permis de mettre en évidence que la présence d’une zone de drain avec une perméabilité plus forte était très importante pour réussir à reproduire correctement le sens des écoulements et la forme de la nappe. Afin de tester le modèle hydrologique ainsi créé, nous avons ensuite introduit des ions chlorures. L’élément chlorure est conservatif nous l’avons dans ce modèle utilisé comme un traceur naturel des différentes sources d’eaux. Le modèle reproduit très correctement les concentrations mesurées sur le terrain et la zone de mélange au niveau du drain.

L’étape suivante consiste à paramétrer le processus de dénitrification. Les résultats de terrain nous permettent de mettre en évidence un fort signal saisonnier qui ne peut pas être du à la variation de l’humidité puisque celle-ci reste constante au cours de l’année. La température apparaît donc comme un facteur de contrôle de premier ordre de la dénitrification. Dans un premier temps, on fera l’hypothèse que la réaction de dénitrification suit une cinétique d’ordre 1 avec une dépendance à la température. Si les résultats obtenus ne sont pas satisfaisants, d’autres paramètres (oxygène dissous, COD) seront intégrés afin de modéliser au mieux les observations de terrain. L’objectif final de cette modélisation est de pouvoir tester l’impact de différentes modifications sur la dénitrification : baisse ou introduction d’une saisonnalité dans les hauteurs d’eau de la rivière (arrêt de la régulation par les ouvrages hydrauliques), baisse ou remontée des hauteurs d’eau dans la nappe (année humide / année sèche)…

Modélisation hydraulique des écoulements, des hauteurs d'eau et des inondations : le cas du Serein (Yonne). F. Saleh et al.

Modélisation hydraulique des écoulements, des hauteurs d'eau et des inondations : le cas du Serein (Yonne)

Firas Saleh, Agnès Ducharne, Ludovic Oudin, Nicolas Flipo, Emmanuel Ledoux
UMR Sisyphe, UPMC/CNRS, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 5

 

L’objectif de la thèse est de contribuer à une meilleure simulation des crues dans le réseau hydrographique de la Seine, et de leurs liens avec les inondations, les zones humides et les interactions nappe-rivière. Ce travail s'inscrit dans le développement de la plateforme de modélisation EAU-Dyssée qui vise à rénover les différents modèles précédemment couplés dans le cadre du programme PIREN-Seine, autour d'un coeur constitué par le modèle hydrogéologique MODCOU de l'ENSMP. Plus spécifiquement, il s'agit donc de contribuer au développement d'un module hydraulique permettant la simulation des hauteurs d'eau et des inondations et pouvant être couplé à l'échelle du bassin de la Seine avec MODCOU, ce dernier simulant les apports latéraux aux cours d'eau sous forme de lames d'eau écoulées en surface et en souterrain.

Pour faciliter un tel couplage, la première partie de la thèse vise à tester la sensibilité d'un modèle hydraulique (i) aux choix de modélisation du lit majeur et des débordements et (iii) à la précision de la description géomorphologique des lits, pour identifier le meilleur compromis entre parsimonie et réalisme.

Le modèle hydraulique utilisé à ce stade est le modèle HEC-RAS, et les variables évaluées sont les débits, les hauteurs d'eau, ainsi que la fréquence et l'extension des inondations. Les apports latéraux sont simulés par MODCOU et cette analyse est ciblée sur des biefs bien renseignés. Les premiers résultats ont été obtenus sur le Serein (affluent de l'Yonne) et seront complétés par l'étude de l'Oise et du Loing, où l'influence des nappes et la présence de zones humides alluviales sont plus importantes.

L'articulation entre le modèle hydrogéologique MODCOU et un modèle hydraulique permettant de simuler les inondations offre des perspectives nombreuses, par exemple pour aborder la simulation du fonctionnement hydrodynamique des zones humides alluviales, qui influence leur fonction épuratrice et participe au couplage nappe-rivière. Elle permettra aussi d'élargir nos études d'impact, que ce soit du changement climatique ou des contraintes anthropiques directes (prélèvements pour l'AEP ou l'irrigation, aménagements), à l'évolution du risque inondation ou à la disparition des zones humides, qui couvrent encore 6% du bassin de la Seine.

Session "Azote et gaz à effet de serre, de l'échelle locale à celle du bassin"

Introduction de la session, Pierre Cellier

Mesure et modélisation des flux de composés azotés gazeux (N2O, NOx et NH3) à l’échelle de la parcelle agricole B. Loubet et al.

Mesure et modélisation des flux de composés azotés gazeux (N2O, NOx et NH3) à l’échelle de la parcelle agricole

Benjamin Loubet, Patricia Laville, Sophie Génermont, Rea S. Massad, Simon Lehuger, Benoit Gabrielle, Erwan Personne, Céline Decuq, Eric Larmanou, Dominique Flura, Olivier Fanucci, Brigitte Durand, Sylvie Masson, Andrée Tuzet et Pierre Cellier

UMR INRA-AgroParisTech Environnement et Grandes Cultures, 78850 Thiverval-Grignon

 

L’agriculture est une source importante de polluants atmosphérique, et notamment de composés azotés, du fait de la fabrication d’engrais synthétiques (100 Tg an-1) à partir d’azote atmosphérique N2 avec le processus de Haber-Bosch (1913) (Galloway et al. 2003).

L’agriculture est à l’origine de 97% des émissions d’ammoniac atmosphérique (NH3) en France dont environ 12% sont liées aux plantes cultivées (CITEPA, 2001 ; Bouwman et al. 1997). Les pertes d’NH3 après apport de fertilisant au champ varient de quelques pourcents de la dose apportée pour les engrais minéraux à plusieurs dizaines de pourcents pour les effluents d’élevages. L’ammoniac atmosphérique a un impact sur le réchauffement climatique et la santé humaine à travers son rôle dans la formation d’aérosols, mais il a aussi un impact sur l’environnement : c’est le principal composé acidifiant des sols en Europe, et il participe à l’eutrophisation des écosystèmes sensibles. L’ammoniac présente la particularité d’être présent dans les tissus foliaires et il peut soit être émis soit absorbé par les plantes en fonction de ce que l’on appelle le point de compensation stomatique.

Les sols agricoles sont également une source importante d’oxyde d’azote (N2O). A l’échelle globale, l’agriculture est responsable d’environ un quart des émissions d’N2O anthropiques, ce qui correspond à environ un tiers des émissions naturelles de N2O. Le N2O est un gaz à effet de serre dont le potentiel de réchauffement est 296 fois celui du carbone, qui est issu des processus de nitrification / dénitrification dans le sol. Les émissions sont très variables dans le temps et l’espace, ce qui explique la grande incertitude qui existe sur les sources de N2O, et la difficulté à en mesurer les flux.

Enfin les sols agricoles sont également une source d’oxyde d’azote (NO, rapidement converti en NO2) qui possède un impact direct sur la santé humaine, mais aussi indirect en tant que précurseur de l’ozone (O3), lui-même étant un gaz à effet de serre non négligeable (10% du forçage radiatif additionnel). Le NO émis par les sols représente entre un quart et un tiers des émissions anthropiques de NOx, une fraction à peu près égale à la combustion fossile. Les NOx étant très réactifs, l’étude de leur flux suppose d’étudier en parallèle les dépôts d’O3.

Ainsi il est essentiel de quantifier les échanges de composés azotés gazeux entre les surfaces agricoles et l’atmosphère afin (1) d’évaluer les bilans de gaz a effet de serre des parcelles agricoles le N2O pouvant représenter une fraction non négligeable de ce bilan, (2) d’évaluer la contribution de l’agriculture à la pollution atmosphérique (NH3, NOx),, et (3) d’évaluer la part des échanges gazeux dans le bilan d’azote des sols cultivés.

Cet exposé présente les méthodes de mesures couramment utilisées dans notre laboratoire pour estimer les flux de N2O, NOx et NH3 entre les surfaces agricoles et l’atmosphère, ainsi que les modèles simulant ces échanges et les moyens de laboratoire permettant d’investiguer les processus sous-jacents.

Effets des cultures intermédiaires, de la réduction de la fertilisation et du non travail du sol sur... J. Constantin at al.

Effets des cultures intermédiaires, de la réduction de la fertilisation et du non travail du sol sur le bilan d'azote sur 3 expérimentations de longue durée

Julie Constantin1, Bruno Mary1, François Laurent2, Nicolas Beaudoin1
1 INRA Unité Agro-Impact rue Fernand Christ, 02007 Laon Cedex - France
2 Arvalis Institut du végétal 91700 Boigneville - France.

 

L'implantation de cultures intermédiaires (CI), la réduction de la fertilisation et l'introduction d'un semis direct (SD) peuvent réduire les pertes d'azote dans les systèmes de cultures. Cependant, les effets à long terme ne sont pas bien connus. L'objectif de ce travail est d'analyser l'impact des pratiques agricoles sur le bilan d'azote à long terme et de déterminer le devenir de l'azote non lessivé.

Matériel et méthodes
Les effets de ces pratiques culturales sur le bilan d'azote sont étudiés sur 3 expérimentations de longue durée de la moitié Nord de la France. Les CI sont présentes sur tous les sites tandis que le SD par rapport au labour (L) et la réduction de fertilisation (N-) par rapport à la dose recommandée (N) ne sont testés que sur un seul site (Tableau 1). Les biomasses produites, l'azote absorbé par les cultures, lixivié et stocké dans le sol sont analysés sur 13 à 17 ans.

Balance azotée = Fertilisation + Fixation symbiotique + Dépôts atmosphériques – Exportations de la culture
= lessivage + pertes gazeuses + stockage dans le sol
Surplus d'azote = Balance azotée - lessivage = pertes gazeuses + stockage dans le sol

Balance azotée et lessivage

La balance azotée, différence entre les entrées d'azote et les exportations par les cultures, est affectée seulement par la réduction de fertilisation de 35% sous la dose recommandée par la méthode du bilan (N-).

Les CI sont le moyen le plus efficace pour réduire le lessivage sur le long terme, de 38 à 60% selon les sites et leur fréquence d'introduction. Le SD et N- sont moins efficaces, avec des réductions de 27 et 8% respectivement.

Stockage d'azote dans le sol et pertes gazeuses
Le stockage d'azote dans le sol n'est pas significativement modifié par le SD tandis qu'il est accru par les CI, de 16.5 kg/ha/an, et réduit par N-, de 6.1 kg/ha/an. Le surplus d'azote, correspondant à la somme du stockage et des pertes gazeuses, est plus élevé avec des CI mais peu modifié par le SD et N-. L'augmentation de ce surplus est principalement liée à la réduction du lessivage.

La comparaison de ce surplus avec le stockage permet d'évaluer, par défaut de bilan, l'impact des pratiques culturales étudiées sur les émissions gazeuses d'azote. Cette comparaison montre que l'azote épargné par la CI, exprimé par un surplus positif, est majoritairement stocké dans le sol (Figure 1). Elle suggère également que le SD augmente légèrement les pertes gazeuses d'azote, de 4.2 kg/ha/an, alors que Nles réduit d'environ 22 kg/ha/an. Les CI ne semblent pas modifier les émissions gazeuses d'azote.

Transfert et rétention d’azote dans le bassin versant de l’Orgeval. C. Billy et al.

Transfert et rétention d’azote dans le bassin versant de l’Orgeval

Billy Claire1,2, Billen Gilles3, Sebilo Mathieu2, Birgand François1 ,Tournebize Julien1 et Kao Cyril1

1 CEMAGREF, Unité de recherche HBAN, Antony, France
2 UMR 7618, BIOEMCO, Université P. & M. Curie, Paris, France
3 UMR 7619, SISYPHE, CNRS, Paris, France

 

L’intensification de l’agriculture a été accompagnée, dans la plupart des zones agricoles, par une dégradation progressive de la qualité des eaux de surface et souterraines. Dans certaines régions, l’installation de réseaux de drainage souterrains, associée à une utilisation croissante de fertilisants azotés, est considérée comme en partie responsable de cette pollution.

C’est pourquoi, les processus de transfert et de rétention de l’azote à l’échelle du bassin versant agricole drainé de l’Orgeval (Seine et Marne) ont été étudiés. L’enjeu était de déterminer à quelles échelles spatiales l’élimination de l’azote a lieu dans ce contexte, de quantifier cette élimination et de déterminer les processus impliqués.

Transfert et rétention de l’azote dans des bassins versants drainés emboîtés
Pour cela, un suivi des débits, des concentrations en azote minéral (NO3-, NH4+ et NO2-) et de la composition isotopique des nitrates (d15N-NO3-) aux exutoires d’une série de sous-bassins emboîtés (groupement de parcelles, sous-bassins d’ordre de Strahler 1 à 3) a été réalisé. Aux ordres 1, 2 et 3 de Strahler, les bilans azotés montrent une rétention en azote supérieure à 30% des fuites de nitrates vers le réseau hydrographique durant les périodes d’étiage et supérieure à 15% durant les périodes de drainage. Les résultats isotopiques sont en accord avec cette estimation: ils montrent qu’un processus de dénitrification a lieu à toutes les échelles spatiales. De plus, l’utilisation du modèle SENEQUE (Ruelland et al., 2007) montre que la rétention benthique dans le cours des rivières représente une part minoritaire de la rétention en azote sur l’ensemble du bassin versant. Dans les bassins versants drainés, la rétention « souterraine », qui a lieu de la base de la zone racinaire, jusqu’au cours d’eau en passant par la zone saturée du sol et les zones ripariennes, semble représenter plus de 85 % de la rétention totale d’azote.

Transfert et rétention de l’azote dans les sols drainés
Pour quantifier et caractériser cette rétention souterraine, des mesures ponctuelles de dénitrification ont été réalisées et le modèle DRAINMOD-N II (Youssef et al., 2005) a été utilisé à l’échelle de la parcelle et à celle du groupement de parcelles. Les résultats obtenus indiquent une forte rétention de plusieurs dizaines de kgN/ha par dénitrification dans les sols drainés.

De plus, des mesures de la composition isotopique de l’azote organique (d15N) ont été réalisées dans les sols drainés et dans les zones ripariennes. Une relation entre le temps de saturation du sol, qui est favorable à la dénitrification, et le d15N de l’azote organique du sol a pu être établie. A partir de ces mesures, un algorithme calculant la composition isotopique de l’azote dans les sols en fonction des sources et des processus de transformation a été développé. Le d15N de l’azote organique des sols apparaît comme un indicateur semi-quantitatif et intégratif de la dénitrification dans les sols.

En conclusion, malgré la présence d’un réseau de drainage très dense, dont on s’attendait à ce qu’il réduise fortement les possibilités de rétention/élimination des nitrates d’origine agricole, le bassin étudié est le siège d’une importante dénitrification, en particulier dans les zones de bas de versant. Le temps de saturation des sols semble être un facteur d’importance majeure de la rétention de l’azote.

Mesure et modélisation des flux de N2O à l’échelle des paysages agricoles. J.-L. Drouet et al.

Mesure et modélisation des flux de N2O à l’échelle des paysages agricoles

Jean-Louis Drouet1, Sylvia Duretz1, Pierre Cellier1, Guillaume Vilain2, Josette Garnier2, Gilles Billen2, Gaëlle Tallec3, Julien Tournebize3, Nicolas Flipo4

1 UMR 1091 INRA-AgroParisTech Environnement et Grandes Cultures,78850 Thiverval-Grignon
2 UMR 7619 CNRS-UPMC Sisyphe, 4 place Jussieu, 75005 Paris
3 UR Cemagref Hydrosystèmes et bioprocédés, Parc de Tourvoie, 92163 Antony Cedex
4 Centre de Géosciences, Systèmes Hydrologiques et Réservoirs, Mines ParisTech,33 rue Saint-Honoré, 77305 Fontainebleau

 

Les niveaux de connaissance les plus élaborés du cycle de l’azote sont à l’échelle de la parcelle ou à l’échelle régionale (100-1000 km, transferts transfrontiers), voire globale. L’échelle intermédiaire du paysage agricole (100 m à quelques km), peu étudiée jusqu’à présent, est cependant pertinente pour l’étude des transferts d’azote car elle correspond à l’entité (ensemble d’exploitations agricoles, bassin versant, bassin de production…) dans laquelle sont gérés les apports d’azote et où des sources ponctuelles intenses peuvent induire des transferts importants vers des zones réceptrices par voie atmosphérique ou hydrologique. Ces transferts, dans les zones agricoles et naturelles, peuvent conduire à des émissions indirectes de N2O liées aux pratiques agricoles (assolement, fertilisation, apports organiques, travail du sol…), à la structure du paysage, aux conditions climatiques et aux conditions d’humidité et de drainage des sols.

Tant pour la fiabilité des estimations des émissions de N2O à l’échelle d’un paysage agricole (par exemple un bassin versant) que pour l’évaluation de la pertinence de mesures agri-environnementales ou de systèmes de production, il est essentiel d’acquérir des connaissances expérimentales et de construire des modèles permettant d’appréhender les relations spatiales résultant de processus naturels et anthropiques, afin de mieux comprendre et contrôler les flux et transformations d’azote à l’échelle du paysage agricole. Les deux approches sont considérées dans la présentation.

D’une part, un suivi expérimental sur le bassin de l’Orgeval vise à étudier la contribution des processus de dénitrification, voire de nitrification, aux émissions de N2O le long de transects, depuis les sols agricoles de plateau sur lesquels est apporté l’azote jusqu’aux cours d’eau, incluant les pentes et les zones humides riveraines de bas de versant. Les principales variables de contrôle (hauteur d’eau, teneurs en nitrates et N2O dissous dans l’eau du sol, les eaux phréatiques et les cours d’eau) sont mesurées par des piézomètres et des prélèvements dans les cours d’eau. Les premiers résultats de cette étude montrent que : (i) les positions les plus basses des transects sont responsables d’une part plus importante d’émission de N2O, (ii) la contribution des zones ripariennes à ces émissions est importante, (iii) les concentrations en nitrates et N2O dans les nappes peuvent atteindre des valeurs extrêmement élevées, particulièrement après les épisodes de fertilisation, (iv) les concentrations en N2O dans les nappes restent très largement supérieures à celles retrouvées dans les rivières même hors période de fertilisation.

D’autre part, nous conduisons un travail de modélisation des transferts et transformations de l’azote prenant en compte les interactions spatiales à l’échelle du paysage agricole. Le modèle, en cours de développement, intègre les différents modes de transfert de l’azote entre sources et puits : atmosphérique, hydrologique ou anthropique par le biais de la gestion de l’azote et des matières organiques au sein de l’exploitation ou du paysage agricole. Il est ainsi le premier modèle à intégrer l’ensemble des types de processus et modèles intervenant à l’échelle du paysage et avec des résolutions spatiales et temporelles homogènes, ce qui jusqu’à présent n’avait été réalisé et validé que partiellement (l’une des voies de transferts étant généralement favorisée et les autres venant en appoint). Les principes de ce modèle, appelé NitroScape, sont présentés, ainsi que des cas futurs d’utilisation pour étudier différents scénarios d’usage de l’espace ou d’évolution de l’agriculture, applicables au bassin de la Seine.

Modélisation biophysique des émissions de NO par les sols agricoles en Ile de France... M.-N Rolland et al.

Modélisation biophysique des émissions de NO par les sols agricoles en Ile de France en vue de la réalisation d’un cadastre d’émission pour un modèle de pollution de l’air.

Marie-Noëlle Rolland1, Benoît Gabrielle1, Patricia Laville1, Pierre Cellier1, Jean-Marc Gilliot1, Joël Michelin1, Dalila Hadjar1, Matthias Beekmann2, Gabriele Curci3

1 UMR 1091 INRA-AgroParisTech Environnement et Grandes Cultures, 78850 Thiverval-Grignon.
2 UMR 5560, Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques – OMP 31062 Créteil.
3 Dipartimento di Fisica - CETEMPS, Universita' degli Studi dell'Aquila, 67010 Coppito – L'Aquila (Italie).

 

Les sols cultivés sont une source importante de monoxyde d’azote (NO), précurseur de l’ozone troposphérique. Dans les zones rurales où les sources de NO par combustion sont faibles, ils peuvent jouer un rôle significatif dans la pollution de fond et les pics d’ozone.

Nous avons utilisé le modèle de bilan environnemental CERES-EGC pour réaliser un inventaire d’émission à échelle fine des émissions de NO depuis les sols agricoles d’Ile de France. Les émissions ont été simulées sur une base de temps journalière du 1 novembre 2000 au 31 décembre 2001, en utilisant une base de données spécifique incluant des informations détaillées sur les sols, le climat et les pratiques agricoles.

Les émissions de NO estimées allaient de 1,5 à 11,1 kg N-NO/ha pour les 14 mois de la simulation, avec une moyenne de 5,1 kg N-NO/ha et un total annuel de 2800 t N-NO sur la région. Ceci correspondait à un facteur d’émission de 3% des émissions rapportées aux engrais azotés, pour des apports d’azote de 150 kg/ha en moyenne. A l’échelle régionale, les sols ne représentaient que 2,8% des émissions de NO,  correspondant à 4,4% des émissions du secteur des transports. Les émissions de NO depuis les sols étaient caractérisées par une forte variabilité saisonnière, avec les valeurs les plus fortes en mai, en raison de la fertilisation des cultures de printemps. Une analyse de sensibilité a révélé que la précision des inventaires d’émissions dépendait de la qualité des données d’entrée à l’échelle régionale, et que les émissions de NO sont fortement influencées par le type de sol et les pratiques agricoles.

Les cadastres d’émission journaliers générés ont été utilisés comme entrée du modèle de chimie atmosphérique Chimère, pour prévoir de champs de concentration d’ozone sur l’Ile de France lors d’épisodes de pollution au printemps et à l’été 2001. En comparaison au module d’origine du modèle Chimère, le cadastre à haute résolution établi à partir du modèle CERES-EGC a mis en évidence les variation spatiales et temporelles de la contribution des surfaces agricoles. Leurs impacts sur la production d’ozone sont déterminés par leur position géographique vis-à-vis des autres précurseurs d’ozone troposphérique, ce qui ouvre des perspectives pour cibler des mesures pour diminuer l’impact des activités agricoles sur la qualité de l’air.

Bilan et Modélisation des émissions de gaz à effet de serre d’origine agricole dans le bassin de la Seine. F. Toche et al.

Bilan et Modélisation des émissions de gaz à effet de serre d’origine agricole dans le bassin de la Seine

Florent Toche, Josette Garnier, Gilles Billen, Guillaume Vilain
UMR Sisyphe 7619, Université P. et M. Curie – Paris 6, BP 105, Tour 56-55, Etage 4, 4 Place Jussieu, 75005 Paris, France

 

Face à l’agriculture intensive qu’on y pratique et à l’importance de l’agglomération parisienne, le réseau hydrographique de la Seine et son bassin versant de 75 000 km², sont soumis à des tensions environnementales particulièrement exacerbées. Notamment, l’agriculture intensive est responsable de pertes importantes de nitrates vers les rivières et les nappes. Une partie de ces nitrates est transformée par l’activité microbienne en protoxyde d’azote, ou oxyde nitreux (N2O). D’autre part, la décomposition de la matière organique accumulée dans les sédiments des zones stagnantes du réseau hydrographique, ainsi que l’activité digestive des ruminants sont responsables de l’émission d’un autre gaz à effet de serre : le méthane (CH4).

En vue d’établir un bilan chiffré des flux de N2O et CH4 sur l’ensemble du bassin de la Seine et de son réseau hydrographique, on a procédé à l’analyse de ces deux gaz dissous dans l’eau lors de diverses campagnes d’échantillonnage. La base de données ainsi constituée a permis d’estimer les quantités de N2O et de CH4 émises par le réseau hydrographique, d’en observer la saisonnalité et de comparer, grâce à l’applicatif AIPresHume, les quantités de gaz à effet de serre produites par le réseau hydrographique à celle produite par les sols du bassin versant et par l’élevage.

Le modèle Sénèque/RiverStrahler permet de décrire le fonctionnement biogéochimique de l’ensemble du réseau hydrographique, au pas de temps décadaire, en se basant sur une représentation simplifiée de chaque sous-bassin par un schéma régulier de confluences (ordre de Strahler) et sur une description des axes par km de rivières. Plusieurs modifications ont été apportées à ce modèle pour lui permettre de prendre en compte les variables N2O et CH4, leurs apports diffus et ponctuels, leurs échanges à travers l’interface eau/atmosphère et leurs transformations dans la phase benthique du réseau hydrographique.
Les premiers résultats obtenus à l’échelle de l’ensemble du réseau hydrographique, mais aussi à des échelles plus restreintes, rendent bien compte des données observées lors des campagnes de mesure.

Mots clés : émissions de N2O, émissions de CH4, modélisation biogéochimiqueactivités agricoles, bassin de la Seine

Prise en compte du battement de nappe dans la modélisation du transfert de nitrates sur le bassin de la Seine. E. Philippe et al

Prise en compte du battement de nappe dans la modélisation du transfert de nitrates sur le bassin de la Seine

Elodie Philippe1, Florence Habets2, Emmanuel Ledoux1, Patrick Goblet1, Pascal Viennot1

1 Ecole des Mines de Paris, Centre de Géosciences, Fontainebleau.
2 UMR Sisyphe, UPMC/CNRS, Paris.

 

La modélisation des transferts de nitrates dans le bassin de la Seine avec le modèle couplé STICSMODCOU (Viennot et al., 2006; Ledoux et al., 2006) a montré que cet outil était capable de bien reproduire l’augmentation de la médiane des concentrations mesurées dans les nappes, mais que localement, des écarts importants entre mesure et calcul étaient observées. Afin d’affiner la modélisation des transferts de nitrates sur ce bassin, nous nous sommes intéressés à leur transfert à travers la zone non saturée (ZNS). En effet, cette zone (qui est située entre la base du sol et la nappe) peut être localement très épaisse (jusqu’à 150 mètres de profondeur) et les transferts des nitrates y sont généralement très lents (environ 1 mètre par an).

Cette ZNS exerce donc une influence significative sur la dynamique de contamination souterraine puisque le temps de transfert des nitrates de la surface à la nappe peut atteindre plusieurs années voire décennies. Lors des modélisations précédentes, l’épaisseur de la ZNS était supposée invariable dans le temps. Or les niveaux des nappes fluctuent, parfois de plusieurs mètres, modifiant ainsi l’épaisseur et les caractéristiques hydrodynamiques de cette ZNS et, par conséquent, la dynamique même du lessivage des nitrates à l’interface ZNS-nappe. Il a donc été envisagé de prendre en compte l’effet des fluctuations de niveaux piézométriques dans le modèle de transfert à travers la ZNS.

Méthodologie :
Cette étude a été effectuée en deux étapes. Dans un premier temps, nous avons testé la pertinence du modèle de calcul du transfert à travers la ZNS, « NONSAT ». En effet, le domaine d’application sur les grands bassins étant conséquent (80000km² pour celui de la Seine), l’approche utilisée dans ce modèle est volontairement simplifiée afin de limiter les temps de calcul et maintenir à un niveau raisonnable la nature et la quantité des paramètres à introduire. Ainsi, le milieu non saturé est assimilé à une série de réservoirs de même épaisseur se déversant les uns dans les autres selon une loi exponentielle. Pour estimer la validité de notre modèle conceptuel en ce qui concerne le transfert d’eau et de solutés, nous avons comparé les résultats obtenus avec ceux du modèle mécaniste, METIS (Goblet, 2007). Ce dernier permet une représentation la plus fondamentale possible des propriétés hydrauliques d’un milieu poreux non saturé. Il s’appuie pour cela sur la résolution de l’équation de Richards. Les premiers résultats obtenus nous ont permis d’améliorer notre schéma simplifié, en prenant en compte un volume d’eau liée plus réaliste, dépendant de la profondeur de la nappe, et calculé à partir des relations de Van Genuchten. Cette modification permet d’obtenir une meilleure cohérence entre le modèle mécaniste et le modèle simplifié.

Dans un second temps, nous avons intégré un module de battement de nappe dans notre modèle. Ceci a été facilité dans la nouvelle version de NONSAT par le fait que les volumes d’eau à l’équilibre dans la ZNS dépendent explicitement des niveaux de la nappe. La prise en compte des variations de ces niveaux suppose d’une part que l’équilibre hydrostatique est atteint à chaque pas de temps du modèle (ie chaque jour). Les échanges avec la nappe sont alors de deux types: soit un écoulement gravitaire classique, soit un échange par battements de nappe. Ainsi, lorsque la nappe monte, on considère que l'eau et les polluants présents dans la couche de ZNS qui devient saturée ont été transférés à la nappe. La profondeur de la ZNS est alors réduite, mais, le volume d'eau liée présent dans cette couche va augmenter. On considère alors que ce volume d'eau est issu de la nappe par ascension capillaire. On modélise ainsi à la fois un transfert d'eau et de polluants de la ZNS vers la nappe, et de la nappe vers la ZNS.

Les tests effectués ont permis de montrer que le temps de transfert des polluants lors d'une montée de nappe est réduit, et que la dynamique du transfert est fortement modifiée. Par ailleurs, nous avons pu de nouveau vérifier la cohérence de ces résultats en les comparant à ceux obtenus avec le modèle mécaniste Métis.

Effets des réglementations agro-environnementales sur l’usage des sols du bassin de la Seine. C. Bourgeois et al.

Effets des réglementations agro-environnementales sur l’usage des sols du bassin de la Seine

Cyril Bourgeois1, Pierre Cantelaube1, Florence Habets3, Pierre-Alain Jayet1, Catherine Mignolet2, Elodie Philippe4, Audrey Pollard1, Céline Schott2, Pascal Viennot4, Paul Zakharov1

1 UMR Économie Publique, INRA Grignon
2 INRA-SAD, Mirecourt
3 UMR Sisyphe, UPMC/CNRS, Paris
4 École des Mines de Paris, Centre de Géosciences, Fontainebleau

 

Même quand il est fortement orienté par la réglementation et la régulation économique, le secteur agricole réagit aux changements économiques et physiques. Cela vaut pour les prix de marché et les politiques agro-environnementales comme pour le changement climatique. L’impact sur le secteur de production agricole se mesure évidemment en termes de marge brute et de rentabilité des terres, mais également en matière d’occupation des sols et d’intensité de la consommation de facteurs polluants par rapport à la terre. Les analyses prévisionnelles ou prospectives quant à la dynamique des pollutions sont importantes dans la perspective de la maîtrise des dommages causés à moyen ou long terme. La mise en oeuvre de modèles permettant d’intégrer dans l’analyse les instruments de la régulation est l’objectif assigné aux travaux présentés dans le cadre du PIREN-Seine.

La méthode repose sur l’association d’un modèle d’offre agricole multi-producteur et multi-produit (AROPAj) avec en amont un modèle générique de culture (STICS) et en aval un modèle hydrogéologique fournissant l’état de pollution en nitrates des nappes du bassin et son évolution dans le temps.

’élaboration de relations entre les apports d’azote, les rendements et les pollutions azotées est obtenue dans différents contextes (sols, régions, climat) à l’aide de STICS. Le fonctionnement itératif d’AROPAj dans le cadre de scénarios (évolution de la PAC, hypothèses de prix, introduction de réglementations environnementales), à structure sectorielle constante (hypothèse « basse » sur le progrès technique et l’évolution, la disparition ou l’émergence de nouveaux systèmes de production) conduit à une succession d’allocations annuelles des terres et de niveaux annuels de pollutions, distribués dans l’espace géographique du Bassin de la Seine. La simulation dynamique, par MODCOU, de l’infiltration des eaux chargées de nitrates vers les nappes permet d’évaluer la réaction du système physique pollué (les nappes) à l’évolution du système agricole qui en est en partie responsable. Le « pilotage » du système par l’autorité de régulation économique (déléguée idéalement à une Agence en charge de la conception, de la mise en oeuvre et du contrôle) peut être simulé en « bouclant » la régulation du système agricole à chaque période en fonction de l’état de pollution des nappes. Le bouclage peut être réalisé pour différents scénarios.

La présentation des travaux réalisés en 2008 porte sur le développement de la méthode de distribution spatiale des résultats du modèle d‘offre agricole. Seront également présentés des résultats sur la variation d’occupation des sols agricoles en réaction au changement de politique agricole, ainsi que les résultats obtenus en matière d’estimation des pollutions azotées. Les difficultés rencontrées conduisent à revenir sur les méthodes alternatives permettant de réaliser de façon cohérente les simulations à partir des trois modèles utilisés, méthodes qui seront exposées de façon synthétique.

 

Modélisation de l’organisation spatiale des systèmes agricoles et de son évolution... C Mignolet et al.

Modélisation de l’organisation spatiale des systèmes agricoles et de son évolution dans une démarche de protection de la ressource en eau

Catherine Mignolet, Céline Schott, Marc Benoît
INRA, UR 055 ASTER-Mirecourt, 662 avenue Louis Buffet, 88500 Mirecourt.

 

Les préoccupations relatives à la localisation des dynamiques agricoles dans les territoires s’avèrent de plus en plus prégnantes chez les acteurs impliqués dans le développement agricole et la gestion des ressources naturelles. En effet, connaître la diversité des agricultures d’un territoire sans savoir comment cette diversité est spatialement structurée au sein de ce territoire ni comment cette structuration évolue au cours du temps n’est pas suffisant pour répondre à certaines questions. C’est le cas des questions environnementales dans lesquelles l’étude des processus agro écologiques nécessite de rendre compte des conséquences de la variabilité spatiale des pratiques agricoles, ou encore des questions de développement territorial qui analysent la contribution d’un tissu d’exploitations agricoles diverses dans la dynamique et la cohésion des territoires.

Notre travail vise ainsi à développer des méthodes pour modéliser la différenciation spatiale des systèmes agricoles et son évolution au sein de territoires. Il est basé sur l’étude de l’évolution des systèmes de production et des systèmes de culture du bassin versant de la Seine (95 000 km2) sur lequel un enjeu de préservation de la qualité des ressources en eau dans les aquifères est posé. Notre démarche de recherche consiste à identifier des régions agricoles homogènes du point de vue des critères retenus pour modéliser la diversité des systèmes agricoles et son évolution. Elle articule : (i) une caractérisation des systèmes agricoles du territoire étudié, à partir de sources d’informations variées (statistiques agricoles nationales et départementales, enquête à dire d’experts), sous la forme de typologies (à partir de modèles typologiques existants ou en construisant de nouveaux modèles) portant sur différents niveaux de description de l’activité agricole à l’échelle de la Petite Région Agricole (PRA), à savoir les systèmes de production, les successions de cultures ou les itinéraires techniques ; (ii) différentes méthodes de modélisation de la répartition spatiale des systèmes agricoles au sein du territoire, de leurs évolutions passées (de 1970 à 2000) et de la répartition spatiale des évolutions ; (iii) une analyse des biais du maillage spatial utilisé pour localiser les systèmes agricoles dans le territoire (maillage des Petites Régions Agricoles).

Les résultats nous conduisent à discuter les choix méthodologiques réalisés pour décrire des systèmes agricoles à l’échelle de grands territoires et sur le temps long, ainsi que leur utilisation pour spatialiser des actions de développement.

L'empreinte aquatique quantitative de la consommation parisienne de viande... P. Chatzimpiros

L'empreinte aquatique quantitative de la consommation parisienne de viande. Résultats rétrospectifs : 1817, 1906

Petros Chatzimpiros et Sabine Barles
1 Laboratoire Théorie des Mutations Urbaines, UMR CNRS AUS 7136, Institut Français d’Urbanisme, Université de Paris 8, Champs-sur-Marne, France

 

Les aliments contiennent de l’eau en quantité très inférieure à celle qui est nécessaire à leur production. Ils constituent des produits finaux issus de l’agriculture et/ou de l’élevage, activités à forte demande hydrique. L’agriculture consomme de l’eau pour produire des végétaux dont les animaux d’élevage se nourrissent en partie pour fournir de la viande et d’autres produits animaux. L’eau cachée (EC) d’un aliment se réfère ainsi à l’eau consommée pour la production de cet aliment dans un territoire donné et désigne l’impact quantitatif de l’aliment sur les ressources aquatiques sur son lieu de production. Les lieux de production et de consommation des aliments ne coïncident souvent pas, ce qui donne lieu à des échanges physiques de produits et à des échanges virtuels de ressources. Les villes sont de lieux de forte consommation alimentaire s’approvisionnant en général dans des lieux de forte production alimentaire. Ceci traduit l’appropriation par les villes de ressources extérieures au périmètre urbain.
L’eau est une ressource primaire dont les quantités consommées par unité d’aliment produit sont dépendantes du type d’aliment, des conditions climatiques au lieu de production et des pratiques agricoles et d’élevage localement employées. Ainsi, la consommation totale en EC d’une population donnée résulte de deux facteurs distincts : elle est liée à la fois aux aliments consommés par la population et à la distribution spatiale des territoires assurant son approvisionnement. Les régimes alimentaires carnés induisent ainsi des consommations en EC plus élevées que les régimes végétariens, de même que la production primaire et secondaire dans les régions caractérisées par des climats chauds et/ou à faibles rendements agricoles donnent des produits alimentaires à contenu en EC relativement élevé.

On présente dans cette étude l’empreinte aquatique (EA) de la consommation parisienne de viande de boucherie – la dépense hydrique totale, distribuée dans l’espace, pour fournir la viande de boucherie consommée par les Parisiens – en 1817 et 1906. On ne tient pas compte de la pollution des eaux survenant lors de cette production. Déjà en XIXe siècle, la consommation urbaine de viande et de Paris en particulier dépassait largement (de l’ordre de 3 fois) la consommation moyenne rurale. En même temps, la population urbaine étant en forte croissance, la demande totale en viande de la capitale est multipliée par un facteur supérieur à 6 entre 1817 et 1906, entraînant une hausse d’un facteur 4 de l’EA correspondante. En 1817 cette dernière se situe pour 99,6 % sur le territoire français, comptant 1049,3*106 m3 au total et correspondant à 1430 m3/hab. Pour 1906, les chiffres respectifs donnent 99,0 %, 4352,1*106 m3 et 1527 m3/hab, mais la distribution spatiale de l'EA est fortement modifiée. De nouveaux départements français effectuent des exportations virtuelles d'eau vers Paris, liées aux importations de viande de la capitale. Son hinterland – l'espace entourant Paris qui coïncide aujourd'hui avec la région Île-de-France plus le département de l'Aisne – présente une régression dans l'approvisionnement de Paris en viande, ce qui se traduit par une diminution de l'EA locale entre 1817 et 1906. En 1817, 24 % de cette empreinte se situe dans l'hinterland, contre 6 % en1906, marquant la tendance de Paris à reposer davantage sur des ressources éloignées. Cependant, selon notre étude cette transition va à l'encontre des économies d'eau pour la production alimentaire car en région parisienne la productivité de l'eau est supérieure à la moyenne des départements approvisionnant Paris. On estime que les économies seraient de l'ordre de 700*106 m3, dans le cas théorique où toute la consommation parisienne de viande en 1906 serait assurée par une production locale.

Les floraisons algales dans la Marne. G. Billen et al.

Les floraisons algales dans la Marne

Gilles Billen, Khadija Mehzed, Josette Garnier et Jaufrey Chollet
UMR Sisyphe, CNRS/UPMC

 

Les blooms algaux dans la Marne, comme dans les autres grands tributaires de la Seine en amont de Paris, représentent des épisodes de crise pour la qualité de l’eau et en particulier pour la production d’eau potable. Leur occurrence, le plus souvent au printemps, est récurrente mais irrégulière, parfois très précoce ou très tardive. Durant les deux dernières années, aucun bloom n’a été observé : est-ce le résultat d’une amélioration de la qualité des eaux conduisant à une réduction sensible de l’eutrophisation ou s’agit-il du simple effet de la variabilité interannuelle des conditions hydrologiques ?

Les données disponibles depuis une quinzaine d’années sur l’occurrence des blooms algaux en Marne ont été rassemblées et analysées en parallèle avec les variations du débit et des teneurs en nutriments.

Aucune relation claire n’apparaît entre l’intensité des blooms algaux et les teneurs en phosphore qui sont pourtant en nette décroissance depuis les années 1990. Par contre, un critère empirique peut être défini permettant de relier le moment d’apparition du bloom algal à l’évolution du débit et de la température. Ce critère permet d’expliquer l’absence de blooms certaines années par les seules conditions hydrologiques.

Un modèle simple du développement algal et zooplanctonique en rivière permet de donner une interprétation biologique au critère hydrologique mis en évidence sur la Marne.