Études sur la répartition et le transport de ces déchets dans le monde

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Impacts économiques

Les études actuelles concernant les impacts des déchets marins sur les activités hu-maines sont plutôt rares. De façon générale il semble difficile de rendre compte de façon précise de l’ampleur de tous les impacts négatifs, tant on sait encore mal estimer leur valeur économique ainsi que les coûts liés à la dégradation environnementale du milieu. Malgré cela, un certain nombre de ces impacts économiques ont jusqu’ici pu être identifiés. Le nettoyage des plages en est l’exemple le plus connu. La nuisance esthétique qu’entraîne la présence de déchets sur les plages est un facteur important de la baisse de leur fré-quentation. En France, les « collectivités littorales » se chargent du nettoyage des plages les plus fréquentées durant les périodes de vacances afin d’assurer des plages propres aux tou-ristes. Certaines plages sont ainsi nettoyées toute l’année, avec une fréquence plus ou moins importante suivant la période. Qu’ils soient manuels ou mécaniques, ces nettoyages consti-tuent toujours une charge importante pour les communes concernées qui ont d’ailleurs une obligation légale de nettoyer les plages dans la bande des 300 mètres.
En mer, la présence de déchets flottants à la dérive constitue une autre menace sérieuse pour le trafic maritime. La collision avec des objets de grande taille (e.g. des containers perdus en mer) peut provoquer des dégâts importants sur la coque, voire menacer la sé-curité des navires. Certains déchets, tels que des filets perdus dérivant en subsurface ou des cordages, peuvent d’autre part se bloquer dans les hélices des navires et entraîner des problèmes mécaniques nécessitant des réparations coûteuses. Une étude sur les rembourse-ments des assurances contractées par les navires de pêche de plus de 1000 tonnes de jauge brute menée en 1985 au Japon [Takehama, 1990], a notamment montré que les dommages et les pertes liés aux déchets marins représentent les deux tiers des coûts induits déboursés cette année-là par les assurances.
Les pêcheurs, qui tirent leurs ressources directement de la mer, observent eux aussi un manque à gagner lié à la pollution du milieu par les déchets d’origine anthropique. Ils relatent ainsi la remontée très fréquente dans leurs filets de déchets de diverses origines qui endommagent le maillage. Ces déchets peuvent avoir plusieurs conséquences néfastes. Tout d’abord, ils imposent un remplacement ou une réparation des filets abîmés. Ils nécessitent ensuite la mise en place d’opérations de tri manuelles qui représentent une perte de temps ainsi qu’un coût de manutention non négligeables. Parallèlement à cela, ils diminuent la quantité des prises en prenant de la place dans les filets et en les déséquilibrant. Enfin, certains types de déchets, toxiques, peuvent également causer la contamination et la perte de la pêche.

Effets sur la santé humaine

Si la pollution engendrée par des déchets marins touche d’abord la faune et la flore, elle peut aussi avoir une incidence directe sur la santé humaine. La présence des déchets sur les plages est effectivement susceptible de représenter un danger physique pour les personnes, en particulier pour les enfants. Les risques de blessures en cas de contact avec des objets tranchants ou pointus (e.g. tessons de bouteilles, seringues) sont manifestes. Certains objets contiennent d’ailleurs, comme nous venons de le voir pour les objets remontés par les filets de pêche, des substances dangereuses capables d’irriter la peau ou d’intoxiquer une personne. Les objets dérivants comme les filets à l’abandon représentent de leur côté un risque évident pour la baignade.
L’impact sur la santé humaine peut aussi être d’ordre indirect. Certains organismes, tels que les organismes se nourrissant de plancton, absorbent les composés toxiques présents dans l’eau de mer, comme les phtalates ou les biphényles relâchés par des fragments de plastique (cf section 1.2.1). L’incorporation de ces constituants dans la chaîne alimentaire et leur propagation jusqu’aux produits consommés par l’homme représentent un danger potentiel pour sa santé [Thompson et al., 2009b]. Cela est d’autant plus vrai que les petits fragments de plastique ont la capacité d’accumuler les produits chimiques hydrophobes comme le DDT 9 ou les PCBs à des niveaux très supérieurs à ceux que l’on peut normale-ment trouver dans l’océan.

Description des sources

Aujourd’hui, il est communément reconnu dans la bibliographie internationale [e.g. Andrady, 2011; Barnes et al., 2009; UNEP, 2009] qu’environ 70% à 80% des déchets pré-sents en mer ont une origine terrestre, le reste étant issu des activités maritimes. La plupart des activités humaines, qu’elles soient localisées sur le littoral ou en pleine terre, produisent effectivement de nombreux déchets qui, lorsqu’ils ne sont pas pris en compte par des sys-tèmes de collecte adaptés, finissent souvent dans les réseaux pluviaux ou bien directement dans la nature (Fig. 1.3). Ces déchets sont entraînés vers le littoral par les cours d’eau qui constituent leur principal vecteur de transport à l’intérieur des terres. A titre d’exemple, des déchets domestiques abandonnés en ville, tels que les mégots de cigarette, les papiers ou les emballages, sont souvent retrouvés sur les plages du bassin versant correspondant, particulièrement après des périodes de fortes pluies (comme explicité dans Poitou [2004] et Poitou and Kerambrun [2011] pour le cas de la Côte d’Azur). Plusieurs études dans le monde [Gasperi et al., 2014; Lechner et al., 2014] ont d’ailleurs récemment démontré le rôle important des fleuves dans l’apport de matières synthétiques dans les océans, notamment en région urbanisée [Moore et al., 2011]. Dans ce contexte, des précipitations importantes peuvent agir de deux manières différentes sur la quantité de déchets transportés par les cours d’eau. Tout d’abord elles provoquent des crues qui entraînent avec elles les objets présents dans le lit majeur. Puis, elles entraînent par la suite un débordement des réseaux d’assainissement qui n’arrêtent plus les détritus transportés par l’eau. La présence de dé-charges sauvages à proximité directe des cours d’eau constitue ainsi un facteur aggravant susceptible d’augmenter dans de fortes proportions le nombre d’objets emportés durant les crues.
Le trafic maritime a également été identifié comme une source importante de macrodéchets en mer. En Méditerranée, plusieurs observations de zones d’accumulation de débris sur le fond océanique ont été corrélées à la présence en surface de lignes commerciales ré-gulièrement empruntées par les car-ferries [Galgani et al., 1995b; Ramirez-Llodra et al., 2013]. Des réglementations au niveau national et international (Annexe V de la convention MARPOL) ont par le passé été mises en place afin d’éviter tout rejet dangereux pour l’en-vironnement marin à partir des navires, mais sont dans la réalité difficilement applicables sur le terrain [Rakestraw, 2012]. Actuellement, les bateaux de croisière et de commerce constituent donc toujours une source non négligeable de pollution.
Le secteur de la pêche [Walker et al., 1997] représente de plus, avec ceux de l’élevage en fermes aquacoles et de la conchyliculture [Hinojosa and Thiel, 2009], d’autres activités génératrices de déchets en mer. Ils rejettent ainsi régulièrement, de façon volontaire ou non, des filets, des cordages, des casiers, mais aussi des bouées ou du polystyrène. Parfois, certains plaisanciers sont également observés en train de jeter leurs déchets ménagers par-dessus bord alors que la plupart des ports mettent à leur disposition des équipements de récupération adaptés.
Enfin, les activités portuaires génèrent elles aussi des quantités importantes de déchets de toutes sortes. Le transbordement des cargaisons des navires ainsi que leur manutention sur les quais, l’entretien des bateaux sur les aires de carénage, ou encore l’abandon d’or-dures ménagères à l’intérieur de l’enceinte des ports sont souvent à l’origine des pollutions constatées.

Études sur la répartition et le transport de ces déchets dans le monde

L’étude du comportement des déchets marins dans le milieu océanique s’est plutôt concentrée jusqu’à aujourd’hui sur l’analyse de leur dérive en surface ou de leur échouage sur le littoral. Plusieurs travaux ont montré la capacité des courants marins à transporter des déchets dans le monde entier [Law et al., 2010; Maes and Blanke, 2015; Maximenko et al., 2012; Ryan, 2014a], leur permettant ainsi d’atteindre des régions très éloignées de toutes sources de pollution, telles que des îles reculées ou les régions polaires [Convey et al., 2002; Walker et al., 1997]. L’exemple certainement le plus marquant à ce propos concerne la perte par un navire de commerce dans le Pacifique Nord (44.7◦N, 178.1◦E), durant une tempête de Janvier 1992, de containers remplis de canards en plastique [Ebbesmeyer and Ingraham, 1994]. Sous le choc de l’impact, ces containers ont libéré une multitude de jouets qui, par le truchement des courants de surface, ont dérivé sur de grandes distances. Un premier groupe de ces objets a ainsi été retrouvé sur les côtes de l’Alaska (distantes de plus de 3500 km du lieu de l’accident) après 10 mois de dérive, alors qu’un autre groupe a ultérieurement été aperçu en train de franchir le détroit de Behring (voir Fig. 1.4).
Actuellement, l’apport permanent de déchets d’origine anthropique implique leur ac-cumulation dans le milieu océanique, et se traduit en surface par la présence de nappes de débris plus ou moins compactes qui sont associées à des structures particulières de courant. Leur répartition spatio-temporelle n’est jamais homogène et dépend majoritairement des caractéristiques hydrodynamiques du milieu, ainsi que de l’importance et de la localisation des sources de pollution. La taille de ces zones d’accumulation peut être directement reliée aux dimensions-mêmes du bassin dans lequel elles sont situées.
Différents travaux à travers le monde se sont attachés depuis plusieurs années à décrire les caractéristiques intrinsèques des zones importantes d’accumulation et à comprendre les mécanismes qui permettent leur formation et leur maintien. Ils abordent à ce titre des points de vue très différents qui vont de l’échelle globale à l’échelle locale.

Large échelle

A l’échelle des bassins océaniques, plusieurs grandes zones d’accumulation de déchets marins ont clairement été identifiées. Celle présente dans le Pacifique Nord est, depuis son observation en 1997 par Charles Moore 10, la plus connue d’entre elles. Grande comme six fois la France, elle est la plus importante de toutes les zones d’accumulation dans le monde et s’étend du sud du Japon au nord-est de l’archipel d’Hawaï (Fig. 1.5). La densité de déchets qui la caractérise n’est pas uniforme sur toute sa surface puisque la majeure partie des débris reste essentiellement confinée à l’extrémité orientale du bassin (appelée Eastern Pacific Garbage Patch), et dans une moindre mesure à l’extrémité occidentale (par opposition Western Pacific Garbage Patch). Souvent décrite comme le « 7eme continent de plastique », cette zone d’accumulation est représentée dans l’imaginaire collectif par un amas compact de divers déchets. En réalité, elle est plutôt constituée d’une « soupe » de débris plus ou moins fragmentés, en suspension dans les couches supérieures de l’océan.
Bien que contenant quelques macro-déchets éparses, on y trouve surtout une multitude de micro-débris de matières synthétiques pouvant représenter jusqu’à 6 fois la densité de plancton observée [Moore et al., 2001].
Le Pacifique Nord représente d’un autre côté la plus grande étendue d’eau de l’Hé-misphère Nord. Sa circulation de surface est principalement forcée par le vent, dont les interactions avec les couches supérieures de l’océan génèrent une importante variabilité de sa dynamique 11, et contrôlent en grande partie la distribution des déchets marins. La com-préhension des principaux schémas de la circulation générale de ce bassin constitue donc une première étape dans la description des mécanismes de transport menant à la forma-tion, ainsi qu’à l’entretien, d’une zone d’accumulation de déchets marins aussi importante. A ce titre, les travaux de Howell et al. [2012] se basent justement sur l’étude des courants de surface pour proposer une explication des principaux mécanismes responsables de la concentration, puis de la rétention, des déchets marins dans cette région du monde. Howell et al. [2012] évoquent notamment le rôle important des zones de convergence et des fronts de salinité et de température dans l’accumulation des déchets au centre du Pacifique Nord, ainsi que celui des tourbillons méso-échelle 12 dans la répartition des déchets à l’intérieur de cette zone. L’existence d’une structure anticyclonique 13 de vent entre l’archipel d’Hawaï et la Californie, associée à une structure de courant tournant dans le même sens, est d’autre part montrée comme responsable de la forte convergence observée au nord-est de l’archipel et formant le « eastern garbage patch ». Le « western garbage patch » est quant à lui associé
à la présence de méandres quasi stationnaires et d’une branche de recirculation, dont l’in-tensité contrôle l’efficacité de la concentration et de la rétention des déchets marins dans cette région. Le but de cette étude concerne précisément la description de ces mécanismes de transport, et en aucune façon la caractérisation des différentes zones d’accumulation.

Les différentes échelles caractéristiques du bassin Méditerranéen

La Méditerranée est une mer semi-fermée qui est le siège de mouvements complexes à grande, moyenne et petite échelles spatiales, agissant sur le transport des déchets marins à des échelles de temps variées (Fig. 1.9). Bien que la circulation océanique permanente de grande échelle qui la caractérise conditionne effectivement la distribution des déchets marins flottants à travers tout le bassin, des structures physiques de moyenne échelle 19, comme les tourbillons et les fronts de température ou de salinité, agissent également de leur côté sur leur répartition locale. Ces phénomènes persistant de quelques jours à quelques mois, jouent tout d’abord un rôle important dans le transport régional de ces déchets, et peuvent entraîner leur accumulation ou constituer une barrière de transport. Ils induisent ensuite une certaine variabilité des grands schémas de circulation, et sont donc susceptibles de modifier la distribution générale des déchets marins dans le bassin. Enfin, les phénomènes de petite échelle pris dans un environnement côtier, surtout relatifs à l’action des vagues ou des courants littoraux de recirculation, ont eux aussi un impact sur le transport des déchets et influencent donc nécessairement leur échouage sur le littoral.
Cette dichotomisation suivant leur échelle spatio-temporelle des processus physiques océaniques ne doit pas cependant occulter le fait qu’il existe une vraie notion d’imbrication de ces échelles. Celle-ci est le résultat de phénomènes de « cascade de turbulence » durant lesquels des événements à une échelle donnée sont capables de redistribuer de la turbulence à des échelles de plus en plus petites ou grandes [Valiela, 1995]. Ainsi, il faut bien avoir conscience que la distribution des déchets marins flottants à une certaine échelle n’est pas uniquement conditionnée par des processus de même échelle, même si ceux-ci peuvent parfois s’avérer prépondérants, mais résulte plutôt de l’action d’un ensemble de processus intervenant à des niveaux tout à fait différents. En conséquence de quoi, toute étude du transport des déchets marins flottants doit nécessairement prendre en compte ces différents processus et les inclure dans son analyse.

Modèle hydrodynamique de circulation océanique

NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean) est un code de calcul écrit en FORTRAN90 initialement développé à Jussieu, au laboratoire LOCEAN 8. Il comprend plusieurs noyaux de calcul qui sont : le noyau OPA 9 (développé par Madec et al. [1998]) qui permet de déterminer les paramètres physiques principaux de l’océan, ainsi que le noyau LIM 10 relatif à la modélisation de la glace, et le noyau TOP 11 de biogéochimie. Une importante communauté s’est formée autour de ce modèle de circulation, notamment à propos de l’étude de la dynamique océanique et des interactions océan/atmosphère. Différentes configurations (e.g. MED12, MED36) ont ainsi été développées dans le bassin Méditerranéen et ont participé à l’important effort de modélisation entrepris dans cette région depuis les années 1980 12. L’amélioration constante du code de calcul a permis son utilisation dans des configurations côtières présentant une résolution de plus en plus importante. Celles-ci sont ainsi passées d’une résolution de 6 à 8 km pour MED12, à une résolution comprise entre 1.25 et 1.73 km dans GLAZUR64, puis tout récemment à une résolution de l’ordre des 500 m dans NIDOR192 (thèse d’Amandine Declerck en cours).
Les principales caractéristiques de ce modèle d’océan ainsi que le système d’équations permettant la résolution des termes qui décrivent l’état de l’océan sont expliqués ci-dessous. Un exposé complet du modèle ainsi que de sa paramétrisation est disponible dans le manuel d’utilisation [Madec, 2008]. Les différentes configurations utilisées dans le cadre de cette thèse font également l’objet dans la suite du texte d’une courte description.

Approximations et équations primitives

La modélisation de l’état de l’océan par NEMO est obtenue grâce à la résolution d’un système d’équations primitives basées sur une approximation aux différences finies du second ordre. Pour cela, plusieurs variables physiques telles que la masse volumique ρ, la vitesse du fluide V , la température potentielle T , la pression P et la salinité S sont considérées. La description de l’état de ces variables passe nécessairement par la recherche de solutions à des équations d’état non linéaires couplant les variations de température et de salinité aux fluctuations de la vitesse du fluide. Ce formalisme mathématique s’organise autour de sept équations importantes :
— les équations du mouvement (encore appelées équations de Navier-Stokes),
— l’équation de continuité (ou d’incompressibilité),
— les équations de conservation de la température et de la salinité,
— ainsi que l’équation de conservation de la masse.
La résolution de ces équations non linéaires complexes ne peut cependant pas être menée à terme en l’état et demande la prise en compte de certaines approximations et hy-pothèses simplificatrices. Celles-ci mènent à l’obtention d’équations simplifiées dites « pri-mitives », qui peuvent être traitées de façon numérique par NEMO.

Large échelle – MED12v75

MED12v75 est une configuration de NEMO couvrant l’ensemble du bassin Méditerra-néen. Elle représente l’évolution de la configuration d’origine MED12 [Lebeaupin Brossier et al., 2011, 2012a], initialement développée pour des études climatiques ou interannuelles de la circulation à l’échelle du bassin, à laquelle on a rajouté les apports issus des prin-cipaux fleuves Méditerranéens [Ludwig et al., 2009] et dont on a augmenté la résolution verticale. Son domaine s’étend de 11◦O à 36◦E en longitude et de 30◦N à 46◦N en latitude. Il est défini sur une grille « ORCA » au 1/12◦ [Madec, 2008] comprenant 567×264 points sur un plan horizontal (résolution comprise entre 6 à 8 km), ainsi que 75 niveaux verticaux dont la résolution varie de Δz = 1 m en surface à Δz = 135 m sur le fond océanique. Les 22 premiers niveaux sont tous compris dans les 100 premiers mètres de la colonne d’eau afin de mieux représenter la couche de surface. D’autre part, la bathymétrie employée dans cette configuration a été établie à partir de la base de données ETOPO1 [Smith and Sandwell, 1997], dont la résolution spatiale est de 1 minute d’arc.
Dans cette configuration, la gestion de la surface est réalisée par le biais de paramétri-sations standards, la condition de surface étant de type surface libre [Roullet and Madec, 2000]. Les frottements latéraux utilisés sur le littoral et au niveau du détroit de Gibraltar sont de type « no-slip ». La condition initiale et les forçages atmosphériques sont quant à eux respectivement assurés par la climatologie MEDATLAS ainsi que par les champs at-mosphériques issus du modèle ALADIN 13-Climat [Herrmann et al., 2011] du centre Météo-France. ALADIN-climat a une résolution spatiale de 9.5 km et force la configuration avec une fréquence de 3 heures selon la méthode de correction de flux.
Grâce à ces caractéristiques, la configuration MED12v75 permet de résoudre non seule-ment la circulation à méso-échelle avec une bonne représentation de la couche de mélange, mais aussi la circulation de surface engendrée par les forçages atmosphériques.

Table des matières

Liste des tableaux
1 Thématique générale 
1.1 Définition et classification
1.2 Conséquences diverses de cette pollution
1.2.1 Impacts avérés sur certaines espèces
1.2.2 Impacts sur le milieu naturel
1.2.3 Impacts économiques
1.2.4 Effets sur la santé humaine
1.3 Description des sources
1.4 Études sur la répartition et le transport de ces déchets dans le monde
1.4.1 Large échelle
1.4.2 Échelles régionale et littorale
1.5 Aperçu de la situation en Méditerranée
1.6 Contexte et objectifs de cette thèse
1.6.1 Les différentes échelles caractéristiques du bassin Méditerranéen
1.6.2 Description de la circulation de surface
1.6.2.1 Schémas de circulation générale
1.6.2.2 Variabilité d’un courant de bord : l’exemple du Courant Nord 40
1.6.3 Objectifs et stratégie
1.6.4 Campagnes récentes d’observations des déchets marins flottants en Méditerranée
2 Modélisations numériques et observations 
2.1 Quelle approche pour la modélisation du transport des déchets marins ?
2.2 Modèle hydrodynamique de circulation océanique
2.2.1 Approximations et équations primitives
2.2.2 Discrétisation spatio-temporelle des équations
2.2.3 Choix des configurations et des sorties numériques aux différentes échelles
2.2.3.1 Large échelle – MED12v75
2.2.3.2 Échelle côtière – GLazur64
2.2.3.3 Échelle littorale – NIDOR192
2.3 Modèles de transport Lagrangien
2.3.1 Description du modèle ARIANE et des sorties numériques utilisées dans l’étude des zones d’accumulation de déchets à l’échelle du bassin
2.3.1.1 Schéma de discrétisation
2.3.1.2 Équations et hypothèses de travail
2.3.1.3 Modes de fonctionnement
2.3.1.4 Jeu de données constitué par les sorties numériques
2.3.2 Un autre outil Lagrangien pour l’étude du transport de déchets à l’échelle littorale : le modèle ICHTHYOP
2.3.2.1 Fonctionnement général du modèle
2.4 Observations
2.4.1 Déchets marins flottants
2.4.1.1 Observations en mer – Distribution au large de la Côte d’Azur
2.4.1.2 Observations aériennes en Méditerranée nord-occidentale
2.4.2 Suivi des échouages
2.4.2.1 Surveillance sur les plages d’Antibes
2.4.2.2 Plages de la région Toulonnaise
2.4.3 Données dynamiques
2.5 Données hydrologiques
2.5.1 Mesures par satellite de SST
2.5.2 Débit du Var
3 Étude du transport des déchets marins à l’échelle du bassin 
3.1 Mise en place de diagnostics
3.1.1 Calcul de densités
3.1.2 Distance totale parcourue et distance à la source
3.1.3 Origine des particules
3.2 Schémas généraux d’accumulation : Modelling the transport and accumulation of floating marine debris in the Mediterranean basin
3.2.1 Résumé de l’article (version française)
3.3 Analyses supplémentaires
3.3.1 Variabilité saisonnière des grandes structures d’accumulation
3.3.2 Origine, destination et route des particules
3.3.2.1 Analyse des distances totales et des distances à la source
3.3.2.2 Évolution temporelle des distances totales parcourues
3.3.3 Source principale des zones d’accumulation
3.4 Conclusion
4 Transport des déchets marins à l’échelle régionale : le cas du bassin occidental 
4.1 Exposants de Lyapunov en temps fini
4.1.1 Définition mathématique
4.1.2 Calcul des exposants
4.1.2.1 Description des paramètres
4.1.2.2 Protocole de test
4.1.2.3 Temps d’intégration
4.1.2.4 Intervalle temporel
4.1.2.5 Résolution spatiale de la grille de traceurs
4.2 Transport côtier des déchets marins – The boundary current role on the transport and beaching of floating marine litter : the French Riviera case
4.2.1 Résumé de l’article (version française)
4.3 Résultats des observations aériennes
4.4 Simulations du transport de déchets marins à partir de l’embouchure du Rhône et de l’Ebre
4.5 Conclusion et discussion sur de futures campagnes d’observation
5 Conclusion et perspectives 
Bibliographie

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