Influence des facteurs naturels et anthropiques sur les processus de formation de MES

Inscription du projet dans le contexte du PIREN Seine 

Le bassin de la Seine a été choisi comme domaine de travail, pour les deux raisons suivantes : (i) ce bassin qui recouvre le cinquième du territoire est aussi le plus anthropisé, tant sur le plan agricole que sur les plans industriel et urbain, (ii) sur un plan pratique, il fait l’objet d’un programme de recherches pluridisciplinaires coordonnées. Mis en place en 1989 par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), le Programme Interdisciplinaire de Recherche en Environnement sur la Seine : le PIREN-Seine, dans lequel ce mémoire s’inscrit, s’efforce, maintenant depuis 10 ans, d’analyser, mesurer et modéliser le fonctionnement du « système Seine » sur l’ensemble de son bassin. La finalité d’un tel programme est d’améliorer la gestion d’un système fluvial anthropisé, l’ensemble des travaux devant contribuer à la réduction des apports polluants et apporter les premiers éléments d’un modèle de transfert des micropolluants.

Parmi les études déjà entreprises dans le cadre du thème 6 du PIREN Seine par le CEREVE , l’école des Mines, l’UMR Sisyphe, le LSCE , bon nombre d’entre elles portent sur le transport, l’érosion et les dépôts de particules. Elles mobilisent des marqueurs radioactifs environnementaux (137Cs, 7Be, 210Pb) ou, plus généralement traitent des polluants organiques (pesticides) ou minéraux (Zn, Cd, Pb, …). Toutefois, ces marqueurs sont insuffisants pour déterminer l’origine des particules transitant dans la rivière et faire la part en chaque point des différentes contributions : agricoles, urbaines, industrielles. En effet, un élément comme le cadmium, par exemple, peut aussi bien témoigner d’une pollution agricole (il est présent dans certains engrais phosphatés), que d’une pollution urbaine (il fait partie des produits de galvanisation utilisés pour les réseaux de collecte des eaux usées et pluviales) ou industrielle (on le retrouve dans les émissions d’usines d’incinération).

En bref, la plupart des études actuelles se consacrent à une palette limitée de marqueurs, pris le plus souvent isolément, et, en général, traités comme les polluants eux-mêmes. Toute source de pollution étant un émetteur multiéléments, l’analyse d’une large palette d’éléments en traces devrait permettre de déterminer des signatures multiélémentaires associées aux différentes composantes des transferts particulaires en rivières. La recherche des sources comme celle des puits des MES contaminées, sera donc sans doute mieux cernée par l’analyse d’une large palette d’éléments. Ces considérations dictent la problématique posée .

INFLUENCE DES FACTEURS NATURELS ET ANTHROPIQUES SUR LES PROCESSUS DE FORMATION DE MES

Les éléments du milieu naturel 

Dans les systèmes fluviaux « naturels », les sols représentent la principale source de particules . L’exportation des particules des sols vers les systèmes fluviaux (autrement dit : l’érosion des sols) constitue donc le processus naturel majeur de formation des MES. L’importance de ce transfert, comme la nature du matériel exporté, dépend de nombreux paramètres dont les principaux sont habituellement regroupés en quatre catégories :
−paramètres climatiques,
−paramètres topographiques,
−paramètres lithologiques,
−nature du couvert végétal .

Le climat
Le climat intervient à la fois sur la transformation des roches en sols (altération) et sur l’exportation des particules de sols (érosion). Aux échelles de temps qui nous intéressent (inférieures à une année) et sous nos latitudes, l’action du climat sur l’érosion des sols est prédominante ; c’est donc sur cet aspect que portera notre effort d’analyse. Cette influence, essentiellement dynamique, se conçoit aisément puisque les paramètres climatiques tels que précipitations et évapotranspiration (elle-même dépendante des températures) sont des facteurs importants de l’intensité de l’écoulement spécifique. Or, l’écoulement spécifique est le moteur de l’érosion des sols.

Les conditions climatiques sur le bassin versant découlent à la fois de sa situation géographique à l’extrême ouest de l’Europe, proche de l’océan Atlantique, et de sa position dans le Bassin parisien. Le climat du bassin versant de la Seine est essentiellement tempéré, un peu plus océanique que continental. Il se caractérise par la clémence des hivers, la douceur des étés, la rareté des situations excessives, et la faiblesse relative des vents. Les études caractérisant l’influence des variables climatiques sur le déclenchement des phénomènes d’érosion sont rares sur le bassin de la Seine. On peut cependant s’appuyer sur des données locales (fournies par les stations météorologiques de Paris Montsouris et Morvan) et des travaux effectués dans des régions voisines. Boardman et Favis-Mortlock (1993) considèrent que, dans les régions à climat tempéré, l’érosion des sols est liée aux précipitations car les autres facteurs du milieu changent peu à l’échelle annuelle. Sans tomber dans ce radicalisme, on peut dire que les précipitations, par leur quantité, leur intensité, leur durée et leur fréquence, représentent le facteur climatique majeur de l’érosion des sols. C’est donc sur elles que va porter cet effort d’analyse.

Les précipitations globales : distribution spatiale et temporelle

Sur le bassin versant, les précipitations varient de 550 mm.an-1 en moyenne (1931-1960), sur la Beauce, à 1200 mm.an-1 sur les sommets les plus élevés du Morvan, avec une médiane de 700 mm.an-1 pour l’ensemble du bassin (1973-1978). La moyenne pluviométrique annuelle enregistrée à la station Paris Montsouris sur la période 1900-2000 ((ECA&D, 2003) figure 1.1) est de 630 mm, avec une faible variabilité (+/- 111 mm). Même si les années exceptionnellement pluvieuses peuvent enregistrer des totaux de l’ordre de 800 mm (1930-1931, 1926-1927 et 1999-2000 par exemple), ces totaux pluviométriques annuels se répartissent en moyenne sur 170,4 j.an-1. La saisonnalité des pluies est peu marquée (indice S = 5.8)2 , avec un minimum pluviométrique mensuel en mars (44.4 mm) et un maximum en mai (60 mm). En revanche, en terme de pluviosité, les différences sont plus marquées, juillet étant le mois le moins arrosé (12.0 j) et décembre et janvier les plus arrosés (16.3 j). La distorsion observée entre pluviométrie et pluviosité s’explique par les variations de températures au cours de l’année. A titre d’exemple, à Paris, le mois de juillet (19,5 °C), devant août (19,2 °C), est le mois le plus chaud, alors que les températures les plus faibles sont enregistrées en janvier (3,9 °C) et en décembre (4,7 °C). Cette saisonnalité des conditions climatiques est enregistrée sur l’ensemble du bassin versant, avec des écarts un peu moins importants dans le Morvan.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1. CARACTERISTIQUES DU BASSIN VERSANT SEQUANIEN (FACTEURS NATURELS ET ANTHROPIQUES INTERVENANT SUR LES MES)
1. INFLUENCE DES FACTEURS NATURELS ET ANTHROPIQUES SUR LES PROCESSUS DE FORMATION DE MES
1.1. Les éléments du milieu naturel
1.1.1. Le climat
1.1.1.1. Les précipitations globales : distribution spatiale et temporelle
1.1.1.2. L’intensité des précipitations
1.1.1.3. La fréquence des précipitations
1.1.2. La topographie
1.1.3. Les paramètres lithologiques
1.1.3.1. La géologie du bassin versant séquanien
1.1.3.2. Les propriétés physiques des roches
1.1.3.3. Les propriétés chimiques des roches
1.2. Les activités anthropiques
1.2.1. Les activités agricoles
1.2.2. L’urbanisation
1.2.3. L’industrialisation
1.2.4. Le trafic fluvial
2. INFLUENCE DES FACTEURS NATURELS ET ANTHROPIQUES SUR LES PROCESSUS DE TRANSPORT DES MES AU SEIN DU CORRIDOR FLUVIAL
2.1. Les processus de transport relatifs aux différents types de charges particulaires
2.1.1. La charge en suspension
2.1.2. La charge de fond
2.2. Le régime hydrologique
2.2.1. La variabilité interannuelle
2.2.1.1. Transferts hydriques
2.2.1.2. Transferts particulaires
2.2.2. La variabilité intraannuelle
2.2.2.1. Transferts hydriques
2.2.2.2. Transferts particulaires
2.3. La variabilité spatiale
2.4. La période 1998-2002
2.4.1. La fin de l’année hydrologique 1998-1999
2.4.2. L’année hydrologique 1999-2000
2.4.3. L’année hydrologique 2000-2001,
2.4.4. Le début de l’année 2001-2002.
CHAPITRE 2. METHODOLOGIE
1. L’ECHANTILLONNAGE
1.1. Les problèmes de surveillance de la phase particulaire dans les systèmes fluviaux
1.1.1. Les problèmes liés à l’évaluation de la charge particulaire
1.1.2. Les problèmes liés à l’évaluation de la composition élémentaire de la charge particulaire
1.2. Les sites d’échantillonnage
1.3. Les fréquences de prélèvements
1.4. L’utilisation des trappes à sédiments
1.4.1. Le choix de la méthode d’échantillonnage
1.4.2. L’emplacement in situ des trappes à sédiments
1.4.3. Les modèles de trappes utilisés
1.4.4. Le prélèvement des échantillons
1.5. Les autres échantillons analysés
2. METHODES D’ANALYSE
2.1. Quantification des MES
2.2. Caractérisation des MES
2.2.1. Préparation des échantillons pour l’analyse par activation neutronique
2.2.1.1. Le traitement préalable des échantillons bruts
2.2.1.2. Le conditionnement des échantillons pour l’irradiation
2.2.1.3. Le conditionnement des échantillons pour les analyses en spectrométrie gamma
2.2.2. La production d’isotopes radioactifs : l’irradiation
2.2.3. La détection et la quantification des rayonnements gamma
2.2.3.1. Le dispositif utilisé
2.2.3.2. Les caractéristiques du détecteur
2.2.4. L’exploitation des spectres gamma obtenus
2.2.4.1. L’effet Compton ou diffusion élastique :
2.2.4.2. L’effet photoélectrique
2.2.4.3. La création de paires électron – positron :
2.2.4.4. Les sources de rayonnements « secondaires »
2.2.5. La quantification des isotopes émetteurs
2.2.6. Statistique sur les mesures
3. L’ANALYSE STATISTIQUE DES DONNEES
3.1. Principe de l’Analyse en Composantes Principales
3.2. Conditions d’utilisation de l’ACP
3.3. Interprétation d’une ACP
3.3.1. Les valeurs propres
3.3.1.1. Critère de sélection des composantes principales à exploiter : « Kaiser criterion »
3.3.1.2. Critère de sélection des composantes principales à exploiter : « scree test »
3.3.2. Les graphiques d’influence
3.3.3. Les « loadings » ou coordonnées des variables
3.3.4. Les « scores » ou coordonnées des observations
CHAPITRE 3. EXPLOITATION DE LA BASE DE DONNEES
1. STRATEGIE D’ANALYSE DE LA BASE DE DONNEES
1.1. Observation de la forme et de la composition de la matrice
1.1.1. Forme de la matrice
1.1.2. Composition de la matrice
1.1.2.1. Gestion des valeurs manquantes
1.1.2.2. Ordre de grandeur
1.2. Examen des variables
1.2.1. Symétrie des distributions
1.2.1.1. Les distributions normales (symétriques)
1.2.1.2. Les distributions asymétriques
1.2.1.3. Les distributions bimodales
1.2.2. Linéarité des relations entre les variables
2. VERIFICATION DE LA STABILITE DES MODELES DECRITS PAR L’ACP
2.1. Tests effectués sur l’ACP 1
2.1.1. Les courbes de variances expliquées, calibrée et validée
2.1.2. Les graphiques d’influence
2.1.2.1. Les 400 34
2.1.2.2. Andrésy 03 et Andrésy 14
2.1.2.3. Les 400 32, Viry 41
2.1.2.4. Episy 08 et Courlon 01.
2.1.3. Les résidus
2.2. Tests effectués sur l’ACP 2
2.2.1. Les courbes de variances expliquées, calibrée et validée
2.2.2. Les graphiques d’influence
2.3. Tests effectués sur l’ACP 3
2.3.1. Les courbes de variances expliquées, calibrée et validée
3. INTERPRETATION DES RESULTATS DE L’ULTIME ACP
3.1. Résultats de l’ACP 4
3.1.1. Les valeurs propres
3.1.2. Analyse des résultats de l’ACP dans le champ des variables (analyse des coordonnées des variables ou « loadings »)
3.1.2.1. Relation entre les deux premières composantes principales et les variables
3.1.2.2. Relation entre les composantes principales 3 et 4, et les variables
3.1.2.3. Relation entre les composantes principales 5 et 6, et les variables
3.1.3. Analyse des résultats de l’ACP dans le champs des observations (analyse des coordonnées des observations ou « scores »)
3.1.3.1. Relation entre les deux premières composantes principales et les observations
3.1.3.2. Relation entre les composantes principales 3 et 4, et les observations
3.1.3.3. Relation entre les composantes principales 5 et 6, et les observations
4. ORDINATION DE L’INFORMATION EXTRAITE DE LA BASE DE DONNEES PAR L’ACP
4.1. Pertinence de l’information dégagée par l’ultime ACP
4.2. Les groupes d’éléments identifiés à partir de l’analyse dans le champ des variables
4.3. Les groupes d’échantillons identifiés à partir de l’analyse dans le champ des observations
CHAPITRE 4. SIGNATURES
1. VARIABILITE DES TENEURS EN CALCIUM
2. VARIABILITE DES TENEURS EN HAFNIUM ET SODIUM
3. VARIABILITE DES TENEURS EN TERRES RARES
3.1. Vérification de la pertinence des résultats fournis par l’ACP, individualisation de quatre sousgroupes
3.2. Stabilité des relations observées au sein de chaque groupe dans le temps et dans l’espace
3.3. Variabilité de l’abondance des terres rares et du tantale sur le bassin versant
3.4. Analyse des profils des terres rares
4. VARIABILITE DES TENEURS EN THORIUM
5. VARIABILITE DES TENEURS EN FE, SC, CO ET RB
6. VARIABILITE DES TENEURS EN CS
6.1. Origine des variations du rapport Cs/Sc
6.2. Origine des variations du rapport Cs/Sc dans les bassins versants du Loing et de l’Essonne
6.3. Le rapport Cs/Sc indicateur des proportions de particules fines dans les MES.
6.4. Article publié dans Science for WAter Policy (Tessier et Bonté, 2002).
7. VARIABILITE DES TENEURS EN CR, ZN ET SB
7.1. Impact du ruissellement sur les teneurs en zinc des MES
7.1.1. Variabilité temporelle de l’impact du ruissellement sur les teneurs en zinc des MES
7.1.2. Variabilité spatiale de l’impact du ruissellement sur les teneurs en zinc des MES
8. VARIABILITE DES TENEURS EN OR ET ARGENT
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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