IV. METHODOLOGIE D’ANALYSES CHIMIQUES ET ÉCHANTILLONNAGE DES EAUX
V.1. Apports diffus
V.1.1. Dépositions atmosphériques: dépôts secs et dépôts humides . . 69
V. 1.1.1. Origine des apports atmosphériques ... 69
V.1.1.2. Estimation des apports atmosphériques... 72
V.1.1.3. Dépôts secs ... 72
V.1.1.4. Dépôts humides ... 72
V.1.2. Transfert du sol vers le réseau hydrographique... 73
V. 1.2.1. Evaluation des apports d'élevage... 73
V.1.2.2. Lessivage et apport par le sol ... 75
V.2. APPORTS PONCTUELS... 78
V.2.1. Déversement direct des eaux usées domestiques... 78
V.2.2. Déversements des eaux industrielles ... 81
V.3. CONCLUSION ... 82
V: SOURCES DE POLLUTION ET ORIGINES DES APPORTS
Le comportement des éléments en solution est largement déterminé par les
interactions hydrologiques (cycle de l’eau) et les processus biogéochimiques ayant lieu
dans le bassin versant (interaction eau-sol et/ou eau-roche). La rivière reçoit sa charge
dissoute d'un large éventail de sources. Selon la manière d’atteindre le réseau
hydrographique, ces sources sont de deux types;
Sources ponctuelles: les points de déversement peuvent être localisés de façon précise.
Dans ce cas, les substances en solution atteignent le réseau hydrographique par voie
directe; notamment par déversement des effluents domestiques et industriels.
Sources diffuses: les substances en solution atteignent le réseau hydrographique par
distribution longitudinale de tous ces apports comme le cas du lessivage des sols et les
apports latéraux.
V.1. APPORTS DIFFUS
Les apports diffus dans les eaux de surface résultent directement de l'entraînement,
par l'eau, de substances dissoutes, depuis le sol vers le cours d'eau et, indirectement, par
les précipitations atmosphériques. Celles-ci, se déposant à la surface du sol, finissent à
leur tour par atteindre les cours d'eau. Ces apports s'expriment habituellement par unité
de surface. Le Tableau (5.1) (Billen et al; 1991) résume ces apports à l'échelle globale.
NO
3NH, NOD NTD PO
4PTD Si N:P;Si
Dépôt atmosphérique
Moyenne des continents^
1.82.25 2.25 6.3 0.0 5
0.1 2143:1:23
Régions industrialisées^ 12.5 2.25 2.25 17
0.2 0.6 264:1:4
Lessivage des sols
Bassins hvdroeraphiques sans
aericulture 0.75 0.0 7 0.55 1.35 0.05
0.1234 25:1:323
* Tempéré 1.27 0.05
2057:1:456
* Tropical - sec
0.60.05
1.682.28 0.36 0.65 103 8:1:180
- humide
Bassins hvdroeranhiaues
tempérés
10 0.634 38:1:65
avec aericulture*^^ 35
0.634 133:1:65
* Prairies - argile 25
0.634 95:1:65
- sable 72
0.634 273:1:65
* Cultures - argile
- sable
'Meybeck 1982.
-Brimblecombe et Stedman 1982.
^Billen 1990.
Tableau 5.1: Valeurs représentatives des entrées à partir des sources terrestres aux eaux de
surface continentales par unité de surface du bassin hydrographique (en Kg N. P. Si /ha/an)
NOD= Azote organique dissous: NTD= Azote total dissous: PTD= Phosphore total dissous.
V.1.1. Dépositions atmosphériques: dépôts secs et dépôts humides
V.1.1.1. Origine des apports atmosphériques
Les apports atmosphériques peuvent se présenter sous forme solide, liquide ou
gazeuse et dériver d'une variété de voies. La distinction est souvent faite entre les dépôts
secs et dépôts humides du matériel atmosphérique. Ces formes de dépôts se présentent
comme des particules de taille relativement large (>
20pm de diamètre) ou des
substances chimiques en solution dans les dépôts humides.
Du point de vue cycle biogéochimique de l’azote, la forme gazeuse a une
importance capitale dans le cycle biogéochimique. En effet, l'azote est le nutriment le plus
abondant dans les dépôts atmosphériques où il constitue le principal composant de
l'atmosphère. En plus, les émissions en oxyde d'azote par la combustion industrielle et le
trafic routier font augmenter de cinq à dix fois sa concentration dans les pays industrialisés
(Brimblecombe & Stedman, 1982).
L’origine des dépôts atmosphériques est généralement classée en deux catégories:
maténe/marin; il constitue une source notable d'aérosols et de gaz qui sont transférés à
partir de la surface océanique via les échanges gazeux. Ce matériel est la source
prédominante de Na"" et Cl' et un contribuant majeur de l'apport en Mg""" et K"".
matériel continental: sous forme de poussière et de sol emporté, en passant par les
émissions biologiques à partir de la végétation et par la combustion de la matière
organique. Il constitue également une importante source d'aérosols et de gaz dans
l'atmosphère. Ces produits se déposeront, par la suite, pour se retrouver en solution dans
les rivières, c'est le cas des ions Ca"*, NH/, NOg', NOj', HCOa' et SO4".
Les émissions à partir des sources anthropogéniques et volcaniques peuvent,
également, contribuer d'une façon non négligeable aux dépôts atmosphériques.
A grande échelle, plusieurs études montrent, qu'au fur et à mesure que l'on
s'éloigne de la zone côtière, le matériel continental dans les eaux de rivières a tendance
à augmenter, tandis qu'on assiste à une diminution du matériel marin {Webb, 1991;
Meybeck, 1992). Cela est expliqué par la variation spatiale des dépôts atmosphériques.
La variation spatiale des éléments en solution peut également dépendre de la trajectoire
des masses d'air et des nuages qui traversent le bassin.
Les apports atmosphériques peuvent aussi varier dans le temps en réponse à des
conditions météorologiques saisonnières ainsi qu'à la durée et aux types d'averses.
L'interception par la végétation des dépôts atmosphériques, secs et humides, et les
processus d'échanges ioniques, modifient à leur tour la composition de la solution
introduite dans le système fluvial. En effet, l’importance des apports atmosphériques vis-à-
vis de la composition des eaux de ruissellement est associée à la couverture du bassin et
à l’ensemble des facteurs qui affectent la composition de l’atmosphère.
Les calculs montrent, par exemple, que les dépôts naturels secs et humides
contribuent au transport fluvial de 4,
6, 53 et 72 % respectivement pour Si, Ca'"'’’, Na"" et
C|- (Webb, 1991).
Dans le cas de certains nutriments, il apparaît que les apports atmosphériques
dépassent vite les quantités exportées. Il est estimé, par exemple, que les apports
atmosphériques en azote soluble inorganique et organique représentent 170 % de l'azote
total transporté par les rivières mondiales (Webb, 1991).
A l'échelle locale, il est important de noter que l'impact des apports atmosphériques sur
la qualité chimique des eaux de rivières est plus important dans les bassins de drainage
dominés par les roches résistant à l'altération chimique et où les précipitations sont
rapidement acheminées vers la rivière. Les argiles plastiques de l’éocène inférieur qui
couvrent une surface considérable de la Senne en amont de Tubize sont bien un exemple
où les apports atmosphériques seront rapidement emmenés par le processus de
ruissellement à la rivière.
D'une manière active ou passive, les constituants des dépôts atmosphériques
naturels et anthropogéniques affectent les éléments en solution de la rivière. En effet, le
matériel atmosphérique soluble est simplement ajouté à la composition des eaux de
ruissellement même si sa concentration peut augmenter sous l'effet de perte par
évapotranspiration (effet de “concentration”). Toutefois, les composants des apports
atmosphériques peuvent aussi réagir chimiquement avec la végétation, le sol et la roche
mère du bassin pour mettre en solution de nouvelles espèces issues d'altération et
d'autres processus.
V.1.1.2. Estimation des apports atmosphériques
Les apports atmosphériques ont, depuis longtemps, été reconnus comme une
source majeure d'éléments dissous pour les eaux de surface (Clarke, 1924).
Grennfelt & Hulberg (1986) ont montré que le dépôt total de l'azote dépasse 30 à
40 Kg de N/ha/an dans plusieurs surfaces d'Europe centrale. En Europe occidentale,
Asman & Janssen (1986) estiment que le dépôt total est d'environ 10 Kg de N/ha/an.
V.1.1.3. Dépôts secs
Si l'atmosphère est composée principalement d'azote, d'oxygène et d’autres
substances gazeuses, elle contient, en plus, des quantités variables de matières solides
sous forme de poussière, de dérivés continentaux et de pollution industrielle (Feth, 1981).
La quantité de ces matières varie dans l'espace et dans le temps et dépend de plusieurs
facteurs notamment la vitesse et la direction du vent, la proximité des régions industrielles,
l'activité volcanique, etc (Lewis, 1981; Richter, 1983; Faces, 1986).
Les dépôts secs précipitent dans des fines particules principalement, sous forme
de gaz nitrogène qui est surtout composé de NH/ et NOa'. Le vent, les tempêtes, etc font
augmenter la concentration en azote déposé sous cette forme.
V.1.1.4. Dépôts humides
Depuis le siècle dernier, la concentration des nitrates dans les eaux de pluie ne
cesse de croître. Actuellement, elle atteint 0.78 mg/l de N-NOg" (IHE, 1991). Ces teneurs
sont parmi celles les plus élevées en Europe, la figure 5.1 illustre les valeurs moyennes
annuelles des concentrations en nitrates mesurées dans les eaux des précipitations
d'Europe occidentale. Les isoconcentrations montrent un “épicentre” localisé dans les
régions où l’activité anthropogénique est la plus intense (industrielle et rurale). Des travaux
récents au Laboratoire de Traitement des Eaux et Pollution -ULB, indiquent des valeurs
moyennes de 0.44 et de 0.77 mg/l respectivement de N-NOj" et de N-NK,*. Quant aux
apports du phosphore soluble par les dépôts des précipitations, ils sont généralement très
faibles (entre 0.1 et 1 kg P/ha/an) Holtan et al, 1988.
Figure 5.1: Concentration en N-NO,' mesurée dans les prèciDitations en Europe occidentale (Nodope,
1986).
V.1.2. Transfert du sol vers le réseau hydrographique
V.1.2.1, Evaluation des apports d'élevage
Il est connu que le bétail constitue une source importante d'apport en nutriments
aux eaux de surface. A partir des données du recensement agricole sur l'importance et la
composition du cheptel dans le bassin et de la production moyenne de déjections par
animal et par an, nous pourrons calculer, pour l'ensemble des animaux, la quantité
moyenne de nutriments produits par les animaux. Les données de l'importance et de la
composition du cheptel pour les communes fusionnées ont été reprises des statistiques
Agricoles de l'Institut National de Statistiques (Chapitre II). Quant aux quantités de
nutriments contenus dans les déjections des animaux, on trouve dans la littérature des
données très divergentes. Les coefficients de production recommandés par I' IRC sont
repris dans le tableau 5.2 (De Batselier; 1993).
Animaux kg N / an kg P / an
Bovins (<1an) 33.48 4.51
Bovins (1-2 ans) 55.80 7.53
Bovins (vaches > 2 ans) 87.15 15.07
Bovins (abattus comme veaux) 10.90 2.27
Bovins (autres > 2 ans) 79.73 13.02
Porcs (porcelets) 3.20 0.70
Porcs (à l’engrais) 16.75 4.31
Porcs (truies) 26.92 6.55
Porcs (autres) 9.91 2.19
Volaille (poules pondeuses) 0.56
0.22Volaille (autres) 0.23 0.08
Moutons 10.46 1.81
Tableau 5.2: Normes de production de nutriments par les animaux
Il faut toutefois signaler que les apports d'élevage se subdivisent en trois types:
- les apports d'effluents durant la stabulation;
- les apports d'engrais organiques durant le pâturage;
- les apports par écoulement de jus de silos et durant le stockage de déchets, ce type de
rejet étant souvent canalisé, il se transforme en rejet ponctuel.
Les apports retenus pour la Senne en région wallonne sont donnés dans le tableau 5.3,
le calcul de ces coefficients est donné en détail dans le rapport ISO-IRC (De Cooman et
al; 1993).
Bassin de la Senne Azote Phosphore
en amont de Tubize (1992) kg N/ha/an t N/an kg P/ha/an t P/an
Période de stabulation 0.63 8.76
0.11.39
Période de pâturage 0.59 7.78 0.09 1.25
Jus de silos 0.45 6.26 0.06 0.83
Tableau 5.3: Apports en azote et phosphore au réseau hydrographique par l’élevage:
V.1.2.2. Lessivage et apport par le sol
Les nutriments présents dans le sol, tels que l'azote et le phosphore, sont transférés
vers les eaux superficielles par le biais de différents processus physico-chimiques tel que
l’érosion, le lessivage, et l’écoulement hypodermique ou souterrain. C'est ainsi que les
éléments du sol se trouvent en solution dans les eaux des ruisseaux et des rivières.
Plusieurs études montrent que l'exportation d'azote se produit surtout sous forme
minérale, en l'occurrence l’N nitrique. La forme organique représente rarement plus de
25% de l'azote minéral, dans l’exportation par les eaux de drainage (De Becker, 1984).
L’azote minéral en solution est présent sous forme de ses ions NH/ et NOj'. Les teneurs
en ammonium sont relativement faibles dans les ruisseaux agricoles, l’N ammoniacal
s’adsorbe très aisément sur le complexe argilo-humique du sol. Son comportement est
analogue à celui du potassium, il est très influencé par la texture du sol. Tandis que l’N
nitrique est très soluble et est facilement soumis au lessivage et au drainage.
Le lessivage des nitrates varie en fonction de l’occupation des sols; il augmente des
bruyères aux forêts et des prairies aux terres cultivées (Ferrier, 1995). Pour les bruyères
isolées, les pertes en nitrates sont très faibles, de l'ordre de 1 à 2 kg de N-NO^/ha/an.
(Edwards, 1990) alors que pour les sols cultivés, ces pertes sont souvent de l'ordre de 30
à 90 kg/ha/an. La figure 5.2 montre clairement que les bassins versants couverts
davantage de cultures donnent lieu à un entraînement de nitrates plus important que ceux
occupés par les prairies. Les faibles pertes en nitrates observées dans les prairies sont
dues probablement à l’importante assimilation d’azote par les graminées des prairies. Ces
pertes azotées varient également suivant les saisons et les caractéristiques des sites.
Par ailleurs, le phosphore, moins soluble vu sa grande affinité pour les particules, est plutôt
influencé par les pratiques agricoles.
La silice résulte de la minéralisation des roches mères et dépend de la nature du lit de la
rivière et du degré d'altération (Meybeck, 1992).
LInrc3n«us«-Csndro Z. rarrr^nne- ragne^ T" Hcra«gére- Liégca(5«- ^
Jufasaiqu«-^ Ard«rtn«5-Hte3 Ard.
Figure 5.2: Relation entre la concentration annuelle en nitrates dans les eaux de
rainage et le type de couverture végétale fprairie. c et culture, p) de différents bassins
versants agricoles en Belgigue (D'après PEGASE: 1989).
Un autre facteur susceptible d’influencer les teneurs de nutriments dans le réseau
hydrographigue rural est incontestablement la quantité de fertilisants épandus et la forme
sous laquelle ils sont apportés. Les engrais chimiques se font en grande partie sous la
forme de nitrates d’ammonium (
68% des apports totaux d'engrais minéraux azotés, en
Belgique). La moitié de ces apports est susceptible d’être entraînée (De Becker; 1984).
En plus, La partie ammoniacale des engrais chimiques, ainsi que celle provenant de la
fumure organique après minéralisation, peut être transformée en nitrates par le processus
de nitrification.
Emploi des engrais minéraux:
Deux types d’engrais minéraux sont habituellement distingués:
Les engrais simples, constitués d’un seul des 3 principaux nutriments N, P, K, comme le
sulfate d’ammoniaque (ammoniacal), le nitrate de soude (nitrique), le phosphate de chaux
(phosphaté) ou le chlorure de potassium (potassique).
Les engrais composés, de type binaire (phosphate d’ammoniaque, nitrates de potasse)
ou ternaire (N.P.K).
En plus des éléments N-P-K, les engrais simples et composés apportent souvent d’autres
éléments dites secondaires (Ca, Mg, S, Na,..) et des oligo-éléments.
Les doses appliquées sont généralement ajustées selon le type de végétation en fonction
des précédents culturaux et de la teneur en matière organique du sol. Dans la Senne en
amont de Tubize, les quantités utilisées pour l’ensemble des terres agricoles sont données
par l’Institut Economique Agricole (I.E.A) et sont reprises dans le tableau 5.4.
L’époque d’épandage s’étend habituellement de la fin de l’hiver au début du printemps. Un
apport peut cependant être fourni dès l’automne sur certaines cultures (céréales - colza).
Pour les prairies, l’apport d’azote est essentiellement raisonné en fonction de la
physiologie des graminées présentes.
Le drainage des sols agricoles constitue la source principale de nutriments dans
le réseau hydrographique rural. Plusieurs types de méthodes peuvent être appliquées
pour évaluer le transfert de solutés dans le sol suivant les objectifs envisagés. Les
principales techniques sont:
- le procédé lysimétrique, utilisé pour établir le bilan de drainage d'une parcelle
expérimentale, il permet également d’évaluer le transfert des solutés vers la nappe;
- l’analyse pédochimique des profils de sol, utilisée pour évaluer la quantité de nutriments
disponibles pour la croissance des plantes et d’appréhender le transfert de solutés depuis
les sols vers la nappe.
- la méthode des petits bassins de drajnage. Cette méthode s'avère la seule qui permettrait
de déterminer concrètement la composition hydrochimique de petits cours d'eau. Dans ce
cadre, les résultats des calculs, effectués par l'Institut de Recherche Chimique sur base
d'un modèle empirique, tenant compte des mesures menées sur des bassins
représentatifs, qui décrit et quantifie l’apport en nutriments par l’agriculture dans les rivières
belges (De Cooman et al, 1994), nous ont permis de déduire les apports pour le bassin
de la Senne en amont de Tubize pour l'année 1992. Ces apports sont présentés dans le
tableau 5.4 en comparaison avec la quantité d’engrais minéraux utilisée dans le même site
(I.E.A).
Dans cette partie de la Senne, occupé par 139 km^ de cultures et prairies, le taux
de perte d’azote entraîné par drainage est largement supérieur à celui du phosphore. Ceci
est essentiellement lié à la grande mobilité des nitrates dans la solution du sol et la
rétention des phosphates par les particules du sol.
Bassin de la Senne Azote Phosphore
en amont de Tubize (1992) kg/ha/an t/an kg/ha/an t/an
Engrais minéraux utilisés (1) 153 2130 23.6 328.5
Apport agricole tôt au réseau hydrographique(2) 20.9 291 0.85 11.8
(
2)/ (
1) en % 13.7 % 3.6 %
(1).- Institue Economique Agricole (I.A.E; 1992).
(3).- teneur totale à l’exutoire de bassins agricoles Senne en RW (De Cooman et al; 1994).
Tableau 5.4: Comparaison entre les apports en engrais minéraux d’azote et du
phosphore au bassin et les pertes totales au réseau hydrographique
A ces apports par la pluie, le sol et le cheptel, il faut ajouter les apports directs: les
rejets des eaux usées domestiques et industrielles qui représentent une source
considérable de formes organique et minérale.
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