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Apports diffus

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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

3

NH, NOD NTD PO

4

PTD Si N:P;Si

Dépôt atmosphérique

Moyenne des continents^

1.8

2.25 2.25 6.3 0.0 5

0.1 2

143:1:23

Régions industrialisées^ 12.5 2.25 2.25 17

0.2 0.6 2

64:1:4

Lessivage des sols

Bassins hvdroeraphiques sans

aericulture 0.75 0.0 7 0.55 1.35 0.05

0.12

34 25:1:323

* Tempéré 1.27 0.05

20

57:1:456

* Tropical - sec

0.6

0.05

1.68

2.28 0.36 0.65 103 8:1:180

- humide

Bassins hvdroeranhiaues

tempérés

10 0.6

34 38:1:65

avec aericulture*^^ 35

0.6

34 133:1:65

* Prairies - argile 25

0.6

34 95:1:65

- sable 72

0.6

34 273:1:65

* 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 (>

20

pm 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

0.22

Volaille (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

0.1

1.39

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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