Dans la partie précédente, il a été montré que la concentration en HAP dans l’eau en
phases dissoute et particulaire augmentait en hiver. Cette tendance est toujours observée dans le compartiment atmosphérique puisque les HAP sont émis par combustion incomplète de
matière organique. En vallée alpine, le chauffage au bois est la principale source d’émissions
de HAP (Piot, 2011). Une fois dans le compartiment atmosphérique, les HAP impactent les rivières par dépositions directe et/ou indirecte.
Il était initialement prévu de prélever distinctement les dépôts atmosphériques sec et humide avec le système de prélèvement SASDA conçu au laboratoire (cf. chapitre 2, partie
II.B.1.b). Ce système avait été mis en place en amont à Bonneval-sur-Arc au mois d’avril
2014. Malheureusement, le préleveur a été complètement vandalisé, les panneaux solaires le boitier électrique ont été volés, et les capteurs météorologiques coupés. Nous avons alors cherché un site sécurisé et moins isolé pour réaliser les prélèvements atmosphériques. Le
centre d’entrainement de Biathlon et de ski de fond de Bessans plus en aval nous a permis d’installer nos préleveurs du mois de janvier 2015 au mois d’avril 2016. Le Réseau d’Observation Météo du Massif Alpin (ROMMA) déjà présent sur ce site, a accepté de
partager son parc sécurisé. Une jauge Owen a alors été déployée pour échantillonner les
retombées atmosphériques totales (janvier 2015 à avril 2016), ainsi qu’une remorque
comprenant un préleveur d’air bas débit mais uniquement pendant la période février-mai
2015. Le système SASDA à quant à lui été long à réparer et n’a plus jamais été déployé dans
la vallée, par précaution et pour garantir son bon état de fonctionnement en été sur le lac
d’altitude de la Muzelle. Un second site de collecte des dépôts totaux en aval a été instrumenté à partir du mois de novembre 2015 et jusqu’au mois d’avril 2016, période à laquelle les
concentrations en HAP atmosphériques sont plus importantes. Ce site se situe en milieu de vallée, à St Julien Mont-Denis, en amont de St Jean de Maurienne.
Concentration atmosphérique en amont A.
Les concentrations atmosphériques en HAP étant plus élevées en hiver, une campagne intensive a été réalisée dans le compartiment atmosphérique entre les mois de février et mai 2015 en amont. Un échantillonneur des aérosols atmosphériques fonctionnant à bas débit a été installé pour mesurer les concentrations atmosphériques en HAP dans les phases gazeuse et
particulaire des aérosols sur le site d’altitude de Bessans près de Bonneval-sur-Arc.
1. Niveau de concentration en phases gazeuse et particulaire
Les concentrations atmosphériques mesurées à Bessans en phase gazeuse et particulaire pour la somme des 15 HAP sont reportées dans le Tableau 31. A Bessans, les HAP sont présents essentiellement sous forme gazeuse, puisque 72% et 74% de la masse totale des HAP atmosphériques ont été mesurés en phase gazeuse pour les deux campagnes réalisées en février-mars 2015 et avril-mai 2015, respectivement. Les concentrations
atmosphériques sont comprises entre 0,25 et 1,18 ng.m-3 en phase gazeuse et entre 0,09 et
167
Tableau 31 : Concentrations atmosphériques de la somme de 15 HAP à Bessans entre février et mai 2015.
Ces concentrations sont faibles par rapport aux valeurs reportées dans les cœurs de
village des vallées alpines, comme par exemple à Lanslebourg situé en aval de Bessans (à
seulement 12 km), où des concentrations de 49,3 ng.m-3 et 142 ng.m-3 ont été mesurées pour
la somme de 15 HAP (mêmes HAP mesurés que dans les mesures réalisées à Bessans exceptés les composés les plus légers), respectivement en phases particulaire et gazeuse lors
de l’hiver 2010 (Piot, 2011). En revanche, il est important de noter que le village de Bessans
abrite une population deux fois moins élevée qu’à Lanslebourg (333 habitants contre 643
source Insee, 2013) et que les prélèvements atmosphériques sont réalisés en bordure du village à Bessans, contrairement à Lanslebourg où ils sont réalisés au centre du village.
Entre les deux périodes de collecte à Bessans, une variation saisonnière est observée
puisqu’une concentration atmosphérique plus faible a été mesurée en période printanière. En effet, cinq fois plus de HAP ont été quantifiés en hiver soit 1,6 ng.m-3 (concentration totale
phases gazeuse + particulaire de la somme des 15 HAP) contre seulement 0,3 ng.m-3 au
printemps.
Concernant le profil chimique des composés dans l’air (concentration relative de
chaque congénère à la somme gaz + particule), il est typique d’un site de fond puisque les
composés majoritaires sont: fluoranthène, phénanthrène et pyrène (Figure 79). Aucune
signature d’une source de pollution particulière n’est observée, ce qui est cohérent avec la direction du vent déterminée pour ce site (partie II.A.2), puisque le site est sous influence de vent provenant du haut de la vallée.
Figure 79 : Concentrations atmosphériques relatives des 15 HAP à la somme totale gaz+particules à Bessans de février à mai 2015.
∑15 HAP ng.m-3 Gaz Particule Février-mars 2015 1,18 0,45
168
2. Répartition des phases gazeuse et particulaire
La répartition de chaque composé entre les phases gazeuse et particulaire pour le site de Bessans situé en altitude et en amont est représentée sur la Figure 80. Les composés
comportant jusqu’à 5 cycles aromatiques sont présents essentiellement sous forme gazeuse (N
au Chr) alors que les composés lourds sont essentiellement présents sous forme particulaire. Au printemps, le BbF et le BkF sont un peu plus présents en phase gazeuse. Ce profil est typique de la répartition des composés entre les phases gazeuse et particulaire sauf pour le BaA et le Chr normalement majoritairement présents en phase particulaire (Simcik et al., 1998). Leur présence en phase gazeuse peut être expliquée par : (i) les faibles concentrations
atmosphériques ainsi que la faible concentration de particules dans l’atmosphère ; mais aussi
par (ii) une désorption des composés à partir du filtre entraînant une adsorption des composés sur la PUF. Cette désorption à partir du filtre peut être envisagée même si le système de prélèvement était placé dans une remorque climatisée car les prélèvements ont duré respectivement 34 et 49 jours.
Figure 80 : Répartition des 15 HAP entre les phases gazeuse et particulaire à Bessans de février à mai 2015.
Dépôts totaux B.
Les retombées atmosphériques totales ont été prélevées en amont à Bessans, à 1800 m
d’altitude, proche de Bonneval-sur-Arc et à St Julien Mont-Denis en aval, situé en milieu de vallée en amont de St Jean de Maurienne. Des jauges Owen avec comme adsorbant de la
résine XAD®-2 ont été déployées.
1. Flux de dépôts totaux
Les évolutions temporelles des flux de dépositions ainsi que des précipitations et des
169
Figure 81 : Evolutions temporelles des flux de dépôts totaux en HAP, des précipitations et de la température de l'air de mai 2015 à avril 2016 à Bessans (a) et à St Julien Mont-Denis (b).
A Bessans, les flux de dépôts totaux sont compris entre 6,2 et 80,7 ng.m-2.j-1. En
période hivernale (décembre 2014), lorsque la température de l’air diminue, les flux de
dépositions de HAP augmentent, en relation avec des concentrations atmosphériques plus élevées. Cependant, les flux les plus faibles sont également observés en hiver pour les mois de janvier et février 2016. Ce résultat est sous-estimé car les dépôts ont gelé dans la jauge Owen
ne permettant plus à la résine d’échantillonner les retombées atmosphériques. De plus, les
précipitations mesurées entre le mois de janvier 2016 et mars 2016 ont également été
sous-estimées à Bessans à cause d’un dysfonctionnement du système de mesure qui a probablement gelé suite aux chutes de neige et aux faibles températures, ne fournissant plus aucune donnée à certaines périodes (du 07/01/2016 au 03/02/2016 et du 27/02/2016 au 20/03/2016).
En aval, le flux de dépôts a également été sous-estimé à cause du gel, puisque le flux de dépôts le plus faible a été mesuré au mois de janvier 2016. Les dépôts atmosphériques
170
restent toutefois plus élevés en milieu de vallée en comparaison avec le site d’altitude de Bessans puisqu’ils sont compris entre 74,5 et 786,4 ng.m-2.j-1 à St Julien Mont-Denis.
La littérature rapporte des flux de dépôts totaux variables (Tableau 32) selon les sites, avec des flux de dépôts plus importants en hiver (Garban et al., 2002).
Tableau 32 : Flux de dépôts totaux en HAP d'après la littérature.
Etude Lieu Année Flux de dépôt ng.m-2.j-1 (site) (Fernández et al., 2003) Europe 1997-1998 ∑ 23 HAP = 38,5 à 63,3 (Lacs altitude) (Garban et al., 2002) Paris 1999-2000 ∑ 14 HAP = 157 à 1294 (urbain) (Gocht et al., 2007) Allemagne 2001-2002 ∑ 17 HAP = 548 (rural)
(Motelay-Massei et al., 2006) Le Havre 2002-2003 ∑ 14 HAP = 575 (urbain) (Esen et al., 2008) Turquie 2004-2005 ∑ 14 HAP = 3300 (industriel)
Les flux de dépôts hivernaux mesurés en milieu de vallée à St Julien Mont-Denis sont comparables avec des flux mesurés en milieux urbains. En revanche, les flux déterminés en
amont sur le site d’altitude de Bessans durant un an (avril 2015 à avril 2016) correspondent à
ceux de sites peu anthropisés comme les lacs d’altitude. Par exemple, au lac de la Muzelle des
flux de dépôts totaux estivaux de 106,7 et 58,1 ng.m-2.j-1 ont été mesurés pour la somme des
15 HAP durant les étés 2014 et 2015, respectivement, alors que les flux de dépôts totaux
estivaux à Bessans sont compris entre 10 et 30 ng.m-2.j-1 soit plus faibles qu’au lac de la
Muzelle. De plus, malgré les concentrations atmosphériques plus élevées sur le site de Bessans pour la période février-mars 2015 comparées à celles mesurées en été sur le lac
d’altitude, les dépôts atmosphériques totaux restent plus faibles à Bessans que ceux retrouvés
en été au lac de la Muzelle. Cette différence entre ces deux sites peut être expliquée par les quantités de précipitations. Dans le chapitre précédent, il a été déterminé que durant les périodes estivales 2014 et 2015 au lac de la Muzelle, les quantités de précipitations étaient comparables à celles mesurées à Bessans mais sur une année complète. De plus, il a été également été montré dans le chapitre 4 que les précipitations étaient la principale voie
d’apport de POP sur le lac d’altitude. Les précipitations moins importantes à Bessans
expliquent ainsi que les dépôts atmosphériques totaux de HAP soient plus faibles à Bessans comparé au lac de la Muzelle.
2. Concentrations relatives des composés
Les concentrations relatives moyennes de chaque HAP dans les dépôts atmosphériques totaux sont représentées sur la Figure 82 pour les sites de Bessans (a) en période estivale et hivernale et uniquement en hiver pour le site de St Julien Mont-Denis (b).
171
Figure 82 : Concentrations relatives moyennes en HAP dans les dépôts totaux à Bessans (a) et St Julien Mont-Denis (b) en période estivale et hivernale.
Concernant les concentrations relatives de chaque HAP, en hiver sur les deux sites, la
même signature chimique est observée entre l’amont et le milieu de vallée, hormis pour le naphtalène qui est plus abondant en amont (9% contre 2,5%). Les composés majoritaires sont le phénanthrène, le fluoranthène et le pyrène et représentent 61% de la somme totale des composés sur les deux sites. Le profil obtenu par prélèvement actif à bas débit est le même que celui observé dans les dépôts totaux échantillonnés en passif à Bessans. En revanche, la contribution du naphtalène est plus faible avec le prélèvement actif bas débit. Cette différence
peut être attribuée à l’affinité élevée du naphtalène pour la résine XAD®-2 (adsorbant utilisé
172 utilisée pour le prélèvement actif à bas débit de la phase gazeuse des aérosols (Chuang et al., 1987).
En été, les retombées atmosphériques n’ont été mesurées qu’à Bessans. La signature
chimique des HAP change sur ce site en été puisque les composés majoritaires sont
l’acénaphtène, l’anthracène, fluoranthène et le phénanthrène qui représentent 51% de la
somme totale des composés. La contribution des HAP lourds (du BaA au BghiP) est la même
entre les deux saisons voire légèrement supérieure en été. Ce résultat n’était pas attendu mais
cela peut s’expliquer par la localisation du site de Bessans, en altitude. En effet, même en été les températures peuvent s’avérer fraîches, nécessitant la remise en route du chauffage. Par exemple, des températures minimales de 2,2°C et de -4,3°C ont été enregistrées respectivement lors des mois de juillet et septembre 2015.
Influence du compartiment atmosphérique sur la rivière C.
Dans les parties précédentes, il a été mis en évidence que l’atmosphère impactait la
rivière par dépositions directe et/ou indirecte puisqu’en période hivernale lorsque les
concentrations atmosphériques en HAP augmentent, celles de la rivière suivent la même
tendance. Cette partie a pour objectif d’essayer d’apporter des éléments de réponse sur ce lien entre l’atmosphère et la rivière.
1. En amont en altitude
Des analyses en composantes principales (ACP) ont été réalisées (en utilisant le
logiciel R : r-project.org) sur les données recueillies en amont à Bonneval. L’ACP est une
méthode descriptive multidimensionnelle qui sert à mettre en évidence des similarités ou non,
entre différentes variables. C’est une analyse exploratoire très utilisée dans différents domaines. L’ACP permet de calculer de nouvelles variables appelées composantes principales. Ces composantes principales sont des combinaisons linéaires des variables
initiales. Ce sont des variables de variance maximale, non corrélées deux à deux. L’ACP
permet ainsi de représenter les données sous forme d’un nuage de point dans un espace de
faible dimension en minimisant les déformations des données.
Toutes les données (concentrations relatives de chaque composé dans les deux compartiments et sous les différentes formes) de Bonneval-sur-Arc récoltées pendant les deux années de prélèvement dans les deux compartiments ont été analysées ensemble par ACP (Figure 83). Dans ces ACP, les individus représentent les échantillons soient en noir les
dépôts atmosphériques totaux, en rouge la phase dissoute dans l’eau, en vert la phase gazeuse
dans l’air et en bleu la phase particulaire atmosphérique totale. Les variables correspondent quant à elles aux 15 HAP analysés sur l’ensemble de ces échantillons.
173
Figure 83 : Projection sur la première composante (Dim 1) et la deuxième composante (Dim 2) des individus (échantillons de dépôts atmosphériques, de la phase dissoute dans l’eau et des phases gazeuse et particulaire des aérosols) de Bonneval sur Arc (site altitude amont) en 2014 et 2015.
La première dimension de cette ACP explique 46% de la variance totale des données et permet de mettre en évidence que les particules atmosphériques et les dépôts atmosphérique totaux semblent se comporter de la même façon (portés positivement par la composante 1). En revanche, ils sont séparés des phases dissoute et gazeuse qui elles se regroupent (portées négativement par la composante 1). La représentation des données par ACP permet ainsi de mettre en évidence une corrélation entre les particules atmosphériques et les dépôts totaux
ainsi qu’un lien entre la phase dissoute et la phase gazeuse. La composante 2, qui représente 17% de la variance, semble permettre de séparer la phase dissoute dans l’eau (portée
négativement par la Dim 2) de la phase gazeuse (portée positivement par la Dim 2) ainsi que de séparer les dépôts atmosphériques (portés positivement) de la phase particulaire des aérosols (portée négativement par la Dim 2).
Pour aller plus loin et comprendre cette différence, il est intéressant de regarder la projection des variables (chaque HAP) par ACP (Figure 84).
174
Figure 84 : Projection sur la première (Dim 1) et la deuxième (Dim 2) composantes principales des variables (15 HAP) à Bonneval sur Arc (site altitude amont) en 2014 et 2015.
La projection sur la Figure 84 montre que conformément à leurs propriétés
physico-chimiques, les composés légers c’est-à-dire les plus solubles correspondent à ceux en phase
dissoute dans l’eau (N; porté négativement par les dimensions 1 et 2) et gazeuse dans l’air
(Flu, Phe, Ace ; portés négativement par la Dim 1 et positivement par la Dim 2). Contrairement à cela, la variabilité de la signature chimique en HAP des dépôts atmosphériques totaux ainsi que de la phase particulaire des aérosols est surtout expliquée par les composés les plus lourds (BaA à IP).
L’analyse par ACP permet ainsi de mettre en évidence que sur le site amont il existe
un lien dans le transfert des HAP entre les compartiments atmosphérique et aquatique puisque des corrélations semblent se dessiner selon les propriétés physico-chimiques des composés et
leurs différentes formes. Les composés légers c’est-à-dire principalement sous forme gazeuse dans l’air se comportent comme ceux retrouvés sous forme dissoute dans l’eau tandis que les
plus lourds présents sous forme particulaire se comportent comme les dépôts atmosphériques totaux.
2. En aval sur le site d’Aiton
En aval à Aiton, pour mettre en évidence l’impact de l’atmosphère sur ce site, nous
pouvons confronter les teneurs en HAP dans les dépôts atmosphériques totaux aux
concentrations totales (fractions dissoute + particulaire) dans l’eau de l’Arc. Pour ce site, il est
donc possible de superposer les concentrations relatives de chaque HAP dans l’air et dans
l’eau pour quatre campagnes de novembre 2015 à avril 2016 (Figure 85). Quel que soit la
saison, les composés majoritaires dans l’air sont le phénanthrène, le fluoranthène et le pyrène.
Dans l’eau, la contribution relative des composés est plus variable mais les composés
175
Figure 85 : Concentrations relatives de chaque HAP en aval à Aiton dans l’air et dans l’eau.
Le naphtalène est le composé majoritaire dans l’eau (10 à 77% selon les campagnes) alors qu’il ne représente qu’environ 2% des composés totaux dans l’air. En admettant qu’il y ait un possible biais d’échantillonnage pour ce composé très volatil, et s’il n’est pas pris en compte, la contribution des autres composés dans l’eau augmente. La similitude des profils dans l’air et l’eau sera alors encore plus marquée, même pour la campagne d’échantillonnage
novembre-décembre 2015.
Des profils chimiques en HAP très ressemblants sont observés entre les deux compartiments, particulièrement pour les campagnes réalisées entre décembre 2015 et avril 2016. Ces résultats semblent montrer que la contribution de chaque composé sous forme totale est très similaire dans les deux compartiments mettant en évidence un impact certain du compartiment atmosphérique sur la rivière par dépositions directe ou indirecte.
Le lessivage des sols et des surfaces imperméables peuvent être conséquents puisqu’ils
occupent un territoire plus vaste que celui de la rivière. L’impact des dépôts atmosphériques
directs peut ainsi être minimisé en faisant ce rapport surface des sols versus surface de la rivière. La comparaison entre les précipitations, le débit de la rivière, ainsi que la
concentration totale (dissous + particulaire) en HAP dans l’eau peuvent apporter des éléments
176
précipitations, du débit de l’Arc et de la concentration totale dans l’eau de la somme des 15
HAP en aval à Aiton, pour toutes les campagnes réalisées sur ce site entre les mois d’avril
2014 et avril 2016.
Figure 86 : Evolutions temporelles des précipitations, du débit de l’Arc et de la concentration totale en HAP dans l’eau (S15 HAP en phases dissoute + particulaire) à Aiton (aval) d’avril 2014 à avril
2016.
La Figure 86, permet de mettre en évidence qu’à Aiton, le débit de l’Arc est influencé
par les précipitations en hiver, ce qui n’est pas le cas au printemps. Cette différence
saisonnière peut aussi être expliquée par les barrages hydroélectriques qui régulent et
impactent le débit de cette rivière. Concernant l’évolution de la concentration en HAP, ni les
précipitations, ni le débit ne semblent l’influencer. Les plus fortes concentrations de HAP sont
observées en hiver, en lien avec les rejets atmosphériques qui augmentent à cette période, et lors de la fonte nivale lorsque les composés accumulés dans la neige sont remobilisés par les eaux de fonte.
Il est surprenant d’observer que les précipitations n’affectent pas les concentrations en HAP dans l’eau. Néanmoins, plusieurs facteurs peuvent expliquer ces observations. Tout
d’abord la stratégie d’échantillonnage choisie. En effet, un échantillonnage passif de la phase dissoute a été réalisé, ainsi qu’un prélèvement d’eau intégré toutes les 22 h pour réaliser un échantillon d’eau composite de toute la période de collecte pour la phase particulaire. Cette
stratégie minimise l’impact des précipitations ponctuelles sur la rivière puisque le prélèvement
est lissé sur les 42 jours de campagne. Toutefois, notre stratégie de prélèvement aurait pu
permettre de mettre en évidence des corrélations entre des périodes d’échantillonnage plus ou
moins pluvieuses. De plus, les bassins de décantation des eaux de ruissellement, construits le
long de l’autoroute et donc proches de la rivière peuvent aussi expliquer ce résultat, en réduisant la visibilité de l’impact du lessivage des surfaces viabilisées sur nos prélèvements.