SURESTIMATION ET SOUS ESTIMATION DES FLUX ANNUELS
(C) G ERS ET B AÏSE : SOUS ESTIMATION DU FLUX ANNUEL DE 17%
A.4. P
ALLIATIFS AUX PROBLEMES DE L’
ECHANTILLONNAGE PONCTUEL JOURNALIERAfin d’essayer de pallier aux défaillances que nous venons de mettre en exergue, et surtout dans le but d’améliorer la représentativité des bilans de flux d’éléments annuels, voici les différentes solutions envisagées :
(A) A
MELIORATION DE LA REPRESENTATIVITE DE LA MOYENNE ANNUELLE Dans le calcul de la moyenne « annuelle » d’une grandeurX
, qui est en fait la moyenne des 12 prélèvements journaliers ponctuels effectués chaque mois, chaque valeurX
j de cette variable sera affectée d’un poids égal au débitQ
j du jour j du prélèvement (Equation III 8).X
peut représenter, par exemple, des concentrations, des flux d’éléments etc…∑
= ∑
i i
i i i
Q Q X
X
Equation III 8 : Formule du calcul de la moyenne pondérée des débits d’une grandeur
X
j.Ainsi, dans la suite de ce chapitre lorsqu’on on se réfèrera à une moyenne quelconque d’une grandeur, se sera par défaut sa moyenne pondérée par opposition à sa moyenne géométrique.
SURESTIMATION ET SOUS ESTIMATION DES FLUX ANNUELS
(B) L
AG
ARONNE AM
URET:
SURESTIMATION DU FLUX ANNUEL DE20%
Concernant le site de n°4, nous avons décidé de ne pas prendre en compte la campagne de mai (le prélèvement du 27/04/98) car effectué en plein pic de crue. Cela fausserait significativement les bilans annuels de matière exportée. Pour être en concordance de temps avec les autres sites et donc cohérents avec le modèle de reconstitution des débits, nous avons choisis de prendre en lieu et place le débit du 04/05/98. Afin d’établir des bilans de flux d’éléments, il sera nécessaire de reconstruire les concentrations de ce jour là. Cela pourra se faire, par exemple, à l’aide de diagrammes de corrélation entre concentrations et débits.
(C) G
ERS ETB
AÏSE:
SOUS ESTIMATION DU FLUX ANNUEL DE17%
Ce sous échantillonnage hydrologique du Gers et de la Baïse est autant lié à de fréquents sous échantillonnages (7 mois sur 12) qu’à leurs valeurs fortes (-76% en avril, -66% en mars, -54% en novembre). De ce fait, la méthode précédente sera difficilement applicable.
La fourchette d’estimation des flux d’éléments étant de l’ordre de +/- 20% pour ces deux rivières, on sera plutôt dans la partie haute de cette plage d’incertitude. L’Agout, lui, a fait l’objet d’un sur échantillonnage de 10% qui n’est pas significatif.
Enfin, lorsqu’on conclura cette étude, il sera bon de rappeler que l’année échantillonnée était particulièrement sèche sur le Tarn (-28% sur le bassin Tarn-Agout sur une période de référence de 90 ans et seulement –7% pour l’Agout sur 55 ans de référence).
B. LES CONCENTRATIONS
B.1. C
ONCENTRATIONS EN IONS MAJEURS DANS LES EAUX DU BASSIN DE LAG
ARONNEB.1.1. P
H ET ORIGINE DES EAUXLe pH est un paramètre pertinent lorsqu’il s’agit de décrire qualitativement l’origine d’une eau naturelle. En effet, selon la nature des terrains traversés par les eaux, leur pH peut varier entre 6 et 8. Les eaux traversant majoritairement des zones carbonatées auront tendance à être basiques. Au contraire, celles traversant des terrains moins carbonatés ou siliceux auront tendance à être plus acides (pH inférieur ou voisin de 7). Il est rare de rencontrer des pH inférieurs à 6 ou supérieur à 8. Toutefois, dans les lacs nichés au sein des cratères volcaniques, sous l’effet des vapeurs d’acide sulfurique, on peut rencontrer des pH de l’ordre de 2 à 4. Il est également possible d’observer des pH supérieurs à 8,5 dans des eaux stagnantes (marais, étangs, barrages) dans lesquelles il y a une forte décomposition de matière organique. D’après Meybeck (1984), les eaux les plus chargées ont des pH plus élevés, ce qui est le cas dans les basins évaporitiques et/ou carbonatés dans lesquels les pH peuvent atteindre 8 ; alors que les eaux drainant des grès, des granites ou des gneiss ont des pH plus faible de l’ordre de 6,7.
B.1.2. P
H ET PERTURBATIONS ANTHROPIQUESLe pH des eaux naturelles est sensible aux perturbations anthropiques. Ainsi S. Khadija et al., 1999, montrent que la forte fertilisation azotée pratiquée sur le bassin de la Garonne augmente les taux d’érosion en favorisant la dissolution des carbonates ce qui a pour conséquence directe de rendre les eaux plus basiques. Probst et al., 1990, ont montré que, sur le bassin versant de Strengbach (Vosges, 58 km sud-ouest de Strasbourg) subissant de fortes entrées atmosphériques anthropiques (villes, usines chimiques) venant des pays de l’est (notamment en hiver et au printemps par forts vents d’est), les concentrations en NO3 -des précipitations sont gouvernées par les NOXatmosphériques et que l’acidité des pluies est en majorité due au SO2 atmosphérique. D’autres auteurs (Gorham et al.,1984, Irwin and Williams, 1988) ont fait le même constat dans certaines régions du globe balayées par la pollution. Ces deux constituants, NO3- et plus encore SO42-, font baisser le pH en dessous de 5,6 par l’intermédiaire de la dissolution dans l’atmosphère de leurs acides respectifs HNO3 et H2SO4. Un pH de 5,6 est normalement attendu pour une eau en équilibre avec le CO2
atmosphérique (Galloway et al., 1976 ; Sigg et al., 1994) ; en dessous de cette limite, la pluie est dite acide. Ces pluies acides qui retombent sur la biosphère influencent bien évidemment les pH des eaux de rivière.
B.1.3. P
H ET CONCENTRATIONS EN IONS MAJEURS DES EAUX DU BASSIN DE LAG
ARONNEDans l’Annexe III 16 nous avons reporté les valeurs des pH, des concentrations en ions majeurs dans la phase dissoute ainsi que la force ionique de l’ensemble des rivières étudiées. Mis à part l’Ariège à Foix et l’Agout, l’ensemble des pH sont situés aux environs de 8 (7,95 à 8,17) tandis que les forces ioniques sont comprises entre 3000 et 7000 µmol/l.
Ces résultats sont en accord avec ceux de Meybeck (1984) déjà évoqués ci-dessus.
Les pH plus faibles sur l’Ariège à Foix (7,41) et l’Agout (7,77) sont liés à leur origine granitique respectivement dans les bassins Pyrénéens et la montagne noire. Cependant, étant donné la charge ionique de l’Agout, on pourrait s’attendre à des pH plus élevés. Ceci suggère des entrées acides d’origine anthropique ; cette hypothèse est confortée (en l’absence de roches évaporitiques) par le fait que les concentrations en Na+, K+, Cl- et NO3 -sont parmi les plus élevées avec celles du Gers et de la Baïse. Ces éléments -sont liés aux
rejets de sels et autres acides utilisés dans les industries de mégisserie des villes de Castres, Lavaur, Mazamet.
Le Gers et la Baïse sont les rivières dont la charge ionique est la plus élevée. Il est donc logique que leur pH compte parmi les plus basiques de notre étude (juste derrière celui de l’Ariège à Clermont le Fort). On trouve sur ces deux rivières les concentrations les plus élevées de notre étude en Na+, K+, Cl-, NO3- et SO42- du fait du fort développement de l’activité agricole qui utilise, entre autres comme substances, de fortes quantités d’engrais NPK.
Si l’on observe l’évolution des pH de l’Ariège et de la Garonne d’amont en aval, plus la charge ionique s’accroît lorsque les rivières arrivent en plaine au contact des roches carbonatées, plus les pH augmentent (on reste toujours en accord avec le raisonnement de Meybeck, 1984). Cependant, sur la Garonne cette évolution est contrariée par le passage de la ville de Toulouse où, comme on a pu le voir lors d’autres campagnes, de nombreux rejets liés aux activités humaines (usine de la grande paroisse, usine de retraitement des eaux usées de Ginestous ..) changent la géochimie des eaux de la Garonne. Ainsi de Muret à Gagnac le pH se voie diminué et les concentrations en Na+, K+, Cl- et NO3- d’origine anthropique au contraire croient.
Enfin, si l’on regarde les compositions en éléments majeurs dissous du Salat et de la Garonne à Roquefort, elles sont similaires ; ce qui n’a rien d’étonnant car si proche des Pyrénées, leurs eaux ont cheminé sur des soubassements identiques. Toutefois, la concentration en chlore dans le Salat est beaucoup plus élevée. On peut l’attribuer soit à des roches évaporitiques locales soit à des rejets de la ville de Saint-Girons (usine de pâte à papier ?).
B.1.4. E
NTREES ATMOSPHERIQUES SUR LE BASSINLa concentration Ci en éléments majeurs dissous des précipitations peut être estimée à partir des rapport Ci/Cl- (eq/eq) établis par Meybeck, 1986 et l’équation Cl- =0,179-0,382*Log(Log(d)) (Ulrich et al., 1994)) où Cl- est la concentration en chlore dissous dans les précipitations en meq/l et d la distance à l’Océan en km. Les concentrations des précipitations en Na+, K+, Mg2+, Ca2+, HCO3-, Cl- et SO42- ainsi calculées dans le Tableau III 6 ne tiennent compte que de la composante océanique .
Le point de prélèvement le plus proche de l’Océan situé à environ 200 km dans les terres (Garonne à Port Sainte Marie) sera celui pour lequel les concentrations Ci seront censées être les plus élevées. Si l’on compare les concentrations en éléments majeurs dissous estimées dans les précipitations (Tableau III 6) avec celles mesurées dans nos eaux (Annexe III 16) on peut considérer que la composante géologique dans nos eaux est
«prépondérante» par rapport à la composante atmosphérique. En effet, on observe un rapport de l’ordre de 10 entre les concentrations à Port Sainte Marie et celles du modèle pour des éléments comme le Cl- et le Na+ censés être pour l’essentiel d’origine marine.
Cependant un certain nombre de points restent à éluder. En particulier sur les éléments censés subir des pressions anthropiques qui se superposent à la composante géologique : (a) Influences des perturbations méditerranéennes ?
(b) Estimation des concentrations en NO3- dans les précipitations et ordre de grandeur des dépôts secs ?
(c) Estimation de l’influence anthropique dans les précipitations en particulier pour NO3- et SO42- ?
(a) En admettant que l’on puisse appliquer le même type de loi et sachant que le point de prélèvement le plus proche de la méditerranée est à environ 150 km, on arrive à la même conclusion (empreinte géologique prépondérante par rapport à l’atmosphérique méditerranéenne).
(b) Ferrier, 1998 (Tableau III 7) a mesuré, au-dessus de la ville de Toulouse, les concentrations en NO3- et SO42- respectivement 16,7 µmol/l et 17,9 µmol/l dans les précipitations et 4,1 µmol/l et 24,7 µmol/l pour les dépôts secs. Toutefois, même si ces valeurs représentent environ 1/3 pour les nitrates et 1/7 pour les sulfates des concentrations des eaux de la Garonne aux environs de Toulouse, ces valeurs ne peuvent être considérées comme représentatives de l’ensemble du bassin.
(c) Enfin, si l’on compare le Tableau III 6 et le Tableau III 7 en considérant que Toulouse est à environ 250 km à vol d’oiseau de l’océan, les résultats sont cohérents pour le Na+, le Cl- et le Mg2+. Le « modèle » tiré de Meybeck, 1986 et Ulrich et al., 1994, n’intégrant pas les sources anthropiques, ceci suggère que le Na+ et le Cl- dans les pluies sont en totalité d’origine océanique et que le Mg2+ provient des aérosols carbonatés arrachés par érosion naturelle. Mg2+ et Ca2+ dans les pluies étant en général liés aux aérosols carbonatés, les écarts observés sur le Ca2+ sont très probablement liés aux problèmes d’interférences isobariques lorsqu’on mesure cet élément par ICMP-MS. Quant au K+, les écarts entre modèle et mesures peuvent être attribués à un effet anthropique et/ou un défaut du modèle. Enfin, avec un saut de concentration de 3,4 µmol/l (modèle) à environ 22 µmol/l, il apparaît clairement que le SO42- dans les précipitations au-dessus de Toulouse est fortement marqué par les panaches anthropiques.
Tableau III 6 : Estimations des concentrations en éléments majeurs dissous des précipitations en fonction des distances à l’océan d’après Meybeck, 1986 et Ulrich et al.,
1994.
Ci µmol/l Na+ K+ Ca2+ Mg2+ HCO3- Cl- SO4
--Ci/Cl- 0.85 0.018 0.037 0.19 0.004 1 0.1
150 km 42.5 0.9 1.9 9.5 0.2 50.0 5.0
200 km 34.6 0.7 1.5 7.7 0.2 40.7 4.1
250 km 28.8 0.6 1.3 6.4 0.1 33.9 3.4
300 km 24.2 0.5 1.1 5.4 0.1 28.5 2.9
Tableau III 7 : Concentrations en éléments majeurs des précipitations (phase dissoute et totale) et des aérosols au dessus de la ville de Toulouse (Ferrier, 1998).
Ci µmol/l *Na+ *K+ *Ca2+ *Mg2+ Cl- SO4
--NO3
-Précip. Diss1 33.3 3.0 7.1 3.3 42.8 17.9 16.7
Précip. Total.1 25.8 3.2 10.6 5.0
Aérosol2 26.1 7.9 4.5 28.1 24.7 4.1
135% de la pluviosité annuelle
2 estimation sur 5 jours de prélèvement
* Mesuré par ICP-MS
B.1.5. O
RIGINES GEOLOGIQUES DES EAUXLa charge en éléments majeurs dissous des eaux de rivières a essentiellement pour origine, le cheminement des eaux à travers deux principaux couverts lithologiques qui sont les roches carbonatées et les roches silicatées. Les teneurs en éléments majeurs tels que Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl- et Sr2+ (« homologues géochimiques » du Ca2+) présents dans la phase dissoute des eaux de rivière donne des informations précieuses concernant leur origine géologique (Négrel et al., 1993 ; Negrel et Deschamps, 1996 ; Grosbois, 2000 ; Roy et al., 1999 ; Semhi et al., 2000a). L’analyse des teneurs en éléments majeurs se fait alors classiquement dans des graphes du type concentration vs concentration ou rapport de concentrations vs rapport de concentrations permettant d’identifier les réservoirs de mélange. Les roches carbonatées sont en général riches en Ca2+, Mg2+ et Sr2+, alors que les roches silicatées sont riches en K+. Ainsi, K+ et Na+ (en tant que traceurs de sources marines) sont utilisés comme éléments normalisateurs. Ce traitement des données avec leurs commentaires détaillés est reporté dans l’ Annexe III 20, Annexe III 21, Annexe III 22 et Annexe III 23. Les principaux résultats tirés de ces graphes sont les suivants :