éléments traces métalliques dans une
rivière sous différentes conditions
hydrologiques
Ce chapitre détaille les premiers résultats de modélisation d’un modèle mécanistique distribué de transport d’ETM sur la base d’un modèle de St-Venant en une dimension couplé au modèle OTIS et à un modèle simple de sorption – désorption. Deux ETMs, l’arsenic et le plomb, ont été simulés sur la Garonne dans son cours moyen en deux conditions hydrologiques contrastées : une crue et un étiage. La section 3.1 propose un résumé de l’article. Ensuite, les principaux objectifs sont rappelés à la section 3.2, suivis des principaux résultats (section 3.3) et des conclusions et perspectives (section 3.4). Finalement, l’article intégral est présenté à la section 3.5.
Cyril Garneau, Sauvage S., Probst A., Sanchez-Perez J-M.
Modelling of trace metal transfer in a large river under different hydrological conditions (the Garonne River in southwest France)
Article publié dans Ecological Modelling DOI : 10.1016/j.ecolmodel.2014.09.011
3.1
Résumé
La modélisation des ETMs dépend fortement des conditions hydrauliques, du transport des éléments en suspension (dissous et particulaires) et de la séparation des phases dissoute et particulaire des ETMs.
Un modèle mécanistique, dynamique et distribué est proposé pour décrire le devenir des ETMs en rivière en fonction de l’hydrodynamique, de la morphologie de la rivière, du processus d’érosion – sédimentation et de l’adsorption – désorption des ETMs dans le but d’identifier les processus et paramètres dominants à l’échelle de la rivière.
Le modèle hydraulique est composé des équations de St-Venant en une dimension et intègre les profils transversaux de la rivière pour en définir la morphologie. Le modèle de transport des éléments dissous et particulaires en suspension est construit sur les équations d’advection – dispersion couplées au modèle de stockage transitoire One dimensional Transport with Inflow and Storage (OTIS). Le modèle d’érosion – sédimentation utilise les équations de Partheniades. Finalement, le transport des ETMs est simulé à l’aide de l’ajout de deux paramètres additionnels : le coefficient de séparation des phases Kd ainsi qu’un paramètre décrivant la concentration en ETMs présente dans le matériel érodé.
Le modèle développé a été testé sur le fleuve Garonne, situé dans le sud-ouest de la France, sur un secteur de 80 kilomètres dans son cours moyen sous deux conditions hydrologiques contrastées (80 m3.s-1 et 800 m3.s-1). Le modèle hydraulique a été calibré à l’aide de données de débits mesurés en deux points dans le secteur. Deux expériences au traceur réalisées à l’étiage et en crue sur le secteur ont permis de calibrer le modèle de transport. Les modèles d’érosion - sédimentation et de transport des ETMs ont été calibrés en régime stationnaire à l’aide des observations réalisées simultanément en 13 points du secteur d’étude sur les deux conditions hydrologiques. Deux ETMs ont été utilisés, soit l’arsenic compte-tenu de son caractère très dissous et le plomb pour son importante fraction particulaire.
Le modèle présenté requiert la calibration de 10 paramètres divisés en quatre sous-modèles pour chaque condition hydrologique considérée (période d’étiage et de crue). Il a été possible de valider toutes les valeurs des paramètres par des observations sur la rivière, suggérant que le modèle puisse être appliqué à d’autres cas d’étude. Le fait d’utiliser des jeux de données différents pour des conditions hydrologiques différentes a permis de A) estimer l’importance du stockage transitoire dans le secteur étudié, B) proposer une description détaillée des processus d’érosion – sédimentation des MES, et C) mettre en évidence l’importance des ETMs fraichement érodés comme source secondaire d’ETMs dans les eaux de surface.
3.2
Objectifs
L’objectif de cet article a été d’évaluer la possibilité de modéliser les ETMs dans une grande rivière à l’aide d’un modèle mécanistique, dynamique et distribué en intégrant l’hydromorphologie, le stockage transitoire, la dynamique des MES et la séparation des ETMs à l’aide d’un coefficient de séparation (le Kd). Les résultats de simulation permettent ensuite d’identifier les paramètres et processus clés au transport des ETMs.
3.3
Principaux résultats
Le modèle hydrodynamique a été appliqué à la Garonne sous deux conditions hydrologiques : une crue de 800 m3.s-1 et un étiage de 80 m3.s-1. De ce fait, il a été possible d’utiliser un jeu de paramètre unique
au modèle hydraulique, mais des jeux de paramètres différents ont dû être employés pour les trois autres sous-modèles.
La calibration du modèle de transport par les essais de traceur a été réalisée suite à la calibration du modèle hydraulique. Dans ces conditions, le modèle de stockage transitoire s’est révélé essentiel puisque le pic du traceur injecté s’est déplacé à une vitesse inférieure à celle de la masse d’eau. Les paramètres calibrés en absence de modèle de stockage transitoire nécessitent des valeurs irréalistes et sans signification physique.
La calibration des équations de Partheniades a mis en évidence une composition différente des MES. Ainsi, l’analyse du paramètre décrivant la vitesse de chute des particules permet d’estimer leur taille à un diamètre moyen de 20 µm à l’étiage et de 80 µm en période de crue. Ces résultats de simulation sont en accord avec les observations indépendantes de Seiger et Gurnell (2003) qui ont observé que les sédiments déposés après une crue sont composés de 15 à 100 % de sédiment fin (< 63 µm). Les simulations des profils longitudinaux des ETMs ont démontré un bon accord avec les observations. Ils ont également mis en évidence la contribution de l’érosion au flux d’ETMs en rivière puisqu’il s’agit du seul processus source d’ETMs. L’érosion est décrite par un paramètre exprimant la concentration en ETMs dans le matériel érodé. Ce paramètre a été calibré automatiquement et a ensuite été comparé aux mesures d’ETMs dans les sédiments de Garonne et est du même ordre de grandeur pour le plomb et l’arsenic. La Figure 13 présente les principaux résultats de simulation de l’arsenic et du plomb en conditions hydrologiques contrastées (étiage et crue). L’arsenic est présent principalement sous forme dissous à l’étiage tandis que la phase particulaire devient plus importante en crue. Le modèle réussit à rester proche des observations et le coefficient de corrélation de Pearson indique que les tendances observées sont bien représentées par la simulation.
Figure 13 : Résultats de simulation de l’arsenic (en haut) et du plomb (en bas) lors d’un épisode d’étiage (80 m3.s-1 à droite)
et de crue (800 m3.s-1 à gauche).
La concentration en ETM dans le sédiment érodé est fixée par un paramètre pour chaque condition hydrologique. Ces valeurs calibrées ont pu être comparées aux observations réalisées par le Système d’Information sur l’Eau du bassin Adour-Garonne (SIEAG) entre 2003 et 2011. La concentration en arsenic dans le sédiment a été calibrée à 4 et 5,4 µg.g-1, respectivement en étiage et en crue, tandis que le SIEAG observait des concentrations entre 2,9 et 13 µg.g-1. La concentration en plomb dans le sédiment a été calibrée à 9,8 et 6,8 µg.g-1 (étiage et crue). Ces valeurs sont du même ordre de grandeur que les observations du SIEAG : entre 5 et 23 µg.g-1.
3.4
Conclusions et perspectives
La modélisation des ETMs dans les rivières dépend fortement des conditions hydrodynamiques, du transport des MES ainsi que du modèle de séparation des phases dissoutes et particulaires. Ces travaux ont proposé un modèle de transport des ETMs dynamique et discrétisé. Ce modèle inclut une description détaillée des processus hydrauliques, de transport des éléments en suspension, d’érosion – sédimentation et d’adsorption – désorption. Dix paramètres ont été nécessaires pour calibrer ce modèle soumis à deux conditions hydrologiques contrastées. Ces paramètres ont été calibrés sur des jeux de données indépendants et ont tous pu être validés par les propriétés physiques du site d’étude. L’utilisation de différents jeux de données pour la calibration a mis en évidence l’importance :
a) Du stockage transitoire sur le site d’étude
b) D’une description détaillée des processus d’érosion – sédimentation c) De l’érosion à titre de source d’ETMs dans les eaux de surface.
Le modèle a également démontré la grande importance des processus hydrologiques en démontrant le besoin de jeux de paramètres distincts pour chaque condition hydrologique. Ce résultat suggère que le passage à un modèle de transport dynamique soumis à une hydrologie variable nécessitera une adaptation du modèle d’érosion – sédimentation. En effet, la grande variation des valeurs des
paramètres suggère que les MES présentes à l’étiage sont fondamentalement différentes de celles simulées en crue. Ainsi, deux classes de particules seront nécessaires dans les travaux suivants. Enfin, ce modèle a permis de simuler le transport de deux ETMs en conditions stationnaires. Cependant, en conditions dynamiques, les conditions physico-chimiques peuvent être très variables. L’influence de la physico-chimie sur les transferts dynamiques des ETMs doit encore être évaluée et quantifiée.