4 Caractérisation et évolution des apports de phosphore
4.2.3 Principes et fonctionnement du modèle utilisé
Le LCM permet de prédire la concentration en phosphore d’un lac (lac récepteur) en utilisant comme principaux paramètres les caractéristiques hydrologiques et morphométriques du lac ainsi que la somme des apports naturels et anthropiques de phosphore en provenance du bassin versant.
Afin d’estimer la concentration en phosphore du lac récepteur, la structure d’écoulement doit d’abord être définie. Le bassin versant principal doit être divisé en sous-bassins pour tous les lacs ayant une superficie supérieure à 0,25 km2 et/ou ceux qui présentent un développement significatif des rives
(Ministry of the Environment, 2010). Le modèle sera exécuté pour chaque sous-bassin et le phosphore exporté par les lacs en amont sera ajouté aux sources de phosphore du lac récepteur.
Le modèle se traduit par l’équation suivante :
[ ] (9)
Où :
[P]Lac sans glace : Concentration de phosphore du lac pour la période sans glace (µg·L-1)
Lp : Charge en phosphore (mg·m-2·an-1) : Somme des sources diffuses et ponctuelles de
phosphore du bassin versant (mg·m2) divisées par l’aire (m2) du bassin versant (Ao)
Rp : Coefficient de rétention
qs : Charge en eau par unité de surface (m·année-1)
4.2.3.1 Charge en phosphore
La charge en phosphore en provenance du bassin versant se divise en trois catégories qui seront détaillées subséquemment: les sources diffuses, les sources ponctuelles sanitaires et les sources ponctuelles directes. À ces apports s’ajoute aussi le phosphore provenant des lacs en amont qui se retrouve dans le lac récepteur après avoir transité par le réseau hydrographique. Dans certains cas, une charge interne de phosphore libérée par les sédiments lacustres peut aussi venir s’ajouter à la liste des sources de phosphore (voir chapitre 3).
4.2.3.2 Sources diffuses
La quantification des sources diffuses de phosphore est basée sur le fait qu’un territoire donné exportera différentes quantités de phosphore dépendamment de la façon dont il est occupé ou exploité. Suite à plusieurs années d’expérimentation et de validation, des coefficients d’exportation de phosphore ont été élaborés pour chaque catégorie d’occupation du sol. Le tableau 5 présente les coefficients d’exportation relatifs à chaque catégorie d’occupation du sol qui ont été utilisés dans le cadre de cette étude. Ceux-ci ont été sélectionnés dans la littérature par le MDDEFP. Ils représentent la masse de phosphore (mg) exportée par 1 m2 de territoire par année.
Le coefficient d’exportation utilisé pour l’agriculture est le même pour toute la période étudiée, puisque c’est à partir de 1950 que l’intensification de l’agriculture a eu lieu au Québec (Debailleul, 1998). Dans la deuxième moitié du vingtième siècle, un usage accru des engrais chimiques et des déjections animales pour fertiliser les champs a fait croître considérablement le rythme d’accumulation de phosphore dans les sols (MacDonald et Bennett, 2009). Ainsi, les quantités de phosphore générées par une même superficie agricole sont probablement demeurées similaires entre 1950 et 2010. Pour l’année 2010, il a été possible de préciser le type de culture et d’affecter le coefficient d’exportation approprié, tandis que pour les autres années, le coefficient général pour l’agriculture a été appliqué.
Pour calculer les apports de phosphore provenant de sources diffuses, l’ensemble du territoire du bassin versant doit être divisé en divers modes d’occupation du sol. Cette catégorisation est généralement réalisée par photo-interprétation qui peut être accompagnée d’une validation sur le terrain. Toutes les activités potentiellement génératrices de phosphore doivent être répertoriées. Une fois le bassin versant caractérisé, celui-ci est divisé en sous-bassins. Le coefficient d’exportation approprié est ensuite appliqué à chaque catégorie d’occupation du sol. La quantité de phosphore exportée par un sous-bassin (mg·année-1) est obtenue en multipliant la superficie (m2) occupée par
Tableau 5. Coefficients d'exportation de phosphore utilisés dans cette étude Description Coefficient d’exportation (mg·m-2·année-1) Source Dépôts atmosphériques sur les plans d’eau 6,0 APEL, 2009
Forêt, substrat igné 4,9 APEL, 2009
Forêt, substrat sédimentaire 12,0 Jacques et Lerouzes, 1979
Friche, substrat igné 4,9 APEL, 2009
Friche, substrat sédimentaire 12,0 Jacques et Lerouzes, 1979
Routes (pavées ou non-pavées) 64,0 APEL, 2009
Coupe ou brûlis 15,0 APEL, 2009
Milieu humide (tous types confondus) 125,0 APEL, 2009
Tourbière 5,0 APEL, 2009
Agriculture (tous types confondus) 55,0 APEL, 2009
Culture céréalière 230,0 Beaulac et Reckhow (1982)
Foin 41,0 Frink, 1991
Milieu de villégiature (excluant les eaux
usées) 27,0 Ryding et Rast, 1989
Milieu urbain (incluant eaux usées) 50,0 APEL, 2009
Milieux ouverts non exploités 11,3 APEL, 2009
Terrain de golf 100,0 APEL, 2009
Centre de ski 20,0 APEL, 2009
Sol à nu 11,0 APEL, 2009
Dépôt de débris métalliques (exemple :
voitures) 15,0 APEL, 2009
Dépotoir 100,0 APEL, 2009
Ancien site d’enfouissement 11,3 APEL, 2009
4.2.3.3 Sources ponctuelles sanitaires
Les sources de phosphore ponctuelles sanitaires proviennent des effluents de toutes les installations septiques du bassin versant. Celles-ci, qu’elles soient conformes à la réglementation ou non, émettent du phosphore dans l’environnement. Seules les fosses étanches (ou scellées) en bonne condition n’en émettent pas.
Chaque installation septique du bassin versant doit être considérée dans le bilan de phosphore. Les informations disponibles auprès des municipalités locales ou des MRC peuvent être utilisées afin de dresser un portrait du phosphore émis par les installations septiques. Afin de déterminer la quantité de phosphore provenant de sources ponctuelles sanitaires qui atteindra le réseau hydrographique, il est nécessaire de rassembler plusieurs informations (tableau 6).
Tableau 6. Informations nécessaires pour dresser le portrait des sources ponctuelles sanitaires de phosphore Paramètre à déterminer Information à recueillir
Quantité de phosphore dans l’installation septique
Nombre de personnes par logement Nombre de logements par maison
Mode d’occupation des logements (saisonnier ou permanent)
Quantité de phosphore rejetée dans
l’environnement par l’installation septique Type d’installation septique Quantité de phosphore atteignant le réseau
hydrographique
Type de sol dans lequel est logée l’installation septique Distance de l’installation par rapport au réseau hydrographique
4.2.3.3.1 Quantité de phosphore dans l’installation septique
L’information de base à utiliser pour le calcul des apports ponctuels sanitaires est la quantité moyenne de phosphore émise annuellement par un être humain. Cette charge est estimée à 0,66 kg·personne-1·année-1 (Paterson et al., 2006). Cette valeur a été utilisée pour 1980 et 2010. Pour
les années 1950 et 1964, la valeur 0,8 kg·personne-1·année-1 a été utilisée, car avant les années 1970,
la concentration de phosphates dans les détergents était significativement plus élevée ce qui se reflétait dans la quantité de phosphore émise dans l’environnement (Hutchinson, 2002).
Ensuite, il faut déterminer le nombre de personnes par logement ainsi que le nombre de logements pour chaque habitation. S’il s’avère trop complexe de recenser le nombre exact de personnes par logement, un nombre moyen peut être utilisé. Dans le cadre de cette étude, le nombre moyen de personnes par ménage à Saint-Aimé-des-Lacs lors du recensement de 2006 a été utilisé (2,5 personnes par ménage) (Statistique Canada, 2007). Pour les analyses historiques, le chiffre utilisé est celui du recensement se rapprochant le plus de l’année étudiée. L’étape suivante est de déterminer si les résidences sont permanentes ou saisonnières. Les codes d’utilisation des biens-fonds (CUBF) dans les rôles d’évaluation municipale fournissent cette information. Le caractère saisonnier ou permanent de la résidence jumelé au nombre moyen de personnes par logement se traduit dans le modèle par une valeur d’usage qui s’exprime en personne équivalente·année-1. Par exemple, pour une
résidence permanente à Saint-Aimé-des-Lacs, l’usage est de 2,5 personnes équivalentes ·année-1, car
2,5 personnes y vivent à l’année longue. Pour une résidence saisonnière, l’usage sera de 0,825 personnes équivalentes·année-1, car il a été estimé que ces 2,5 personnes fréquentaient leur
résidence environ 4 mois par année (1/3 d’année). Les valeurs d’usage ainsi que les autres paramètres utilisés pour le calcul des sources ponctuelles sanitaires sont présentées au tableau 7.
Tableau 7. Paramètres utilisés pour le calcul des apports ponctuels de phosphore.
Paramètre Valeur utilisée Source
Charge annuelle de phosphore
par personne 0,66 kg·personne -1
·année-1 Paterson et al., 2006
Usage
Résidence permanente 2,5 personnes équivalentes·année-1 Statistique Canada, 2007
Résidence saisonnière 0,825 personnes équivalentes·année-1 APEL, 2009
Maison mobile 2,3 personnes équivalentes·année-1 APEL, 2009
Hébergement touristique (gîte, hôtel, etc.)
1,18 personne équivalente·année-1
(par chambre) Ministry of the Environment, 2010
Terrain de camping 0,37 personne équivalente·année -1
(par site) Ministry of the Environment, 2010
4.2.3.3.2 Quantité de phosphore rejetée dans l’environnement par l’installation
septique
L’étape suivante consiste à acquérir des informations sur le type d’installation septique de chaque logement, bâtiment ou infrastructure. Un coefficient sera attribué à chaque type d’installation en fonction de sa capacité à retenir le phosphore (tableau 8). Par exemple, il a été déterminé qu’une fosse septique avec champ d’épuration émettra dans l’environnement 70 % du phosphore qui y entre alors qu’une fosse scellée retiendra la totalité du phosphore.
Lorsque le type d’installation était inconnu, le coefficient d’une installation septique avec champ d’épuration était attribué puisqu’il s’agit du plus commun. Pour les bilans historiques de 1950, 1964 et 1980, le coefficient de 0,85 (puisard) a été attribué à toutes les résidences, car en 1975, la majorité des résidences n’étaient pas munies d’installations septiques (Société d’histoire de Charlevoix, 2005). De plus, la plupart des installations septiques autour du lac Nairne ont été installées après 1981, soit après l’entrée en vigueur du Règlement sur l’évacuation et le traitement des eaux usées des
résidences isolées (chapitre Q-2, r. 8) (Corbeil, 2003).
Tableau 8. Coefficient d'émission de phosphore selon le type d'équipement de traitement des eaux usées. Type d’installation Coefficient d’émission de
phosphore
Égout 0
Fosse scellée (vidange totale) 0
Fosse septique et champ d’épuration 0,7
Puisard 0,85
Aucun système 1
Source : APEL, 2009
4.2.3.3.3 Quantité de phosphore atteignant le réseau hydrographique
les eaux usées n’ayant subi aucun traitement. En effet, certains types de sol possèdent naturellement une forte capacité d’absorption du phosphore alors que d’autres n’offrent pas cet avantage (Hutchinson, 2002; Robertson, 2003). Un coefficient d’émission est donc attribué à chaque type de sol (tableau 9). Par exemple, le podzol retiendra 88 % du phosphore, la quantité exportée vers le réseau hydrographique sera donc de 12 %. Toutefois, après une certaine période d’occupation humaine, le sol peut devenir saturé en phosphore ce qui fera diminuer sa capacité de rétention. En cas de doute, il peut s’avérer pertinent de mesurer le taux de saturation du sol, car sa capacité à absorber le phosphore peut être compromise.
Tableau 9. Coefficient d'émission de phosphore selon le type de sol dans lequel est logé l’équipement de traitement des eaux usées.
Type de sol Coefficient d’émission de phosphore
Podzol 0,12
Brunisol 0,3
Gleysol 0,75
Autre 1
Source : APEL, 2009 inspiré de Vézina et al., 2000 et Hutchinson, 2005
Le dernier facteur pris en compte par le modèle est la distance de la source ponctuelle sanitaire par rapport au réseau hydrographique. La quantité de phosphore atteignant le réseau hydrographique est inversement proportionnelle à la distance. Les facteurs d’atténuation utilisés sont présentés au tableau 10. Dans le cas des sols minces (< 1m) aucun facteur d’atténuation n’est appliqué. Il importe de calculer la distance par rapport à un cours d’eau du même sous-bassin. Donc, les sources ponctuelles doivent aussi être divisées en sous-bassins avant de procéder à cette dernière étape.
Ce facteur d’atténuation s’applique de la même façon à trois types de sources diffuses :les milieux urbains, les milieux de villégiature et les routes. Cela implique que la distance entre ces sources diffuses et le réseau hydrographique doit aussi être mesurée.
Tableau 10. Coefficient d'atténuation relié à la distance de la source ponctuelle sanitaire par rapport au réseau hydrographique.
Distance par rapport au réseau hydrographique (m) Facteur d’atténuation
0-100 1
101-200 0,66
201-300 0,33
301 et plus 0
Sols minces 1
La quantité de phosphore atteignant le réseau hydrographique en provenance d’une installation septique peut être estimée lorsque toutes ces informations sont réunies. L’équation 10 (modifiée de APEL, 2009) résume la procédure :
(10) Où :
Psanitaire : Quantité de phosphore atteignant le réseau hydrographique (kg·année-1)
0,66 : charge de phosphore individuelle (kg·personne-1·année-1)
U : Usage (personne équivalente·année-1) (voir tableau 7)
Nlog : nombre de logements par habitation
T : Coefficient d'émission de phosphore selon le type d'équipement de traitement des eaux usées (voir tableau 8)
S : Coefficient d'émission de phosphore selon le type de sol dans lequel est logé l’équipement de traitement des eaux usées (voir tableau 9)
D : Coefficient d'atténuation relié à la distance de la source ponctuelle sanitaire par rapport au réseau hydrographique (voir tableau 10)
La somme des apports de chaque installation représente les sources ponctuelles sanitaires totales.
4.2.3.4 Sources ponctuelles directes
Les sources ponctuelles directes sont des apports de phosphore qui sont rejetés directement dans les cours d’eau. Il peut s’agir, par exemple, de rejets de stations de traitement des eaux usées, d’industries ou de pisciculture. Afin de déterminer la quantité de phosphore émise par les sources ponctuelles directes, il faut connaître le volume d’eau rejeté ainsi que sa concentration en phosphore total. Une concentration moyenne peut être utilisée, mais des volumes et des concentrations hebdomadaires ou mensuels apporteront davantage de précision. En multipliant le volume par la concentration, on obtient une masse de phosphore qui est ajoutée au bilan.
4.2.3.5 Phosphore en provenance des lacs en amont
Le phosphore provenant des lacs en amont qui transite par les affluents pour aboutir dans le lac récepteur doit être comptabilisé comme une source supplémentaire de phosphore. D’un lac à l’autre, le transfert est considéré comme complet, sans rétention dans les cours d’eau connecteurs. La concentration de l’émissaire est considérée équivalente à la concentration du lac, donc la concentration de phosphore total des lacs en amont estimée par le modèle est ajoutée aux autres sources de phosphore pour compléter le bilan (Dillon et al., 1986). La charge en phosphore exportée vers les lacs en aval est calculée avec l’équation 11 :
Où :
PTaval : Charge de phosphore total exportée vers le lac en aval (kg·année-1)
[PT]lac : Concentration en phosphore total du lac situé en amont (mg·L-1)
Q : Décharge annuelle du lac en amont (m3 · année -1)
4.2.3.6 Coefficients de rétention
Afin de modéliser la concentration de phosphore du lac, il faut non seulement tenir compte des intrants, mais aussi des extrants ou des pertes de phosphore. Les principaux mécanismes de perte de phosphore pour la colonne d’eau d’un lac sont la sédimentation et l’exportation vers l’aval via l’exutoire (Paterson et al., 2006). Une certaine proportion du phosphore qui atteint un lac sera déposée au fond ce qui implique qu’elle ne doit pas être prise en compte dans l’estimation de la concentration de phosphore dans la colonne d’eau. Cette portion du phosphore qui sédimente varie d’un lac à l’autre et elle est influencée par plusieurs facteurs dont le temps de résidence de l’eau (t), les conditions d’oxygénation de l’hypolimnion, la charge en phosphore, le stade trophique et la concentration en azote (Prairie, 1989). Elle est calculée dans le modèle par le coefficient de rétention (Rp).
Le coefficient de rétention est le plus souvent calculé à partir de la charge en eau (qs) ou du temps de
résidence de l’eau (t). Plusieurs auteurs (voir références dans le tableau 11) ont élaboré des méthodes permettant de quantifier la proportion de phosphore qui sédimentera dans un lac selon ses caractéristiques spécifiques. Sept coefficients de rétention ont été retenus pour cette étude. Certains d’entre eux s’appliquent à des lacs présentant des caractéristiques particulières dont il importe de tenir compte lors de l’utilisation du modèle. Par exemple, le coefficient n°5 convient autant pour les lacs polymictiques que les lacs stratifiés. Le coefficient n°6 est adapté pour les lacs oligotrophes dimictiques avec un hypolimnion bien oxygéné, alors que le coefficient n°7 est adapté pour les lacs stratifiés dont l’hypolimnion est anoxique pour une partie de l’année. Ce dernier permet donc d’inclure, dans une certaine mesure, la quantité de phosphore susceptible d’être libérée par les sédiments lacustres dans des conditions anoxiques lorsque celle-ci n’a pas été quantifiée par d’autres moyens.
Il est fortement recommandé de se référer à la littérature afin d’utiliser le ou les coefficients de rétention appropriés selon les caractéristiques du lac à l’étude. À l’intérieur même d’un bassin versant, des coefficients de rétention différents peuvent être appliqués aux divers lacs selon qu’ils soient, par exemple, profonds ou non ou que leur hypolimnion soit anoxique ou non.
Dans le cadre de cette étude, une moyenne des résultats obtenus avec les coefficients de rétention les plus appropriés a été utilisée pour estimer la concentration de phosphore total des lacs Nairne et Brûlé.
Tableau 11. Coefficients de rétention du phosphore utilisés dans le cadre de cette étude.
Numéro Formule Source
1 Rp= 10/(10+qs) Vollenweider, 1975 cité
dans Nürnberg, 1984
2 Rp= 0,426 exp(−0,271 qs) + 0,574 exp(−0,00949 qs) Kirchner & Dillon, 1975
3 Rp= (0,25 + 0,18τ)/(1 + 0,18τ) Prairie, 1989
4 Rp= 1/(1 + 1/τ 0,5) Larsen & Mercier, 1976
5 Rp= 15/(18+qs) Nürnberg, 1984:116, 1998
6 Rp= 12,4/(12,4+qs) Dillon et al., 1986
7 Rp= 7,2/(7,2+qs) Dillon et al., 1986
4.2.3.7 Validation
Les étapes décrites précédemment permettent de modéliser la concentration moyenne estivale de phosphore total d’un lac. La validation s’effectue en comparant les valeurs modélisées et les valeurs mesurées. À cette fin, une série d’échantillons d’eau a été prélevée au point le plus profond du lac Nairne à l’été 2010 (voir méthodes d’échantillonnage à la section 3.2.1). Les profils de concentration de phosphore ont permis de calculer une concentration moyenne estivale pondérée selon le volume de chaque couche d’eau échantillonnée qui a servi à la validation du modèle.
Lorsque plusieurs lacs sont présents dans le bassin versant, il est possible d’effectuer des tests statistiques afin de valider les résultats et de tester la fiabilité du modèle pour un bassin versant spécifique. Le nombre de lacs (2) dans le bassin versant du lac Nairne était insuffisant pour procéder à de tels tests, c’est pourquoi une comparaison valeur modélisée – valeur mesurée a été utilisée.