QUALITÉ DE L’EAU ET CONSERVATION DES ÉCOSYSTÈMES AQUATIQUES

[ShOFM K55]

4.9.1 Généralités

Les projets de mise en valeur des ressources en eau devraient être élaborés et gérés d’une manière respectueuse de l’environnement. Ils doivent, de plus, respecter les normes de qualité de l’eau pour ne pas avoir d’effets néfastes sur les écosystèmes aquatiques et sur la qualité de l’eau. C’est l’objet de la présente section du guide. La section suivante (4.10) traite de la vaste question de la gestion envi-ronnementale des cours d’eau dans le cadre de la morphologie fluviale et de l’écologie, et notamment des impacts majeurs des projets de mise en valeur des ressources en eau sur les écosystèmes fluviaux ainsi que des méthodes couramment utilisées pour atténuer ces impacts ou les neutraliser.

Il existe des relations étroites entre, d’une part, certaines caractéristiques quantitatives des masses d’eau, notamment les régimes d’écoulement et la capacité de dilution dans les rivières ou encore le temps de vidange et les modes de stratification dans les lacs, et, d’autre part, leur fonctionnement écolo-gique et la qualité de leurs eaux. Comme les projets de mise en valeur des ressources en eau ont tendance à modifier certaines de ces caractéristiques quanti-tatives, il devrait être possible d’estimer ou de prévoir leurs effets sur l’environnement dans la mesure où les relations en question sont bien

comprises et définies. Malheureusement, ces rela-tions sont très complexes et ne sont connues, dans certains cas, que de façon qualitative. De plus, on dispose rarement des données nécessaires pour les paramétrer. Il est donc naturel que l’on ne puisse faire que des estimations grossières de la qualité de l’eau et des incidences environnementales des projets.

Lors de la Conférence internationale sur l’eau et l’environnement: le développement dans la pers-pective du XXI^e siècle (ONU, 1992), les Nations Unies ont formulé des recommandations en faveur de la protection de la qualité de l’eau et des écosys-tèmes aquatiques. Petts (1984), Gore et Petts (1989) et la Commission mondiale des barrages (2000) ont aussi proposé des recommandations prônant une conception et une exploitation respectueuses de l’environnement pour les projets de mise en valeur des ressources en eau ainsi que l’atténuation des incidences et la réorganisation et la remise à niveau des projets existants; ils fournissent en outre des références supplémentaires détaillées sur le sujet.

Des recommandations relatives aux barrages hydro-électriques et d’irrigation figurent dans Brookes (1988) et Gardiner (1991). Pour les projets de cana-lisation, on consultera Brookes et Shields (1996), et pour les ressources en eau des rivières, Cowx et Welcomme (1998) et OMM/APFM (2006). Les ouvrages de Thomann et Mueller (1987) et de Chin (2006) constituent une bonne introduction à la question de la qualité des eaux des rivières, des lacs et des réservoirs.

4.9.2 Relations entre la quantité et

la qualité de l’eau 4.9.2.1 Fleuves et rivières

La variabilité de la qualité des eaux des cours d’eau est due en grande partie aux variations de l’écoule-ment. Les variations de débit ont de nombreux effets sur la concentration et la charge en substances qui peuvent s’opposer. L’augmentation de débit d’un cours d’eau a généralement les conséquences suivantes:

a) Augmentation de la dilution des polluants associés aux rejets d’eaux résiduaires;

b) Augmentation de la charge solide en sus-pension provenant du ruissellement et de l’érosion du lit;

c) Libération des substances adsorbées ou préci-pitées dans les sédiments, notamment les phosphates et les métaux lourds;

d) Augmentation de la demande d’oxygène biochimique causée par l’agitation des subs-tances normalement déposées au fond du lit;

e) Diminution de la part des eaux souterraines par rapport aux eaux de surface dans l’écou-lement, conduisant habituellement à une baisse du pH;

f) Lessivage et donc réduction des organismes benthiques et des temps de séjour;

g) Atténuation des effets d’un déversement brusque de polluants;

h) Réduction de l’absorption du rayonnement solaire et baisse associée de la température et de l’activité photosynthétique;

i) Augmentation de la turbulence et meilleure aération, conduisant à une augmentation de la teneur en oxygène dissous, associée à une baisse de la température.

Bon nombre de ces effets varient d’intensité en fonc-tion de la fréquence des hautes eaux et de la période à laquelle elles se produisent. Une deuxième crue se produisant peu après une première peut n’avoir qu’un faible effet amplificateur sur les conséquences de la crue précédente. Un dégel et des chutes de pluie se produisant après une longue période de froid peuvent donner lieu à un soudain apport de sels de déneigement en provenance des routes et induire des pics de sodium et de chlorures, malgré l’augmen-tation de débit (4.7). Les modes d’utilisation des terres, les types de sols, le couvert végétal et d’autres caractéristiques de la partie du bassin versant d’où provient le ruissellement à l’origine d’une crue sont d’autres facteurs à même d’influencer l’ampleur des changements de qualité des eaux causés par les forts débits.

Plusieurs autres effets concernant la qualité de l’eau peuvent découler d’une augmentation du débit fluvial se traduisant par une forte montée des eaux dans les plaines d’inondation, et notamment:

a) L’atténuation des crues par un stockage accru dans la vallée et les berges, conduisant à une réduction des débits de crue en aval, avec une atténuation des effets figurant aux alinéas a à i de la liste précédente;

b) L’augmentation du rapport surface-volume favorisant l’absorption du rayonnement solaire, la montée des températures et l’activité photo-synthétique;

c) La réduction des vitesses d’écoulement en plaine d’inondation, réduisant la réaération et favorisant le dépôt des matières en suspen-sion potentiellement polluées en dehors du lit principal;

d) L’augmentation des contacts avec des sédi-ments antérieurs, des structures de sol variées, des décharges, des stations d’épuration, des produits chimiques industriels, etc., qui peuvent entraîner une pollution du cours d’eau.

Les périodes d’étiage conduisent habituellement à des effets opposés à ceux résultant des augmenta-tions de débit. De plus, les périodes de basses eaux s’accompagnent souvent de fortes variations diurnes des caractéristiques relatives à la qualité de l’eau, par exemple l’oxygène dissous, le dioxyde de carbone, le pH et la température. En climat aride, l’évaporation peut avoir un effet notable sur la concentration de substances variées dans l’eau. En climat froid, les périodes hivernales de basses eaux peuvent aussi correspondre à des périodes de déficit en oxygène chaque fois que la couverture de glace interfère avec le processus de réaération de l’eau.

4.9.2.2 lacs et réservoirs de grande dimension

Certes la stratification thermique est le résultat de facteurs naturels, mais la pollution thermique et l’augmentation de la température de l’eau décou-lant d’une réduction de l’écoulement peuvent aussi en être la cause ou y contribuer (voir 4.9.5.4).

La figure II.4.45 montre un profil représentatif de la stratification estivale dans un grand réservoir de stockage. La stratification thermique peut conduire à la stratification de l’oxygène dissous, particuliè-rement dans les lacs et réservoirs mésotrophes et eutrophes, ainsi qu’à la stratification d’autres subs-tances dissoutes. C’est dans l’épilimnion, c’est-à-dire la couche supérieure de l’eau, que l’eau est la plus chaude en été et qu’elle présente en général la meilleure qualité. Une réduction de la teneur en silicates résultant de la multiplication des diato-mées y est vraisemblable, ainsi qu’une réduction de la dureté de l’eau due aux apports directs d’eau de pluie et, surtout, une augmentation de l’oxygène dissous découlant des échanges avec

Figure II.4.45. Profil représentatif de la stratification thermique estivale dans un grand réservoir de stockage pour un

barrage de grande hauteur

Barrage Surface de l’eau

Épilimnion 35 °C Métalimnion 10 °C à 35 °C (thermocline)

Hypolimnion 10 °C

7 °C

Débit entrant

l’atmosphère et de l’activité de photosynthèse du phytoplancton et des macrophytes.

C’est dans l’hypolimnion, c’est-à-dire la couche d’eau la plus profonde, que l’eau est la plus froide en été et qu’elle présente une concentration réduite d’oxygène dissous. Diverses substances potentielle-ment nocives s’y accumulent fréquempotentielle-ment par dépôt sur le fond, adsorption sur les sédiments et ingestion par des organismes vivants qui, lorsqu’ils meurent, se décomposent au fond du lac (voir 4.9.5.3). L’hypolimnion peut être le siège d’une décomposition anaérobie des algues et d’autres organismes. Un accroissement des concentrations d’ammoniac et de sulfure d’hydrogène y est vrai-semblable, ainsi qu’une diminution des concentra-tions de sulfate et de nitrate, une accumulation de sédiments et, occasionnellement, de métaux lourds et une augmentation périodique des concentrations de fer, de manganèse et de phosphate.

Durant l’inversion thermique que cause le refroidis-sement saisonnier de la surface du lac, une circula-tion convective prend place, qui entraîne un mélange vertical et une uniformisation de la température.

Dans les lacs et réservoirs profonds dont le volume de l’hypolimnion est important, ce phénomène d’inversion peut occasionner la mort de poissons et d’autres problèmes, en raison du grand volume d’eau de mauvaise qualité qui vient se mélanger avec les eaux de meilleure qualité de l’épilimnion.

Outre les effets énumérés ci-dessus, il est à signaler que:

a) Dans les grands lacs et réservoirs, on observe une biodégradation avancée de la matière orga-nique compte tenu de la longueur du temps de séjour;

b) On peut aussi s’attendre à une atténuation des variations de la qualité de l’eau pour la même raison;

c) La qualité de l’eau des rivières alimentées par les réservoirs dépend en grande partie de la présence du phénomène de stratification et du niveau auquel la prise d’eau se situe, alors que les rivières débouchant naturellement de lacs non régularisés sont approvisionnées en eau de l’épilimnion.

4.9.3 Effets des projets de mise en valeur des ressources en eau sur la qualité de l’eau dans les cours d’eau 4.9.3.1 Barrages et déversoirs

En rehaussant le niveau de l’eau en amont, les barrages et, dans une moindre mesure, les déversoirs

produisent les effets ci-après sur la qualité de l’eau de la section d’amont du cours d’eau:

a) Une intensification des processus d’autoépura-tion liés à l’augmentad’autoépura-tion du temps de séjour dans le tronçon et du dépôt des matières en suspension, d’où un accroissement de l’absorp-tion du rayonnement solaire et un changement des caractéristiques sédimentologiques du lit;

b) Il en résulte une élévation de la température de l’eau et une intensification de la production de phytoplancton, une augmentation de la consommation d’oxygène et un accroissement des fluctuations nycthémérales de l’oxygène, du pH et du dioxyde de carbone.

Les barrières physiques et les variations de la qualité de l’eau peuvent perturber la migration des pois-sons. La qualité de l’eau est également sensible aux modifications que subissent les berges ou la végéta-tion riveraine, gouvernées localement par la topographie, le climat et les variations du niveau d’eau. À titre d‘exemple, la turbidité de l’eau peut augmenter dans les réservoirs dont le niveau fluctue. En climat froid, les barrages et déversoirs créent des conditions favorables à un prolongement de la durée pendant laquelle les tronçons d’amont sont couverts de glace. Cela engendre une diminu-tion de la réaéradiminu-tion. La stratificadiminu-tion thermique, dans le cas du stockage de grands volumes, peut entraîner d’autres effets encore. L’intensification de la pollution retenue dans le réservoir peut conduire à une eutrophisation ou engendrer des conditions anaérobies (voir 4.9.5.1 et 4.9.5.2 respectivement).

Les effets des barrages ou déversoirs sur la qualité de l’eau en aval dépendent du temps de séjour dans la retenue, qui est défini comme le rapport entre le volume stocké et le débit de l’écoulement. Ils sont fonction aussi de la stratification ainsi que de la conception et de l’exploitation de l’ouvrage, parti-culièrement le niveau auquel sont situés les ouvrages de prise et leur position par rapport à l’hypolim-nion. Les effets les plus importants sont les suivants:

a) Réduction de la charge solide en suspension, de la charge de pollution et de la turbidité;

b) Modifications des caractéristiques chimiques de l’eau (souvent une diminution de la concen-tration d’oxygène et de nitrates dissous) et augmentation de la concentration des phos-phates, du dioxyde de carbone et du sulfure d’hydrogène, en particulier quand des condi-tions anaérobies prévalent en amont dans le cas de ce dernier;

c) Abaissement de la température estivale et élévation de la température hivernale de l’eau, avec des effets majeurs sur les populations d’invertébrés et de poissons en aval;

d) Réduction des fluctuations nycthémérales de la température, à laquelle la faune et la flore du cours d’eau doivent s’adapter.

4.9.3.2 ouvrages de correction des cours d’eau La correction des cours d’eau se caractérise d’ordi-naire par la rectification et l’approfondissement du chenal pour différentes raisons, notamment la navigation, la maîtrise des crues, l’amélioration de l’utilisation des sols ou la protection contre l’éro-sion. Cela entraîne une modification des caracté-ristiques géométriques et hydrauliques des chenaux et, quelquefois, de la plaine d’inonda-tion. La section 4.6 propose davantage d’informa-tions à ce sujet.

Quand la correction d’un cours d’eau vise à faciliter la navigation, elle comporte généralement la construction de déversoirs et d’écluses. Outre les effets des déversoirs (4.9.3.1), les travaux de correc-tion et l’exploitacorrec-tion des canaux de navigacorrec-tion entraînent une augmentation de la turbidité et un mélange des eaux et une aération dus à l’action mécanique du déplacement des bateaux. Les bateaux sont aussi source de pollution permanente et acci-dentelle et peuvent remettre en suspension des sédi-ments du fond contaminés. Le dragage des voies de navigation peut causer les mêmes problèmes. Dans d’autres cas, la correction des cours d’eau provoque une réduction des capacités d’autoépuration, car la rectification des berges élimine les zones d’eau stagnante qui sont les plus favorables à l’autoépura-tion et au développement de la vie animale et végé-tale. La réduction du rapport surface-volume entraîne la réduction de l’absorption du rayonnement solaire et de la réaération. Cette réaération moindre peut être en partie compensée par un recalibrage produi-sant une augmentation de la vitesse d’écoulement.

4.9.3.3 Réduction et augmentation des débits

En plus des effets des barrages en matière de régula-risation des débits, beaucoup de projets de mise en valeur des ressources en eau entraînent une réduc-tion du débit en aval par dérivaréduc-tion de l’approvi-sionnement en eau destiné à différents usages ou une augmentation des apports d’eau par captage de sources extérieures au bassin versant.

Lorsque les eaux extraites subissent un traitement et que les boues résiduaires sont retournées au cours d’eau d’origine ou que l’eau est dérivée à partir des parties les moins polluées de la section transversale du cours d’eau, les effets de dérivation équivalent à une réduction du débit ou à un apport de polluants

(voir 4.9.5). La restitution des boues et résidus est normalement soumise aux dispositions réglemen-taires et légales concernant la qualité des effluents, lesquelles diffèrent considérablement d’un pays à l’autre.

Les effets de l’augmentation des débits dépendent principalement de la qualité des eaux apportées par rapport à celles de la rivière réceptrice. Un apport d’eau de mauvaise qualité est équivalent à une pollution, tout comme l’est l’effet net d’un projet de dérivation d’eau à partir d’un affluent plus propre.

4.9.4 Effets des projets de mise en valeur des ressources en eau sur la qualité de l’eau dans les lacs et les

réservoirs de grande dimension Les projets de mise en valeur des ressources en eau peuvent aussi avoir un effet positif ou négatif sur la qualité de l’eau des grands lacs et réservoirs. Un projet qui prévoit le prélèvement d’une eau dont la qualité est supérieure à la moyenne (par exemple, à partir de l’épilimnion) contribuera en général à altérer la qualité de l’eau du lac. Il en va de même lorsqu’une eau de qualité relativement médiocre est introduite par pompage dans un lac ou un réservoir. Comme cela est expliqué à la section 4.9.2, la qualité de l’eau sortant d’un réservoir dépend de la présence ou non d’une stratification et du niveau auquel la prise se situe.

La qualité de l’eau dans un grand réservoir est déterminée, pour une large part, par les caractéris-tiques des terrains noyés avant la mise en eau et du traitement qui leur aura été appliqué. Si le fond du futur réservoir est constitué de sols riches en matière organique (humus), celle-ci sera lessivée à l’occasion du remplissage du réservoir, ce qui peut conduire à une eutrophisation accélérée (voir 4.9.5.1). L’évacuation du sol et de la végétation avant la mise en eau permet d’éviter ce phéno-mène, mais c’est une opération coûteuse.

4.9.5 Effets de la pollution sur la qualité de l’eau

4.9.5.1 eutrophisation

La concentration excessive de nutriments – nitrates et phosphates – dans les eaux usées d’origine urbaine ou les eaux de ruissellement d’origine rurale constitue l’une des formes de pollution les plus communes. Il en résulte habituellement une efflorescence algale, particulièrement dans les zones de faible courant. Cela s’accompagne d’une

réduction de la concentration d’oxygène dissous et peut conduire à une diminution sensible de certaines populations animales ou végétales, voire à la disparition de certaines espèces. Ce processus s’appelle l’eutrophisation. C’est un processus naturel qui indique le degré de maturité ou d’an-cienneté des lacs. S’il est naturel uniquement, le processus peut prendre des siècles ou des millé-naires selon la taille du lac, les conditions hydrolo-giques et la couverture végétale du bassin. La civilisation est responsable de l’eutrophisation accélérée d’un grand nombre de lacs dans le monde.

S’agissant de la qualité des eaux, l’eutrophisation et ses causes constituent un problème de premier plan. Des recherches considérables consacrées à l’eutrophisation anthropique ont abouti à la déter-mination de nombreux critères et modèles quanti-tatifs pour l’évaluation de son développement. On a élaboré en outre différentes méthodes visant à améliorer les conditions des lacs eutrophisés par les activités humaines. Bien que l’absence de nombreux éléments puisse limiter la productivité primaire, celle de l’azote et du phosphore est probablement la plus apte à limiter la croissance des algues dans les eaux naturelles. Dans certains pays, on tente de ralentir cette progression de l’eutrophisation en interdisant l’utilisation des composés phosphorés dans les détergents ou en mettant en œuvre des processus perfectionnés de traitement tertiaire pour retirer le phosphore et l’azote des eaux usées.

Les effets de l’eutrophisation se manifestent par des changements rapides dans les écosystèmes lacustres touchés. Peu d’espèces se maintiennent dans des milieux extrêmement pollués. Quand la pollution est due à des agents toxiques, peu, voire très peu d’individus de chaque espèce parviennent à survivre. Cependant, quand la pollution est due à un excès de nutriments, une poignée d’espèces peut atteindre un chiffre de population élevé en raison de leur productivité accrue, mais cela va toujours de pair avec une baisse de la diversité due à l’exter- mination de beaucoup d’autres espèces incapables de résister à la détérioration des conditions environnementales.

Henderson-Sellers et Markland (1987), Harper (1991), et Ryding et Rast (1989) fournissent des informations détaillées sur l’eutrophisation anthro-pique et de possibles solutions

4.9.5.2 matière organique et autoépuration Pour une grande partie, les substances polluantes d’origine urbaine, industrielle et surtout agricole se

composent de matière organique. Plusieurs phéno-mènes se produisant dans les eaux naturelles ont

composent de matière organique. Plusieurs phéno-mènes se produisant dans les eaux naturelles ont