1-Ordres de grandeur, spécificités et impacts des exportations
2- Relations amont-aval et impact des évolutions à venir sur les exportations de
phosphore
Pour mettre au point des stratégies de réduction des flux de phosphore à l’échelle du bassin versant il convient d’évaluer les mécanismes, les processus et les structures en interactions, dont le rôle dans la mobilisation, le transfert, la rétention et l’impact potentiel du phosphore sur l’environnement, est essentiel. Ce schéma conceptuel de continuum source – transfert/stock - impact - est largement décliné dans la littérature spécialisée et s’enrichit de différentes notions telles que la notion de fonctionnement interne au cours d’eau (Dorioz et Poulenard, 2007) ou la notion d’impact sur le milieu récepteur (Withers and Haygarth, 2007 ; Haygarth et al., 2004). L’analyse systémique menée dans notre étude permet de montrer que ce continuum fonctionne de façon relativement discontinue dans le temps en alternant des phases de rétentions, remobilisations ou relargages en étroite relation avec l’activité hydrologique du bassin versant, la typologie des sources de pollutions et l'organisation actuelle et futur des flux dans le bassin versant et son réseau hydrographique. Les exportations traduisent des mécanismes d’acquisition et de transferts propres à chaque échelle d’étude (bassin versant amont agricole et bassin versant aval périurbain et agricole). La relative complexité d’un tel système explique les difficultés rencontrées pour analyser les processus de transferts puis modéliser ces exportations et rendre généralisable l'approche méthodologique.
2.1 Relations amont-aval : impacts sur les
mécanismes d’exportations.
A deux échelles différentes, les bassins versants d’études sont donc soumis à des apports non négligeables de phosphore ayant plutôt une origine diffuse agricole pour le bassin versant amont de l’Albenche et une origine mixte (rejets diffus agricoles, rejets ponctuels urbains) pour le bassin versant de la Deysse (à l'aval). Pour chaque niveau d’organisation du bassin versant, les mécanismes clés qui gouvernent l’acquisition et le transfert de la charge en phosphore des ‘zones sources’ vers l’exutoire du bassin diffèrent. Selon un gradient amont-aval marqué par des apports croissants de pollutions ponctuelles, les régimes d’exportations sont contrôlés par :
- l’hydrologie et l’hydromorphologie : pour les bassins amont comme
l’albenche, l’extension spatiale et temporelle de zones de saturation des sols (zones à sources variables (VSA)), et un transfert rapide des écoulements liés aux conditions géomorphologiques et géologiques du terrain, organisent les régimes d’exportations du phosphore (Pezet et al., 2013). A l’échelle du bassin de la Deysse, l’organisation du territoire favorise les phenomènes de zones tampons (forêts et plaine alluviale, zones ripariennes, annexes hydrauliques des cours d’eau, marais) qui modifient les transferts d’eau et de matières (sédiments, nutriments, bactéries) en favorisant les phénomènes de stockage et de gestion des restitutions au sein du cours d’eau (Viaud et al., 2005 ; Schmalz et al. 2008, Dorioz et al. 2011). En revanche, la périurbanisation des bassins versants diminue les temps de transferts notamment lors de crue de périodes non saturées (orages estivaux) et diminu les effets tampons.
- la dynamique hydro-sédimentaire : le bassin amont est marqué par des
apports importants de matière en suspension (principalement issue des berges et du lit du cours d’eau) à fort pouvoir fixateur (Poulenard et al., 2007). Le bassin versant de la Deysse est marqué par des mécanismes de reprise de sédiments du lit du cours d'eau. Ceux-ci proviennent de l'érosion diffuse des zones de stockages distribuées dans le paysage. Pour ce bassin versant, le flux de phosphore total est principalement contrôlé par ces mécanismes de reprise de sédiments stockés dans la rivière et par les spéciations de formes de phosphore qui s’opèrent au sein du réseau hydrographique. La zone de plaine agricole et de marais, joue également un rôle important sur la dynamique de rétention-restitution du phosphore et notamment du phosphore dissous par des phénomènes de solubilisation et de métabolisation (Reddy et al., 1999).
2.2 Relations amont-aval : modélisation des
transferts de phosphore
Afin de mieux représenter certains processus hydrologiques et certains mécanismes jouant un rôle important dans l’acquisition et le transfert de la charge en matières en suspension et phosphore, des développements spécifiques sur la modélisation sont apportés pour le bassin versant de l’Albenche (Pezet et al,. 2013) et pour le bassin versant de la Deysse.
Pour le bassin versant de l’Albenche, sur la base de travaux récents (Schneiderman et al., 2007, Easton et al., 2008) le modèle est adapté pour mieux tenir compte de la distribution dans l’espace et dans le temps des « zones à sources variables » (surfaces génératrices de ruissellements par saturation en eau des sols (Merot, 1988, Steehnuis et al., 1995)) et leurs impacts sur la mobilisation et le transfert de phosphore issue des « zones sources critiques » (ces sources combinent des stocks – du phosphore mobilisable par exemple – et un vecteur qui est le ruissellement de surface dans le cas présent (Gbureck et al., 2002, Heathwaite et al., 2005, Trevisan et al., 2010)). Dans un deuxième temps une amélioration est également apportée pour mieux simuler les flux de phosphore particulaire à partir du modèle d’érosion et de transport sédimentaire de SWAT. Cette dernière amélioration porte sur la prise en compte de la concentration en phosphore particulaire des différentes sources de matières en suspension (matériaux des berges, matériaux du lit de la rivière et du sol du bassin versant) dans le calcul du flux de phosphore particulaire à l’exutoire. Ces progrès, sur la prise en compte des
« zones sources variables » et des « zones sources critiques » permettent
d’apporter une nette amélioration sur la détermination puis la prédiction des flux de phosphore, dans le contexte spécifique du bassin versant de l’Albenche.
Pour le bassin de la Deysse, la régulation des flux de nutriments par des mécanismes hydrologiques mais aussi des phénomènes biotiques et abiotiques est relativement bien identifiée dans la littérature (Withers and Jarvie, 2008). La représentation de ces processus in stream n’est pas souvent prise en compte ou bien mal prise en compte dans les méthodes de calcul des pollutions diffuses. Certaines méthodes, relativement fiables et robustes dans un contexte donné, sont basées sur des modèles empiriques de répartition des flux (Pillleboue, 1987 ; Bowes et al., 2010 ; Jarvie et al., 2010). D’autres méthodes sont basées sur des modèles de bassin versant, semi-distribués ou distribués (SMDR, Hively et al., 2006 ; SWAT Neitsch et al., 2002 ; MIKE SHE Refsgaard et al., 1999). Nous avons développé, sur la base des travaux de Trevisan et al. (2012), une approche spécifique de modélisation pour le bassin versant de la Deysse. Cette approche est développée pour rendre compte partiellement des processus complexes et transitoires de dépôts, mobilisations, transferts des sédiments dans les cours d’eau, ainsi qu’une appréciation des phénomènes de rétention-désorption et de spéciation des différentes formes du phosphore. L’approche développée permet une nette amélioration de l’estimation des flux de phosphore à l’exutoire de la Deysse. Cependant pour certaines crues estivales de faibles débits ainsi que pour certaines crues de reprise hydrologique de 2009, le modèle développé sous estime encore les flux. C’est pendant ces périodes que les processus de rétentions du phosphore sur la phase solide sont les plus complexes, car ils sont également contrôlés par des processus biologiques (Withers et Jarvie, 2008). Les résultats du modèle laissent donc supposer qu’une fraction du phosphore remobilisable n’est pas simulée,
notamment en lien avec des processus physiques de dispersion ou des processus biologiques (Nemery et al., 2004 ; Trevisan et al., 2012). Radcliffe et al. (2009) soulignent l’intérêt de mieux modéliser ces interactions dans les modèles de pollutions diffuses.