2.4 Outils de diagnostic
2.4.4 Stations utilisées pour la validation des résultats
Les sorties de simulation sont systématiquement comparées graphiquement et statistiquement
aux mesures aux stations du SIAAP (11 localisations) et du RCS (15 localisations) (Fig.1.2, p.
32). Les variogrammes expérimentaux avec le modèle linéaire de co-régionalisation ajusté des
concentrations simulées sont comparés à ceux des concentrations mesurées à l’ensemble des sta- tions SIAAP et à la station RCS de Poses, où la fréquence de mesure est comparable à celle de l’auto-surveillance du SIAAP. Ceci permet de comparer la variabilité des concentrations observées et simulées à l’aval du domaine étudié, à l’entrée de l’estuaire fluvial. Les données étant beaucoup moins denses au niveau des autres stations de mesure du RCS, la composante de la variabilité à court terme des concentrations ne peut pas être étudiée. L’ensemble de ces résultats se trouve en
annexe (annexeD, p.239).
Dans la partieII (p.63) du mémoire, les résultats aux stations SIAAP de Suresnes, Bougi-
val, Sartrouville et Poissy et aux stations RCS de Meulan-en-Yvelines et Poses sont présentés. La station de Suresnes est représentative du système en amont du linéaire étudié, à l’amont des prin- cipaux rejets de l’agglomération parisienne. La station de Bougival, située sur un bras de Seine non navigable, en amont d’un barrage, permet d’étudier le fonctionnement du système en dehors des bras principaux de Seine, où les débits sont généralement régulés par des ouvrages hydrau- liques. Cette station est située à l’aval des principaux DOs et de la STEP Seine Centre. La station de Sartrouville est située à environ 10 km en aval de Bougival, dans une zone à un seul bras. Enfin la station SIAAP de Poissy est située en aval de la confluence Seine-Oise et du rejet de la STEP Seine Aval. Les stations de Meulan-en-Yvelines et de Poses permettent de valider le modèle
en aval du linéaire étudié, jusqu’à l’estuaire. Les données de suivi des concentrations en O2 du
SIAAP n’étant pas acquises aux mêmes points de mesures que celles des autres substances, les
résultats de simulation de l’O2 sont comparés aux stations ODES du SIAAP de Suresnes, Bou-
gival, Sartrouville et Méricourt et aux stations RCS de Poissy et Poses. Les chroniques simulées sont comparées graphiquement aux chroniques observées et les statistiques sont données pour les périodes de basses eaux et de hautes eaux. Les variogrammes expérimentaux et modèle linéaire de co-régionalisation ajustés des chroniques de concentrations observées et simulées sont comparés aux 4 stations du SIAAP et à Poses. La fréquence de mesure à la station RCS de Meulan-en-
Yvelines (ou de Poissy pour l’O2) ne permet effectivement pas d’étudier les mêmes composantes
temporelles de la variabilité des concentrations.
Les mesures aux stations haute fréquence du réseau CARBOSEINE permettent de valider la
simulation du phosphore à des échelles de temps fines (cf. chapitre4, p.79) et d’étudier les dyna-
miques phytoplanctoniques et le métabolisme du système (chapitre6, p.123).
Enfin, les profils en long des quantiles de concentration (10 %, 50 % et 90 %) pour la période 2007-2012 sont tracés et comparés aux quantiles de concentration calculés à l’ensemble des 10 stations SIAAP et des 13 stations RCS situées sur la Seine. L’impact de la fréquence de mesure
2.5. Points clé 59
sur les valeurs des quantiles calculés aux stations et la validité de ces critères sont discutés au
chapitre8(p.171).
2.5
Points clé
• PROSE est un modèle distribué qui s’appuie sur des modules d’hydrodynamique et de
transport à base physique. Il permet de simuler la réponse d’une rivière à différentes pressions extérieures avec une résolution spatio-temporelle fine. Le caractère espèce-
centré de son module biogéochimique (basé sur RIVE, Billen et al. (1994)), permet,
outre l’étude de la qualité de l’eau en termes de concentrations de nutriments, d’étudier les dynamiques des micro-organismes influençant ces concentrations.
• Trois évolutions majeures ont été apportées au modèle PROSE: i) les processus d’éro-
sion ont été reformulés, en se basant sur la théorie de la capacité de transport, ii) les processus d’adsorption/désorption du PRD sur les MES minérales ont été intégrés au modèle via une loi d’équilibre de Langmuir, et iii) les processus de biodégradation avec formation de métabolites ont été implémentés afin de simuler les dynamiques de pol- luants émergents, comme les alkylphénols, dans le milieu.
• Le module biogéochimique de PROSE, C-RIVE, a été extrait et peut notamment être
utilisé indépendamment pour simuler des expériences en laboratoire.
• Les concentrations simulées sont systématiquement comparées aux concentrations me- surées aux stations de mesure du SIAAP et du RCS, graphiquement et statistiquement. Les critères statistiques des concentrations sont calculés en hautes eaux et en basses eaux, afin de visualiser les différences de fonctionnement biogéochimique en fonction des conditions hydrologiques. Dans le corps du mémoire, les résultats sont présentés aux stations du SIAAP de Suresnes, Bougival, Sartrouville et Poissy (Méricourt pour
les résultats d’O2) et aux stations RCS de Meulan-en-Yvelines (Poissy pour les résul-
tats d’O2) et de Poses. Ces stations constituent un ensemble représentatif du domaine
simulé, permettant d’étudier le fonctionnement du système respectivement en amont des principaux rejets, au niveau des zones à plusieurs bras, en aval des principaux rejets et en amont de l’estuaire fluvial de la Seine.
• Une analyse variographique des concentrations permet de compléter la validation des processus biogéochimiques en comparant la variabilité des concentrations mesurées à celle des concentrations simulées à différentes échelles de temps.
Deuxième partie
Implémentation et ajustement des
processus biogéochimiques
Chapitre 3
Processus hydro-sédimentaires
Les MES jouent un rôle majeur dans le fonctionnement biogéochimique des systèmes aquatiques. Elles contribuent notamment au transport de nutriments, du carbone organique
(Meybeck, 1982), mais aussi de pathogènes (Droppo et al., 2009; Pandey et al., 2012) ou
de composés métalliques (Bibby and Webster-Brown,2005). L’impact environnemental du
transport de sédiments par les rivières a notamment été souligné parGolterman et al.(1983),
Walling (2005) ou encore Bilotta and Brazier (2008). De nombreux processus biogéochi- miques, comme l’adsorption du phosphore sur les MES minérales, les processus de pom- page benthique ou encore la photosynthèse, sont liés aux concentrations et aux flux de MES dans le milieu. La validation des processus hydro-sédimentaires dans les modèles hydro- biogéochimiques doit donc être réalisée avant d’utiliser le modèle pour l’étude des autres processus biogéochimiques.
Les flux de MES en rivière sont très variables temporellement et spatialement (Meybeck, 1982) et peuvent être largement influencés par les activités humaines (Walling, 2006; Bo- nachea et al., 2010; Dang et al., 2010;Balthazar et al., 2013). Dans le modèle PROSE, les
processus d’érosion et de sédimentation sont simulés simultanément. L’érosion est décrite
physiquement, en se basant sur la théorie de la capacité de transport (cf. sous-section2.2.2
du chap.2, p.50). L’effet des activités anthropiques sur les processus hydro-sédimentaires est
appréhendé via la prise en compte de la remise en suspension par la navigation. Un terme de puissance additionnel permet de prendre en compte l’impact « moyen » de cette source d’éro- sion. Deux sources d’érosion sont ainsi prises en compte : l’érosion due à la puissance hydrau- lique de l’écoulement naturel et celle liée à la puissance transmise par la navigation. L’érosion liée à la navigation est prédominante lors des périodes de basses eaux, qui coïncident généra- lement avec les périodes de plus forte activité biogéochimique. Les deux paramètres d’érosion (pourcentage de la puissance hydraulique totale de l’écoulement utilisé pour la remise en sus- pension et puissance transmise par la navigation utilisée pour la remise en suspension) sont ajustés grâce à une procédure de calibration et de validation simultanées. L’approche utilisée se fonde sur la distinction entre les fonctionnements du système en basses eaux et en hautes eaux. Cet ajustement permet d’obtenir une bonne estimation des concentrations en MES et de leur variabilité sur la période de 6 ans simulée et sur l’ensemble du linéaire étudié. La bonne représentation des processus hydro-sédimentaires dans le modèle permet d’estimer le taux d’accumulation des particules dans le lit de la Seine et de quantifier la contribution de la navigation à la remise en suspension des particules. Ce travail a fait l’objet d’une publication
dans Science of the Total Environment (Vilmin et al.(2015), cf. annexeE, p.315).
3.1
Simulation des processus hydro-sédimentaires
Le devenir des MES dans les milieux aquatiques est généralement simulé à l’échelle de bassins
versants entiers (Viney and Sivapalan,1999;Dietrich et al.,1999;Wilkinson et al.,2009,2014;
Theuring et al.,2013). C’est pourquoi les modèles distribués de processus sédimentaires prennent généralement en compte de nombreux processus (dont l’érosion des versants, le dépôt dans les plaines inondables, l’érosion des berges, l’érosion du lit du cours d’eau, etc.), ce qui nécessite de nombreux paramètres descriptifs.
Dans ProSe, seul les processus ayant lieu dans le lit de la rivière sont représentés. C’est pour- quoi nous ne nous intéressons ici qu’à l’érosion et à la sédimentation au fond de la rivière. L’éro- sion et la sédimentation des MES sur le lit des cours d’eau peuvent être calculées par des méthodes empiriques, par exemple en utilisant des courbes de tarage, qui permettent d’estimer la concentra-
tion en MES en fonction du débit du cours d’eau (Asselman,2000;Armijos et al.,2013), ou avec
des équations physiques (Wicks and Bathurst,1996;De Roo et al.,1996).
Les modèles de transport sédimentaire à base physique utilisent généralement la théorie de
la capacité de transport (Bagnold, 1966; Celik and Rodi, 1991; Yang, 1996;Prosser and Rus-
tomji,2000;Tayfur,2002), qui traduit mathématiquement le fait que l’écoulement peut charrier une masse maximale de particules, qui dépend de sa puissance hydraulique. Si cette masse est atteinte, les sédiments ne peuvent plus être érodés. Les modèles à base physique considèrent soit que l’érosion et la sédimentation ont lieu simultanément à chaque instant, soit que seul l’un des deux processus peut avoir lieu à la fois, en fonction de la vitesse de cisaillement au fond de la
rivière (Wicks and Bathurst,1996;De Roo et al.,1996). La formulation simultanée adoptée dans
PROSEsemble plus appropriée pour les rivières naturelles, dont les profils en travers peuvent être
très hétérogènes et peuvent comporter des zones de dépôt et d’érosion. De plus, dans les rivières naviguées, les particules du fond peuvent être remises en suspension lors du passage de bateaux, notamment en période de basses eaux, au cours desquelles la vitesse de cisaillement au fond est plus faible et où la sédimentation prédomine.
Dans PROSE, les flux de sédimentation et d’érosion sont donc calculés simultanément à chaque
pas de temps. Les formulations employées sont présentées en détail dans la sous-section2.2.2du
chapitre2(p.50) et à l’annexeA(p.215). Deux sources d’érosion sont prises en compte : l’éro-
sion due à la puissance hydraulique de l’écoulement naturel, dont une fraction η est utilisée pour la remise en suspension des particules, et l’érosion liée à la navigation. L’érosion liée à la naviga-
tion est paramétrée par Pnavig[ML−2T−1], qui est proportionnelle à la puissance transmise par la
navigation utilisée pour la remise en suspension des particules. Les autres sources potentielles de remise en suspension, comme les poissons ou certains organismes benthiques, ne sont pas prises
en compte. L’expression utilisée pour le calcul du flux d’érosion total (Φero[ML−2T−1]) dans une
section s’écrit :
Φero = ζ (η ρeauJU+ Pnavig) (3.1)
où ζ = 1
∑iχiρi−ρeauρi , χi [-] est la fraction massique de l’espèce particulaire i dans la couche
sédimentaire, ρeauet ρi [ML−3] sont les masses volumiques de l’eau et de l’espèce particulaire i,
J[-] est la pente d’énergie de l’écoulement, U [LT−1] est la vitesse moyenne de l’écoulement au
sein de la section.
Dans le modèle, les MES sont classées en différents types de variables biogéochimiques : MES minérales, matière organique particulaire détritique, phytoplancton (diatomées et chloro- phycées), bactéries hétérotrophes (petites et grosses), bactéries nitrifiantes (nitrosantes et nitra- tantes). Chaque variable biogéochimique est caractérisée par sa vitesse de sédimentation, qui reste
3.1. Simulation des processus hydro-sédimentaires 65
(Meybeck et al.,1998b), sauf pour le phytoplancton et les bactéries, pour lesquels les vitesses de
sédimentation varient entre 0.0005 m·h−1 pour les chlorophycées et 0.1 m·h−1 pour les grosses
bactéries hétérotrophes (Garnier et al.,1992,1995). La fraction minérale des MES est regroupée
en une seule fraction. La répartition granulométrique des sédiments déposés sur le fond n’est pas calculée. Les vitesses de sédimentation étant basées sur des moyennes de vitesses de sédimentation observées pour des sédiments in-situ, des flux globaux de sédiments transportés par l’écoulement ou accumulés sur le lit du cours d’eau peuvent être estimés.
La puissance dissipée par la navigation, et utilisée pour la remise en suspension des sédiments du fond, est très complexe à déterminer pour des échelles spatio-temporelles fines. La navigation
génère des ondes (Parchure et al.,2001;Martin,2001;Verney et al.,2007;Ji et al.,2012) qui in-
duisent une forte variabilité des caractéristiques hydrodynamiques de l’écoulement (hauteur d’eau et champ de vitesses). Ces processus ont lieu à des échelles fines de temps et d’espace et génèrent des hétérogénéités hydrodynamiques et sédimentaires au sein d’une section en travers de rivière
(Nanson et al.,1994;Parchure et al.,2001;Martin,2001;Verney et al.,2007). Le tronçon de Seine
étudié est un chenal de navigation à grand gabarit, où circulent des péniches ou des barges dont
la longueur peut atteindre plus de 150 m (Martin, 2001). L’énergie transmise par la navigation
est, en un point et à faibles échelles de temps, extrêmement variable. L’effet à court-terme de la navigation n’est pas visible sur les mesures hebdomadaires utilisées ici. La Seine étant densément naviguée, il est supposé dans ce travail que la navigation est constante et que à chaque instant, une partie des MES dans la colonne d’eau a été remise en suspension par la navigation. Le terme Panthro=
g Pnavig
η [ML
−1T−3] correspond à une estimation de la puissance moyenne transmise par
la navigation.
FIGURE3.1 – Processus sédimentaires représentés dans PROSE
Le paramètre Pnavigest fixé à zéro dans les bras non navigables. Il est constant pour le restant
des autres tronçons simulés. Aucun sédiment n’est présent sur le lit de la rivière en début de simulation. Ceci revient à émettre l’hypothèse que la totalité de la couche de sédiments a été érodée pendant l’hiver 2006-2007. Les MES sont également transportées par le flux advectif de