Transport d'éléments-trace par les particules en suspension dans les rivières: comparaisons de quelques méthodes de quantification

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Transport d'éléments-trace par les particules en suspension dans les rivières: comparaisons de quelques méthodes de quantification

FAVARGER, Pierre-Yves, VERNET, Jean-Pierre

Abstract

La technique d'échantillonnage en continu et proportionnel au débit d'une rivière permet une bonne estimation des divers flux annuels et saisonniers d'éléments-trace liés aux matières en suspension (MES). Elle implique cependant la mise en œuvre d'installations coûteuses et à priori intransportables. Lorsque les régimes saisonniers de la rivière sont bien connus, il est possible d'obtenir à moindre frais une estimation de ces flux par des méthodes alternatives plus accessibles, tels que l'examen de suspensions récoltées ponctuellement à des moments judicieusement choisis, ou encore celui de sédiments déposés dans le lit naturel de la rivière.

FAVARGER, Pierre-Yves, VERNET, Jean-Pierre. Transport d'éléments-trace par les particules en suspension dans les rivières: comparaisons de quelques méthodes de quantification. In:

Vernet, Jean-Pierre. Hommage à F.-A. Forel: troisième Conférence internationale des limnologues d'expression française . Morges : J.-P. Vernet, 1991. p. 71-74

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http://archive-ouverte.unige.ch/unige:152498

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TRANSPORT D'ELEMENTS-TRACE PAR LES PARTICULES EN SUSPENSION DANS LES RIVIERES:

COMPARAISON DE QUELQUES METHODES DE QUANTIFICATION.

P.-Y. Favarger*, J.-P. Vernet*.

RESUME

La technique d'échantillonnage en continu et proportionnel au débit d'une rivière permet une bonne estimation des divers flux annuels et saisonniers d'éléments-trace liés aux matières en suspension CMESl. Elle implique cependant la mise en oeuvre d'installations coûteuses et à priori intransportables. Lorsque les régimes saisonniers de la rivière sont bien connus, il est possible d'obtenir à moindre frais une estimation de ces flux par des méthodes alternatives plus accessibles, tels que l'examen de suspensions récoltées ponctuellement à des moments judicieusement choisis, ou encore celui de sédiments déposés dans le lit naturel de la rivière.

INTRODUCTION

Entre 1986 et 1990, 1a·commission Internationale pour la protection des eaux du Léman (CIPEL) a financé une étude destinée à estimer les flux de métaux et autres éléments d'intérêt liés aux sus·

pensions entre le Rhône et le Léman (réf. 1 ). Pour des raisons d'économie, ce plan a été limité à 6 prélèvements annuels d'eau brute et à un seul site de prélèvement (fig. 1 ). Le présent travail aborde la comparaison des performances de ces méthodes au travers de quelques résultats concernant l'embouchure du Rhône en amont du Léman et de quelques éléments trace. Nous avons choisi de limiter cette étude préliminaire à l'année 1989. En effet, les MES des années précédentes ont déjà été utilisées partiellement pour d' autres études cepen- dant qu'une partie des résultats de 1990 sont la propriété de la CIPEL et ne pourront pas être divulgués avant octobre 1991.

TERRAIN ET LABORATOIRE

Les échantillons instantanés sont récoltés à 1.8 km de l'embouchure selon une méthode de prélèvement par pompage de 700 à 1400 litres d'eau brute (durée: 1 h 30 à 3 h) et isolation des MES par centrifugation in situ (réf. 2 et 3). Le prélèvement en continu est effectué par le Service

FRANCE

0 50 100 km

SUISSE

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hydrologique et géologique national au moyen d' Fig. 1 - Zone de prélèvement.

une installation automatique située à 5.9 km du lac,

à la Porte du Scex. Le Rhône ne reçoit aucun affluent entre ces deux points. Les sédiments sont récoltés depuis la berge, à la main ou à l'aide d'un puisoir, à 4 points situés respectivement à 1.8, 3.1, 4.3 et 5.9 km de l'embouchure afin de tester l'homogénéité de la zone. Ils sont soumis à un tamisage humide pour éliminer la fraction supérieure à 0.63 mm, séchés à l'étuve à 600 C et homogénéisés. Les échantillons d'eau brute sont prélevés en continu par une installation automatique asservie au débit (réf. 4). Ils sont centrifugés au laboratoire, le résidu étant ensuite séché par lyophilisation et pesé. Les éléments chimiques sont déterminés par spectrométrie d'émission atomique en plasma inductif (ICP). couplé pour Hg, Sn, Sb et Se à un générateur d'hydrures CICP-H). Pour les échantillons de MES intégrés, la quantité de matière est si faible

*Institut F.·A. Farel, Université de Genève, CH-1290 Versoix, Suisse.

qu'une nouvelle méthode d'analyse en ICP et ICP-H sur 1 OO mg d'échantillon a dû être développée. Le Cd est déterminé par absorption atomique avec four graphite.

METHODES D'ESTIMATION DES FLUX

A) Echantillons instantanés de MES. La figure 2 expose la méthode utilisée pour l'estimation des flux de matière à partir de ces échantillons. Elle consiste à extrapoler les concentrations mesurées sur chacun des 7 échantillons instantanés aux périodes précédentes et suivantes (flèches horizon-

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Fig. 2 - Calcul des flux liés aux MES (échantillonnage instantané): exemole du mercure.

tales). Ce report tient compte, autant qu'il est possible, des différences saisonnières de débit et de flux particulaire. On considère donc qu'une analyse instantanée est représentative de toute la période désignée (2 à 5 quinzaines).

8) Echantillons continus. Le regroupage des 52 échantillons hebdomadaires a été réalisé en tenant compte aes dittérents régimes de fonctionnement de l'appareil de la Porte du Scex, pour les 7 mêmes périodes que celles de l'estimation précédente (fig. 2).

C) Sédiments. En 1989 seules deux campagnes de prélèvement ont eu lieu. Leurs dates correspondent à celles des 2 derniers prélèvements de MES instantanés et les résultats d'analyse de ces sédiments ont été traités de la même manière pour obtenir tes flux. Idéalement il faudrait pouvoir utiliser la capacité intégratrice dans le temps de ces sédiments (très supérieure à celle des MES instantanés) et ne reporter les résultats correspondants que sur la période précédant le prélèvement. Pour la comparaison des méthodes et le calcul des flux nous avons utilisé les moyennes des résultats se rapportant aux 4 sites individuels de chaque campagne.

RESULTATS

La figure 3 et le tableau 1 ont trait au premier stade de la comparaison, soit les valeurs mesurées directement en concentration dans les MES ou le sédiment. Chaque point (fig. 3) est symbolisé par une lettre (B = période de basses eaux, H = hautes eaux) et un chiffre de 1 à 7 (no. de la campagne d'échantillonnage). Le tableau 1 donne les paramètres des droites de régression (ordonnée à l'origine nulle) de quelques éléments. On constate que la méthode "MES instantanées" tend à sous-estimer les concentrations dans la plupart des cas de manière significative.

Une première explication est possible: les prélèvements instantanés ont toujours lieu de jour, et en semaine. Or, le Rhône en amont du Léman de par son rôle de réceptacle des eaux de barrages

Tab. 1 - Pentes des régressions pour la relation (concentration dans MES échantillon instantané) en fonction de (concentration dans MES échantillon continu) pour quelques éléments.

pente écart type

Pb 1.00 0.20

Hg 0.65 0.06

Cd 0.60 0.08

Zn 0.79 0.13

Cu 0.42 0.05

Cr 0.64 0.12

Ptot

0.77 0.15

d'altitude voit son débit varier très fortement selon la demande électrique. Les prélèvements diurnes et hors week-end fournissent une eau brute dont la composante en eau d'altitude non- polluée est plus importante.

Fig. 3. - Concentrations mesurées selon différentes méthodes d'échantillonnage.

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E

'5

Hg

Zn Cd

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0.4 81 ·éj.-':'

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-© échantillonnage continu

Deuxième explication: les deux points de prélèvement "MES instantanées" (km 1.8) "MES continue" (km 5.9) peuvent ne pas être toujours équivalents. Ainsi, les échantillons de sédiment prélevés en septembre 1989 au km 1.8 sont ils significativement moins concentrés (facteur 0.72 +!-0.06) que ceux du la Porte du Scex en Zn, Cu, Cr, Pet Pb(*l, les points intermédiaires (km 3.1 et 4.3) présentant une décroissance régulière d'amont en aval. En novembre 1989 cependant, les concentrations sont homogènes (facteur= 1.02 +/- 0.18).

600 400 200

B d'après le sédiment - MES éch. continu

D

0 I/ '----' .__., L_________V L____....V . _ _ . , '---" '---" I

->13mar ->8mai ->5juin ->3juil ->11sep ->23oct ->1jan90

Figure 4 - flux saison- niers du Pb lié aux MES.

Unité:

kg/jour.

Les figures 4 et 5 présentent deux exemples de résultats de flux liés aux particules selon les trois méthodes d'analyse de la phase solide (MES ou sédiments) concernant respectivement le Pb et le Zn. avec, pour ce dernier élément les valeurs se rapportant à l'eau brute. Pour le Pb (fig. 4) on constate que la bonne coïncidence des deux méthodes MES qui apparaît au tableau 1 persiste

*) éléments choisis au hasard

1500 -i ¹ 1000

500

D

m

D

0 V L- - Y L . - . Y L . - . Y L - - Y L . - . Y L . - . Y ' - - - - Y /

->13mar ->8mai ->5juin ->3juil ->11sep ->23oct->1jan90

Figure 5 - flux saisonniers du Zn: total (eau brute.

d'après réf. 5) et phase solide selon trois méthodes d'estimation.

Unité: kg/jour.

après calcul des flux; pour le Zn cependant (fig. 5), la troisième période ("jusqu'au 5 juin") donne un résultat trop élevé avec la méthode "ponctuelle". Quoiqu'encore trop peu nombreux, les résultats "sédiments" sont encourageants.

CONCLUSIONS

La figure 6 résume l'ensemble des résultats de cette étude préliminaire. Bien qu'ayant donné une estimation nettement plus basse des flux pour 4 éléments que les suspensions récoltées en continu (Cd, Cu, Cr et Se), la méthode des MES instantanée peut convenir dans la majorité des cas.

Les premiers résultats concernant le sédiment laissent espérer que la validité de cet intégrateur de pollution puisse être au moins équivalente à celle des MES instantanées.

Fig. 6. Effet des méthodes alternatives d'échantillonnage sur l'estimation des flux liés aux particules.

flux par MES échantillonnage continu = 1 OO %

200 % 1- 1 · •· ••• 1 MES, échantillonnage instantané (N=7) c:::::::=:J sédiment du fond (N=2)

I intervalle de confiance

100% ~~--~~~---::::::1=:;--~~~~~---i

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Pb Pb Zn Cu Cr p Sn Hg

BIBLIOGRAPHIE

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