Abstract :
[fr] Les pollutions chimiques liées aux micropolluants font partie des pressions croissantes subies par les écosystèmes aquatiques. Elles peuvent être de natures diverses, liées à des composés organiques, résidus pharmaceutiques, pesticides, métaux, … Le but principal de cette thèse est, en se basant sur un modèle de simulation de la qualité physico-chimique des rivières (Pegase), de développer le sous-modèle MicMod (Eau – Matières en suspension – Sédiments – Micropolluants) pour caractériser et simuler la dynamique spatio-temporelle de micropolluants dans les eaux de surface (essentiellement rivières).
Les sites d’étude sont situés dans le bassin versant (BV) de la Moselle en France (partie supérieure du bassin transnational de la Moselle) et le bassin versant de la Meuse en Belgique (partie moyenne du District Hydrographique International de la Meuse). L’étude porte principalement sur des métaux lourds, le cuivre et le zinc. Ces choix ont été faits pour plusieurs raisons dont la disponibilité (i) de données (sources et mesures in situ), (ii) d’une large bibliographie et d’études spécifiques exploitables, (iii) de contacts historiques avec l’Agence de l’Eau Rhin-Meuse (AERM) et le Service Public de Wallonie (SPW) et (iv) de leur intérêt pour ces substances en regard de la Directive Cadre sur l’Eau 2000/60/CE et de leurs travaux de modélisation.
Ces sites sont exposés à de fortes pressions anthropiques (urbaines, industrielles et agricoles), pour lesquelles les apports en provenance du BV doivent être estimés afin de les intégrer dans le sous-modèle MicMod. Les valeurs d’équivalent-habitant et de fonction d’apport des sols sont calibrées pour, respectivement, les rejets urbains et les concentrations issues des apports diffus des sols. Les inventaires des rejets industriels disponibles au sein des Administrations respectives (AERM et SPW) sont exploités.
Le devenir d’un micropolluant dans l’écosystème aquatique, sa dynamique de transport, ses processus de disparition, … sont déterminés par sa présence sous forme dissoute ou particulaire. Son comportement dans la colonne d’eau est fortement influencé par la taille des particules sur lesquelles il s’adsorbe, par ses propriétés d’adsorption/désorption et également par certains facteurs environnementaux (pH, cations ou anions compétiteurs, …). Il est donc essentiel de prendre en compte la phase particulaire (matières en suspension et sédiments) de manière explicite dans le sous-modèle MicMod. Elle est représentée par un système multi-classes, dans lequel N+1 classes (où N est variable et où le terme unitaire représente la matière organique ) sont considérées. Le nombre de classes optimal a fait l’objet de tests de sensibilité, sachant que l’adsorption se fait préférentiellement sur les particules fines (argiles). Quatre classes distinctes de particules ont été utilisées pour simuler l'hétérogénéité granulométrique des matières en suspension (MES). Pour chacune des classes de particules, des coefficients de distribution spécifiques ont été calibrés pour le cuivre et le zinc (Grard & Deliège, 2023). Les sédiments peuvent jouer un rôle de puits ou de sources de polluants sur le long terme en fonction de leur capacité à sédimenter sur le fond des rivières dans les périodes d’étiage et à être remis en suspension lors des crues. Les paramètres tels que la vitesse de sédimentation, la cohésion des sédiments, les contraintes critiques, … déterminent les concentrations en micropolluants dans les différents compartiments de l’écosystème aquatique (colonne d’eau, sédiments de fond). Les vitesses de sédimentation pour les 3 classes de particules les plus fines (< 64 µm) du sous-modèle MicMod ont été calibrées.
Le modèle Pegase est utilisé pour décrire la relation pression-impact et le transport des polluants dans l’écosystème aquatique rivière (Deliège et al., 2010; Everbecq et al., 2019; Grard et al., 2021). Les développements réalisés dans cet outil de diagnostic et de gestion durable de la qualité des eaux de surface permettent d’intégrer des sous-modèles tel que MicMod (Grard & Deliège, 2025), dédié à la caractérisation de la dynamique spatio-temporelle des micropolluants dans la colonne d’eau (eau et MES) et d’inclure le compartiment des sédiments de fond. La connaissance des concentrations des micropolluants en tous points du réseau de rivières et pour tous les pas de temps de calcul de la période simulée permet de caractériser les impacts environnementaux en fournissant notamment des informations complémentaires aux mesures réalisées dans le réseau de rivières. Les résultats de simulations peuvent également être exploités dans le but de constituer des termes sources pour le calcul de la bioaccumulation, de flux de polluants vers les eaux souterraines dans des zones de surface infiltrantes, …
La calibration a été réalisée sur le bassin versant de la Moselle sur l’année 2019 et sur le bassin versant de la Meuse sur l’année 2020. La validation a été réalisée sur un autre set de données, sur le bassin versant de la Moselle en 2020 et sur le bassin versant de la Meuse en 2019. Pour la réalisation de ces opérations, des mesures in situ des métaux lourds sont nécessaires à la fois dans la colonne d’eau, sur les différentes classes de MES, et sur les sédiments de fond. Ces mesures sont accessibles sur le site web français Naïades (https://naiades.eaufrance.fr/) et sur le réseau wallon Aquaphyc (http://environnement.wallonie.be/aquaphyc/#/aquaphyc/home ). Les informations néerlandaises disponibles à Eijsden sur le site https://waterinfo.rws.nl (“Waterinfo” 2021) reprennent des mesures journalières, sur les différentes classes de sédiments, … et viennent donc compléter les données disponibles du réseau Aquaphyc.
La représentation du transport des métaux lourds (micropolluants d’une manière générale) et la caractérisation de leur dynamique spatio-temporelle dans les eaux de surface contribuent à la mise en place d’une stratégie d’évaluation globale de la contamination chimique et de prédiction visant à limiter les impacts environnementaux de certaines substances dans les rivières.
