Approche intégrée biogéochimique, géographique et hydrologique pour déterminer les sources de contaminants sur des bassins versants d’usage mixte – CHYPSTER

Une méthodologie originale d’analyse spatiale, combinant géomatique et enquêtes sur les usages et pratiques, a été élaborée et mise en œuvre sur deux bassins versants de méso-échelle, afin d’identifier l’origine de l’eau aux exutoires en lien avec les processus hydrologiques et l’occupation du sol, et des contaminants potentiellement associés. Des enquêtes ont été menées auprès d’acteurs du territoire afin d’identifier les pratiques et modes de gestion à l’échelle du bassin versant. En parallèle, des cartographies d’occupation et d’usage du sol ont été produites, à partir de données de télédétection et de diverses bases de données, afin de représenter finement les activités et usages sur les deux bassins versants étudiés : la Claduègne (Ardèche) et le Ratier (sous bassin de l’Yzeron, à l’ouest de Lyon). Cette méthodologie a permis d’identifier et localiser les sources potentielles de contaminants et de choisir les sites des prélèvements dans les cours d’eau.

Le projet CHYPSTER reposait ensuite sur l’acquisition d’un grand jeu de données issues d’analyses (chimiques et microbiologiques) des échantillons d’eau collectés sur ces deux bassins versants au cours de plusieurs saisons avec, d’une part, des campagnes de terrain sur les échantillons de sources diffuses (prélevés dans les cours d’eau en aval de sous-bassins versants homogènes en termes d’occupation et d’usage de sol, géologie et pédologie), ainsi que des rejets anthropiques ponctuels, tels que des déversoirs d’orage ou des rejets de station de traitement d’eaux usées ; et, d’autre part, des échantillons prélevés lors d’évènements pluvieux/hydrologiques aux sites de mélange (ou exutoires) dans les rivières.

Cet ensemble de données robuste a permis de définir des empreintes biogéochimiques spécifiques des sources, et de développer et valider une méthodologie de décomposition de l’écoulement de l’eau aux exutoires des bassins versants, lors d’événements hydrologiques, c’est-à-dire estimer les contributions des sources identifiées précédemment, à l’aide d’un modèle de mélange géochimique. Trois campagnes de cartographie spatiale de la qualité de l’eau (dites low-cost) ont permis de compléter ces données, afin d’obtenir une photographie à un instant donné de la qualité des cours d’eau des deux bassins, au moyen de méthodes analytiques simples (pH, conductivité, spectres UV-visible et marqueurs ADN microbiens).

Nous avons ensuite comparé les estimations des contributions des sources aux exutoires des deux bassins versants par modélisation hydrologique aux résultats des décompositions issues des modèles de mélange biogéochimiques pour les évènements hydrologiques sélectionnés. Enfin, les modèles hydrologiques validés ont été appliqués à des scénarios ciblés pour estimer la contribution des sources et, in fine, prédire la qualité des eaux dans la rivière, selon différentes trajectoires (climatiques et d’usages) qui ont été imaginées avec les acteurs socio-économiques locaux.

Une approche de recherche originale, combinant géographie, enquêtes, mesures chimiques et microbiologie, et hydrologie, a été mise en œuvre avec succès sur deux bassins versants d’usage mixte. Des cartographies fines de l’occupation du sol sont disponibles pour ces deux bassins versants (actuelles et historiques). Cette méthodologie a permis d’identifier les sources potentielles de contaminants.

Pour chaque bassin, des échantillons d’eau ont été collectés sur une dizaine de sites « sources » et aux exutoires pour six évènements hydrologiques. Les échantillons ont été caractérisés avec des indicateurs classiques ou innovants : éléments majeurs et traces dissous, caractéristiques de la matière organique dissoute et indicateurs microbiens. En parallèle, plus de 200 micropolluants organiques issus de familles chimiques représentatives des principales sources de contamination ont été recherchés et analysés dans les mêmes échantillons. De plus, deux campagnes de cartographies low cost sur le Ratier et une sur la Claduègne ont complété ces données avec des mesures rapides et peu coûteuses.

Ces jeux de données constituent une ressource robuste et exploitable pour répondre aux objectifs du projet.

Nous avons appliqué avec succès un modèle de mélange géochimique sur les deux bassins versants afin de tracer l’origine des eaux aux exutoires lors d’évènements pluvieux et estimer les contributions des sources.

En parallèle, nous avons défini des cocktails de contaminants organiques et microbiologiques typiques de chaque catégorie de source sur les deux bassins versants.

Un module de décomposition spatiale du débit a été développé et intégré au modèle hydrologique distribué J2000P du Ratier et dans la nouvelle version du modèle développée et calibrée sur la Claduègne. Les contributions des sources simulées par J2000P ont été comparées aux résultats des modèles de mélange. Les résultats du modèle de mélange ont démontré une contamination des eaux du Ratier par des eaux usées. Ces résultats sont confortés par la présence de marqueurs fécaux et d’indicateurs de la matière organique dissoute spécifiques aux eaux usées. Dans la Claduègne, le modèle de mélange a montré une forte contribution de ruissellement de surface pendant les crues et a permis de valider le modèle hydrologique. Ce travail a permis une évaluation critique des forces et des faiblesses de chaque modèle, et de consolider la conceptualisation du fonctionnement hydrologique des deux bassins versants.

Une prospective paysagère, hydrologique et climatique a été réalisée. Les modes d’occupation du sol passés ont été retracés. Plusieurs représentations des paysages à l’horizon 2050 ont été construites et ont abouti à trois scénarios pour chaque bassin, traduits en cartographies d’occupation du sol. Enfin, les modèles hydrologiques ont été appliqués pour des simulations prospectives sur les deux bassins versants.

Les résultats du projet CHYPSTER facilitent l'identification et la quantification des principales sources de contaminants en lien avec les usages des sols dans les bassins versants d’usage mixte (sources multiples) et méso-échelle, afin de définir et d'engager des actions pertinentes (ex : gestion des déversoirs d’orage et des bassins de rétention pour la partie urbaine, les zones tampons dans les zones agricoles) pour réduire la pression des contaminants sur les hydrosystèmes et les risques et impacts écologiques associés. Les projections futures de la qualité de l'eau des rivières en fonction de scénarios de changement d'utilisation et d'occupation des sols donnent des clés pour la gestion des eaux et des sols à l'échelle du bassin versant, afin de réduire la contamination.

Ce projet apporte également de nouvelles connaissances sur la caractérisation des cocktails chimiques et de la contamination microbienne des rivières.

Ce projet contribue au développement d'outils et de marqueurs innovants pour le suivi de la qualité de l'eau, transférables à d'autres laboratoires de recherche, y compris privés.

En ce qui concerne les développements de l’analyse moléculaire non ciblée de la matière organique dissoute, nos travaux de recherche se poursuivent sur la caractérisation des empreintes de pression chimique des cours d’eau de petits bassins versants et le développement de stratégies d’analyses non ciblées des composés organiques (thèse de Fanny Mathiaux, 2025-2028, RiverLy).

Une meilleure connaissance des principaux contaminants chimiques et microbiologiques rencontrés dans les bassins versants, ainsi que de leurs sources et du rôle de ces différents facteurs dans leur devenir, permettra de mieux comprendre leur dissémination à grande échelle et, à terme, de contribuer à limiter l’émission de ces contaminants vers les milieux naturels et/ou de proposer des stratégies de mitigation adaptées.

Enfin, le projet CHYPSTER a permis le montage de trois nouveaux projets de recherche par des partenaires du projet ou en collaboration :

- HOTSPOT (AERMC / ZABR ; 2026-2028) - Observer, décrire et modéliser les connectivités des écoulements entre surface et souterrain dans un petit bassin versant sous climat méditerranéen (bassins de tête de la Claduègne). Coord. Céline Duwig (IGE), partenaires PACTE, RiverLy.

- CŒUR (AERMC / OTHU ; 2026-2028) - Développer un outil d’estimation des contributions des différentes sources urbaines aux flux d’eau et de matières en suspension à l’exutoire d’un bassin versant urbanisé. Coord. Matthieu Masson (RiverLy), partenaires DEEP (INSA-Lyon), Edytem (université Savoie Mont Blanc), Graie, SAGYRC, Métropole de Lyon.

- AQUASUBURB, ANR-25-CE22-3861 (2026-2030) - Quantification des temps de transit et des chemins d'écoulement souterrains du débit de base péri-urbain. Coord. Jérémie Bonneau (INSA-DEEP), partenaire RiverLy.

Le projet CHYPSTER a été présenté lors des journées OZCAR (mars 2022) et des journées de l’OTHU (juin 2022), ce qui a permis de communiquer sur les objectifs et les premiers résultats du projet à une large audience scientifique au niveau national. Les avancées sur les modèles hydrologique et géochimique ont été présentées lors de plusieurs conférences nationales et internationales (thèse O. Grandjouan).
L’article Bouchali et al. (Microorganisms, 2023 ; doi.org/10.3390/microorganisms11040922) présente une étude exploratoire des modalités d’analyse des corrélations entre concentrations en composés pharmaceutiques et entités taxonomiques bactériennes pour des échantillons collectés au sein de bassins versants impactés.
L’article Boukra et al. (STOTEN, 2023 ; dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162104) explore le lien entre les occupations de sols et les empreintes de matière organique dissoute obtenues dans les échantillons de cours d’eau en aval de sous-bassins homogènes.

La présence de nombreux contaminants chimiques et microbiologiques dans les écosystèmes aquatiques peut entraîner une dégradation importante de l'état écologique des eaux et augmenter l'exposition des hommes et des animaux à ces contaminants par le biais de l'eau potable, de l'irrigation des cultures ou des usages récréatifs ; ils peuvent également entraîner une augmentation des gènes de résistance aux antimicrobiens et des bactéries pathogènes. Les bassins versants méso-échelle (~10-1000 km²) sont particulièrement sensibles à ces contaminations. L'artificialisation croissante des surfaces ainsi que le changement climatique pourraient entraîner une dégradation critique de la qualité de l'eau dans ces bassins versants.
Le projet CHYPSTER vise à définir et tester une nouvelle méthodologie intégrée pour identifier les sources (diffuses/ponctuelles) de contaminants anthropiques et prédire la contamination des cours d’eau en fonction des conditions hydrologiques, des changements d’occupation des sols et du changement climatique. Cette approche sera appliquée sur deux bassins versants de méso-échelle (les sites de la Claduègne et de l'Yzeron qui appartiennent à l’infrastructure de recherche nationale OZCAR) en combinant un diagnostic sur les usages et pratiques, l’analyse et le suivi d’empreintes biogéochimiques et une modélisation hydrologique distribuée. Une expertise méthodologique en analyse spatiale, combinant géomatique et enquêtes sera mobilisée afin d'identifier les sources potentielles de contaminants et leur localisation. Des outils innovants (échantillonnage passif couplé à de l’analyse ciblée et non ciblée, chimique et microbiologique) seront déployés pour caractériser les sources de contaminants et définir des empreintes biogéochimiques spécifiques, qui seront ensuite combinées avec les flux simulés par un modèle hydrologique. Le modèle validé sur des suivis d’évènements hydrologiques sera appliqué à des scénarios ciblés pour estimer la contribution des sources et prédire les cocktails de contaminants dans la rivière, selon différentes trajectoires des bassins versants évaluées avec les acteurs socio-économiques locaux.
Ce projet apportera de nouvelles connaissances sur la caractérisation des cocktails chimiques et de la contamination microbienne des rivières. Les résultats faciliteront la localisation, l'identification et la quantification des principales sources de contaminants (y compris les contaminants émergents) en lien avec les usages des sols dans les bassins versants d’usage mixte (sources multiples) et méso-échelle, afin de définir et d'engager des actions pertinentes (e.g. la gestion des déversoirs d’orage et des bassins de rétention pour la partie urbaine, les zones tampons dans les zones agricoles) pour réduire la pression des contaminants sur les hydrosystèmes et les risques et impacts écologiques associés. Les projections futures de la qualité de l'eau des rivières en fonction de scénarios de changement d'utilisation et d'occupation des sols donneront également des clés pour la gestion des eaux et des sols à l'échelle du bassin versant, afin de réduire la contamination. Ce projet contribuera également au développement d'outils et de marqueurs innovants pour le suivi de la qualité de l'eau qui seront transférables à d'autres laboratoires de recherche, y compris privés. De plus, l'utilisation d'échantillonneurs passifs appelés germcatchers permettra de déduire les relations entre les contaminants chimiques et les taxa bactériens se développant sous forme de biofilms dans les systèmes fluviaux. Ces données apporteront donc de nouvelles informations sur les résistomes qui émergent dans l'environnement, ainsi que sur les recrutements de gènes de résistance aux antimicrobiens ou les enrichissements de taxa bactériens associés.