DS0101 - Comprendre et prévoir les évolutions de l'environnement

Modélisation de la remobilisation des sédiments et libération des contaminants associés – MOBISED

MOBISED : Modelisation de la remobilisation des sediments et la liberation des contaminants associés

Rejetés dans les milieux aquatiques pendant des décennies, les contaminants chimiques et/ou microbiologiques issus des eaux usées urbaines ou industrielles, des eaux de drainage des sols agricoles se sont accumulés dans le compartiment sédimentaire. Ce stock de contaminants, associés à de fines particules sédimentaires, a été enfoui à des profondeurs variables selon le taux de sédimentation et peut être potentiellement remobilisé lors d’épisodes de crue ou de réaménagement des cours d’eau.

Quels sont les paramètres contrôlantt la remise en suspension des sédiments?

Le projet MOBISED a pour objectif de mettre en évidence les mécanismes impliqués dans la remise en suspension des sédiments: <br />- la caractérisation des sédiments, combinée à une étude hydrologique fine, permettra t elle de hiérarchiser les paramètres physiques et chimiques contrôlant la remise en suspension des sédiments? <br />-quelle est l'influence des cycles de remobilisation-sédimentation sur la distribution des contaminants? <br />-les sédments constituent ils réellement un réservoir de micro-organismes? Y a t il un enrichissement spécifique en entités microbiologiques? <br />Nous avons ainsi identifié plusieurs verrous scientifiques dans notre projet MOBISED: <br />-différencier et quantifier les sédiments transportés dus à l'érosion des sols de surface du bassin; l'approche multi-marqueurs développée dans le projet MOBISED est rarement reportée dans la littérature et apparaît comme une démarche prometteuse, <br />-intégrer des données qualitatives dans la modélisation et comparer et corréler des données expérimentales à l'échelle microscopique ou moléculare avec des données de terrain. Une approche statistique spécifique est développée afin de corroborer des variables discrètes et qualitatives avec des variables continues ou quantitatives. <br />L'approche hydrodynamique 3D (TELEMAC MASCARET) est utilisée couramment pour les environnements marins ou les estuaires et l'application à ds rivières de petite taille est difficile pour des questions de stabilité numérique. <br />-les processus de floculation-agrégation constituent un réel verrou dans la modélisation du transport de sédiment cohésif.

Une première tâche est dédiée à la caractérisation des sédiments, en mettant e œuvre un large panel de techniques et de marqueurs physiques, chimiques, minéraux, organiques, et microbiologiques.
Un suivi hydrologique sera effectué, avec mise en place et calibration d'instrumentation in situ. Ce suivi sera combiné à un l'établissement d'un bilan hydro-climatique du bassin afin de construire un modèle reliant précipitations et débit du cours d'eau. Ce modèle est crucial pour le projet et sera utilisé pour la programmation et l'organisation des campagnes de crue . Les crues constituant des évènements majeurs de transport sédimentaire, le projet suivra plusieurs crues automnales et hivernales avec un prélèvement haute fréquence. Les observations in situ de la remise en suspension des sédiments sera complétée par des expériences en laboratoire, en conditions controlées, mimant la remobilisation des sédiments et démontrant le caractère sélectif de la libération des constituants et/ou contaminants. La redistribution des agrégats dans la colonne d'eau, ainsi que les contaminants associés, sera décrite en détails et comparées aux données obtenues lors d'un état de référence du cours d'eau (étiage, crue mineure). la compilation des données hyrodynamiques et des données morphologiques du lit alimenteront le modèle 2D et 3D du transport sédimentaire.

- Marquage des sédiments contaminés par la sidérurgie : les compositions organo- minérales et isotopiques (Zn, Pb) des sédiments permettent de déterminer la contribution historique des contaminations en Pb, Zn et hydrocarbures et de préciser leur origine (fonctionnement passé des hauts-fourneaux, crassiers, réutilisation des laitiers). Elles permettent de distinguer sans ambiguïté les sédiments de sub-surface (10 cm et plus) des sédiments de surface aux signatures caractéristiques d’une double contribution, naturelle et anthropique actuelle. Les MES prélevées dans différentes situations hydrologiques en 2015 ont des signatures identiques à celles des sédiments de surface traduisant le fait qu’elles proviennent essentiellement de l’érosion du bassin versant.
- L’analyse statistique des données microbiologiques semble démontrer (i) un partitionnement différent des marqueurs microbiens entre matières en suspension et eaux, et (ii) un enrichissement relatif spécifique de certains marqueurs microbiens dans les archives sédimentaires. La question du rôle sélectif des matières en suspension puis des sédiments est posé.

- Suivi de crue en février 2016 : une première crue a été échantillonnée en février dernier à raison d’un échantillonnage d’eau et de MES par jour ce qui a permis de mettre en œuvre notre dispositif de suivi de crue (veille météorologique et la logistique). L’étude de cette crue doit permettre de mieux cibler nos besoins : fréquence et durée d’échantillonnage, stratégie en cas de panne ou de défaillance du matériel d’enregistrement in situ.
- Création d’un espace partagé et d’un plan de gestion des données

L'année à venir sera dédiée à
-l'établissement du bilan hydroclimatique du bassin et la construction d'un modèle reliant pluies et débits.
-la mise en place de suivis haute fréquence de crues automnales et hivernales.
-l'analyse à l'échelle moléculaire et microscopique des sédiments et des matières en suspension pour suivre le statut des contaminants.
-la poursuite des analyses statistiques afin de mettre en évidence la contribution des sédiments aux matières en suspension transportées.
- la conduite d'essais de remise en suspension en conditions contrôlées.

COMMUNICATIONS involving several partners
1. Kanbar H., Montarges-Pelletier E., Mansuy-Huault L., Losson B., Manceau L., Bauer A., Bihannic I., Gley R., Kazpard V., Villieras F. Industrial deposits in river sediments: temporal storage and imminent

Pour la communauté européenne, un consensus a été obtenu autour de la Directive cadre sur l’Eau et l’objectif commun est d’atteindre, maintenir le bon état écologique des eaux de surface. Cependant cette tâche peut être compliquée par la présence de sédiments fortement contaminés. Rejetés dans les milieux aquatiques pendant des décennies, les contaminants chimiques et/ou microbiologiques issus des eaux usées urbaines ou industrielles, des eaux de drainage des sols agricoles se sont accumulés dans le compartiment sédimentaire. Ce stock de contaminants, associés à de fines particules sédimentaires, a été enfoui à des profondeurs variables selon le taux de sédimentation et peut être potentiellement remobilisé lors d’épisodes de crue ou de réaménagement des cours d’eau. La profondeur à laquelle ces sédiments peuvent être remaniés est hautement dépendante de leurs caractéristiques intrinsèques et de l’intensité de la perturbation physique. Dans le contexte du changement climatique et de l’augmentation des épisodes de précipitations intenses, la sensibilité des petits cours d’eau est telle que la remobilisation des sédiments par érosion du chenal pourrait y être plus fréquente et plus intense, affectant alors les couches plus profondes et plus contaminées.
Le projet MOBISED, bénéficiant du réseau de coopération scientifique franco-luxembourgeois (RésEAU LorLux), a pour objectif d’étudier la remobilisation des sédiments dans un cours d’eau dont le bassin versant a été le siège d’une intense activité minière et industrielle. L’urbanisation accompagnant ce développement industriel a induit la contamination des eaux de surface par les eaux usées domestiques et le ruissellement urbain.
Ce projet vise à mettre en évidence les mécanismes mis en jeu dans la remobilisation des sédiments et ses conséquences sur la qualité des eaux. Pour cela, une approche multidisciplinaire sera développée mettant en œuvre (i) une étude précise et détaillée des sédiments, de leurs propriétés physiques et chimiques, de leur contamination en incluant les contaminants chimiques (métaux, polluants organiques persistants) et microbiologiques (virus, éléments génétiques mobiles). (ii) une étude de l’hydroclimatologie, de l’hydrodynamique des cours d’eau (iii) des tests expérimentaux de remobilisation des sédiments et de libération des contaminants associés, ainsi que des campagnes d’échantillonnage à haute fréquence de plusieurs épisodes de crue qui permettront une caractérisation fine de la composition des agrégats et de leur distribution dans la colonne d’eau et (iv) le suivi de la morphologie du lit du cours d’eau et la modélisation du transport des sédiments.
L’originalité du projet MOBISED repose sur: (i) l’apport d’une dimension qualitative à l’approche quantitative de modélisation, (ii) l’étude de plusieurs types de contamination (métallique, organique et microbiologique) permettant d’identifier des comportements différents lors de la remise en suspension des sédiments (iii) une description fine de la composition chimique et microbiologique des sédiments et des phases solides en suspension globalement et aux échelles microscopiques et moléculaires pour mieux comprendre les interactions contaminants-sédiments et la cohésion des sédiments.
Les points forts du projet sont:
- le développement d’une approche “multi-technique” à différentes échelles d’observation.
- La combinaison d’observations en laboratoire et sur le terrain pour mettre en évidence le rôle sélectif de la remise en suspension des sédiments.
- La différenciation et l’estimation des flux provenant de l’érosion du bassin versant de ceux provenant de la remobilisation des sédiments de rivière par l’utilisation de marqueurs minéraux, organiques et microbiologiques.
- L’implémentation de données qualitatives dans la modélisation du trantransport de sédiments.
- L’application d’une modélisation 3D de l’hydrodynamique à de petits cours d’eau.
- La modélisation du transport de sédiments cohésifs

Coordinateur du projet

Madame Emmanuelle Montargès-Pelletier (Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CRPG/UMR 7358 Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques
ANSES-LHN AG NAT SECUR SANIT ALIM ENV TRAVAIL
GEORESSOURCES/UMR 7359 Georessources
LCPME/UMR 7564 Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie de l'Environnement
CERGAPE/UL Centre d'Etude et de Recherche en Géographie de l'Aménagement des Paysages et de l'Environnement (CERGAPE/LOTERR)
CRP-GL Centre de Recherche Public - Gabriel Lippmann
LIEC/UMR7360 Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux

Aide de l'ANR 497 141 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2014 - 48 Mois

Liens utiles