Transfert de polluants organiques et inorganiques dans les hydrosystèmes en période de crue : interactions avec les matières en suspension et la matière organique

Transfer of organic and inorganic pollutants in hydro systems during flood events : interactions with suspended matter and organic matter

• Auteur / Autrice : Désirée El Azzi
• Direction : Jean-Luc Probst, Agnès Maritchù Guiresse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrologie, hydrochimie, sol, environnement
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière organique

Sédiments en suspension

Pollution de l'eau

Mots clés libres

Crue

Hydrogramme

Pesticides

Eléments traces métalliques

Matières organique

Dissous

Particulaire

Transfert

Extraction séquentielle

Cu

Enrichissement

Isotopie

Adsorption

Coprésence

Résumé

Le transfert des polluants organiques et inorganiques dans les hydrosystèmes est très documenté mais rares sont les études qui s'intéressent à ces transferts en période de crue et dans des situations de multi pollutions. Cette thèse s'inscrit dans ces problématiques-là. Sachant que les flux les plus importants de polluants sont exportés durant les épisodes de crue, nous avons effectué un suivi rigoureux de la crue de mai 2010 sur le bassin versant (BV) de la Save (1110 km2, sud ouest de la France). Un échantillonnage intensif permet de décrire avec précision la réponse du cours d'eau aux fortes précipitations sur le BV. Les principaux paramètres contrôlant le transfert des polluants (carbone organique dissous (COD) et particulaire (COP) et matières en suspension (MES)) sont plus concentrés en crue qu'en étiage. Ces paramètres, ainsi que les polluants voient, pour la plupart, leur teneur augmenter avec le débit. Une séparation des composantes de l'écoulement fluvial par découpage de l'hydrogramme de crue montre que les polluants sont majoritairement apportés dans l'écoulement de surface adsorbés aux MES pour les moins solubles et dans l'écoulement de subsurface liés au COD pour les plus solubles. Au niveau des MES, le polluant peut se lier à différentes fractions (matières organiques, argiles et oxydes). Afin de mieux comprendre les liens établis entre un polluant et les MES au cours de son transfert, nous nous sommes focalisé dans le cadre projet CRUMED (EC2CO-INSU/CNRS), sur la dynamique du Cu dans le BV de la Baillaury (18,2 km2) à Banyuls sur Mer dans les Pyrénées-Orientales. Sur ce BV viticole méditerranéen, la bouillie bordelaise (sulfate de cuivre) est appliquée sur les parcelles depuis des siècles. Ces traitements ont entraîné un enrichissement en Cu, par rapport à la roche mère locale, des sols, des sédiments de fond et des MES. La contribution anthropique à cet enrichissement est supérieure à 60%. Une extraction chimique séquentielle montre que le Cu dans les échantillons peu contaminés est surtout dans la fraction résiduelle stable alors que dans les échantillons contaminés, il est dans les fractions non résiduelles, principalement lié aux oxydes de fer. La signature isotopique des fractions obtenues montrent que le Cu transporté dans la solution et celui lié à la matière organique ne subissent pas de fractionnement. La combinaison de ces 2 approches permet de mieux comprendre la distribution et la mobilité de l'élément dans l'environnement. Cependant, dans les milieux anthropisés, un polluant est rarement seul et la présence d'autres polluants peut influencer son adsorption. Afin de mettre en évidence l'existence de ces influences mutuelles, nous avons mené une expérimentation sur l'adsorption des polluants organiques et inorganiques sur des MES issues de la Save en crue. On montre que l'adsorption des polluants seuls dans le milieu est, dans la plupart des cas, différente de celle en présence d'autres polluants. Les éléments traces métalliques (ETM) étudiés (Cu et Cd) sont peu sensibles à la présence de polluants organiques étudiés (alachlore et aclonifène), alors que les pesticides s'adsorbent plus (alachlore) ou moins (aclonifène) en présence d'autres polluants (ETM ou pesticides). L'ordre de la présence dans le milieu modifie aussi le taux d'adsorption. L'influence se ferait soit par compétition pour les mêmes sites de fixation soit par formation de complexes entre les polluants modifiant leur solubilité. Ces résultats originaux ouvrent de nouvelles perspectives et suscitent de nouvelles expérimentations pour mieux caractériser les liaisons polluants-MES et les relations entre les différents polluants lors de l'adsorption sur les MES.

The mechanisms involved in the transfer of organic and inorganic pollutants to streams in agricultural watersheds are largely studied. However, few studies concern storm events responsible for the transportation of large quantities of pollutants to the outlet and they rarely take into account a multi-pollution dynamic. A heavy monitoring was therefore conducted during the storm event of May 2010 at the outlet of the Save river (1110 Km2) in the south west of France. The majority of pollutants and their controlling factors (dissolved and particulate organic carbon (DOC and POC) and suspended particulate matter (SPM)) are more concentrated during storm flow than base flow and their concentration increases with stream water discharge. Pollutants are also more concentrated during these events. Hydrograph separations showed that pollutants are primarily transported in the surface runoff adsorbed onto SPM when they have a low solubility (hydrophobic) and in the subsurface runoff linked to DOC when they are soluble. Different kinds of chemical bonds can exist between pollutants and the different SPM fractions (organic matter, clay and oxides). In order to investigate these bonds, we studied in particular Cu dynamic in the small wine growing catchment of Baillaury (18. 2 Km2), close to Banyuls sur Mer (Eastern Pyrénées), within the framework of the CRUMED project (EC2CO-INSU/CNRS). This Mediterranean type-flow regime stream is mostly cultivated with vineyards and has been treated with Bordeaux mixture for centuries. Moderate to significant enrichments of soils at different depth, river bottom sediments and suspended matters were revealed. Anthropogenic contribution to this enrichment is estimated between 50 and 85 % in all samples showing that the Cu present in the river is mainly due to agricultural practices. Sequential chemical extractions SCE) allow us to determine Cu distribution in the different residual and non-residual fractions (exchangeable, acido-soluble, Mn and Fe oxides, organic matter), showing that anthropogenic Cu is mainly adsorbed onto iron oxides. The isotopic Cu composition measured in each fraction shows that Cu transported in solution and adsorbed onto organic matter seems to be associated without any fractioning. Gross samples have signatures similar to the bedrock and so studying the detailed SCE fractions is essential. Combining SCE and isotopic signatures is a powerful tool to understand Cu distribution and transfer in the environment. However, in the environment, a pollutant is rarely alone and other pollutants can influence its fate. Therefore, in order to investigate the influence of the presence of other pollutants on a pollutant's adsorption, organic (two pesticides: alachlore and aclonifen) and inorganic (two heavy metals: Cu and Cd) pollutants adsorption on natural SPM (collected in the Save river during the flood) were studied. Most studied pollutants were influenced by the presence of one or more other pollutants in the water, trace metals to a lesser extent than pesticides. The order of presence in the water also influences the adsorption rate of the pollutant onto SPM. The mutual influence can be due to competition for the same adsorption sites or to the creation of complexes between pollutants. These complexes can modify the adsorption capacities of each pollutant. These original results obtained in this work open up new perspectives and requests