Influence de l’hydraulique sur l’efficacité des zones tampons végétalisées à réduire les teneurs en pesticides et métabolites en sortie de drains agricoles

Hydraulic influence on the constructed wetland effectiveness to reduce the pesticides and metabolites amounts from agricultural drained waters

• Auteur / Autrice : Céline Gaullier
• Direction : Sylvie Dousset, Nicole Baran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 21/11/2018
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Partenaire(s) de recherche : Agence publique : Bureau de recherches géologiques et minières (1959-....)
• Jury : Président / Présidente : Enrique Barriuso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Lebeau, Christelle Margoum, Laurent Lassabatère
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Enrique Barriuso, Thierry Lebeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Adsorption

Hydrodynamique

Pollution agricole

Eau -- Épuration

Zones humides artificielles

Mots clés libres

Sorption

Sédimentation

Zone morte

Traceur bromure

Zone humide

Remédiation

Sorption

Sedimentation

Dead zone

Bromide tracer

Constructed wetland

Remediation

Résumé

Les teneurs en pesticides mesurées dans les eaux de drainage agricole peuvent atteindre 10 µg/L voire 395 µg/L. En Lorraine, des Zones Tampons Végétalisées Agricoles (ZTVA) ont été installées en sortie de drains agricoles afin de limiter le transfert de ces eaux de drainage vers la rivière. L’objectif de ce travail était d’évaluer l’influence de l’hydraulique sur l’épuration des pesticides et métabolites en phases dissoute et particulaire des eaux de drainage, en discriminant les processus associés. Pour cela, une approche multi-échelle intégrant des expérimentations au laboratoire en batch et en bacs pilotes ainsi qu’un monitoring pluriannuel de deux ZTVA sur le terrain (un fossé et une mare) a été mise en place. Les expériences de traçages in-situ ont montré que quel que soit le débit, la ZTVA peut être divisée en différentes zones hydrauliques : un chenal principal et des zones isolées, qui se comportent différemment vis-à-vis de l’épuration. Les efficacités d’épuration dans les deux ZTVA varient de (i) -1176% à 96% pour les pesticides dissous, (ii) -20% à 3% pour les métabolites (chloroacétanilides) à l’état dissous, et (iii) -580% à 79% pour les pesticides sous forme particulaire. L’adsorption sur les sédiments permet l’épuration des pesticides à l’état dissous dont le coefficient d’adsorption (Koc) varie de 364 à 1424 L/g (entre 7 et 65% d’épuration), et est favorisé au sein des zones isolées. Cependant, ce processus est réversible et la désorption peut expliquer les efficacités négatives mesurées sur le terrain. Par ailleurs, les pesticides plus hydrophiles (Koc varie de 54 à 401 L/g) et les métabolites (Koc varie de 0 à 0.77 L/g) sont peu épurés (entre -20 et 8% d’épuration). Enfin, les pesticides entrant dans la ZTVA sous forme particulaire sont épurés via la sédimentation des matières en suspension, plus importante dans les zones isolées que le chenal principal. Ce processus est réversible, pouvant conduire à la resuspension des sédiments. Par ailleurs, les débits entrants vont fluctuer au cours de l’année, pouvant entrainer une variation de l’épuration des pesticides. En effet, les études en batch et en bacs pilotes ont permis de souligner l’influence de l’hydrodynamique (débits, etc) sur l’épuration des pesticides à l’état dissous. Ces ZTVA jouent donc un rôle de puits (adsorption, sédimentation) et de source (désorption, resuspension) vis-à-vis de certains pesticides à l’état dissous ou particulaire, en lien avec l’hydrodynamique de la ZTVA

Pesticides amounts measured in agricultural drained water can reach 10 µg/L up to 395 µg/L. In Lorraine, Constructed Wetlands (CW) were set up between drained fields and the river to limit pesticide release. The aim of this study was to evaluate the influence of hydraulic on the mitigation of pesticides and metabolites in both dissolved and particulate phases of drained water, by discriminating associated processes. To do so, a multi-scale approach was performed by integrating both laboratory experiments, such as batch and dynamic conditions in pilots, and a plurennial monitoring of two different ZTVA (ditch and pond). In-situ tracing experiments highlighted that the volume of CW was not homogeneous, independently of the flow rate. CW are divided in two hydraulic zones: a main channel and isolated areas. Moreover, these two zones behave differently regarding pesticides mitigation. Annual mitigation efficiency in both of the CW studied, vary between (i) -1176 % and 96 % for dissolved pesticides, (ii) -20 % and 3 % for dissolved metabolites (chloroacetanilides), and from (iii) -580 % to 79 % for particulate pesticides. Adsorption on sediments allows the mitigation of dissolved pesticides whose adsorption coefficient (Koc) varied from 364 to 1424 L/g (mitigation ranging from 7 to 65 %), and occurred mainly in isolated areas. However, this process is reversible and desorption can explain negative efficiency measured on the field. Additionally, hydrophilic pesticides (Koc between 54 and 401 L/g) and metabolites (Koc between 0 and 0.77 L/g) are few or not mitigated (mitigation ranging from -20 and 8 %). Finally, pesticides entering CW under particulate phase are mitigated through sedimentation of total suspended solids, higher in isolated areas than in main channel. This process is also reversible, leading to sediments resuspension. Otherwise, inlet flow rates vary throughout the year, which could allow a variation of pesticide mitigation. Indeed, batch and pilots studies highlighted the influence of hydrodynamic (flow rate, etc) on mitigation of dissolved pesticides. CW act as a sink (adsorption and sedimentation) and a source (desorption and resuspension) towards specific dissolved or particulate pesticides and related to hydrodynamic of CW