Modélisation des processus de distribution et de dérive des pesticides lors de la pulvérisation et de leur contribution à l’exposition des passants : illustration en viticulture

Modelling pesticide distribution and drift processes during spraying and their contribution to bystander exposure : illustration in viticulture

• Auteur / Autrice : Meriem Djouhri
• Direction : Marc Voltz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du sol
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'étude des interactions sols-agrosystèmes-hydrosystèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Carole Sinfort
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Voltz, Carole Sinfort, Sylvain Dupont, Emilio Gil, Thierry Mercier, Carole Bedos, Jean-Paul Douzals
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvain Dupont, Emilio Gil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation

Pesticides

Turbulence atmosphérique

Mots clés libres

ADDI-SprayDrift

Dispersion et turbulence atmosphérique

Modèle Lagrangien

Dépôt; interception par le couvert

Dérive

Dépôt cutané; inhalation

ADDI-SprayDrift

Dispersion and atmospheric turbulence

Lagrangian model

Deposition; canopy interception

Spray drift

Dermal deposition; inhalation

Résumé

La maîtrise de la contamination des compartiments environnementaux et de l’exposition des êtres vivants par les pesticides requiert une bonne compréhension des processus majeurs impliqués. C’est le cas pour optimiser la distribution de la pulvérisation entre la végétation, le sol et l’atmosphère et minimiser les pertes par dérive hors de la parcelle traitée ainsi que les risques d’exposition des populations. La modélisation constitue à cet égard une approche pertinente pour étudier les processus majeurs et évaluer les modes de pulvérisation. L’objectif de ce travail de thèse a donc porté sur le développement d’un modèle original décrivant à la fois la distribution des pesticides dans la parcelle traitée et la dispersion atmosphérique en aval lors de la pulvérisation en viticulture. Une étude bibliographique initiale a révélé que les outils de modélisation déjà disponibles étaient spécifiques de contextes de cultures donnés et/ou d’un nombre de processus restreints, peu adaptés en vignoble. Notre travail a donc eu pour objectifs i)de développer et d’évaluer un nouveau modèle mécaniste, ADDI-sprayDrift, et ii)d’illustrer son utilisation dans le cadre de l’évaluation de l’effet des conditions de pulvérisation sur l’exposition des passants. La modélisation de la dispersion des gouttelettes est décrite par une approche lagrangienne de type marche aléatoire. Un module simple de turbulence atmosphérique permet de représenter le champ de vitesse de vent dans et au-dessus de la végétation, dans différentes conditions de stabilité atmosphérique.L’approche choisie permet de représenter l’interception des particules par la végétation en fonction de la géométrie et densité de la canopée et l’évaporation de l’eau des gouttelettes durant le transport aérien. Prenant en compte les conditions d’émission, la concentration de la bouillie en matière active, le stade de développement de la végétation et les conditions météorologiques, ADDI-sprayDrift prédit la distribution des pesticides lors de l’application entre le sol, le couvert traité et l’air, les dépôts au sol en dehors de la parcelle traitée ainsi que la concentration de gouttelettes dans l’atmosphère à un temps, distance et hauteur donnée.L’analyse de sensibilité du modèle a montré que le paramètre le plus influent sous toutes les conditions est l’angle d’éjection des particules et que l’influence de la vitesse d’éjection des gouttelettes, la proportion en matière active de la bouillie, la vitesse du vent et la hauteur du couvert est variable entre forte à moyenne selon la position du pulvérisateur dans le champ et la sortie du modèle considérée.La confrontation du modèle à des données de dérive sédimentaire et de distribution des pesticides lors de l’application en vignoble ainsi qu’à des données d’exposition de passants indique une bonne capacité prédictive du modèle. Le modèle a été appliqué à l’étude de l’influence du type de pulvérisateurs, de buses, du stade de développement du couvert, des conditions météorologiques et de la teneur de la matière active dans la bouillie, sur la distribution des pesticides lors de l’application et sur l’exposition des passants par inhalation et dépôt cutané. Les résultats confirment l’effet prépondérant des caractéristiques de pulvérisation sur la distribution des pesticides lors de l’application, les pertes en dehors du champ et l’exposition des passants. Toutefois, du fait de la multiplicité des interactions existantes entre les facteurs testés et de la variabilité de leur effet, une hiérarchisation de la contribution relative de chacun des facteurs nécessiterait des tests complémentaires. Ainsi, les travaux conduits au cours de cette thèse ont permis le développement d’un nouvel outil de modélisation mécaniste, simple et conceptuellement générique, pouvant, après adaptations nécessaires, être appliqué à d’autres contextes de pratiques phytosanitaires et pouvant être intégré dans des approches d’évaluation de l’exposition au sein d’un territoire.

Controlling the contamination of different environmental compartments and the exposure of different living beings by pesticides requires a good understanding of the major processes involved. This is the case for optimising the distribution of sprays between vegetation, soil and the atmosphere and minimising losses by drift outside the treated area as well as the risks of exposure of local residents and bystanders. In this regard, modelling is a relevant approach to study the major processes and evaluate the spraying technics. The objective of this thesis work was therefore to develop an original model describing the distribution of the application between the air, plant cover and soil compartments during spraying and the downwind atmospheric dispersion for a vineyard application. An initial bibliographical survey revealed that the modelling tools already available were specific to given crop contexts and/or a limited number of processes and were not very well adapted to vineyard conditions. The objectives of our work were therefore i) to develop and evaluate a new mechanistic model, ADDI-sprayDrift, and ii) to illustrate its use in assessing the influence of spraying conditions on bystander exposure. The approach chosen for modelling the dispersion of pesticide droplets is a Lagrangian random walk approach. A simple atmospheric turbulence module is used to represent the wind speed in and above the canopy, under neutral, stable and unstable atmospheric stability conditions. The chosen approach allows to represent the interception of particles by the canopy as a function of its geometry and density and the evaporation of water from droplets during air transport. Taking into account the emission conditions (type of spraying equipment), the concentration of active ingredient in the tank mixture, the canopy growth stage and the meteorological conditions, ADDI-sprayDrift predicts the distribution of pesticides during application between the soil, the treated canopy and the air, the deposition on the ground outside the treated plot as well as the concentration of droplets in the atmosphere at a given time, distance and height. The sensitivity analysis of the model showed that the most influential parameter under all conditions is the particle ejection angle, while the influence of ejection velocity, active ingredient proportion, wind speed and canopy height is variable - from high to medium - depending on the position of the sprayer in relation to the field edge and the output considered. Comparison of the model with sediment drift data in vineyards, pesticide distribution at application data and bystander exposure data indicates a good predictive capacity of the model. An application of the model was carried out to quantify the influence of the type of sprayers used (pneumatic, axial fan and side by side sprayers), nozzles (standard or anti-drift), canopy growth stage, meteorological conditions and content of the active ingredient in the tank mixture, on the distribution of pesticides during application and on the exposure of bystander by inhalation and dermal deposition. The latter has further emphasised the dominating effect of sprayer characteristics on pesticide distribution during application, off-field losses and bystander exposure. However, due to the multiplicity of interactions between the tested factors and the variability of their effect, establishing a hierarchy of the relative contribution of each factor to sedimentary spray drift and bystander exposure would require further testing. Thus, the work carried out during this thesis has allowed the development of a new mechanistic modelling tool, simple and conceptually generic, which can, after the necessary adaptations, be applied to other contexts of phytosanitary practices and which can be integrated into approaches for assessing exposure within a territory.