Comment mesure-t-on la qualité de l eau? Initiation du 6 mars 2018

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1 Comment mesure-t-on la qualité de l eau? Initiation du 6 mars 2018 Vincent Carbonnel (vcarbonn@ulb.ac.be)

2 Comment mesure-t-on la qualité de l eau? Initiation du 6 mars 2018 Physico-chimie : Contexte, précisions et interprétation Vincent Carbonnel (vcarbonn@ulb.ac.be)

3 Vitesse de surface et vitesse moyenne Intérêt de la mesure du débit Cycle du phosphore Cycle de l azote Influence sur la concentration en oxygène et sur le ph Dynamique dans le temps / le long de la rivière Situation actuelle dans la Senne et le Canal Evolution sur le long terme

4 D, T U = D T Vitesse de surface : U surf t U = U surf t + T U = 0 Vitesse moyenne (U moy )? - moyenne (intégrale) à partir du profil vertical de vitesse complet

5 D, T U = D T Vitesse de surface : U surf t U = U surf 0.2 H t + T H = H H H U = 0 Vitesse moyenne (U moy )? U moy - moyenne (intégrale) à partir du profil vertical de vitesse complet - moyenne des vitesses à 20% et 80% de la profondeur (approx.)

6 D, T U = D T Vitesse de surface : U surf t U = U surf t + T H 0.6 H U moy U = 0 Vitesse moyenne (U moy )? - moyenne (intégrale) à partir du profil vertical de vitesse complet - moyenne des vitesses à 20% et 80% de la profondeur (approx.) - vitesse à 60% de la profondeur (approx.)

7 D, T U = D T Vitesse de surface : U surf U = U surf D moy = U moy T U moy = 0.8 U surf U = 0 Vitesse moyenne (U moy )? - moyenne (intégrale) à partir du profil vertical de vitesse complet - moyenne des vitesses à 20% et 80% de la profondeur (approx.) - vitesse à 60% de la profondeur (approx.) - U moy 0.8 U surf (grossière approx.)

8 Intérêt de la mesure de vitesse : Temps de séjour dans (un tronçon d ) un cours d eau Temps nécessaire pour l arrivée/transit/évacuation d un polluant Suffisant pour qu un processus affecte la concentration? - développement de micro-organismes - réaction de dégradation de la matière organique - Force d entraînement/arrachement érosion/sédimentation larves d insectes plantes aquatiques poissons qui nagent à contre-courant (stationnaire/remontent)

10 D moy t t + T Volume d eau écoulé - pendant un temps T : V = A D moy - par unité de temps : Débit W moy H moy Q = A D moy T Q = A U moy Q 0.8 A U surf «Section mouillée» Aire : A = H moy W moy

11 Intérêt de la mesure du débit : Conservatif le long d une section du cours d eau ( vitesse, hauteur) (si ni sources ni pertes) Q 1 U 1 Q 2 = Q 1 U 2 < U 1

12 Intérêt de la mesure du débit : Conservatif le long d une section du cours d eau ( vitesse, hauteur) (si ni sources ni pertes) Q 1 U 1 Q 2 = Q 1 U 2 < U 1

13 Intérêt de la mesure du débit : Conservatif le long d une section du cours d eau ( vitesse, hauteur) (si ni sources ni pertes) Additif ( vitesse, hauteur) Q 1, U 1, H 1 Q 2, U 2, H 2 Q 3 = Q 1 + Q 2 U 3 U 1 + U 2 H 3 H 1 + H 2

14 Intérêt de la mesure du débit : Conservatif le long d une section du cours d eau ( vitesse, hauteur) (si ni sources ni pertes) Additif ( vitesse, hauteur) Concentration charge polluante : L = Q C (additif concentration) L 1 = Q 1 C 1 L 2 = Q 2 C 2 L 3 = Q 3 C 3 L 3 = L 1 + L 2 C 3 C 1 + C 2

15 Intérêt de la mesure du débit : Conservatif le long d une section du cours d eau ( vitesse, hauteur) (si ni sources ni pertes) Additif ( vitesse, hauteur) Concentration charge polluante : L = Q C (additif concentration) Lien direct avec la pluie (quantités d eau) - débit lié à la surface du bassin versant, type de sol ( vitesse, hauteur) - comparaison de différents cours d eau - observation des périodes sèches/humides (= vitesse, hauteur)

16 - si pas de modifications structurelles du lit - si pas d effet «backwater» (influence importante de l aval) en général, on a : Q «courbe de tarage» H ou H - H Q - Si de plus, on a la relation entre A et H (géométrie du lit) : H Q U moy

18 stations d épuration déversoirs d orage engrais PO 4 3- PO 4 3- P org. part. P org. diss. PO 4 3- algues (phytoplancton, macrophytes ) PO 4 3- P organique particulaire bactéries P organique dissous mortalité dégradation eau souterraine ruissellement sol, plantes PO 4 3- P org. part. P org. diss. relargage sorption désorption P inorganique particulaire déposition re-suspension

19 stations d épuration déversoirs d orage engrais PO 4 3- PO 4 3- P org. PO 4 3- algues (phytoplancton, macrophytes ) PO 4 3- P organique mortalité dégradation bactéries eau souterraine ruissellement sol, plantes PO 4 3- P org. sorption désorption P inorganique particulaire échanges avec sédiment

21 stations d épuration déversoirs d orage engrais N inorg. diss. N org. part. N org. diss. N inorg. diss. Dépôts atmosphériques N inorg. diss. algues (phytoplancton, macrophytes ) N 2 (Fixation par cyanobactéries) N inorg. diss. N organique particulaire bactéries N organique dissous mortalité dégradation déposition re-suspension eau souterraine ruissellement sol, plantes N inorg. diss. N org. part. N org. diss. N 2 relargage N inorg. diss. dénitrification (milieu anoxique)

22 stations d épuration déversoirs d orage engrais Dépôts atmosphériques N 2 N inorg. diss. (Fixation par cyanobactéries) algues (phytoplancton, macrophytes ) eau souterraine ruissellement sol, plantes N inorg. diss. N org. N inorg. diss. N org. N inorg. diss. N inorg. diss. N organique mortalité dégradation bactéries N 2 échanges avec sédiment N inorg. diss. dénitrification (milieu anoxique)

23 stations d épuration déversoirs d orage engrais Dépôts atmosphériques NO 3-, NH 4 + (Fixation par cyanobactéries) algues (phytoplancton, macrophytes ) N 2 eau souterraine ruissellement sol, plantes NO 3-, NH 4 + N org. NH 4 + N org. NO 3 - N organique N 2 NO 3 - bactéries NO 2 - NH 4 + mortalité dégradation bactéries échanges avec sédiment NO 3 - dénitrification (milieu anoxique)

25 stations d épuration déversoirs d orage engrais Dépôts atmosphériques nutriments (dont NH 4+ ) nutriments (dont NH 4+ ) matière organique échanges O 2 photosynthèse (JOUR) O 2 respiration : algues (NUIT) (animaux) matière organique vivante O 2 eau souterraine ruissellement sol, plantes nutriments (dont NH 4+ ) matière organique Influence sur l oxygène : NH 4+ => oxygène nutriments matière organique détritique => oxygène Eutrophisation : O 2 NO 3 - NH 4 + nutriments O 2 matière organique détritique dégradation nutriments => photosynthèse => matière organique => respiration et matière organique détritique => oxygène Unique compensation possible : échanges avec l atmosphère : lent (favorisés par la turbulence)

26 Concentration O 2 à saturation (mg/l) (i.e. à l équilibre avec l air ambient) Photosynthèse : e.g. + 4 mg/l Température C Respiration : e.g. - 4 mg/l à l'équilibre mg/l avec photosynthèse (e.g. + 4 mg/l) mg/l % saturation Faune en manque d oxygène avec respiration (e.g. - 4 mg/l) mg/l % saturation Température de l eau ( C) pourcentage saturation (%) = concentration O 2 mesurée concentration O 2 à l équilibre même T 100 Concentrations exprimées en : mg/l : important pour statut écologique, la faune (et processus chimiques) % saturation: pour estimer production/consommation d O 2 (s affranchir de l effet de la température)

28 stations d épuration déversoirs d orage eau souterraine ruissellement sol, plantes nutriments échanges CO 2 photosynthèse (JOUR) respiration : algues (NUIT) (animaux) ph lié au type de sol nutriments matière organique nutriments matière organique CO 2 matière organique vivante CO 2 nutriments matière organique détritique CO 2 dégradation CO 2 + H 2 0 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - ph = - log [H + ] (en fait, l activité de H + )

29 stations d épuration déversoirs d orage nutriments nutriments matière organique échanges CO 2 ph ph photosynthèse (JOUR) respiration : algues (NUIT) (animaux) matière organique vivante ph eau souterraine ruissellement sol, plantes ph lié au type de sol nutriments matière organique nutriments matière organique détritique ph dégradation CO 2 + H 2 0 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - ph = - log [H + ] (en fait, l activité de H + )

31 Croissance algues Oscillations jour-nuit Déposition algues O 2 Nutriments Dégradation algues Consommation de l oxygène Reminéralisation des nutriments Rééquilibrage Mat. Org. Printemps Été Automne Hiver Echantillonnage : concerne un instant T à un endroit donné ( indice biotique, moins sensible et spécifique, mais intégrateur)

32 En été : Croissance algues Oscillations jour-nuit Déposition algues O 2 Nutriments Dégradation algues Consommation de l oxygène Reminéralisation des nutriments Rééquilibrage Mat. Org. Sources <--- Zone de végétation (Etang?) > Zone courant plus fort Echantillonnage : concerne un instant T à un endroit donné ( indice biotique, moins sensible et spécifique, mais intégrateur) Remonter le cours d eau, c est un peu comme remonter le temps! échantillon : tous les processus en amont

33 Quelle dynamique attendre pour le Roodkloosterbeek? Bassin versant forestier pas d influence de station d épuration, déversement d orage, d engrais En amont, végétation qui pourrait significativement consommer les nutriments? à cette saison? temps de séjour suffisant? Influencé par les chapelets d étangs : - temps de séjour important possible consommation importante des nutriments par les algues (mais à cette saison?) - Si consommation totale de l azote dissous (saison?) fixation de N 2 par des cyanobactéries? - faible vitesse déposition de la matière organique (saison?) fonds des étangs privés d oxygène et dénitrification (NO 3- vers N 2 )? - Surface importante et temps de séjour importants importance des dépôts atmosphériques? - Interprétation complète probablement difficile avec un seul échantillonnage Idéalement : différents endroits et à différentes saisons Mais avec les différents processus en tête, on peut émettre des hypothèses!

36 Amélioration de la qualité de l eau dans la Senne Référence : Brion et al. (2015) Assessing the impacts of wastewater treatment implementation on the water quality of a small urban river over the past 40 years. Environ Sci Pollut Res

37 Merci pour votre attention Vincent Carbonnel