Comment mesure-t-on la qualité de l eau? Initiation du 6 mars 2018 Vincent Carbonnel (vcarbonn@ulb.ac.be)
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)
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
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
D, T U = D T Vitesse de surface : U surf t U = U surf 0.2 H t + T H = H H 0 0.8 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.)
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.)
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.)
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)
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
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
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
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
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
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
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)
- 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
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
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
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
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
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)
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)
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)
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
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)
Concentration O 2 à saturation (mg/l) (i.e. à l équilibre avec l air ambient) Photosynthèse : e.g. + 4 mg/l Température C 10 25 Respiration : e.g. - 4 mg/l à l'équilibre mg/l 11.3 8.3 avec photosynthèse (e.g. + 4 mg/l) mg/l 15.3 12.3 % saturation 135 148 Faune en manque d oxygène avec respiration (e.g. - 4 mg/l) mg/l 7.3 4.3 % saturation 65 52 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)
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
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 + )
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 + )
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
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)
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
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!
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
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
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
Merci pour votre attention Vincent Carbonnel (vcarbonn@ulb.ac.be)