La qualité des eaux du Fleuve Rouge (Vietnam): observation et modélisation

Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 7 La qualité des eaux du Fleuve Rouge (Vietnam): observation et modélisation LE Thi Phuong Quynh 1,*, J. GARNIER, G. BILLEN, S. THERY, DUONG Thi Thuy 3, CHAU Van Minh 1 1 Institut de la Chimie des Substances Naturelles, Académie de la Science et Technologie du Vietnam, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Hanoi, VIETNAM, email : quynhltp@yahoo.com UMR Sisyphe 7619, CNRS - Université Pierre et Marie Curie, 4, Plcae Jussieu, Paris 755, FRANCE 3 Institut de la Technologie de l environnement, Académie de la Science et Technologie du Vietnam, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Hanoi, VIETNAM Résumé Le Fleuve Rouge (Chine et Vietnam) joue un rôle majeur dans la culture et la socio-économie au Nord Vietnam. La surface totale de bassin versant est de 156 45 km et la population compte environ 3 millions d habitants en 1997. Le but général de ce travail est de développer une compréhension d ensemble du fonctionnement biogéochimique de ce système sub-tropical de dimension régionale, et de son contrôle par les processus naturels et anthropiques. Ce travail a consisté à assembler, sous SIG et à l échelle de ce bassin, une base de données destinée à l implémentation du logiciel Seneque/Riverstrahler. Sont présentées ici les bases de données mises en œuvre et une première validation des résultats du modèle de qualité d eau en 3 et 4. Les flux de nutriments apportés en Mer de Chine par le Fleuve Rouge sont calculés et le risque associé d eutrophisation marine côtière est évalué. Mots clés : nutriments; qualité des eaux; modélisation; rivière tropicale; Red River; logiciel Introduction La source du Fleuve Rouge se situe dans la région des montagnes de la province du Yunnan (en Chine) et traverse plusieurs provinces vietnamiennes comme Lao Cai, Yen Bai, Phu Tho, Hanoi, Hung Yen, Ninh Binh... Il couvre une surface de bassin versant de 15645 km, avec une population d environ 3 millions d habitants (donnée en 1997). L axe principal du Fleuve Rouge (aussi appelé Yuan, Thao ou Hong) reçoit deux affluents principaux, le Da et le Lo, puis forme un large delta avant de se jeter dans le Golfe du Tonkin (en Mer de Chine méridionale) (figure 1). Les trois sous-bassins amont et le delta diffèrent largement en terme de densité de population (de 11 hab.km - dans les bassins amont à plus de 1 hab.km - dans le delta), d usage du sol et d activités agricoles (tableau 1). Un bilan d azote et de phosphore dans les 3 sous- 1 km bassins et le delta a précédemment été établi (Le et al. 5). Figure 1: Réseau hydrographique et bases élémentaires du bassin du Fleuve Rouge, obtenu par le traitement du modèle d élevation digitale de NASA. 1

Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 7 Objectifs Le but général du présent travail est de développer une compréhension d ensemble du fonctionnement biogéochimique de ce système sub-tropical de dimension régionale, et de son contrôle par les processus naturels et anthropiques. L épine dorsale du travail a consisté dans l implémentation du modèle Seneque/RIVERSTRAHLER, développé antérieurement pour décrire le lien entre la qualité de l eau et les activités humaines dans le bassin de la Seine et d autres fleuves européens (Billen et al., 1994, 1999; Garnier et al., 1995, ), pour le cas en particulier du système du Fleuve Rouge. Tableau 1: Caractéristiques du Fleuve Rouge et de ses principaux tributaires Topographie Thao (Yen Bai) Da (Hoa Binh) Lo (Viet Tri) Hong Delta total F. Rouge (total) Superficie du bassin, km² 57 15 51 85 34 559 9435 156 451 Longueur du principal axe, km 9 11 47 36.5 1138,5 Altitude maximale, m 674 3143 376 1 674 Pente moyenne, 33, 37-9,9 Occupation du sol (en 1997) Riz, % 18,7 1,5 8,1 63 17 Cultures industrielles et autres, % 14,4 3, 58,6 3,9 19,8 Prairies, % 7, 3,6 3,9,6 5, Forêt, % 54, 74,4,4 17,8 51,6 Roches nues, % 4,1 6, 6,4 5,9 5,4 Urbain, % 1,4,3,6 6,8 1, Population (en 1997) Densité de population, hab/km² 15 11 13 1174 19 Méthode Une base de données sous SIG a été assemblée à l échelle du bassin du Fleuve Rouge, avec des couches d informations renseignant la géomorphologie du bassin, sa lithologie, la météorologie, l usage du sol et les activités agricoles, la population et les rejets d eau usées domestiques et industrielles. Cette base de données est construite au format requis par le logiciel SENEQUE/Riverstrahler (Ruelland, 4 ; Ruelland et al, 7), une version du modèle Riverstrahler encapsulée dans une interface SIG constituant un outil de modélisation générique et spatialement explicite de la qualité de l eau à l échelle des grands réseaux hydrographiques. La première application de ce logiciel au système Fleuve Rouge est validée sur les données de qualité d eau acquises lors de suivis mensuels à l exutoire des grands sous-bassins et sur l axe principal du Fleuve en 3 et 4. Les données de concentrations en nutriments dans le réseau hydrographique du Fleuve Rouge étant assez rares, un suivi a été réalisé mensuellement durant les années 3 et 4, permettant de définir le niveau général de concentration en nutriments dans les eaux de surface (formes de l azote, du phosphore, de la silice, du carbone organique et de la chlorophylle). Les exutoires des principaux

Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 7 sous-bassins amont, l axe principal du Fleuve dans le delta et quelques rivières polluées de la région d Hanoï ont ainsi été documentés. Résultats et discussions Evaluation de la qualité des eaux de surface Les données de qualité des eaux de surface du système du Fleuve Rouge observées en 3-4 sont présentées dans le tableau. En se basant sur les concentrations moyennes de la période de 3 et 4, une classification des niveaux de pollution des nutriments dans le Fleuve Rouge et ses grands axes peut être proposée: en amont du système du Fleuve Rouge, le niveau des nutriments varie de l Oligotrophie à la Mésotrophie tantdis qu à l aval, surtout, dans les urbaines rivières (eg., Nhue, ToLich) du Delta du Fleuve Rouge, le niveau des nutriments varie de la Mésotrophie à l Eutrophie (tableau ). Tableau : Qualité des eaux de surface du système hydrographique du Fleuve Rouge en 3-4 Locations DO mg L -1 NH4 Tot N, Tot P, mgn L -1 mgn.l -1 mgp.l -1 DSi mgsi.l -1 T Chl a, µg.l -1 Da 4,9,3,,16 4,3 3,4 Classification Oligotrophie- Mésotrophie Lo 5,4,6,6,18 4, 3, Mésotrophie Thao 5,4,1,6,9 5,4 11, Mésotrophie Hong-Hanoi 5,8,85 1,,7 4,5 6,9 Mésotrophie To Lich,9 9,5 9,7,8 7,9 37, Eutrophie Nhue,9,7 3,,7 5,9 19,1 Mésotrophie - Eutrophie Modélisation de la qualité des eaux de surface Le logiciel Seneque/Riverstrahler permet de calculer, avec une résolution décadaire, les variations géographiques et saisonnières (du débit, de la qualité de l eau, ç-à-d le fonctionnement écologique du réseau hydrographique du Fleuve Rouge, y compris celui de ses annexes hydrauliques; les contraintes constituées par la morphologie des cours d eau, les conditions météorologiques et climatiques, l usage du sol du bassin versant et les rejets ponctuels d eaux usées sont prises en compte. Le logiciel offre aux utilisateurs 3 types de visualisation de résultats: - Les variations saisonnières du débit, et des concentrations des variables de qualité en une station du réseau (pour les sous- bassins, à l exutoire de chaqueordre de Strahler ou pour les axes, à chaque point kilométrique). La figure montre à titre d exemple les résultats obtenus sur la rivière de Thao. La figure 3 indique les résultats de simulations et observation à deux stations dans la rivière de Da, avant et après le réservoir de HoaBinh. - Les profils longitudinaux du débit ou des variables de qualité le long d un axe (pk par pk) à une décade donnée. - Cartographie : une représentation en un point des variables de qualité (avec un code couleur ajustable) pour tous les bassins et les axes de simulation. Pour les deux premières représentations, la possibilité existe de comparer automatiquement les résultats des calculs avec les données introduites dans la base de données. Grâce à notre étude, les situations récentes sont bien documentées. Cette comparaison constitue une validation du modèle. L accord entre les résultats du modèle et les observations représente en effet une mesure exacte de notre compréhension du fonctionnement du système et/ou de notre connaissance des contraintes qui le contrôlent. Les désaccords entre les 3

Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 7 simulations et les observations nous informent sur les faiblesses de notre approche et nous conduit à de nouvelles interrogations. Discharge, m 3.s -1 4 3 Discharge, m 3.s -1 4 4 4 4 SS, mg.l -1 SS, mg.l -1 4 Chla, µg.l -1 1 Chla, µg.l -1 1 N-NO3, mg.l -1 4 N-NO3, mg.l -1 4 N-NH4, mg.l -1 1 N-NH4, mg.l -1 1 1. 1. Ptot, mg.l -1.6 Ptot, mg.l -1.6.... P-PO4, mg.l -1.1 P-PO4, mg.l -1.1.. SiO, mg.l -1 1 SiO, mg.l -1 1 Figure : Station de Yen Bai (dans le Thao) en 3 (gauche) et en 4 (droite): variations saisonnières observées (cercles vides) et calculées (traits pleins). De haut en bas sont représentés le débit, les concentrations en matière en suspension (SS), en chlorophylle a (Chla: µg.l -1 ), en nutriments (nitrate et ammonium: mgn.l -1 ; en phosphore total et en phosphates mgp.l -1 ; et silice dissoute: mgsio.l -1 ). 4

Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 7 Le modèle ne reproduit pas toute la variabilité de l évolution spatio-temporelle de la qualité d'eau, mais les niveaux généraux des concentrations sont correctement reproduits pour la plupart des stations. La simulation de la concentration en biomasse algale (exprimée en chlorophylle a) dans le Thao est supérieure à la valeur observées, mais le modèle y met en évidence une tendance générale du développement des algues, effectivement plus importante dans le Thao que dans les autres sousbassins (Figure ). Le modèle sous-estime les concentrations en nitrate dans le Thao, mais simule relativement bien les faibles concentrations en ammonium, qui s expliquent sans- doute par une nitrification importante dans la rivière, compte tenu des apports ponctuels relativement importants, ainsi que des apports diffus des rizières. Les niveaux simulés de la silice dissoute sont très proches de ceux observés. Une conclusion importante des simulations par le modèle est qu il n y a pas de processus notable de rétention en silice y compris au cours des poussées planctoniques observées uniquement dans le Thao. La figure 3 montre aussi très visiblement le rôle du réservoir de Hoa Binh, localisé dans le cours de la rivière Da, sur la rétention des sédiments (Le et al. 7). Figure 3: Variations saisonnières, en 3, des simulations (sim.) et observations (obs.) des concentrations en matière en suspension (suspended solid, mgss.l -1 ) obtenues aux stations amont (à gauche) et aval (à droite) du réservoir de Hoa Binh sur la rivière Da. (Valeurs observées à l amont citées par Nguyen et al. (3) à la station de Lai Chau dans la période 1961-1989). Le modèle permet de calculer les flux de nutriments et de matière en suspension à l exutoire des sous-bassins (Tableau ) en fonction des contraintes anthropiques imposées au système. Tableau : Flux de nutriments (N: azote; P: phosphore; Si: silice) calculés par le modèle (aux exutoires des rivières Da, Lo, Thao et Hong aux stations de Hoa Binh, Vu Quang, Yen Bai et Hanoi en 3. Total N, 1 3 tons N.y -1 Total P 1 3 tons P.y -1 Total Si 1 3 tons Si.yr -1 MES, 1 6 tons SS.y -1 Da 61 9.3 74 7.4 Lo 55 4.** 18 35.** Thao 15 7.9 57 8.4 Hong Hanoi 146 48. 475 58.5 Les rapports N/P à l exutoire des sous-bassins du Thao, du Lo et du Da et dans l axe principal du Fleuve Rouge à Hanoi sont respectivement de 1,9 ;,3 ; 6,6 et 3,. Ils sont inférieurs au rapport de Redfield qui, égal à 16, représente les besoins des algues pour leur croissance (Redfield et al., 1963). Les rapports Si/N aux mêmes stations sont de 3,7;,3; 4,5 et 3, respectivement, qui beaucoup plus élevés que 1 (Conley et al., 1993; Billen et Garnier, 1997), indiquent que la silice dans la colonne d eau est supérieures aux besoins des diatomées Nous pouvons ainsi conclure que les apports du Fleuve Rouge en Mer de Chine ne sont pas limités en silice, ce qui limite le risque d occurrence de blooms algaux non siliceux et toxiques à la zone côtière (Cugier et al., 5 ; Garnier et Billen, ; Billen et Garnier, 7). 5

Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 7 Conclusions et perspectives Le modèle Seneque /Riverstrahler est appliqué pour la première fois avec succès à un système subtropical, comme le Fleuve Rouge au Nord-Vietnam. Dans le cadre du projet subventioné par IFS (International Foundation for Science), nos perspectives sont d améliorer le modèle Seneque/Riverstrahler, et de poursuivre l acquisition des données des contraintes pour que le modèle s adapte mieux aux conditions naturelles des zones tropicales, et ainsi obtenir des résultats de simulation au plus proches des valeurs réelles. De plus, les données de validation sont encore insuffisantes. Après validation dans des conditions hydrologiques variées, le modèle pourra être utilisé pour explorer l effet, en termes de qualité de l eau et du fonctionnement biogéochimique, de divers scénarios décrivant divers scénarios de changements futurs du bassin du Fleuve Rouge, en ce qui concerne son aménagement hydraulique, l usage de ses sols et de son agriculture, sa population et sa gestion des eaux usées dans les 5 années à venir. Bibliographie Billen, G., J. Garnier & P. Hanset. (1994). Modelling phytoplankton development in whole drainage networks: The RIVERSTRAHLER model applied to the Seine river système. Hydrobiologia, 89: 119-137. Billen, G. & J. Garnier (1999). Nitrogen transfer through the Seine drainage network: a budget based on the application of the RIVERSTRAHLER Model. Hydrobiologia, 41: 139-15. Billen G, Garnier J. (7). River basin nutrient delivery to the coastal sea: assessing its potential to sustain new production of non siliceous algae. Marine Chemistry. In press Conley, D.J., Claire, L. S & Stoermer, E. F. (1993). Modification of the biogeochemical cycle of silica with eutrophication. Marine Ecology progress series, Published November 4, 11: 179-19 Cugier Ph., Billen G., Guillaud, J.F., Garnier, J. & Ménesguen A. (5). Modelling the eutrophication of the Seine Bight (France) under historical, present and future riverine nutrient loading. J. Hydrol. 34: 381-396 Garnier J., G. Billen & M. Coste. (1995). Seasonal succession of diatoms and chlorophyecae in the drainage network of the River Seine: Observations and modelling. Limnology. & Oceanography, 4: 75-765. Garnier J., Billen G., Sanchez N. & Leporcq B (). Ecological functioning of a large réservoir in the upstream bassin of the river Seine (Marne réservoir, France). Regulated River, 16:51-71. Garnier, J. & Billen, G. (). The Riverstrahler modelling approach applied to a tropical case study (The Red Hong- River, Vietnam): nutrient transfer and impact on the Coastal Zone. SCOPE, Coll. Mar. Res. W., 1: 51-65 Le T.P.Q, G. Billen, J. Garnier, S. Théry, C. Fézard & Chau V.M. (5). Nutrient (N, P) budgets for the Red River bassin (Vietnam and China). Global Biogeochemical cycles, Vol. 19, GB, doi 1.19/4GB45. Le T. P. Q., Garnier J., Billen G. Théry S. & Chau VM. (7). Hydrological regime and suspended load of the Red River system (Vietnam): observation and modelling. J. Hydrol. 334, 199 14. Nguyen, Viet Pho, Vu, Van Tuan and Tran, Thanh Xuan (3). Water resources in Vietnam. Institute of Meteo- Hydrology. Agricultural Editor. Hanoi Ruelland D. (4). SENEQUE, a GIS software to evaluate water quality. Hermès-Lavoisier Ed., Revue Internationale de Géomatique, vol. 14, n 1, 97-117. Ruelland, D., Billen, G., Brunstein, D. & Garnier, J. (7). SENEQUE 3: a GIS interface to the RIVERSTRAHLER model of the biogeochemical functioning of river systems. The Science of the Total Environment, 375: 57-73. 6