projet ANR CHYPSTER

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Approche intégrée biogéochimique, géographique
et hydrologique pour déterminer les sources de
contaminants sur des bassins versants d'usage mixte

Marina Coquery, UR RiverLy, INRAE, et coll.
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Contexte : nombreuses sources de contamination dans les bassins versants méso-échelles à usage mixte

Les sources principales de contaminants :

-> rejets domestiques / agricoles

-> rejets ponctuels / diffus

+ hétérogénéité spatiale sur ces bassins versants

+ fortes variations temporelles (hydrologie, saison, usages des produits)

-> Besoin d'identifier et quantifier les différents flux de pollution qui contribuent majoritairement à la dégradation de l'état de eaux à l'exutoire des bassins versants pour engager des actions de réduction des apports

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Hypothèse : chaque source de contaminant possède une composition biogéochimique particulière liée à l'occupation des sols et aux pratiques. Par exemple, les cortèges microbiens peuvent renseigner sur l'origine de l'eau (espèces animales, ...)

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INRAO

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# Approche intégrée biogéochimique, géographique et hydrologique pour déterminer les sources de contaminants sur des bassins versants d'usage mixte

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2 sites d'étude :
BV Yzeron -
OTHU (69)
BV Claduègne -
OHMCV (07)

4 partenaires :
INRAE RiverLy
Univ Lyon 1 LEM
IRD-UGA IGE
UGA PACTE

**Objectifs** : identifier et caractériser les sources de contaminants (ponctuelles, diffuses) et prédire la qualité chimique et microbiologique des eaux à l'exutoire d'un bassin versant selon des scénarios futurs d'évolution (mutation de l'usage des sols, changement climatique)

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Objectifs

(1) définir de nouvelles méthodologies et produire de nouvelles bases de données chimiques et microbiologiques de pointe pour identifier les sources de contaminants dans un bassin versant

(2) quantifier les contributions des différentes sources de contaminants (définies à partir d'empreintes ou de traceurs/marqueurs ciblés) pour des conditions hydrologiques contrastées aux principaux exutoires d'un bassin versant

(3) prévoir les changements dans les cocktails de contaminants dans les eaux de surface en fonction de scénarios d'évolution probables tels que les mutations de l'usage des sols et les problèmes liés au changement climatique

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> Choix des sites d'étude

BV de la Claduègne (42 km²) :

- fait partie de l'OHM-CV, de la Zone Atelier Rivières Cévenoles (site ZABR) et de l'infrastructure de recherche OZCAR

- dominante polyculture élevage, viticulture et tourisme

- BV déjà instrumenté avec suivi qualité existant

BV de l'Yzeron, BV du Ratier (20 km²) :

- fait partie de l'Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine (OTHU, site ZABR) et de l'infrastructure de recherche OZCAR

- dominante polyculture élevage et occupation du sol périurbaine

- BV déjà instrumenté avec suivi qualité existant

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# WP1 – Diagnostic de l'occupation du sol et de l'utilisation de produits chimiques

Coordination : Nicolas Robinet, PACTE & Christelle Margoum, RiverLy

## 1. Objectifs

- Identifier les sources de pollution

## 2. Méthodes

- Cartographie haute résolution de l'occupation et de l'usage des sols à l'échelle du bassin versant : télédétection et analyses UV-Vis et microbiologiques de l'eau

- Une méthode d'enquête commune auprès des acteurs socio-économiques

## 3. Résultats attendus

- Base de données géoréférencée et détaillée des sources de contaminants + cartes de sources de contamination potentielle

- Identifier les périodes d'échantillonnage pour le WP2

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# Définition des sources – Données d'usage des sols

* Données utilisées :

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Base de données usage des sols issue du stage de Julie Josse et Mila Betemps (UMR PACTE/Cermosem – 2021)

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Exemple de résultats de requêtes issus de la base de données d'usage des sols pour le bassin versant du Ratier

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INRAE

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M Coquery 8/03/2022
<figure><img src="image_17.png" /><figcaption># Carte de synthèse des sous-bassins homogènes en terme d'occupation/usage des sols</figcaption></figure>

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Sources : Base de données usage des sols du Ratier - Julie Josse et Mila Betemps (2021); Carte occupation des sols AVuPUR (2008)
> WP2 – Experimental data acquisition

Coordination : Céline Duwig, IGE & Matthieu Masson, RiverLy

1. Objectifs

- Production d'une série de données hydrologiques et biogéochimiques

- Construction d'une base de données biogéochimiques d'échantillons d'eau et d'une collection d'échantillons

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2. Méthodes

- Echantillonnage d'une 10aine de **sources diffuses et ponctuelles** par BV (définies au WP1) à différentes saisons et conditions hydrologiques et selon les pratiques agricoles (3-5 temps) => **50 échantillons par BV**

- Mise en place d'échantillonneurs passifs (POCIS, TSP, DGT et germcatchers)

- Analyses classiques (majeurs, métaux, micropolluants organiques, microbiologie), et analyses plus innovantes : caractérisation de la matière organique dissoute, analyse suspectée (pesticides, contaminants émergents et produits de transformation), microbiologie (ADN, gènes antibiorésistance et pathogènes, suivi des sources microbienne...)

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INRAO

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> WP2 – Experimental data acquisition

## 2. Méthodes

- Echantillonnage d'une 10aine d'évènements hydrologiques aux exutoires instrumentés dans le cadre des SNO (OTHU et OHMCV) => 100 échantillons par BV

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>radar</figcaption></figure>

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Datalogger</figcaption></figure>

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Echelle limni</figcaption></figure>

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<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>Echantillonneurs automatiques</figcaption></figure>

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INRAO

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# Prélèvements sur évènement prévus

* 6 campagnes de prélèvement sur évènement pluvieux prévus (2 par an)

* Prélèvement par préleveurs automatiques

* Stations :

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* Mercier au pont D610

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* Ratier à St-Genis-les-Ollières

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Source: Grand Lyon, BDOH

## Paramètres majeurs

* COD + COT
* anions majeurs
* cations majeurs
* carbonates
* silice dissoute
* Carac. matière organique
* MES

## Métaux dissous

* Li, B, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Rb, Sr, Mo, AG, Cd, Sn, Sb, Ba, Pb, U
* + Métaux sur particulière

## Micropolluants organiques

* méthode multi-urbain : 57
* composés (pharmaceutiques et pesticides)

## Microbiologie

* abondance bactéries (coliformes totaux, Escherichia Coli, gène ARNr 16S, hétérotrophes totales...)

* diversité bactérienne (bactéries des ruminants, de l'homme, du chien, totaux)
* résistance bactérienne (intégrons 1, 2, et 3)

## Isotopes

* 818O
* 82H

## Analyse non ciblée

LC-HRMS

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## Méthodologie

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légende

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échantillons de sols

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échantillonnage d'un évènement hydrologique typique

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échantillons d'eau

INRAO
> WP3 – Tracking contamination among watersheds through chemical and DNA fingerprints

Coord. : Cécile Miège, RiverLy, Benoit Cournoyer, LEM

## Objectif 3.1

Identifier et sélectionner des marqueurs pour construire des empreintes biogéochimiques permettant d'identifier et de localiser des sources spécifiques de contamination au sein d'un bassin versant. Recherche de marqueurs persistants, récurrents de sous-BV à relier à des usages

## Méthodes

=> identification des variables corrélées : boxplots, ACP, corrélation de Spearman ou de Pearsons, analyses de régression linéaire.

⇒ étude de l'influence de l'usage des sols : tests multiples par paires (ex. tests non paramétriques de Kruskal-Wallis et de Dunn) + méthode MENA pour l'étude des réseaux de co-occurrence (Cournoyer et al., STOTEN, 2022)

⇒ Identification des marqueurs présentant le meilleur pouvoir discriminatoire entre les types de sources : variabilités intra-source et inter-sources (nature et intensité des signaux).

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## Méthodologie

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$$C_i = \sum_{j=1}^{C} P_j * C_{i,j} + E$$
> WP3 – Tracking contamination among watersheds through chemical and DNA fingerprints

### Objectif 3.2

Suivre les sources de contamination à l'aide de modèles de mélange biogéochimique, et estimer leur contribution à la sortie des deux bassins versants étudiés pour différentes conditions hydrologiques.

### Méthodes

Approche itérative confrontant les empreintes biogéochimiques provenant de sources ponctuelles et diffuses (obj. 3.1) avec les marqueurs identifiés dans les "sites de mélange" de la rivière ;

Tests statistiques pour supprimer les marqueurs non pertinents (par exemple, non persistants dans l'eau, ou trop dilués) ;

Quantification de la contribution des sources de contamination à l'aide de modèles de mélange (ex. moindres carrés non négatifs ou approches bayésiennes) au niveau des sites de mélange

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> Méthodologie

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Base de données avec métadonnées associées

Choix des paramètres discriminants (marqueurs)
(corrélations, test de Kruskal-Wallis, analyse factorielle discriminante ...)

Construction des empreintes
(analyse en composante principale, partitionnement de données, regroupement hiérarchique...)

Interprétation des
empreintes et choix
stratégie eau/sols
(étude des variabilités,
comparaison des regroupements
optimaux ...)

Application aux mélanges
(projection des échantillons dans les
représentation des empreintes,
calculs de mélange par minimisation
du lambda de Wilk...)

Mélange entre eau
rivière amont et
rejet de FPR

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ACP sur paramètres retenus

$$C_i = \sum_{j=1}^{C} P_j * C_{i,j} + E$$

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> Tache WP3 – Tracking contamination among watersheds through chemical and DNA fingerprints

**Objectifs 3.3**

Prédire les cocktails de contaminants associés sans équivoque à une source ou à un mode d'utilisation des sols particuliers.

**Méthodes**

Analyses ciblées et suspectées ;

Définition d'une liste de cocktails de contaminants chimiques et microbiologiques par type de source.

Mise en évidence les contaminants fortement corrélés et des liaisons dangereuses entre contaminants chimiques et microbiologiques.

Utilisation de la base de données MACADAM : base sur liens entre classification bactérienne et fonction biologique.

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> WP4 – Hydrological modelling and coupling with biogeochemical fingerprints

Coordination : Flora Branger, RiverLy & Guillaume Nord, IGE

**1. Objectifs**

- Améliorer la représentation des chemins de l'eau dans la modélisation hydrologique distribuée

- Participer à l'identification des sources et la construction des empreintes biogéochimiques

- Valider un outil prédictif pour simuler les scénarios de trajectoires du WP5

**2. Méthodes**

**Modélisation hydrologique distribuée** à l'aide du modèle J2000P (Labbas et al., 2015)

- Implémentation d'une fonctionnalité de traçage de composantes

- Développement sur les 2 bassins et validation itérative avec les modèles de mélange biogéochimiques

- Généralisation : construction de modèles perceptuels des chemins de l'eau et contributions des sources de contaminants (variations dans le temps et l'espace)

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> WP4 – Hydrological modelling and coupling with biogeochemical fingerprints

Modélisation hydrologique distribuée à l'aide du modèle J2000P

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$\beta_{\text{inf}}$ coefficient d'infiltration
paramètre distribué

$T_{\text{connex}}$ taux de connexion
paramètre distribué

$H_{\text{DO}}$: hauteur seuil
> WP4 – Hydrological modelling and coupling with biogeochemical fingerprints

### 3. Résultats attendus

- Modèles hydrologiques calés et validés

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<table><tr><td>Nash (hourly)</td><td>0.55</td></tr><tr><td>Nashlog (hourly)</td><td>0.72</td></tr><tr><td>Nash (daily)</td><td>0.62</td></tr><tr><td>Ratio Runoff coefficient</td><td>0.94</td></tr></table>

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> WP5 – Projections, use and climate change scenarios

Coordination : M. Coquery, RiverLy & P. Dusseux, PACTE

**1. Objectifs**

Prédire la qualité de l'eau des rivières pour des conditions futures d'usage des sols et changement climatique sélectionnées (hors changement comportemental/politique de l'utilisation des sols) pour les deux bassins versants

**2. Méthodes**

Appliquer le modèle J2000P validé à des scénarios sélectionnés d'usage des sols et de changement climatique sur les deux bassins versants et combiner les résultats avec les cocktails de contaminants définis pour chaque source contributive

- cartographier l'historique de l'usage et de l'occupation des sols (LULC)

- simuler l'évolution de l'usage et de l'occupation des sols ainsi que le changement climatique

- réaliser des simulations hydrologiques et prédire la qualité et la contamination futures des eaux de surface

**3. Résultats attendus**

- projections de l'hydrologie et de la qualité de l'eau futures en fonction de scénarios de changement de LULC et interprétation par des modèles perceptuels

- plaquette de sensibilisation sur les effets des changements/évolutions en matière de qualité de l'eau

- spatialisation des résultats de mesures et de l'usage des contaminants
> Merci de votre attention !

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INRAO

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