# Modélisation exploratoire des transferts de produits phytosanitaires en domaine souterrain et reconstitution de leur origine en rivière par analyse tendancielle

Hélène Blanchoud, Nicolas Gallois, Alexandra Mattei, Thomas Puech, Nills Fauchon, Pascal Viennot, Céline Schott, Fluvia Bartelli, Catherine Mignolet, Nicolas Flipo, et al.

► To cite this version:

Hélène Blanchoud, Nicolas Gallois, Alexandra Mattei, Thomas Puech, Nills Fauchon, et al. Modélisation exploratoire des transferts de produits phytosanitaires en domaine souterrain et reconstitution de leur origine en rivière par analyse tendancielle. Colloque annuel du Programme PIREN-Seine, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). FRA., Oct 2016, Paris, France. pp.30. hal-02741566

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# Modélisation exploratoire des transferts de produits phytosanitaires en domaine souterrain et reconstitution de leur origine en rivière par analyse tendancielle

## Session « Scénariser les futurs du bassin »

H. Blanchoud<fnref n="1" />, N. Gallois<fnref n="2" />, A. Mattei<fnref n="1" />,<fnref n="4" />, T. Puech<fnref n="3" />, N. Fauchon<fnref n="4" />, P. Viennot<fnref n="2" />, C. Schott<fnref n="3" />, F. Baratelli<fnref n="2" />, C. Mignolet<fnref n="3" />, N. Flipo<fnref n="2" />, J.-M. Mouchel<fnref n="1" />

<footnote n="1">¹ UMR METIS, UPMC-CNRS-EPHE, Paris</footnote>

<footnote n="2">² MINES ParisTech/ARMINES, Centre de Géosciences, Fontainebleau</footnote>

<footnote n="3">³ INRA-SAD Aster, Mirecourt</footnote>

<footnote n="4">⁴ VEDIF, Nanterre</footnote>
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Contextualisation

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Apports en
pesticides

AQUIFERES

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INRA

ARMINES

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MINES
ParisTech

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UMR 7619

metis

VEOLIA

Eau d'Ile-de-France

Délégataire du SEDIF

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Zone
Atelier

LIEU FRANCE SEINE

Colloque
annuel

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6-7 octobre 2016
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Contextualisation

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Pratiques
culturales

Climat

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Apports en
pesticides

Volatilisation

Ruissellement

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Sorption

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SOL

1

Modélisation

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2

Analyse
tendancielle

Interfaces
nappe-rivière

Transferts dans
les nappes

AQUIFERES

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Restitution au
cours d'eau

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INRA

SCIENCE & IMPACT

ARMINES

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MINES
ParisTech

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UMR 7619

metis

VEOLIA

Eau d'Ile-de-France

Délégataire du SEDIF

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Zone
Atelier

LIEU FRANCE

SEINE

Colloque
annuel

PIREN
Seine

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6-7 octobre 2016
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Contextualisation

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Pratiques
culturales

Climat

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Apports en
pesticides

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Volatilisation

Ruissellement

Transfert

Sorption

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SOL

1

Modélisation

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2

Interfaces
nappe-rivière

Transferts dans
les nappes

AQUIFERES

Analyse
tendancielle

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Restitution au
cours d'eau

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INRA

SCIENCE & IMPACT

ARMINES

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MINES
ParisTech

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metis

UMR 7619

VEOLIA

Eau d'Ile-de-France

Délégataire du SEDIF

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Zone
Atelier

LYON FRANCE SEINE

Colloque
annuel

PIREN
Seine

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6-7 octobre 2016
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## Contexte et objectifs

* Méthodologie de simulation spatialisée initiée dans le cadre de travaux pour l'Agence de l'Eau Seine-Normandie en 2014 (modélisations STICS-MODCOU).

## Objectif

* Reconstituer les évolutions mesurées des niveaux et dynamiques de pollution en domaine aquifère.

### Prérequis :

* Intégrer la variabilité spatio-temporelle rencontrée à large échelle du climat, des sols et des systèmes de cultures = Première spatialisation du module PeSTICS [1],

* Evaluer la faisabilité d'une reconstruction de l'évolution des pratiques phytosanitaires (large échelle, temps long) (INRA SAD Aster),

* Identifier les spécificités et verrous actuels de modélisation des transferts de pesticides = Mise en œuvre de modélisations exploratoires (ARMINES).

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<footnote>[1] [Queyrel, 2014] Thèse PIREN</footnote>
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# I. Modélisation exploratoire des transferts souterrains de produits phytosanitaires

## Zone d'étude

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* Partie affleurante de la nappe des calcaires de Champigny (Provinois - Seine-et-Marne/Marne)

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* Préexistence d'un modèle hydrogéologique local [2] ,

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* Mesures de concentrations souterraines en pesticides disponibles (Eau de Paris, Aqui'Brie, AESN).

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* Choix des molécules testées par modélisation, conditionné par :

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* Disponibilité de données d'observations avec un recul d'une vingtaine d'années,

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* Molécules ayant été testées dans le cadre de l'élaboration du module PeSTICS.

=

Isoproturon, Atrazine

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[2] [Bellier, 2013]

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# I. Modélisation exploratoire des transferts souterrains de produits phytosanitaires

## La chaîne de modélisation PeSTICS/STICS-MODCOU

Modélisation des pollutions diffuses agricoles en domaine aquifère : l'association d'un **modèle agronomique** et d'un **modèle hydrogéologique**

### Modèle agronomique STICS (parcelle agricole)

Evaluation du comportement du système d'échange « sol - plante cultivée » : simulation du **cycle agronomique** des cultures et de leurs **impacts environnementaux**

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INRA

SCIENCE & IMPACT

ARMINES

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MINES
ParisTech

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metis

UMR 7619

VEOLIA

Eau d'Ile-de-France

Délégataire du SEDIF

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Zone
Atelier

LIEU DE FRANCE SEINE

Colloque
annuel

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6-7 octobre 2016
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# I. Modélisation exploratoire des transferts souterrains de produits phytosanitaires

## La chaîne de modélisation PeSTICS/STICS-MODCOU

Modélisation des pollutions diffuses agricoles en domaine aquifère : l'association d'un **modèle agronomique** et d'un **modèle hydrogéologique**

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### Module agronomique PeSTICS (parcelle agricole)

Evaluation du comportement physico-chimique (remobilisation, rétention, volatilisation, transferts sous forme dissoute) et du devenir des pesticides dans les sols

### Modèle hydrogéologique MODCOU (bassin versant, 1 ou plusieurs)

Simulation du comportement d'un hydrosystème et du transfert de matière dans tous ses compartiments

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INRA

SCIENCE & IMPACT

ARMINES

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MINES
ParisTech

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metis

UMR 7619

VEOLIA

Eau d'Ile-de-France

Délégataire du SEDIF

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Zone
Atelier

LIEU DE FRANCE SEINE

Colloque
annuel

PIREN
Seine

6-7 octobre 2016
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## Caractérisation des pratiques phytosanitaires sur une vingtaine d'année à l'échelle régionale**

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* **Description des systèmes de culture** (assolements et pratiques culturales) au sein d'une base de données orientée « traitements phytosanitaires » (ARSeiNe).

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Base de données OSITOP orientée **pesticides** (enquêtes sur l'Orgeval – PIREN Seine, SRPV, pratiques culturales 1994-2001-2006 et 2011).

**Extension spatiale** : +/- Île-de-France.

**Période couverte par les données** : 1989 - 2011

**Cultures** :
betterave, blé tendre, colza, féverole, lin, maïs grain, orge d'hiver, orge de printemps, pomme de terre et pois.

**Matières actives** : Isoproturon et atrazine.

**Indicateurs** : Fréquences d'utilisation, dates et doses médianes.

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<footnote>** Ce travail a bénéficié d'une aide de l'Etat gérée par l'Agence Nationale de la Recherche au titre du programme Investissements d'avenir portant la référence ANR-10-EQPX-17 (Centre d'Accès Sécurisé aux Données – CASD).</footnote>
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# I. Modélisation exploratoire des transferts souterrains de produits phytosanitaires

## Résultats et discussions**

### ❖ Céréales et isoproturon :

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*(Zone agricole homogène sur la zone d'étude)

### Dose médiane (g.ha⁻¹)

<table><thead><tr><th>Périodes</th><th>Blé tendre</th><th>Orge de printemps</th></tr></thead><tbody><tr><td>1990 – 1997</td><td>750</td><td>500</td></tr><tr><td>1998 – 2003</td><td>750</td><td>600</td></tr><tr><td>2004 – 2008</td><td>750</td><td>500</td></tr><tr><td>2009 – 2011</td><td>860</td><td></td></tr></tbody></table>

### Dates d'utilisation

<table><thead><tr><th rowspan="2">Périodes</th><th colspan="3">Blé tendre</th><th colspan="3">Orge de printemps</th></tr><tr><th>Q1</th><th>Med</th><th>Q3</th><th>Q1</th><th>Med</th><th>Q3</th></tr></thead><tbody><tr><td>1990 - 1997</td><td>15/11</td><td><strong>15/12</strong></td><td>05/03</td><td>15/04</td><td><strong>05/05</strong></td><td>05/05</td></tr><tr><td>1998 - 2003</td><td>25/11</td><td><strong>25/02</strong></td><td>15/03</td><td>25/03</td><td><strong>05/04</strong></td><td>05/05</td></tr><tr><td>2004 - 2008</td><td>05/11</td><td><strong>15/11</strong></td><td>05/03</td><td>05/04</td><td><strong>15/04</strong></td><td>25/04</td></tr><tr><td>2009 - 2011</td><td>05/11</td><td><strong>05/11</strong></td><td>15/11</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

<footnote>** Ce travail a bénéficié d'une aide de l'Etat gérée par l'Agence Nationale de la Recherche au titre du programme Investissements d'avenir portant la référence ANR-10-EQPX-17 (Centre d'Accès Sécurisé aux Données – CASD).</footnote>
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# I. Modélisation exploratoire des transferts souterrains de produits phytosanitaires

## Résultats de modélisation du transfert de pesticides : Isoproturon

* Calcul PeSTICS spatialisé des flux sous-racinaires en produits phytosanitaires,

* Injection des concentrations sous-racinaires en entrée du modèle hydrogéologique.

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# I. Modélisation exploratoire des transferts souterrains de produits phytosanitaires

## Résultats de modélisation du transfert de pesticides : Atrazine

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## Limites et verrous actuels liés à la modélisation

* **Recul temporel restreint** sur les données d'entrée disponibles : pratiques des décennies 1970 et 80 ?

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Difficultés d'initialisation des deux types de modèles :

o Contrainte forte imposée sur les concentrations initiales en pesticides en nappe impactant fortement les évolutions temporelles simulées des concentrations (effets très marqués dans le cas de l'atrazine, moins significatif pour l'isoproturon),

o Large imprécision des données pour l'initialisation du stock en matière active dans les sols.

* Différenciation entre valeurs mesurées et limites de quantification.

* **Échantillons statistiques limités** : agrégation nécessaire des enquêtes agricoles dans le temps et l'espace.

* Intégration de certaines données d'entrée (physico-chimie des **sols** par exemple) à une **échelle spatiale insuffisante**.

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Contextualisation

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Pratiques
culturales

Climat

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Apports en
pesticides

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Volatilisation

Ruissellement

1

Modélisation

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Sorption

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SOL

Transfert

Transferts dans
les nappes

AQUIFERES

2

Analyse
tendancielle

Interfaces
nappe-rivière

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Restitution au
cours d'eau

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INRA

SCIENCE & IMPACT

ARMINES

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MINES

ParisTech

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UMR 7619

VEOLIA

Eau d'Ile-de-France

Délégataire du SEDIF

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Zone
Atelier

LIEU FRANCE

SEINE

Colloque
annuel

PIREN
Seine

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6-7 octobre 2016
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# II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

*Objectif : Considérer l'ensemble du bassin de la Seine*

## ❖ Pourquoi la DEA ?

* Métabolite de l'atrazine interdite en 2003 (donc plus de source actuelle),

* Contamination actuelle encore préoccupante,

* Détection dans les eaux souterraines (ESO) et de surface (ESU).

## ❖ Les données de contamination existantes :

* Les données ESU de l'AESN 1999-2013 sur 230 stations

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# II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

*Objectif : Considérer l'ensemble du bassin de la Seine*

## ❖ Pourquoi la DEA ?

* Métabolite de l'atrazine interdite en 2003 (donc plus de source actuelle),

* Contamination actuelle encore préoccupante,

* Détection dans les eaux souterraines (ESO) et de surface (ESU).

## ❖ Les données de contamination existantes :

* Les données ESU de l'AESN
  1999-2013 sur 230 stations

* Les données ESO d'ADES
  1997-2013 sur 3500 piézomètres

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# II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

## Objectif : Considérer l'ensemble du bassin de la Seine

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## Pourquoi la DEA ?

* Métabolite de l'atrazine interdite en 2003 (donc plus de source actuelle),

* Contamination actuelle encore préoccupante,

* Détection dans les eaux souterraines (ESO) et de surface (ESU).

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## Les données de contamination existantes :

* Les données ESO de l'AESN
  1999-2013 sur 230 stations

* Les données ESO d'ADES
  1997-2013 sur 3500 piézomètres

* Les données VEDIF aux prises d'eau
  1997-2014 sur 3 stations

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INRA

SCIENCE & IMPACT

ARMINES

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MINES
ParisTech

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metis

UMR 7619

VEOLIA

Eau d'Ile-de-France

Délégataire du SEDIF

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Zone
Atelier

LIEU DE FRANCE SEINE

Colloque
annuel

PIREN
Seine

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6-7 octobre 2016
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# II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

## Objectif : Considérer l'ensemble du bassin de la Seine

## ❖ Pourquoi la DEA ?

* Métabolite de l'atrazine interdite en 2003 (donc plus de source actuelle),

* Contamination actuelle encore préoccupante,

* Détection dans les eaux souterraines (ESO) et de surface (ESU).

## ❖ Les données de contamination existantes :

* Les données ESO de l'AESN
  1999-2013 sur 230 stations

* Les données ESO d'ADES
  1997-2013 sur 3500 piézomètres

* Les données VEDIF aux prises d'eau
  1997-2014 sur 3 stations

## ❖ Traitement des données

* 11 Go de données

* Extraction des données pour la DEA
  Parmi 950 paramètres (ESU)

* Traitement cartographique
  Répartition géographique et en profondeur

* Traitement des LQ

<figure><img src="image_149.png" /></figure>

<figure><img src="image_150.png" /></figure>

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<figure><img src="image_152.png" /></figure>

# II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

## Démarche

* Evolution temporelle aux trois prises d'eau : Neuilly-sur-Marne, Choisy-le-Roi et Méry-sur-Oise

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# II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

## Démarche

* Evolution temporelle aux trois prises d'eau : Neuilly-sur-Marne, Choisy-le-Roi et Méry-sur-Oise

* Déterminer la contribution des masses d'eau au débit des rivières

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<figure><img src="image_163.png" /></figure>

## II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

### Démarche

* Evolution temporelle aux trois prises d'eau : Neuilly-sur-Marne, Choisy-le-Roi et Méry-sur-Oise

* Déterminer la contribution des masses d'eau au débit des rivières

* Vérifier l'évolution temporelle de la contamination ESO

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II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

Démarche

❖ Evolution temporelle aux trois prises d'eau : Neuilly-sur-Marne, Choisy-le-Roi et Méry-sur-Oise

❖ Déterminer la contribution des masses d'eau au débit des rivières

❖ Vérifier l'évolution temporelle de la contamination ESO

❖ Tendances prospectives des ESO et estimation prévisionnelle de fin de contamination

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Apport des différents aquifères au cours d'eau

2030 ?

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# II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

## Résultats : Contribution des ESO au débit des cours d'eau

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### Calcul de la contribution du débit de base au débit total

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Part cumulée des différents écoulements dans la composition du débit de l'Oise (2010)

[3] [Mattei, 2016]
<figure><img src="image_176.png" /></figure>

II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

Résultats : Contribution des ESO à la contamination en DEA

❖ Contribution de l'écoulement de base à la contamination des cours d'eau

<figure><img src="image_177.png" /></figure>

<figure><img src="image_178.png" /></figure>

Difficulté liée aux valeurs inférieures à la limite de quantification
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II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

Résultats : Contribution des ESO à la contamination en DEA

❖ Contribution de l'écoulement de base à la contamination des cours d'eau

<figure><img src="image_180.png" /></figure>

➤ Difficulté liée aux valeurs inférieures à la limite de quantification

➤ Nécessité de différentier les masses d'eau souterraines

<figure><img src="image_181.png" /></figure>
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II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

Résultats : Tendances d'évolution de la DEA dans les ESO

Tendances d'évolution de la contamination des masses d'eau souterraines

<figure><img src="image_184.png" /></figure>

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## Résultats : Tendances d'évolution de la DEA dans les ESO

### Tendances d'évolution de la contamination des masses d'eau souterraines

* Sur 1436 piézomètres (hors Crétacé inférieur et Jurassique) :

* 270 ont plus de 10 mesures,

* 223 sont contaminés,

* Test de Mann-Kendall pour vérification d'une tendance monotone.

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* Majoritairement, il n'y a pas d'évolution significative,

* Les évolutions à la hausse sont localisées au niveau des sites les plus contaminés.

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## II. Perspective tendancielle de la contamination par la deséthyl-atrazine (DEA)

### Résultats : Contribution des ESO à chaque cours d'eau

<figure><img src="image_192.png" /><figcaption>#### Contribution moyenne des aquifères 1993-2010</figcaption></figure>

<figure><img src="image_193.png" /></figure>

La Marne

L'Oise

La Seine

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## Estimation en 2030 :

### DEA < LQ pour la Marne et l'Oise et 0,020 µg/L pour la Seine

* Forte régionalisation de la contamination,

* En moyenne, diminution de 2 à 6 ng.L⁻¹.an⁻¹ des concentrations en DEA en nappes,

* Des évolutions à la hausse sont encore observées.

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## Modélisation délicate avec la définition des intrants phytosanitaires sur le long terme

* Incorporation de **sources complémentaires** d'informations afin de mieux décrire les usages des pesticides,

* Nécessité de **spatialiser plus finement** les caractéristiques physico-chimiques des sols en entrée du modèle agronomique,

* Travail sur d'autres **molécules** ? Mais lesquelles car DEA et atrazine sont les plus souvent détectées.

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## Site d'étude complémentaire envisagé :

* Application de la démarche améliorée de modélisation sur le **bassin versant de la Vesle** (Marne), motivée par la disponibilité de la majeure partie des données nécessaires.

* Suivi de la contamination en rivière (**Orgeval**) et en zone sous racinaire (carrière de **St Martin le Nœud**)
Merci pour votre attention !

Références :

(1) [Queyrel, 2014] W. Queyrel, Modélisation du devenir des pesticides dans les sols à partir d'un modèle agronomique : Evaluation sur le long terme, Thèse de doctorat de l'université Pierre et Marie Curie, 2014, 284p., Paris.

(2) [Bellier, 2013] S. Bellier, Modélisation de la contamination nitrique de la nappe des calcaires de Champigny. Application à la protection des captages prioritaires de la fosse de Melun et de la basse vallée de l'Yerres, Thèse de doctorat MINES ParisTech, 312p., Paris.

(3) [Mattei, 2016] A. Mattei, Eléments de prospective de la contamination des cours d'eau d'Île-de-France par les pesticides, Rapport de stage de Master II, Polytech Paris-Université Pierre et Marie Curie, 50p., Paris.

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