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

Marina Coquery

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Marina Coquery. Approche intégrée biogéochimique, géographique et hydrologique pour déterminer les sources de contaminants sur des bassins versants d'usage mixte. Séminaire scientifique interne OTHU/OZCAR - Yzeron 2022: connaître l'observatoire actuel et définir la recherche de demain, Graie; INRAE, Jun 2022, Villeurbanne (France), France. hal-04605600

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Submitted on 29 Oct 2024

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

projets CHYPSTER & IDESOC

Marina Coquery, UR RiverLy, INRAE, et coll.
> 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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INRAE

Projet ANR Chypster – Séminaire Yzeron 2022

M Coquery 17/06/2022
> 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)

2 sites d'étude :

BV Yzeron -

OTHU

BV Claduègne -

OHMCV

4 partenaires :

INRAE RiverLy

VetAgro Sup LEM

IRD-UGA IGE

UGA PACTE

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

### Objectifs

- Identifier les sources de pollution

### Méthodes

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

- 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

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# Définition des sources – Données d'occupation et usage des sols

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

## 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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<figure><img src="image_13.png" /></figure>
# Définition des sources

Découpage du bassin versant en unité de réponse hydrologique (HRU)

Croisement des HRU avec des informations sur occupation des sols, pratiques agricoles, géologie, pédologie...

→ Définition de sous-bassins homogènes

Source = exutoire d'un sous bassin homogène au niveau du cours d'eau

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Carte détaillée des sous-bassins homogènes
(occupation/usage des sols)</figcaption></figure>

Sources : Base de données usage des sols du Ratier - Julie Josse et Mila Betemps (2021); Carte occupation des sols AVuPUR (2008), BRGM, BD Donesol, Labbas (2014)

(thèse Olivier Grandjouan, 2020-2023)

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INRAE

Projet ANR Chypster - Séminaire Yzeron 2022
M Coquery 17/06/2022
# Définition des sources

Découpage du bassin versant en unité de réponse hydrologique (HRU)

Croisement des HRU avec des informations sur occupation des sols, pratiques agricoles, géologie, pédologie...

→ Définition de sous-bassins homogènes

## Source = exutoire d'un sous bassin homogène au niveau du cours d'eau

Exemple de types de sources définies dans le projet :

- forêt

- prairies sans élevage

- praires avec bovins et fumier

- cultures maïs

- culture de noisette

- ....

<figure><img src="image_17.png" /></figure>
# Définition des sources

Découpage du bassin versant en unité de réponse hydrologique (HRU)

Croisement des HRU avec des informations sur occupation des sols, pratiques agricoles, géologie, pédologie...

→ Définition de sous-bassins homogènes

## Source = exutoire d'un sous bassin homogène au niveau du cours d'eau

Exemple de types de sources définies dans le projet :

- forêt

- prairies sans élevage

- praires avec bovins et fumier

- cultures maïs

- culture de noisette

- ....

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

INRAE

Projet ANR Ch
M Coquery 17

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

(thèse Olivier Grandjouan, 2020-2023)
> WP2 – Campagnes de mesures sur les bassins expérimentaux

Prélèvements des « sources »

- Echantillonnage de 10 sources diffuses et ponctuelles par BV à différentes saisons et conditions hydrologiques

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

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

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

Paramètres majeurs

COD + COT
anions majeurs
cations majeurs
carbonates
silice dissoute
Caractérisation matière organique
MES

Métaux

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

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)
antibiorésistance (intégrons 1, 2, et 3)

Isotopes

δ18O
δ2H

Analyse non
ciblée

LC-HRMS
# Prélèvements sur évènements à l'exutoire des BV

* 6 campagnes de prélèvement sur évènement pluvieux prévus

* Prélèvement par préleveurs automatiques

* Stations de « mélange » à l'exutoire :
  * Mercier au pont D610
  * 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
- Caractérisation matière organique
- MES

## Métaux

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

## 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)
- antibiorésistance (intégrons 1, 2, et 3)

## Isotopes

- δ18O
- δ2H

## Analyse non ciblée

LC-HRMS
> WP3 – Définition des empreintes de contamination à partir des mesures chimiques et microbiologiques

**Objectifs**

- 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

-> marqueurs persistants, récurrents de sous-BV à relier à des usages, si possible low-cost

- Suivre les sources de contamination à l'aide de **modèles de mélange biogéochimique** et estimer leur contribution à l'exutoire des bassins versants pour différentes conditions hydrologiques

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

<figure><img src="image_24.png" /></figure>
## Méthodologie : construction des empreintes

### Type de sources

X (ex. élevage, champs, D.O., rejets STEP,...)

### Localisations différentes par type

X (ex. élevage1, élevage2...)

### Variabilité temporelle

(ex. animaux rentrés, en pâture)

n échantillons X Paramètres
(eau et sols)

- ions majeurs

- métaux traces

- MST - suivi des sources microbiennes

- marqueurs chimiques avancés issus de la caractérisation de la matière organique dissoute

Base de données avec métadonnées associées

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

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...)

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

Interprétation des empreintes et choix stratégie eau/sols

(étude des variabilités, comparaison des regroupements optimaux ...)

<figure><img src="image_27.png" /></figure>

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

eron 2022

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

ACP sur paramètres retenus

● entrée de STEU

● Sortie de STEU

● Gier amont

● Gier aval

Filtre planté de roseau

Boue activée

Dim1 (44%)

Dim2 (20%)
# Premiers résultats : indicateurs de la MOD

Mesure des spectres UV-visible -> calcul d'indicateurs issus des spectres et caractéristiques de la nature de la matière organique (ex: SUVA)

Campagnes de prélèvement :

- 09/02/2022 temps sec (n=7)

- 14/02/2022 pluie (n=7)

- 17/05/2022 temps sec (n=4)

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

## Construction d'empreintes des sources à partir des indicateurs UV-visible

Sous forme d'analyse en composantes principales (ACP) ...

... avec les variables explicatives (indicateurs UV-visible)

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>
> Méthodologie : application aux mélanges

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

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...)

<figure><img src="image_34.png" /></figure>

<figure><img src="image_35.png" /></figure>

ACP sur paramètres retenus

$$
C_i = \sum_{j=1}^{C} P_j * C_{i,j} + E
$$
# WP4 – Modélisation hydrologique distribuée à l'aide du modèle J2000P et couplage avec les empreintes biogéochimiques

## Objectifs

- Améliorer la représentation des chemins de l'eau dans J2000P

Décomposition du débit en 3 types d'écoulement (surface / subsurface / souterrain)

Prise en compte des surfaces imperméables, réseaux d'assainissement et déversoirs d'orage

<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>HRU selon l'occupation de sols pour le bassin versant du Ratier</figcaption></figure>

<figure><img src="image_37.png" /><figcaption>Modèle hydrologique distribué préliminaire calé sur le BV Ratier
Projet Conscéquans, Bonneau et al., 2021</figcaption></figure>
# WP4 – Modélisation hydrologique distribuée à l'aide du modèle J2000P et couplage avec les empreintes biogéochimiques

## Objectifs

- Améliorer la représentation des chemins de l'eau dans JP2000P

=> Décomposition du débit en fonction des sources :
module de traçage de composantes

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

- Valider un outil prédictif pour simuler des scénarios de trajectoires (mutation de l'usage des sols, changement climatique) – WP5

=> Prédiction des contributions des « sources » et de la qualité de l'eau à l'exutoire des BV (cocktail de contaminants)

<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>Séparation hydrographique spatiale</figcaption></figure>

(Sayama and McDonnell, 2009)

<figure><img src="image_39.png" /></figure>

INRAO

Projet ANR Chypster – Séminaire Yzeron 2022

M Coquery 17/06/2022
> Merci de votre attention !

Lien vers le projet ANR CHYPSTER : https://anr.fr/Projet-ANR-21-CE34-0013

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INRAO

Projet ANR Chypster – Séminaire Yzeron 2022
M Coquery 17/06/2022