Métrologie de la qualité des eaux du bassin karstique … · GT Métrologie et Connaissance –27 avril 2018 > 4 Dispositif de métrologie > 5 Points instrumentés à partir d’octobre

QUARSTICQUAlité des eaux et Réseau de Surveillance des rIvières Comtoises

Métrologie de la qualité des eaux du

bassin karstique de la haute Loue

GT Métrologie et Connaissance - Loue27 avril 2018

Aurélien Vallet (BRGM)

Jean-Baptiste Charlier (BRGM)

Benjamin Knaebel (SMIX Loue)

Cyril Thevenet (CD25 – SMIX Loue)

[email protected]

mailto:[email protected]

GT Métrologie et Connaissance – 27 avril 2018 > 2

Objectifs

Objectif du projet QUARSTIC

Mettre en place un réseau de métrologie et suivre en continu

la qualité des eaux souterraines et de surface sur le Doubs,

la Loue, et le Lison, en se focalisant sur les nutriments

Objectif scientifique

Mieux connaître les dynamiques de

transferts des nutriments dans les

rivières comtoises

Objectif opérationnel

Disposer d’un réseau sur le bassin

haut-Doubs haute-Loue permettant

- de suivre l’évolution de la qualité

de l’eau

- d’évaluer les actions mises en

place

Retombées potentielles dans le cadre de projets connexes

• Compréhension des mécanismes

• Etendre à d’autres types de polluants

• Indicateurs

GT Métrologie et Connaissance – 27 avril 2018

Dispositif de métrologie

> 3

> Dimensionnement du réseau

Type de suivi du réseau QUARSTIC :

• « haute-fréquence » et à « moyen-long terme »

• sur plusieurs stations pour caractériser la variabilité spatiale

Loue à Chenecey-Buillon (compilation de données EauFrance et Ville de Besançon)

▲ Conductivité électrique

● NO3

• Evolutions pluri-

annuelles non

décelable à court terme

(quelques années)

• Fortes variations à

l’échelle journalière

non décelable par un

suivi ponctuel

• Apparition d’épisodes

exceptionnels (ex. du

pic de NO3 en automne

2003)



> 5 Points instrumentés à partir

d’octobre 2015

• Doubs à Arçon, au niveau des

pertes

• Source de la Loue

• Loue à Vuillafans, en aval des

sources issues du plateau de

Levier

• Source du Lison

• Loue à Chenecey Buillon,

exutoire du bassin purement

karstique

> Choix des sites instrumentés :

• Nécessité de pouvoir mesurer le débit pour calculer des flux (stations

hydrométriques DREAL)

• Positionnement stratégique par rapport au contexte hydrogéologique



> Suivi en continu sur les 5 sites :

• Sonde multiparamètre :

– cond. élec., temp., pression,

turbidité, O2diss., pH

– 15 minutes

• Echantillonneur :

– NO3, NH4, COT, PO4, Ptot,

MES

– Basse-eau: 4 jours

– Haute-eau: 1 jours

> Test et calibration d’une sonde

spectrométrie UV-Vis:

– NO3, COT, MES, (PO4, Ptot)

– 15 minutes1


Dispositif de métrologie> Instrumentation : ex. de la station de Chenecey-Buillon

Station

DREAL

Station

QUARSTIC

Crue du 18/04/2016

Etiage du 28/09/2015


Organisation

> de l’acquisition à la bancarisation

Acquisition de la donnée

• Chimique

• Physico-chimique

Bancarisation

Traitement de la donnée

Validation

SMIX Loue BRGM

Laboratoire

d’analyse

Gestion du projet et

des données

Gestion et maintenance

des sites

Développement

méthodologique

• Sonde s::can


Données collectées en Janvier 2018

Sonde multiparamètre

Chimie


Evolution de la minéralisation

de l’eau au cours d’une crue

> 9

> Diversité des vitesses de transfert et de la contribution de chaque sous-

bassin

Conductivité électrique

Exemple de valorisation


> Diversité des vitesses de transfert et de la contribution de chaque sous-bassin

> Réchauffement des rivières sur les tronçons aval

Evolution de la température de

l’eau au cours d’une année





> Comparaison inter-sites de la distribution des paramètres


Statistique des paramètres

mesurés (min, max, moyenne, valeurs

extrêmes…)





> Identification des tronçons les plus impactés et les périodes de contamination

Concentrations en nitrates et

phosphates



Plateau d’Ornans

Plateau d’Amancey

Plateau de Montrond

Plateau de Levier

Haut-Doubs Arçon

Vuillafans

Nans

Ouhans

Chenecey

Zones contributives Stations

Flux N-NO3 (t/an/km²)

> 13




> Identification des tronçons les plus impactés et les périodes de contamination

> Caractérisation des bassins versants les plus contributifs


Cycle hydrologique 2016-2017


Optimisation du réseau : suivi hydrochimique en continu

> Test d’une sonde Spectrométrique UV-visible à la source de la Loue

> 14


Communication

> Diffusion de bulletins d’information

semestriels depuis l’automne 2016

http://www.eaudoubsloue.fr/

> Rapports annuels présentant le

dispositif et l’ensemble des données

mesurées au cours de l’année écoulée

http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-65874-FR.pdf

http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-66898-FR.pdf

> Bancarisation à terme des données

sur serveur public


Conclusions

> Intérêt d’un suivi multi-sites et à hautes fréquences en continu

• L’impact contrasté de la contamination des eaux :

– reflète la variabilité des activités anthropiques

– dans divers contextes hydrologiques / écologiques

• Les transferts rapides :

– induisent des dynamiques journalières / infra-journalières de certains

paramètres

– nécessitent une estimation précise des flux


Conclusions

> Pourquoi pérenniser le réseau ?

• Observe-t-on des tendances (hausse/baisse) dans l’évolution

des concentrations & des flux ?

Impact du changement climatique / Evolution de la pression anthropique

• Quelles sont les périodes et les tronçons de rivières les plus

impactés?

• Quels sont les bassins versants les plus contributifs aux

apports de nutriments?

Hiérarchisation de la politique de gestion environnementale

Priorisation des actions

• Quel est l’impact des politiques de gestion sur la qualité de

l’eau?

Evaluer la pertinence et l’impact des actions menées


Perspectives

> Suivi multi-sites et à hautes fréquences sur les 2 prochaines

années afin de consolider le suivi actuel et de disposer de

plusieurs cycles hydrologiques

• Disposer de plusieurs cycles hydrologiques contrastés « humide » et « sec »

Amélioration des connaissances sur les interactions bassin versant /

karst / rivière

> Suivi multi-sites et à basses fréquences sur les années n +2

afin de disposer d’un outil de suivi sur le moyen à long-terme

économiquement acceptable

• Disposer de données pluriannuels pour évaluer l’évolution de l’état des

rivières

Caractérisation de tendances et dynamiques pluriannuelles en lien

avec les pressions sur le versant (anthropique et climatique)


Perspectives

• Scenario 1 : Gestion du réseau et bancarisation de données

brutes

– SANDRE: les données brutes sont des « Données issues du processus

d'acquisition n'ayant subi aucun examen. Ex. : donnée directement issue de

l'appareil de mesure »).

– Technicien spécialisé en eau/hydrologie/hydrogéologie

• Scenario 2 : Gestion du réseau et bancarisation de données

validées

– SANDRE: une validation de niveau 1 signifie que « Le producteur examine

les résultats par rapport à la connaissance qu'il a sur la station et le point de

prélèvement. Exemple : comparaison par rapport à des seuils min-max

classiquement rencontrés sur le point, utilise un système expert qui compare

les résultats entre eux ».

– Binôme technicien spécialisé eau et ingénieur spécialisé en

eau/hydrologie/hydrogéologie

• Possibilité d’accompagnement du BRGM pour les 2

scenarios


Merci de votre attention


Scenario 1 : Gestion du réseau et bancarisation de données brutes

Scenario 2 : Gestion du réseau et bancarisation de données validées


Paramètre Unité NormeLimite

quantificationCoût euros

Tempsconservation

ph2 jour

PO4 mg/lMI/ColorimŽt

rie0.02 9.13 30

P_tot mg/lMI/ColorimŽt

rie0.01 12.28 30

COT mg/L de C NF EN 1484 0.1 20.3 7

N_kjl mg/L de N NF EN 25663 1 13.19 30

MES mg/l NF EN 872 2 6.8 2

PO4 mg/lNF EN ISO 10304-1

0.02 9.13 30

NO3 mg/lNF EN ISO 10304-1

0.5 7 7

pH -NF EN ISO

105230

P_tot mg/lNF EN ISO

118850.02 12.28 30

HCO3 mg/LNF EN ISO

9963-125 14

NH4 mg/L NF T 90-015-2 0.01 5.98 14


Premiers résultats du suivi physico-chimique

> 23

> Evolution de la minéralisation de l’eau au cours d’une crue

• Evolution de la minéralisation au

cours d’une crue = mélange et/ou

dilution des différentes zones

contributives

• Déphasages des pics entre

stations = propagation des

apports des sources karstiques +

contribution des apports

superficiels

Forte variabilité spatiale de

l’évolution de la minéralisation

entre les principaux systèmes

karstiques et les sous-bassins

Renseigne sur la diversité des

vitesse de transfert et de la

contribution de chaque sous-

bassin




> 24

> Evolution de la température de l’eau au cours d’une année

• Eaux souterraines entre 8.5 et

12.5 °C)

• Loue à Vuillafans régulée par

les eaux souterraines

• des valeurs estivales qui

dépassent 18 °C sur l’aval des

rivières (Doubs à Arçon et

Loue à Chenecey)

Fort réchauffement des

rivières sur les tronçons

aval (la contribution des eaux

souterraines ne suffit pas à

leur régulation)

Pose la question des

caractéristiques physiques

des cours d’eau sur ces

secteurs (seuils, berges,

ripisylves)


> Synthèse des paramètres par station

• Variabilité spatiale des paramètres

physico-chimiques

• Variabilité temporelle (quartiles,

médiane, outliers)

Permet une comparaison inter-

site de la distribution des

paramètres



> Concentrations en Nitrates et Phosphates

• Nitrates : évolution saisonnière

avec pics en automne/hiver et

diminution au cours du

printemps

• Phosphates : évolution par

pics erratiques, et forte

variabilité selon les sites

La comparaison inter-sites

met en évidence les zones les

plus impactés

Le suivi continu met en

évidence les périodes de

contamination

Premiers résultats du suivi des nutriments



> 27

> Nitrates : concentrations et flux

Evolution des flux contrôlée par les débits (environ 1648t/an de NO3-N à

Chenecey-Buillon)

Evolution des flux par unité de surface => comparaison des zones

contributives à la contamination en azote

÷ surface

[NO3] x Débit



> 28

> Azote : flux annuels lors du cycle hydrologique 2016-2017

Plateau d’Ornans

Plateau d’Amancey

Plateau de Montrond

Plateau de Levier

Haut-Doubs Arçon

Vuillafans

Nans

Ouhans

Chenecey



Sous-bassins km²

Arçon 536

Ouhans 196

Nans-sous-Sainst-Anne 153

de Ouhans à Vuillafans 308

de Vuillafans+Nans à Chenecey 642



R² (-) NO3 COT Ptot

S:can 0.98 0.23 /

BRGM 0.99 0.63 0.57


> 29



> 30

> Evolution de la minéralisation de l’eau au cours d’une crue

• Evolution de la minéralisation au

cours d’une crue = mélange et/ou

dilution des différentes zones

contributives

• Déphasages des pics entre

stations = propagation des

apports des sources karstiques +

contribution des apports

superficiels

Forte variabilité spatiale de

l’évolution de la minéralisation

entre les principaux systèmes

karstiques et les sous-bassins

Renseigne sur la diversité des

vitesse de transfert et de la

contribution de chaque sous-

bassin




> 31

> Evolution de la température de l’eau au cours d’une année

• Eaux souterraines entre 8.5 et

12.5 °C)

• Loue à Vuillafans régulée par

les eaux souterraines

• des valeurs estivales qui

dépassent 18 °C sur l’aval des

rivières (Doubs à Arçon et

Loue à Chenecey)

Fort réchauffement des

rivières sur les tronçons

aval (la contribution des eaux

souterraines ne suffit pas à

leur régulation)

Pose la question des

caractéristiques physiques

des cours d’eau sur ces

secteurs (seuils, berges,

ripisylves)


> Synthèse des paramètres par station

• Variabilité spatiale des paramètres

physico-chimiques

• Variabilité temporelle (quartiles,

médiane, outliers)

Permet une comparaison inter-

site de la distribution des

paramètres



> Concentrations en Nitrates et Phosphates

• Nitrates : évolution saisonnière

avec pics en automne/hiver et

diminution au cours du

printemps

• Phosphates : évolution par

pics erratiques, et forte

variabilité selon les sites

La comparaison inter-sites

met en évidence les zones les

plus impactés

Le suivi continu met en

évidence les périodes de

contamination




> 34

> Nitrates : concentrations et flux

Evolution des flux contrôlée par les débits (environ 1648t/an de NO3-N à

Chenecey-Buillon)

Evolution des flux par unité de surface => comparaison des zones

contributives à la contamination en azote

÷ surface

[NO3] x Débit



> 35

> Azote : flux annuels lors du cycle hydrologique 2016-2017

Plateau d’Ornans

Plateau d’Amancey

Plateau de Montrond

Plateau de Levier

Haut-Doubs Arçon

Vuillafans

Nans

Ouhans

Chenecey



Sous-bassins km²

Arçon 536

Ouhans 196

Nans-sous-Sainst-Anne 153

de Ouhans à Vuillafans 308

de Vuillafans+Nans à Chenecey 642



R² (-) NO3 COT Ptot

S:can 0.98 0.23 /

BRGM 0.99 0.63 0.57


> 36

Perspectives

Transferts d’eau et de nutriments

dans un bassin karstique dominé par

les interactions surface/souterrain

Application au bassin karstique de la haute Loue (25)

J.-B. Charlier, A. Vallet, B. Ladouche (BRGM)

D. Tourenne (CIA 25-90)

T. Marguet (AERMC)

Projet de recherche2018-2020


Objectifs et résultats attendus

> 38

> Objectifs du projet

mieux comprendre les interactions surface/souterrain et le devenir

des nutriments

Réseau actif

Réseau Fossile

Perte

Lac éphémèreAven

Relief ruiniformeChamp de lapiazDoline

Source de

trop-plein

Source karstique

Grotte

Canyon

Epikarst

Sol

Zon

e

d ’infiltration

Zon

e

noyée

Calliscope

Calliscope ® ® - - 1999

H2O

NO3, PO4

• aux différentes échelles de la source karstique,

du sous-bassin et du bassin versant

• en lien avec les activités anthropiques

(agricoles, rejets domestiques, STEP)

• et le changement climatique


Objectifs et résultats attendus

> Objectifs du projet

mieux comprendre les interactions surface/souterrain et le devenir

des nutriments

Réseau actif

Réseau Fossile

Perte

Lac éphémèreAven


Source de

trop-plein

Source karstique

Grotte

Canyon

Epikarst

Sol

Zon

e

d ’infiltration

Zon

e

noyée

Calliscope


H2O

NO3, PO4

> Résultats attendus Amélioration des connaissances sur les échanges Karst/rivière : localisation et

quantification des apports, datation des eaux souterraines

Modèle conceptuel hydrogéologique du bassin de la Loue (modèle 3D, géométrie des

aquifères)

Meilleure compréhension des transferts de N et P en lien avec les zones d’apports, les

pratiques agricoles et les périodes de lessivage

Caractérisation des zones contributives à la pollution du bassin

> 39

• aux différentes échelles de la source karstique,

du sous-bassin et du bassin versant

• en lien avec les activités anthropiques

(agricoles, rejets domestiques, STEP)

• et le changement climatique


Synthèse du projet

> Mieux comprendre les interactions surface/souterrain et le devenir des

nutriments dans les hydrosystèmes karstiques

> 40

(Malard et al. 2015)

Partenariat : BRGM, CIA 25-90, AERMC

Durée envisagée : 3 ans (2018-2020)

Réseau actif

Réseau Fossile

Perte

Lac éphémèreAven


Source de

trop-plein

Source karstique

Grotte

Canyon

Epikarst

Sol

Zo

ne

d ’infiltration

Zo

ne

no

yée

Calliscope


H2O

NO3, PO4

Fonctionnement

hydrogéologique

=> Identification des

zones contributivesNO3

Statistiques / traitement du signal

=> Relations climat/anthropique vs. hydrologie

Transfert des

nutriments

=> depuis le sol

jusqu’à la source et

au BV

(BRGM)

T1 T2

T3

T0

Portée à

connaissance &

Ateliers multi-acteurs


NO3

TACHE 1 : Relations à moyen-long terme entre variables climatiques &

agronomiques et variables hydrologiques & physico-chimiques

Objectifs

Evaluer les effets des activités anthropiques et du changement climatique sur la

qualité des eaux des rivières comtoises

• En retraçant les évolutions à moyen-long terme des différentes variables climatiques,

agronomiques, hydrologiques et physico-chimiques,

• En analysant les relations qui existent entre elles à différentes échelles de temps

Evolution mensuelle de la

minéralisation et de la teneur en

NO3 dans les eaux de la Loue à

Chenecey-Buillon

Conductivité élec.

NO3

Retombées opérationnelles

• guider les modalités de gestion et d’adaptation du territoire (changement global / impact

local), en identifiant les paramètres régionaux qui peuvent amener à faire évoluer la

qualité des eaux à long terme.

> 41


TACHE 2 : Caractérisation des interactions surface/souterrain

Objectifs

Mieux comprendre ce qui conditionne les interactions surface/souterrain aux

différentes échelles de l’aquifère et du bassin versant

• approche pluridisciplinaire

• modèle hydrogéologique 3D

• zones contributives au débit des rivières


• Délimitations des masses d’eau

• Éléments pour guider la gestion de la ressource à l’échelle du bassin

Ex. modèle KARSYS (Malard et al. 2015)Suivi d’injection d’uranine en rivière (BRGM)

> 42


Objectifs

Mieux comprendre l’impact des pratiques agricoles et la dynamique des

transferts de nutriment vers les sources et les rivières.


• Cartographie des zones contributives à la contamination de la rivière

=> accompagnement des politiques de gestion (pratiques agricoles, assainissement, etc.)

dans le but de réduire les exportations de nutriment dans les eaux.

• Mise en place d’un modèle conceptuel des transferts de nutriments à l’échelle du bassin

=> vision objective de l’impact à court terme des activités anthropiques

TACHE 3 : Transferts de nutriments aux échelles du système karstique

et du bassin

Modèle BICHE (BRGM)Modèle FarmSIM (INRA)

> 43


TACHE 0 : Porter à connaissance et Valorisation scientifique

Ateliers multi-acteurs

• Interaction Science – Société (objectiver les débats sur la dégradation du milieu)

• valoriser et vulgariser le travail scientifique

• Construire une vision partagée

Porter à connaissance auprès de la filière agricole

• conférences & séminaires professionnels

• valorisation régionale auprès de gestionnaires et décideurs locaux

Valorisation scientifique et technique

• Publications techniques pour les services de l’état, collectivités, chambres

agricultures… (Sciences Eaux et Territoires, revue de l’agences de l’eau RMC)

• Publications scientifiques de rang A : valorisation des nouvelles connaissances au

niveau international

• Communications à colloques internationaux (1 fois/an)

Formation d’étudiants

• 3 stages ingénieur / Master 2

Film « pédagogique »

• Format 4-5 minutes : illustrer les résultats scientifiques en se basant sur la vision des

acteurs

> 44


TACHE 0 : Atelier multi-acteurs

Diagnostic initial des perceptions par les acteurs

(secteurs de l’agriculture, eau potable, usages

récréatifs…)

Caractérisation des divergences de points de

vue

Identification des manques de connaissance

Statistiques

Résultats Tâche 1 : relations entre

paramètres agri / CG / hydro

Liens de causalité => Hyp. de

fonctionnement

Interprétation collective

Identification des hypothèses

consensuelles et controversées

Construction d’une vision partagée

Identification des incertitudes et

hiérarchisation des processus

Identification des cibles des actions

correctives

Construction d’une feuille de route sur

les actions à mettre en œuvre

Hiérarchisation multi-critères des

mesures en fonction de leur efficacité, de

leur coùt, de leur faisabilité technique…

Identification des synergies entre

politiques agricoles / SAGE / SDAGE /

contrat de rivière…

Enquêtes

Année 1

Atelier 1

Année 2

Atelier 2

Année 3

Atelier 3

fin projet

Modèles

Fonctionnement « connu »

Validation des hypothèses consensuelles

Test des hypothèses controversées

Perspectives

Scenarios… qui pourront être testés…

Société Science

> 45

Documents

Métrologie de la qualité des eaux du bassin karstique … · GT Métrologie et Connaissance –27 avril 2018 > 4 Dispositif de métrologie > 5 Points instrumentés à partir d’octobre