Séminaire scientifique OSR – 22 octobre 2012– Lyon

Axe II: Métrologie et analyse des flux de matière et de pollution

Action 6 : Consolidation du réseau de mesure de flux de MES et de contaminants associés

Action 7 : Caractérisation bio-physico-chimique et traçage des sédiments et des polluants associés

Action 8 : Suivi et retour d’expérience sur des événements hydrologiques (crues/chasses)

Action 9 : Suivi de la charge de fond

Action 10 : Modélisation

Action 6

Réseau d'observation et quantification des flux particulaires

H. Angot, C. Antonelli, M. Coquery, F. Eyrolle, G.Fantino, S. Gairoard, M. Launay, J. Le Coz, G. Raccasi,

O. Radakovitch, D. Sabatier, F. Thollet, M. Zebracki

CEREGE, Irstea, IRSN, MIO

Objectifs : Réseau d'observation et quantification des flux particulaires

Réseau d'observation des flux :

- Des stations de mesure des flux en continu : stations hydrométriques et turbidimétriques

- Deux stations renforcées : Arles et Jons

- Des campagnes de mesure en complément (prélèvements occasionnels et turbidimètre mobile)

- en régime de base

- en crue ou chasse (action 8)

- Des analyses physico-chimiques réparties entre les différents laboratoires

Quantification des flux

- Bilans d'eau sur les stations hydrométriques

- Calcul des flux mesurés sur les stations OSR

- Reconstitution des flux non mesurés par des modèles concentration/débit

→ Objectif : flux moyens sur tous les affluents, comparaison des approches

Réseau d'observation et quantification des flux particulaires

Paramètres mesurés

Débit, concentration en MES, granulométrie, Carbone Organique Particulaire

Contaminants : métaux, radio-éléments, organiques→ Échanges d’échantillons entre laboratoires (Cerege, IRSN, Irstea)

Sélection des contaminants organiques à analyser

→ PCB, PBDE, pesticides organochlorés (laboratoire Irstea).

→ HAP, alkylphénols, DEHP, organostanneux (laboratoires sous-traitants, marché public, début des analyses fin 2012, choix des meilleurs labos : faible LQ et faible masse de MES nécessaire)

Le choix des substances a été fait en fonction de :

- l’occurrence dans les MES / sédiment (RCS - réseau de contrôle de surveillance - de l'AE-RMC ; bibliographie)

- réglementation DCE (substances prioritaires et substances "candidates", plutôt de nature hydrophobe)

Station d’Observation du Rhône à Arles (SORA)

Automatisation des prélèvements de routine, en crue

Contrôle et prise en main à distance

Qualification d’un granulomètre laser en ligne

Publication des flux MES et radio-éléments depuis 2005

Poste de filtration et filtre colmaté

Granulomètre laser en ligne

Poste de filtration en crue (5 cartouches)

Station de Jons

En fonctionnement depuis septembre 2011

Systèmes de prélèvement : Centrifugeuse, trappe à sédiment, préleveur automatique et prélèvements manuels

→ Novembre 2012 : réception d’une centrifugeuse fixe

Centrifugeuse mobile Trappe à sédiments Préleveur automatique

Comparaison de la représentativité des échantillons obtenus avec différents systèmes de prélèvement :

Différences observées en termes de granulométrie et de teneur en carbone organique qui pourraient influer sur teneurs en contaminants des MES échantillonnées

Mesure de la turbidité

Station turbidimétrique pérennes :

11 opérationnelles

4 en prévisions

Station turbidimétrique provisoire :

3 stations Rhône amont

Relation turbidité – concentration en MES

Collecte et homogénéisation des données de débit (CNR, DREAL RA, SPC GD)Automatisation des traitements (outil R) pour le calcul des débits moyens annuels et des débits spécifiques

Quantification des flux : Bilans d'eau sur les stations hydrométriques

→ sur le Bas-Rhône de Valence à la mer → bilan bouclé à 3 % (sauf 2009)→ apports par les affluents : 47 % par la Durance et 18% par l’Ardèche

→ sur le Haut-Rhône, du Léman à Lyon → bilan bouclé à 6%→ apports par les affluents : 46 % par la Saône et 25% par le Léman

Ecart entrée-sortie %

Haut-Rhône 2001-2010 (Launay, 2012)Bas-Rhône, 2000-2009 (Linne,2011)

Q (m³/s)

Cs =5.10-5Q1.004

R²=0.86

Cs (g/L)

1

0.01

0.0001

Cs (mg/L) = 0.7 Tturbidité moyenne horaire 10/2009 - 12/2011

Reconstitution des flux non mesurés par des modèles concentration - débit

→ relation puissance Cs = aQb ou modifiée pour mieux mimer la dynamique sédimentaire : Cs = aQb + c dQ/dt→ relation utilisée pour :

- Combler des lacunes de mesure - Reconstituer la dynamique ancienne sur plusieurs décennies

Saône à Lyon (2009-2011) Rhône à Arles (2005-2009)

Bilan des flux moyens interrannuels MES sur le Haut-Rhône – 2001-2010 - résultats provisoires Lac Léman

Cs = 0 g/L

Arve0,44 Mt223 t/km²/an1 – 3,6 Mt

Valserine0,02 Mt 51 t/km²/an -

Usses0,04 Mt220 t/km²/an0,1 Mt

Fier0,2 Mt159 t/km²/an0,5 Mt

Lac Bourget~ 0 t

-

Séran?-

Guiers0,1 Mt – 0,16 Mt171 t/km²/an0,1 Mt

Ain0,05 Mt13 t/km²/an0,15 - 0,30 Mt

Bourbre0,02 Mt – 0 ,03 Mt28 t/km²/an0,1 Mt

Saône0,37 Mt – 0 ,44 Mt13 t/km²/an1,5 - 3 Mt

Gier? -

Lyon

Jons0,5 Mt25 t/km²/an

Creys0,33 Mt21 t/km²/an

Bugey0,28 Mt 18 t/km²/an

Cs(Q) avec Cs ponctuellesCs(Q) avec turbidité convertieEtude Globale Rhône

période d’intégration :janvier 2011 au 7 novembre 2011

Année incomplète !MES

(106 t)Cr(t)

Co(t)

Ni(t)

Cu(t)

Zn(t)

Cd(t)

Pb(t)

2,1 125,5 18,5 62,7 43,6 142,8 0,5 60,7

83% du flux de MES et 70 à 80% des flux de métaux sont passés durant la crue de début novembre 2011 (reste de l'année = très sèche)

Réseau d'observation et quantification des flux particulaires

Estimation flux de métaux particulaires Rhône à Arles

- Flux de MES calculé sur la base des mesures journalières à SORA, complétées par extrapolation en cas de non-mesure.

- Concentrations en métaux issues des mesures ponctuelles ou des pièges à sédiments.

Conclusions Action 6Réseau d'observation

→ bien développé Nord et embouchure, à compléter avec stations turbidimétriques sur affluents Sud ?

→ rédaction et diffusion de tous les protocoles de mesure et de prélèvement

→ échanges entre laboratoires

Quantification des flux

→ bilan : mise en œuvre d'une stratégie de ré-évaluation des flux centrée sur les mesures, et la prise en compte de la variabilité spatio-temporelle

→ reconstitution des chroniques MES manquantes par modèles Cs(Q), à croiser avec stratigraphie des archives sédimentaires ?

→ mise en commun et partage des données débit/flux MES dans une base commune flux OSR (à prévoir pour OSR3)

→ Analyses et bilan sur les contaminants

→ flux moyens sur tous les affluents, comparaison des approches

→ recherche des sources par signatures géochimiques (action 7) et analyse spatiale

Perspectives

ACTION 7

Caractérisation bio-physico-chimique et traçage des sédiments et des polluants

associés

Mathilde ZebrackiF.Eyrolle-Boyer, S.Gairoard, P.Kerhervé, M.Launay, A.Masion, P.Raimbault, O.Radakovitch, D.Sabatier

CEREGE, IRSTEA, IRSN, CEFREM, MIO

Caractérisation bio-physico-chimique des particules

Particules en transit = vecteur de transport

Minérale

Issues de l’érosion

OrganiqueOxydes-hydroxydesArgilesCarbonatesMinéraux primaires

Peu à très dégradées(acides fulviqueset humiques)

Formées dans le fleuve

OrganiqueMinérale

CarbonatesOxydes-hydroxydes

AlguesDiatomées

Fixation fonction de la nature de la phase porteuse (physico-chimie) et du comportement géochimique de l’espèce réactive

• Contaminants présents dans les sols et/ou se fixant dans l’eau

� Traceurs possibles de l’origine des particules

Objectif et stratégie scientifiques

� Identifier des traceurs capables de renseigner sur l’origine des particules en transit et des contaminants qui leurs sont associés

Développer une méthodologie pour identifier les termes sources (contaminant et/ou phase porteuse)

Trois axes d’investigation :

1 - Caractérisation de la granulométrie, minéralogie et chimie2 - Utilisation des isotopes radioactifs artificiels et naturels3 - Caractérisation de la matière organique

Caractérisation granulométrique

� Six granulomètres laser à disposition au nord et au sud du bassin versant (IRSTEA / CEREGE, IRSN)� L’effort porte depuis plus d’un an sur la validation de cette mesure avec calibration des appareils et inter-comparaison

- Achat de standards de mesure- Rédaction de fiches avec mode opératoire- Rédaction d’un document de synthèse sur l’utilisation des standards

- Acquisition, traitement des données et création de la base de données

LISST portable Coulter fixe au Cerege

LISST fixe à SORA

� Suivi de la crue de novembre 2011

Chimie des particules : étude des terres rares

Ardèche4 nov.

Durance5-6 nov.

Prélèvements de matières en suspension dans le Grand Rhône et les affluents

Mise en évidence de l’évolution de la signature géochimique du sédiment au cours de la crue

Radionucléides artificiels et naturels

� Depuis 2000 à SORA : 394 échantillons de matières en suspension dont 221 correspondant à 37 crues (>3000m3.s-1)� Débits des affluents quand le Rhône est en crue (données CNR)� Classement des échantillons en fonction du type de crue

� Prélèvements de laisses de crues dans les affluents méridionaux après la crue de nov. 2011

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70 80

238U, Bq.kg

-1 sec

232Th, Bq.kg-1 sec

Rive droite

Rive gauche

238Pu / (239+240)Pu, Q > 4000 m3.s-1

Affluents

Cévenols

Affluents

Méridionaux

Crue

Généralisée-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Rapport d'activités, sans unité

Bassin Versant 0,03

Amont Marcoule 0,3

Répartition des échantillons par type de

crue

23%

23%

11%

40%

3%

0,5%

Nord

Cévenols

Méridionaux

Généralisé

Indéterminé

A définir

Action 8

Suivi et retour d'expérience sur des événements hydrologiques (chasses/crues/dragages)

H. Angot, C. Antonelli, J.P. Bedell, V. Boullier, M. Coquery, F. Eyrolle, G. Fantino, S. Gairoard, F. Giner, M. Lagouy,

M. Launay, J. Le Coz, G. Raccasi,O. Radakovitch, B. Mourier, D. Mourier, D. Sabatier, M. Zebracki

Cerege, Irstea, IRSN, ENTPE

Objectifs de l’action

Suivre les événements naturels (crues) et artificiels (chasses, dragages)

Améliorer les connaissances sur la dynamique des flux à l’échelle événementielle sur l’ensemble du corridor rhodanien

Veille hydro-météorologique

Instrumentation à déclenchement programmable

Équipes de terrain mobiles (une pour affluents nord et une pour affluents sud)

Matériels de terrain adaptés et rapidement mobilisables

Moyens mis en oeuvre

Événements suivis

Dans le cadre de l’OSR

Crues des affluents :

Le Gard, la Durance en 2011

L'Ain, la Saône, la Bourbre en 2012

Chasses du barrage de Verbois (Rhône amont) en juin 2012

Dragages CNR au Pontet (Rhône aval) en novembre 2011

Avant l’OSR

Événement de mai-juin 2008 : concomitance de crues sur l’Isère et sur la Durance avec des lâchers de barrages par EDF

Quelques résultats

Chasse du barrage de Verbois

→ concentration MES, granulométrie, carbone organique, métaux, PCB (+autres organiques), Mercure, radio-éléments, tritium libre

Crues sur la plupart des affluents

→ concentration MES, granulométrie, carbone organique, métaux, PCB (+autres organiques), Mercure, radio-éléments, tritium libre

04/0

6/12

05/0

6/12

06/0

6/12

07/0

6/12

08/0

6/12

09/0

6/12

10/0

6/12

11/0

6/12

12/0

6/12

13/0

6/12

14/0

6/12

15/0

6/12

16/0

6/12

17/0

6/12

18/0

6/12

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Tau

x d

e M

ES

(g

/l)

Quelques résultats

Enregistrements de turbidité convertis

Enregistrements de turbidité convertis en MES aux sites aval :Jons (rouge), Neyron (jaune), Vieux-Rhône amont (vert), Vieux-Rhône aval (marron),Lyon-Perrache (jbleu)

1ère semaine(Génissiat)

2ème semaine(Verbois)

Qain

1,11

0,90,80,70,60,50,40,30,20,1

0

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

Tau

x d

e M

ES

(g

/L)

Déb

it (

m³/

s)

Po

ug

ny

Se

ysse

l

Cre

ys

Bu

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y

Jon

s

Ca

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Miri

be

l

Vie

ux-

Rh

ôn

e a

mo

nt

Vie

ux-

Rh

ôn

e a

val

Pe

rra

che

1000

10000

100000

1000000

10000000

Flu

x (t

on

ne

s)

Bleu : Total sur 2 semainesRouge : 1ère semaine (Génissiat)Jaune : 2ème semaine (Verbois)

Problèmes sur le Vieux Rhône lié à des incertitudes sur les données (calage des turbidimètres)

Quelques résultats

Premières estimations de flux – Résultats provisoires

Quelques résultats

Mesures du tritium dans l’eau du Rhône entre l’aval du Verbois et la station de Jons

L’opération ne semble pas remettre pas en jeu de tritium libre : le « pic » du 16 juin (en fin d’opération) pourrait être lié aux rejets du C.N.P.E. du Bugey (à confirmer auprès d’EDF et après vérification du résultat à Pougny)

Conclusions Action 8

Méthodes

Mise au point de protocoles d’échantillonnages et de mesures communs aux équipes nord et sud

Tests comparatifs des résultats obtenus par différents moyens de prélèvement

Astreinte et mobilisation d’équipes et de matériel durant les événements

Résultats

Estimations de flux à l'échelle de l'événement

Évaluation de l'impact des événements naturels (crues) et artificiels (chasses/dragages)

A faire : analyse de la crue de mai-juin 2008

Perspectives Action 8

Modèle et connaissance transfert MES et contaminants dans le réseau

Action 9

Suivi de la charge de fond

B. Camenen, J. Le Coz

Irstea

Objectifs de l’action

Tester différents types d'échantillonneurs et des instruments de mesure indirect :

- hydrophones

- préleveurs

- aDcp

Estimation du charriage pendant l'ouverture du barrage de Génissiat pendant les chasses

Helley-Smith Erhenberger

Action 10

Modélisation

Modèle 1D hydro-sédimentaire du Rhône français (Adis-TS)

B. Camenen, J.-B. Faure, E. Andries, J. Le Coz, M. Launay

Irstea

Objectifs de l’action 10

Construction et validation d'un modèle hydro-sédimentaire 1D du Rhône :

- du lac Léman jusqu'à la mer Méditerranée

- représentation des ouvrages et des arrivées des principaux affluents

- écoulement, solutés, MES, substances particulaires

- représentation des zones de stockage sédimentaire

- calcul sur plusieurs décennies

Codes Irstea Mage (hydraulique) et Adis-TS (advection-dispersion)

Actions réalisées à ce jour

Mise en place à partir de la BD topo Rhône, calage grossier des coefficients de Strickler

Représentation simplifiée des ouvrages et des principaux affluents

Développement du modèle Adis-TS (advection-dispersion) permettant le transport des MES, la prise en compte de termes sources (érosion/dépôt) et le calcul long-terme (plusieurs décennies : parallélisation du code)

Application et validation du code sur deux sites pilotes (Miribel-Jonage, lône du Beurre)

Application (et validation ?) du code sur le Haut-Rhône pour la chasse de 2003

Modèle complet : Modélisation de la chasse du Haut-Rhône de 2003

- mauvais résultats (advection, diffusion et dépôt)

- amélioration du modèle hydro-sédimentaire grâce aux données de la chasse de 2012

- nécessité de représenter les chenaux secondaires, fonctionnement des ouvrages en crue/chasse

Modèle complet : Simulation sur 10 ans

- Confirmation que le modèle tourne rapidement (quelques heures) et est cohérent

- Calage impossible car absence de données

- Interrogation sur la représentation des chenaux secondaires et les effets sur le dépôt

Conclusions Action 10 :

Création d'un modèle global du Léman à la merModèle évolutif demandant à être affiné (Strickler, topo, gestion des ouvrages...)Résultats très encourageants sur les sites pilotesA revoir pour le modèle global (manque de données marges, flux MES entrants...)

Perspectives :

Calage sur les suivis de la chasse 2012Amélioration de la gestion des ouvrages en crue/chasseAmélioration des conditions aux limites (apports : actions 6 et 8 ; granulométrie : action 7)Paramétrage des processus liés au mercure et aux PCB