Travaux R&D menés sur la conception et l’implantation de zones tampons réactives au sein des bassins versants agricoles pour atténuer les flux de nitrates

R&D solutions for conception and implementation of remediation zones in agricultural catchments in order to attenuate nitrate pollution

¹ Kompetenzzentrum Wasser Berlin, Berlin, Allemagne
² Veolia, Direction Technique et Performance, Saint-Maurice, France
³ Syndicat Mixte Environnemental du Goëlo et de l’Argoat (SMEGA), Grâces, France
⁴ Veolia Environnement Recherche & Innovation (VERI), Maisons-Laffitte, France
⁵ Veolia Eau, Rennes, France

^* Auteur de correspondance : christelle.pagotto@veolia.com

Reçu : 2 Septembre 2014
Accepté : 12 Novembre 2014

Résumé

Dans les bassins versants marqués par une agriculture intensive, les limites imposées à l’utilisation de fertilisants et donc de nitrates ne suffiront probablement pas à obtenir un bon état des eaux de surface. Suite à la fermeture d’une usine de production d’eau potable en Bretagne (bassin versant de la rivière Ic) du fait de concentrations en nitrates supérieures à 50 mg-NO₃^–/L, Veolia a initié le projet de recherche Aquisafe. Son objectif était 1) de démontrer les performances épuratrices de zones réactives simples (de type fossés réactifs, lagunes, …) collectant les eaux de ruissellement et de drainage avant leur retour à la rivière, 2) de développer des outils (modèle numérique SWAT/SIG) permettant de localiser où installer les systèmes au sein des bassins versants, mais aussi 3) d’évaluer l’efficacité à attendre des stratégies envisagées à l’échelle d’un bassin versant via l’utilisation d’un modèle numérique (SWAT). Afin d’atteindre le premier objectif, de nombreux travaux ont été effectués à différentes échelles (laboratoire/plateforme expérimentale-pilote/grandeur réelle). C’est en laboratoire que plusieurs types de matériaux ainsi que les temps de résidence nécessaires à une dénitrification efficace ont été évalués (Krause Camilo et al., 2013. Ecological Engineering, 55, 101–113). À l’échelle de la plateforme expérimentale (pilote), des zones réactives construites sur la base des premiers résultats en laboratoire ont fait l’objet d’études sur l’influence de la température et des débits durant deux ans. Il a été démontré qu’une réduction de 80 % des nitrates peut être atteinte grâce à de tels systèmes. Enfin, les connaissances acquises ont pu être vérifiées in situ sur trois zones réactives installées en Bretagne dans le bassin versant de la rivière Ic. Une lagune, un bassin d’infiltration ainsi qu’un fossé réactif ont été construits et suivis durant deux saisons pluvieuses. Les règles de dimensionnement obtenues à petite échelle ont ainsi pu être validées (Wicke et al., 2014. Abstract accepted for IWA 14th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control (ICWS), Oct. 2014). Au préalable, la localisation des sites en Bretagne s’est faite grâce au modèle numérique SWAT (Soil and Water Assessment Tool). Ce modèle a permis de calculer les flux d’eau et d’éléments nutritifs, et ainsi de définir les zones les plus contributrices à la pollution en nitrates, où il convenait d’installer en priorité les zones tampons. En complément, une méthode simple basée sur les Systèmes d’information Géographique (SIG), nécessitant moins de données que le modèle et permettant une localisation plus fine, a été développée et testée spécifiquement dans ce contexte et s’est avérée prometteuse (Orlikowski et al., 2011. Water Science and Technology, 892–898). Enfin, le modèle SWAT a été complété d’un module « zone réactive » pour permettre d’évaluer la performance des différentes stratégies d’aménagement et de gestion du bassin versant quant à l’amélioration de la qualité de l’eau à la prise d’eau pour la production d’eau potable. De premières simulations de scénarios ont ainsi pu être réalisées. Grâce au projet Aquisafe, les outils nécessaires à la conception et l’implantation de zones tampons pour atténuer les flux de nitrates au niveau des bassins versants sont ainsi disponibles.

Abstract

In catchments marked by intensive agriculture, the limitations on the use of fertilizers and thus nitrates will probably not be enough to get a good surface water (as asked by the Water Framework Directive). Following the closure of a drinking water plant in Brittany (watershed of the River Ic) due to concentrations of nitrate above 50 mg NO₃^–/L, Veolia has initiated the research project Aquisafe. Its aim was 1) to demonstrate the treatment performance of buffer zones (such as reagents ditches, constructed wetlands, …) collecting runoff and drainage before they return to the river, 2) to develop tools (digital model SWAT/GIS) to locate where implement systems within the watershed, as well as 3) to evaluate the effectiveness of the planned strategies at the watershed scale through the use of a numerical model (SWAT). To achieve the first goal, work has been carried out at different scales (laboratory/experimental pilot/full-scale platform). It is in the laboratory that several types of materials and the residence time necessary for effective denitrification were evaluated (Krause Camilo et al., 2013. Ecological Engineering, 55, 101–113). At the pilot scale (experimental platform), buffer zones built according to the first results obtained in the laboratory have been studied to observe the influence of temperature and flow rates during two years. It has been shown that a 80% reduction of nitrate can be achieved by such systems. Finally, the knowledge could be checked in situ on three buffer zones built in Britanny in the watershed of the Ic river. A lagoon, an infiltration basin and a reactive ditch were built and monitored during two rainy seasons. Thus, design rules obtained on a small scale have been validated at real scale (Wicke et al., 2014. Abstract accepted for IWA 14th International Conference on Wetland Systems for Water Pollution Control (ICWS), Oct. 2014). Previously, the location of sites in Britain was made using the digital model SWAT (Soil and Water Assessment Tool). This model was used to calculate the flow of water and nutrients, and so to define the most contributive zones to nitrate pollution, where it was of interest to install at first the buffer zones. In addition, a simple method based on Geographic Information Systems (GIS), requiring less data than the model and allowing a finer localization, has been developed and tested specifically in this context and has been proved promising (Orlikowski et al., 2011. Water Science and Technology, 892–898). Finally, the SWAT model was complemented by an “hotspot” module in order to evaluate the performance of different land use and watershed management in improving the water quality strategies to support decision. Raw simulation scenarios have been carried out. With the Aquisafe project, the tools needed to design and implement buffer zones to reduce the nitrate pollution in the watersheds are thus available.