Comportement des métaux particulaires ... - · PDF filePRESENTATION GENERALE DU BASSIN...

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  • Freshwater Contamination (Proceedings of Rabat Symposium S4, April-May 1997). IAHS Publ. no. 243, 1997

    Comportement des mtaux particulaires (Al, Fe, Me, Cd, Cu, Hg, Pb et Zn) dans la Seine Poses en priode de hautes eaux (1990-1995)

    ZAHID IDLAFKIH, MICHEL MEYBECK Laboratoire de Gologie Applique, Universit Pierre et Marie-Curie (Paris 6), Case 123, 4 place Jussieu, F-75252 Paris, France

    JEAN FRANOIS CHIFFOLEAU, DANIEL COSSA Direction de l'environnement et de l'Amnagement Littoral, Laboratoire de chimie des contaminants et modlisation, Ifremer, BP 1105, F-44311 Nantes cedex 03, France

    ANDRE FICHT Cellule de Lutte contre la Pollution, Service de Navigation de la Seine, 66 avenue Jacques Chastellain, Ile Lacroix, F-76000 Rouen, France

    Abstract Total suspended solids (TSS) and associated particulate Al, Fe, Mn, Cd, Cu, Hg, Pb and Zn have been studied from 1990 to 1995 (n = 123 samples) for the Seine at the river mouth station (65 000 km2, Q = 430 m3 s"1, Qrnax = 2090 m3 s"'). Special attention was given to major floods ( 1000 m3 s"1) very seldom sampled during regular surveys. Turbid events (50 < TSS < 300 mg l"1) are linked to the rising stage of floods which occur from 1.4% (dry year) to 10.4% (very humid year) of the time. The high water stages (Q > 600 m3 s"1) represent from 4.4% to 44% of the time, and from 11% to 73.5% of the yearly runoff. The TSS vs. 0 pattern is a classical marked clockwise hysteresis which starts at 600 m3 s"' and is interpreted as a resuspension of river bed sediments. Seine particles are poor in Al (0.85 to 7.58%) and both Al and Fe contents increase during floods possibly due to the addition of detrital aluminosilicates to carbonates and autochthonous organic matter rich in diatoms that dominate at low flows. Fe is well correlated to Al but the Fe/Al ratio is slightly higher at low flow. This additional Fe, and a similar additional Mn, could result from in situ precipitation. Heavy metals contents, expressed in ug per g of TSS are very high: 0.55 to 8.1 for Cd, 36 to 343 for Cu, 62 to 309 for Pb, 174 to 1023 for Zn and 0.43 to 2.67 for Hg. The average contamination factors (Seine content/average unpolluted river) are 10 for Cd and Hg, 4 for Pb and Zn, and 2.5 for Cu. Cd, Cu, Pb and Zn vs. Q present a bell-shaped curve with a maximum at Q = 500 to 600 m3 s'and a minimum at Q = 50 m3 s"1 and 2000 m3 s"', although dispersion is noted. The pattern for mercury is different with regular dilution of particulate contents from 2 ug g"1 and more to 0.4 ug g"1 at high flows. All Me/Al ratios area at a maximum at low flow (50 m3 s'1) then decrease and reach a near constant value for high waters (Q > 600 m3 s"1) particularly during the three major floods studied in January 1991, January 1993 and January 1994 (peaks > 1900 m3 s"1). At peak discharges, the particles are still somewhat contaminated probably as a result of basinwide soil contamination.

    INTRODUCTION

    Durant les annes 70 et 80, la station de qualit des eaux de Poses sur la Seine, juste

  • 46 Zahid Idlafkih et al.

    l'amont de l'estuaire, a connu un suivi rgulier, 6 12 chantillons par an puis 24 partir de 1986, dans le cadre du rseau national de bassin (RNB) (rapports annuels, A. Fient). Ce suivi n'a cependant pas pris en compte les priodes de crues majeures (dbits >1000 m3 s"1), alors que le dbit maximum atteint 2000 m3 s"'. Les concentrations maximales de MES mesures par le RNB y dpassent, peine et trs rarement 100 mg l"1.

    Les mtaux toxiques comme Cd, Cu, Hg, Pb et Zn reprsentent une des formes les plus anciennes et les plus graves de pollution des eaux (Salomons & Frstner, 1984; Meybeck et al, 1989; Horowitz, 1995) et les conventions internationales d'Oslo et de Paris requirent dsormais d'tablir non seulement les niveaux de contamination mais aussi les flux de mtaux aux ocans, essentiellement transports lors des crues. Pour complter les suivis rguliers du RNB trois tudes ont t entreprises de 1990 1995.

    De janvier 1990 mai 1992, l'tude pilote des apports en contaminants par la Seine (Cossa et al, 1994; Idlafkih et a/., 1995), a utilis un chantillonnage plus frquent (environ 29 chantillons par an), mais les dbits des trs hautes eaux ont t peu chantillonns (8 chantillons pour Q > 1000 m3 s"1 dont deux seulement pour Q > 1500 m3 s"1). Cette tude enregistre aussi des MES maximum de l'ordre 200 mgr1.

    La Seine dans les annes 1993-1994, et 1994-1995 a connu deux crues exceptionnelles avec des dbits Poses atteignant 2000 m3 s"1, combins des dures de hautes eaux suprieurs 4 mois. Nous avons suivi ces deux grandes crues dans le cadre d'un programme de recherche inter-organismes, le Piren-Seine (Fustec & de Marsily, 1993) en ciblant notre chantillonnage sur les hautes eaux pour attendre les objectifs suivants: (a) tablir les relations MES vs. dbits; (b) comprendre les comportements et lucider les processus qui rgulent les

    concentrations et les teneurs des mtaux particulaires et des nutriments (C, N, P) lors des hautes eaux;

    (c) tablir les valeurs extrmes correspondant aux dbits maximums des hautes eaux.

    PRESENTATION GENERALE DU BASSIN DE LA SEINE

    La Seine est un des fleuves les plus anthropiss du monde: elle abrite une des plus forte densit industrielle, agricole et urbaine. Son bassin versant s'tend de la Basse Normandie jusqu' la Lorraine, et draine 75 000 km2 correspondant 9000 communes, soit 17 millions d'habitants, dont 63% en Rgion parisienne. En moyenne, 40% des activits industrielles franaises sont concentres sur le bassin de la Seine, estuaire inclus (79% de la production de sucre, 75% des corps gras, 75% de la construction automobile, 37% du ptrole raffin, 50% du trafic fluvial). L'activit agricole y est importante et trs diversifie sur prs de 60 000 km2 soit 80% du bassin. La Seine reoit en aval de Paris, Achres, les rejets de la station d'puration de l'agglomration parisienne (2 X 106 m3 sont traits par jour, soit un dbit moyen de 25 m3 s"1). La station de Poses (Qmoyen = 430 m3 s"1 sur 35 ans, A = 65 000 km2) constitue le point le plus aval non soumis la mare dynamique, elle reoit les rejets de 80% de la surface totale du bassin l'exception de ceux de

  • Mtaux particulaires dans la Seine Poses en priode de hautes eaux 47

    l'agglomration rouennaise et des industries de la Basse Seine. Le bassin est essentiellement carbonate, moins de 10% est constitu de roches cristallines.

    LES CRUES ET LES HAUTES EAUX DE LA SEINE A POSES

    Les variations de dbit dans la Seine Poses refltent son rgime ocanique avec une priode des hautes eaux de dcembre avril et des crues hivernales. L'tiage estival peut tre soutenu par les barrages rservoirs (Seine, Aube, Marne) situs dans la partie amont du basin. Cependant la dtermination des dbits Poses est complexe: en raison d'un barrage mobile li la navigation, deux courbes de tarage sont utilises, une pour les dbits infrieurs 1000 m3 s"1 (barrage en place), et une pour les dbits suprieurs (abaissement du barrage). L'utilisation de ces deux courbes engendre cependant un biais puisque les valeurs de dbits entre 900 et 1100 m3 s"1

    manquent dans les banques de donnes journalires du Service de la Navigation de la Seine.

    La Fig. 1 prsente l'hydrogramme des dbits journaliers Poses de septembre 1989 aot 1995. Pendant cette priode la Seine a connu une priode sche marque de la fin 1988 jusqu' aot 1993 (mis part une crue en janvier 1991), et une priode bien humide en 1993-1994 et 1994-1995. Le Tableau 1 regroupe les caractristiques hydrologiques de chaque anne hydrologique (dbute en septembre) ainsi que de chaque priode des hautes eaux enregistre. Les priodes de hautes eaux ont t dfinies ici sur la base du transport de MES (Meybeck & Idlafkih, 1995). A Poses le seuil partir duquel on observe une forte monte des concentrations des MES est de l'ordre de 500 m3 s"1. Les dbits de basses eaux Poses peuvent tre assez faibles de l'ordre de quelques dizaines de m3 s"1 environ 400 500 m3 s"1 suivant les annes hydrologiques. Lors des hautes eaux les maximums observs sur 35 ans (1959-1960 1993-1994) varient d'environ 600 m3 s"1 2200 m3 s"1.

    Chaque anne hydrologique peut tre caractrise hydrologiquement par un Qmoy (moyenne des dbits journaliers) qui reflte l'tat d'humidit du bassin versant au cours de l'anne en question. Si les annes 1989-1990, 1990-1991 et 1991-1992 et

    2200-j j

    2000- ! 1800- I J -

    1600- I !

    1989/90 1990/91 1991/92 1992/93 1993/94 1994/95 Fig. 1 Hydrogrammes des dbits journaliers de la Seine Poses (1989-1990 1994-1995), dbut de la resuspension (hautes eaux, Q > 600 m3 s"1) (A), crues (Q > 1000 m3 s"1) (B).

  • 48 Zahid Idlafkih et al.

    Tableau 1 Caractristiques hydrologiques de la Seine Poses.

    Qmax (m3 s') Qmin (m3 s~') Qmoy (m3 s"1) Qmdian (m3 s'1)

    Dure des hautes eaux (% du temps)1

    Dure de monte des eaux ( % du temps)1

    Dure des crues ( % du temps)2

    Volume coul (% vol. annuel)2

    Qmoy 1 Qmdian QmaxIQmin

    89/90

    1454 24

    285 215

    9 1.4

    5.2 33

    1.33 61

    90/91

    2042 50

    91/92

    740 40

    261 227

    4.4 1.9

    0 11

    1.15 19

    92/93

    1300 87

    373 273

    10.9 6.5

    4.4 28

    1.36 15

    93/94

    1881 133 682 531

    41 9

    21.6 68

    1.28 14

    94/95

    2154 139 689 447

    44 10.4

    27 73.5

    1.54 15

    59/94

    2089 50

    1 Priode des hautes eaux: Q > 600 m3 s'; 2 Priode de trs hautes eaux: Q > 1000 m3 s"'.

    1992-1993, sont relativement sches {Qmoy < Qinterannuel), les annes 1993-1994 et 1994-1995, sont au contraires trs humides (Qmoy> Qinterannuel). Les priodes de hautes eaux peuvent avoir des caractristiques bien