Détection des sources de pollution dans un bassin versant

Détection des sources de pollution dans un bassin versant 

Si certaines pollutions, notamment ponctuelles, sont visibles à l’œil nu, entraînant des décès d’individus, des changements de turbidité, de couleurs, d’odeurs, certaines sont plus difficilement perceptibles. Il s’agit alors de les caractériser et de déterminer leur origine. Plusieurs études ont été menées sur cette question, utilisant diverses méthodes et ressources.

Il convient premièrement de définir la notion de source. Si d’un point de vue moléculaire la source pourrait être le type, l’origine (par exemple animale, d’un produit phytosanitaire particulier, ou encore médicamenteuse), une analyse plus géographique et cartographique comprendrait le mot source comme un lieu spatialisé particulier (par exemple dans le cas d’une conduite d’eau usées cassée, l’endroit exact de la cassure). Combiner les deux définitions de sources, et ainsi définir à la fois le type et la localisation de la pollution sur un terrain d’étude particulier, semble être un objectif optimal. Cependant, si la détection spatiale est faisable pour les pollutions ponctuelles, la difficulté de cette dernière est intrinsèque aux pollutions diffuses. Les sources géographiques seraient alors plus générales et multiples (Armon, Starosvetsky 2015).

Sans se focaliser sur un territoire particulier, Armon et Starosvetsky (2015) font un état des lieux des origines globales des pollutions ponctuelles (comprenant entre autre fosses septiques, mines, rejets par les industries), ainsi que de potentiels indicateurs pour leur détection (comme des organismes vivants). D’autres études, comme celle menée par Jaffrézic et al se concentrent sur un type particulier, ici les produits pharmaceutiques, en prenant en compte à la fois pollutions diffuses et ponctuelles, mais souhaitant différencier leur origine (animale ou humaine). Ils utilisent pour cela des analyses chimiques. Ils expriment la difficulté d’identifier les sources et les chemins pris par les contaminants, notamment due à leur similitudes (Jaffrézic et al. 2017).

Pour les pollutions diffuses, Liu et al évaluent un modèle (parmi de nombreux) de simulation de bassin versant, permettant à l’aide de différents paramètres (météorologique, de pente, de relevés de pollution, de types de sols ou encore d’occupation du sol et d’équations) de prévoir les pollutions diffuses (quantités, nature) (Liu et al. 2008). Ongley et al s’étendent sur le sujet en évaluant la pertinence de plusieurs modèles sur des terrains spécifiques (Ongley et al. 2010), qui sont ensuite utilisés, avec des données d’occupation du sol, pour les réglementations et régulations (Duncan 2014). Ainsi, l’accent n’est pas mis sur l’identification (presque impossible) de l’origine spatiale précise des contaminants, mais plutôt sur leurs gestions globales sur le bassin. D’autres paramètres sont à prendre en compte, comme la temporalité avec des variations saisonnières définies par les pratiques agricoles (Jaffrézic et al. 2017).

Une grande variété d’études existent ainsi sur le vaste sujet des contaminants, avec des approches différentes. Ce stage se concentre sur une méthode innovante de détection des sources de pollution à la fois diffuses et ponctuelles dans des bassins versants périurbains de méso-échelle (~10- 103 km2 ), via l’utilisation combinée d’enquêtes, de cartographie, de télédétection et de mesures chimiques et hydrobiologiques. Ainsi, les deux définitions de source sont combinées, et les types sont liés à leur origine géographique. Pour les pollutions diffuses, une connaissance aiguë du territoire et de ses usages permettrait de les appréhender plus facilement. Les expérimentations ont lieu sur deux bassins, celui de la Claduègne (07) et celui du Ratier (69).

Présentation de la mission

Le projet IDESOC

Contexte du projet
Depuis 2001, le bassin versant du Rhône fait l’objet d’une attention particulière via la création d’un vaste réseau de laboratoire de recherche (19 unités en 2020), la Zone Atelier Bassin du Rhône (ZABR). Cette dernière, au travers de 4 grandes thématiques d’étude (se focalisant sur la gouvernance, les flux, le changement climatique ou encore les polluants), a comme objectif de promouvoir et valoriser les recherches effectuées, tout en favorisant le transfert d’informations. Labellisée “Zone Atelier” par le CNRS, la ZABR permet une connaissance fine des dynamiques présentes sur le bassin versant, et coordonne des programmes pluridisciplinaires “destinés à apporter des éléments pour l’aide à la décision en matière de gestion durable des cours d’eau”(ANON. 2021). L’étude des polluants de diverses origines (agricoles, urbaines, industrielles) et leurs impacts sur la biodiversité fait partie du thème majeur “Flux polluants, Ecotoxicologie, Écosystèmes” (FPEE). 2 questions principales définissent cette thématique :
• “Comment l’évolution des pratiques et les actions de gestion de l’eau permettent-elles de diminuer les intrants et de réduire les impacts sur les écosystèmes aquatiques ?
• Comment la présence de nouveaux polluants, la transformation/ remobilisation dans le milieu des pollutions historiques, et le mélange de contaminants impactent les communautés d’organismes et les fonctions des écosystèmes ?” (ANON. 2021) Plus de 79 projets de recherche différents se penchent sur ces problématiques dans le cadre de ZABR.

En plus de cela, certaines zones du bassin versant du Rhône sont également des observatoires de l’infrastructure de recherche Observatoires de la Zone Critique : Application et Recherche (OZCAR). Regroupant plus de 60 sites et dans une dynamique également pluridisciplinaire, OZCAR tend à mesurer “à long terme des paramètres biologiques, chimiques et physiques des eaux souterraines, fluviales, glaciaires, des sols et des zones humides en France et des territoires d’outre mer”(OZCAR 2021). Lancée en 2015, cette initiative regroupe les observatoires et projets de recherche étudiant la Zone Critique, soit la “zone superficielle et très fine de notre planète, qui se situe à l’interface entre l’atmosphère et la croûte terrestre continentale” (OZCAR 2021). Complexe, cette zone est étudiée par de nombreuses disciplines (géologie, hydrologie, géomicrobiologie…) qui parfois peinent à communiquer. Le réseau OZCAR a alors comme objectif de centraliser et partager les informations, tout en développant de nouveaux projets de recherche autour d’une question commune: “comment suivre, décrire et simuler l’adaptation de la Zone Critique à une planète changeante (climat, occupation des sols, pratiques)” (OZCAR 2021). Cela permet aux sites concernés d’avoir une instrumentation conséquente, avec différents points de suivis.

Objectifs et méthodologie
C’est dans ce cadre que le projet “Identification et caractérisation des sources de contaminants dans des bassins versants d’usage mixte : approche intégrée”, ou plus communément projet IDESOC, voit le jour. Travail conjoint entre les équipes de recherches de l’INRAe de Lyon et des universités de Grenoble et Lyon, et soutenu par l’agence de l’eau Rhône Méditerranée Corse (RMC), le projet part du constat de la difficulté d’identifier toutes les sources diffuses de pollution dans des bassins versants de méso-échelle d’usage mixtes. Le projet propose alors une méthodologie innovante et pluridisciplinaire avec comme objectif principal “d’identifier les sources ponctuelles et diffuses de contaminants lors d’événements hydrologiques contrastés à l’exutoire de petits bassins versants d’usage mixte”(Coquery 2020). Pour cela, une approche intégrée est mise en place en plusieurs étapes:

• Tâche 1: “Diagnostic de l’occupation des sols et de l’utilisation des produits chimiques sur les bassins versants”(Coquery 2020). L’objectif de cette étape est d’obtenir une carte des sources potentielles de contamination mêlant occupation du sol et pratiques. Cela passe par la réalisation d’enquêtes de terrain détaillées auprès des différents acteurs des bassins versants (agriculteurs, élus, habitants…), dans le but d’identifier les pratiques et éventuels produits utilisés. L’usage de données cartographiques, notamment via la télédétection, permettra de compléter les informations obtenues. Ainsi, des séries temporelles d’images satellites seront utilisées afin de classifier les différents usages du sol et pratiques. Cette tâche est l’objet de ce rapport de stage.
• Tâche 2: “Acquisition de données expérimentales pour l’identification des sources de contaminants à différentes échelles (spatiales et temporelles)”. En se basant sur les résultats précédents, les sources potentielles identifiées seront échantillonnées. Des échantillons d’eau et de sols seront prélevés au plus près des sources, et plus en aval. Ils seront ensuite analysés avec des paramètres simples avec “une combinaison de paramètres “low-cost” permettant de représenter les sources de contaminants chimiques” (Coquery 2020).
• Tâche 3: “Validation de la méthodologie de traçage des sources par combinaison d’études de terrain et de laboratoire”(Coquery 2020). Cette dernière tâche combinera expérimentation de laboratoire et expérimentations de terrain afin de valider ou non la méthodologie adoptée.

Cette approche, en plus de s’affranchir de l’analyse souvent onéreuse de contaminants organiques, permet de proposer une méthodologie à moindre coût. De plus, la comparaison entre les deux bassins étudiés est une manière de vérifier que les sources ont une signature biogéochimique retrouvable quel que soit le bassin. Cela permettrait alors d’appliquer cette méthodologie directement dans d’autres zones similaires.

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela rapport-gratuit.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

Remerciements
Table des matières
Table des figures
1. Introduction
1.1 Contexte
1.1.1 La pollution de l’eau
1.1.2. Détection des sources de pollution dans un bassin versant
1.2 Présentation de la mission
1.2.1 Le projet IDESOC
1.2.1.1 Contexte du projet
1.2.1.2. Objectifs et méthodologie
1.2.2 Zones d’études
1.2.2.1 Une comparaison entre deux bassins versants
1.2.2.3 Bassin versant de l’Yzeron
1.2.2.4 Sous bassin du Ratier/Mercier
1.2.3 Structure d’accueil
1.2.4 Notre mission
1.2.4.1 Objectif et étapes de réalisation
1.2.4.2 Attentes et difficultés prévues
2. Enquêtes de terrain
2.1 Découverte du terrain, organisation des questionnaires et premiers essais
2.1.1 Recherches bibliographiques et prise de connaissance du terrain
2.1.2 Échantillonnage des acteurs à interroger
2.1.3 Mise en place des grilles d’entretien et ressources cartographiques
2.1.4 Entretiens exploratoires et corrections
2.2 Déroulement et difficultés
2.3 Retranscription et premiers résultats
2.3.1 Méthode de retranscription
2.3.2 Premiers résultats
2.3.2.1 Produits phytosanitaires
2.3.2.2 Engrais et fumiers
2.3.2.3 Produits vétérinaires
2.3.2.4 Produits de lavage
2.3.2.5 Autres observations
2.4 Retour et perspectives
3. Construction d’une base de données
3.1 Type de base de données et PostgreSQL
3.2 Étapes de construction de la base de données
3.2.1 Données de bases et sélection des informations
3.2.2 Réunion des classes d’occupation du sol
3.2.3 Création des tables
3.2.3.1 La table parcelle et la table exploitant
3.2.3.2 Les tables de pratiques selon les occupations du sol
3.2.3.3 La table des bâtiments, de produits de lavage et produits vétérinaires
3.3 Requêtes
3.4 Retours sur la base de données
4. Classification et télédétection
4.1 Télédétection
4.2 Images Sentinel-2 et extension OTB
4.3 Objectifs
4.4 Étapes mises en place
4.4.1 Sélection des images et prétraitements
4.4.1.1 Sélection des images
4.4.1.2 Découpage et redimensionnement
4.4.1.3 Concaténation et traitement des masques
4.4.1.4 Création des indices et interpolation par les masques
4.4.2 Échantillonnage et essais
4.4.2.1 Classes envisagées et échantillons
4.4.2.2 Évaluation des échantillons et validation
4.4.2.3 Entrainement du classifieur et classification
4.4.2.4 Évaluation de la classification
4.4.2.5 Post-traitements
4.5 Classification finale et comparaison
4.5.1 Classification retenue
4.5.2 Comparaison avec OSO
4.5 Perspectives
5. Sources de pollution
5.1 Requêtes de la base de données
5.2 Indices de pollution
6. Bilan sur le projet
6.1 Bilan global et pistes d’amélioration
6.2 Bilan personnel
Bibliographie
Annexes

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