Soutenance mémoire
Le bassin de la Seine et les enjeux de la qualité de l’eau
Les fleuves sont des écosystèmes qui subissent d’importantes perturbations associées aux actions anthropiques. Comme l’agriculture et les usages domestiques et industriels, les impacts des grands aménagements, des politiques de gestion y contribuent aussi fortement. La Seine est l’une des principales rivières les plus étudiée dans territoire français depuis les débuts du programme PIREN-Seine en 1989 (Meybeck et al. ,1998, Garnier et Mouchel, 1999, Billen et al. 2007 et Bellanger et Pineau 2011). Le bassin de la Seine est l’un des plus densément peuplé en France, comprenant la mégapole parisienne qui concentre les 2/3 de la population du bassin; l’agriculture y est l’une des plus productives d’Europe. Au cours de ces 25 années, la qualité de l’eau de la Seine a été profondément modifiée, Dans ce chapitre, une description de la géographie du bassin est réalisée. L’évolution des pressions anthropiques au cours des 25 dernières années est analysée. Un zoom est fait en suite sur les différents changements apparus dans le traitement en stations d’épuration.
Le bassin de la Seine
La Seine est le second plus long fleuve français. Il se jette dans la Manche au niveau du Havre. Son bassin versant s’étend sur une surface de 67500 km². Le système Seine représente 23000 km de cours d’eau au travers desquels s’écoulent 14 milliards m3 d’eau par an. La Seine prend sa source à 471 m d’altitude sur le plateau de Langres (Champagne-Ardenne) et s’écoule sur 776 km jusqu’à son embouchure Normande. Ses principaux affluents (Aube, Marne, Yonne, Oise, Eure) ont un régime hydrologique similaire à celui de l’axe Seine avec des débits maximaux en hiver (2280 m3.s-1 à Poses en 2001 ) et des étiages en été (145m3.s-1 en 1996) (Passy 2012). Le bassin de la Seine représente 12% du territoire national avec une population de 17.5 millions soit plus du quart de la population française (2011) (GIP Seine-Aval 2013).
Géologie du bassin
Le bassin versant de la Seine est presque entièrement situé dans le Bassin sédimentaire parisien. La géologie, le relief, le climat du bassin de la Seine présentent une forte homogénéité comparée à celles des autres grands bassins français. La composition géologique du bassin est largement dominée par des roches sédimentaires carbonatées (Figure 1.1) et sont organisées par auréoles concentriques dont l’altitude tend à augmenter quand on s’éloigne du Centre du Bassin, s’étageant du Tertiaire supérieur (Miocène) au début du Secondaire (Trias) et s’appuyant sur des massifs anciens (socle) (Guerrini et al. 1998). Comme les principaux affluents de la Seine (Yonne, Aube, Marne, Aisne et Oise) recoupent plusieurs de ces auréoles sédimentaires, leurs sous-bassins présentent une composition lithologique relativement homogène (Guerrini et al. 1998; Pomerol 2000). Ce bassin sédimentaire est caractérisé par un empilement de formations à faible pente convergeant vers le centre. Les roches sédimentaires affleurantes sont composées de calcaires, marnes, craies, argiles, sables quartzeux et grès, alternant des terrains perméables et imperméables qui influencent les écoulements de surface (Viennot et al. 2009a). Le relief du Bassin est peu accidenté avec des altitudes généralement inférieures à 300 m (Figure 1.2) dépassant rarement 500 m sauf dans le Morvan où elles culminent à 900 m. Seul 1% du bassin dépasse l’altitude de 550m. Ces altitudes modérées expliquent les faibles pentes des cours d’eau (0.01 à 0.03 m / 100m), qui coulent globalement vers l’ouest en incisant les cuestas orientales, puis les plateaux du centre du bassin (Beauce, Brie et Picardie) avant de méandrer dans les plaines alluviales, notamment à l’aval de Paris. Les sols, actuellement présents sur une grande moitié Ouest du bassin de la Seine, se sont formés à partir d’une couverture de limons et d’argiles quaternaires d’origine éolienne qui recouvrent les formations géologiques. En général, ils sont pourvus de bonnes capacités de rétention d’eau, qui contribuent à réguler le débit des rivières, en association avec une contribution importante des aquifères (dont le drainage vers les rivières constitue le débit de base).
Hydrologie du Bassin de la Seine
Le Bassin de la Seine est sujet à un climat tempéré et humide avec une pluviométrie bien répartie au cours de l’année (Ducharne et al. 2003). Les précipitations varient des régions côtières au Nord-Ouest vers les reliefs du Sud-Est. Un apport constant d’humidité par les vents d’Ouest issus de l’océan atlantique précipite énormément sur les régions côtières du Nord-ouest (Normandie avec une pluviométrie de 800 à 1100 mm.an-1) puis sur les reliefs Sud-Est du bassin (pluviométrie supérieure à 800 mm.an-1 pouvant atteindre 1300 mm.an-1 dans le Morvan). Les plateaux du centre ont une pluviométrie sensiblement plus faible, entre 550-850 mm.an-1, car les vents d’Ouest humides ne rencontrent pas d’obstacles liés au relief. La pluviométrie moyenne annuelle sur le bassin (1970-2004) est de 745 mm.an-1 avec une évapotranspiration potentielle de 759 mm.an-1 (Viennot et al. 2009a).
Les principaux cours d’eau du Bassin ont un régime hydrologique pluvial-océanique avec des débits moyens de 5 à 10 L .s-1.km-2 et des maximums à 40 L.s-1.km-2 lors des plus grandes crues (Guerrini et al. 1998). Ce régime hydrologique est marqué par de hautes eaux hivernales et des étiages estivaux. Sur les 25 dernières années, les débits moyens à l’exutoire sont de 527 m3.s-1 à Poses. D’un point de vue quantitatif, ce sont plutôt les crues, et leur cortège d’inondations dans le bassin, qui suscitent les plus vives craintes. Ainsi, les crues de 1910 et 1955 ont causé d’importants dommages à Paris. En revanche, celle de 2001 a pu être contenue grâce à la régulation des barrages-réservoirs. La crue de janvier 1910 a constitué le facteur déclencheur d’une politique d’envergure pour la régulation du débit de la Seine qui a conduit à la construction de barrages-réservoirs à l’amont du bassin. Les trois principaux barragesréservoirs ont été construits depuis 1966, en dérivation de la Seine (1966), de la Marne (1974) et de l’Aube (1991) pour écrêter les crues et modifier les débits à l’aval (Guerrini et al. 1998). Les trois retenues ont une capacité de stockage maximale de 725 Mm3 qui permet de soutenir l’étiage en fin d’été et en automne, à raison de 60 m3.sec-1 , ce qui peut représenter le double du débit d’étiage naturel à Paris lors des années sèches (Garnier et al. 1998).
Occupation du sol et population
L’occupation du sol dans le Bassin de la Seine en 2006 se répartit entre 52% de terres arables, 12% de prairies permanentes, 24% de surfaces forestières, 6% de surfaces urbanisées et 6% d’autres occupations du sol (plans d’eau, divers,…) (Figure 1.3). Le bassin regroupe 15% des exploitations agricoles françaises et 23% de la SAU du territoire National (Benoit 2014). L’agriculture du Bassin de la Seine est la plus productive qui soit en France. La taille moyenne des exploitations atteint 68 ha contre 42 ha en moyenne nationale. L’agriculture représente la principale activité dans le Bassin de la Seine en terme de surface puisqu’elle couvre à elle seule plus de 60% du territoire (Schott et al. 2009). L’utilisation des sols est dominée par des exploitations de grandes cultures (Billen et al. 2007). Les cultures majoritaires sont le blé, l’orge, le maïs et le colza avec un recouvrement de ces cultures de plus de 60% de SAU dans presque tous les départements du bassin (Agreste 2013).
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Table des matières
1. INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. LE BASSIN DE LA SEINE ET LES ENJEUX DE LA QUALITE DE L’EAU
1.1. LE BASSIN DE LA SEINE
1.1.1. GEOLOGIE DU BASSIN
1.1.2. HYDROLOGIE DU BASSIN DE LA SEINE
1.1.3. OCCUPATION DU SOL ET POPULATION
1.2. L’AXE MAJEUR DE LA SEINE ET LES ENJEUX DE QUALITE D’EAU.
1.2.1. VARIATIONS INTER-ANNUELLES DE L’HYDROLOGIE
1.2.2. HISTORIQUE DE LA COLLECTE ET DU TRAITEMENT DES EAUX USEES URBAINES
1.2.3. EVOLUTION DE LA POLLUTION AGRICOLE ET DE SA GESTION
1.2.4. EVOLUTION DES POLLUTIONS PONCTUELLES ET DIFFUSES ET LEUR REGLEMENTATION
1.3. CONCLUSION
CHAPITRE 2. CYCLE ET CASCADE DE L’AZOTE DANS LE BASSIN DE LA SEINE
2.1. LE CYCLE DE L’AZOTE
2.2. LA CASCADE DE L’AZOTE
2.3. BILAN DES TRANSFERTS D’AZOTE DANS LE BASSIN DE LA SEINE
2.3.1. BILAN DES TRANSFERTS D’AZOTE DANS LA PERIODE 2000-2007
2.3.2. LES MODIFICATIONS RECENTES DE LA CASCADE DE L’AZOTE
2.4. CONCLUSION
CHAPITRE 3. THE RESPONSE OF RIVER NITRIFICATION TO CHANGES IN WASTEWATER TREATMENT (THE CASE OF THE LOWER SEINE RIVER DOWNSTREAM FROM PARIS)
3.1 ABSTRACT
3.2. INTRODUCTION
3.3. MATERIALS AND METHODS
3.3.1. STUDY SITE AND LONG-TERM WATER-QUALITY DATA
3.3.2. SAMPLING STRATEGY
3.3.3. CHEMICAL ANALYSIS
3.3.4. MEASUREMENT OF NITRIFYING ACTIVITIES
3.4. RESULTS
3.4.1. FLUX OF NITROGEN AND MICROORGANISMS DISCHARGED BY THE SAV PLANT (1993–2014)
3.4.2. LONGITUDINAL DISTRIBUTION IN INORGANIC NITROGEN AND NITRIFYING ACTIVITIES BY LOW FLOW (2002–2003 VS. 2011–2014)
3.4.3. INTERRUPTION OF SAV NITROGEN TREATMENT
3.5. DISCUSSION
3.5.1. MODELING NITROGEN AND NITRIFYING ORGANISM DYNAMICS 6
3.5.2 LONG-TERM OBSERVATIONS OF WATER QUALITY FOR ACKNOWLEDGING MAJOR CHANGES
ACKNOWLEDGEMENTS
CHAPITRE 4. CYCLE ET CASCADE DU PHOSPHORE DANS LE BASSIN DE LA SEINE
4.1. LE CYCLE DU PHOSPHORE
4.2. LA CASCADE DU PHOSPHORE
4.2.1. L’ACCROISSEMENT DES TRANSFERTS DE P DEPUIS LES SOLS AGRICOLES.
4.2.2. LES APPORTS URBAINS DE P AUX EAUX DE SURFACE
4.2.3. LES TRANSFERTS ET TRANSFORMATIONS DU P DANS LES COURS D’EAU
4.2.4. EUTROPHISATION EN MILIEU DULCICOLE ET MARIN
4.3. BILAN DES TRANSFERTS DE PHOSPHORE DANS LE BASSIN DE LA SEINE
4.3.1. LES SOLS AGRICOLES ET LEUR EROSION
4.3.2. LES REJETS URBAINS PONCTUELS DE PHOSPHORE
4.3.3. LA CHARGE EN PHOSPHORE DE LA SEINE
4.3.4. SPECIATION DU P EN SEINE
4.3.5. BILAN DES TRANSFERTS DE P DANS LE RESEAU HYDROGRAPHIQUE DE LA SEINE
4.4. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
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