Transcript Calculer de façon déterministe la qualité des eaux de surface du

Calculer de façon déterministe la qualité des eaux de
surface du bassin Loire-Bretagne en fonction des
pressions (PEGASE)
Olivier Coulon
Chef de projet
Agence de l’eau Loire-Bretagne
Direction Evaluation & Planification
PEGASE : Planification Et Gestion de l’ASsainissement et l’Epuration
Concepteurs : Aquapôle de l’université de Liège, université de Namur
Utilisateurs :
Région Wallonne
Agence de l’Eau Rhin-Meuse
Grand Duché de Luxembourg
Vlaamse Milieu Maatschappij
Agence de l’Eau Loire Bretagne
Agence de l’Eau Adour-Garonne
Agence de l’Eau Artois-Picardie
ENTREES
SORTIES
Bassins
Versants
Charges polluantes
dans le réseau
155 000 km2
Réseau des
Rivières
Env. 65000 km
Hydrometeo
Activités
et rejets
Modèle
Pégase
Distribution des
débits et Températures
Evolution des
biomasses
Qualité de l’eau
et flux
Activités
&
rejets
hydrologie
&
météo
Bassins
versants
&
rivières
Les bases de données mobilisées
BD Carthage
RESEAU DES RIVIERES PEGASE
TRONCONS ET CLASSES DE LARGEUR
MNT (50 mètres)
CALCUL DES PENTES ET DES
SURFACES DE BASSIN VERSANTS
CHEMIN DE PLUS GRANDE PENTE
CONNEXION DES MAILLES SUR LE RESEAU MODELISE
ROE (BARRAGES ET SEUILS)
GEOLOCALISATION, HAUTEUR DE
CHUTE
LARGEURS POUR LES GRANDS OUVRAGES
BANQUE HYDRO
CATALOGUES DES STATIONS
DONNEES STAT ET JOURNALIERES
VARIABLES HYDRAULIQUES DE 2002 à 2012
TEMPERATURES DE L’EAU
STATIONS DE REFERENCE ET
STATIONS DE SURVEILLANCE QUALITE
UTILISATION DES STATIONS DU RTH A VENIR
METEO France
INSOLATIONS JOURNALIERES
RAYONNEMENT GLOBAL
INSEE
POPULATION COMMUNALE
RACCORDEE SUR STEP & ANC
STATIONS D’EPURATION
GEOLOCALISATION, RENDEMENTS
FLUX REJETES & DEBITS
REJETS INDUSTRIELS
GEOLOCALISATION TYPE D’INDUSTRIE
FLUX REJETES & DEBITS
CORINE LAND COVER
APPORTS DES SOLS AGRICOLES ET
NATURELS
CULTURES, PRAIRIES, FORETS PAR MAILLE
RECENSEMENT GENERAL
AGRICOLE
APPORTS DES CHEPTELS
DENSITE DE CHEPTEL PAR MAILLE
PRELEVEMENTS & APPORTS
GEOLOCALISATION ET DEBITS
AEP, INDUS, IRRIGATION, DERIVATION, RESTITUTION
RESEAUX DE SURVEILLANCE
DES COURS D’EAUX (OSUR)
CATALOGUE DES STATIONS
DONNEES PHYSICO-CHIMIE
COMPARAISONS AVEC CALCULS
UTILISATION LOCALE POUR RECALAGE O2
Bassins versants et rivières
Le réseau modélisé
3 domaines indépendants
Linéaires en kilomètres
Bassin Loire
Bassin Bretagne
Bassins cotiers vendéens
Linéaire total
Linéaire référentiel Masse d'eau
50334
10264
3888
64486
98041
1000 m X 1000 m
500 m X 500 m
Tronçons de 200 mètres en moyenne
Mailles carrées pour décrire l’occupation du sol
Possibilité de simuler par domaine ou par sélection de rivières
Les variables biogéochimiques représentées
- Matières organiques (carbone, azote, phosphore)
particulaire/dissoute
biodégradabilité : rapide, lente, non dégradable
- Azote minéral (NH4, NO2, NO3)
- Phosphore minéral (phosphates)
- Bactéries hétérotrophes et autotrophes
- Producteurs primaires (phytoplancton et phytobenthos)
- Consommateurs (zooplancton, mollusques filtreurs)
- Oxygène dissous
Les processus décrits dans le modèle
- Transport et dilution
- Sédimentation et resuspension/diffusion
- Evolution des biomasses végétales
(planctoniques, benthiques)
- Consommation par le zooplancton et mollusques filtreurs
- Evolution des biomasses bactériennes
(dégradation MO, nitrification dénitrification)
- Evolution des nutriments
- Cycle de l’oxygène
(production, respiration, ré-aération)
Le modèle hydraulique
• Caractéristique : interpolation des débits via débits spécifiques l/s/km2 et surface de bv
•Deux modalités pour les calculs :
- Régime stationnaire : débits caractéristiques en tous points du réseau modélisé
(interpolation à partir de débits statistiques : ex QMNA5)
- Régime non stationnaire : débits journaliers en tous points du réseau modélisé
(interpolation à partir des hydrogrammes réels ou simulés)
• Calcul des vitesses, hauteurs et temps de séjour
Contraintes
- Une seule station de jaugeage par couple rivière/zone hydro
- Un débit minimum dans le cours d’eau
Ajustements
- Rivières sans station de jaugeage : utilisation de stations de référence à proximité
- Possibilité de créer des stations de jaugeage fictives
Les principales variables restituées
- Concentrations en moyennes journalières:
Carbone total et dissous, DCO, DBO,
NH4+, NO2-, NO3-,NKJ,
Ptot, PO43,
Oxygène dissous, (min et max journalier)
Chlorophylle a
…
- Débits, vitesses, hauteur, temps de transfert
- Biomasses phytoplanctoniques (4 groupes)
- Bilans avec les apports anthropiques et les apports naturels
- Flux annuels, mensuels, journaliers
Les rejets ponctuels
Deux modalités de prise en compte : théorique ou « réelle »
population non
raccordée à un
réseau
d’assainissement
A
N
C
Rejets urbains
Population
Taux de collecte
Step 1 à n
Description théorique
des schémas
d’assainissement et
d’épuration
Rejets industriels
Flux
rejetés
dans le
réseau
urbain
Flux rejetés dans
le milieu
Rendements
Les rejets ponctuels
Deux modalités de prise en compte : théorique ou « réelle »
Rejets urbains
Rejets industriels
Population
Prise en compte
des valeurs
mesurées
A
N
C
Taux de collecte
Step 1 à n
Flux
rejetés
dans le
réseau
urbain
Flux rejetés dans
le milieu
Autosurveillance
des stations d’épuration et des industries
Rendements
Flux moyen annuel, mensuel ou flux horaires
Les rejets ponctuels
• Transformations des flux rejets en données PEGASE
DBO5, DCO
Carbone particulaire et dissous,
biodégradable ou non en 3 modalités :
facilement, moyennement, peu biodégradable :
6 formes de carbone
NR (N réduit)
Phosphore total
Azote ammoniacal, Nitrites, Nitrates,
Azote organique
Phosphore organique, Phosphates
Les rejets ponctuels
• Différenciation en fonction de la nature des rejets
-
Sorties de stations d’épuration
Déversement direct effluents type urbains
Sorties dispositif ANC
Rejets industriels
% des différentes formes C, N, P
dans les rejets
Coefficients applicables par défaut en fonction du type d’effluents
Coefficients ajustables rejet par rejet si nécessaire
• Géolocalisation et transfert via le chemin de plus grande pente
Les apports diffus
Apports des cheptels
• Densité de cheptel par maille
Apports des sols
• regroupement apports ruissellement et nappes
• fonctions d’apport F(occupation du sol)
• calibration par zone hydro
(Equivalents UGB)
mg/l
• Coefficients de transfert
(calibration sur base mensuelle)
Catégorie
d’animal
Facteur
UGB
Bovins
1.00
Caprins
0.15
Ovins
0.10
Equidés
0.80
Porcins
0.30
Volailles
0.0001
Résultat pour chaque maille
C org. Dissous
assimilable
non assimilable
C org. Particulaire
assimilable
non assimilable
N org. Dissous
assimilable
non assimilable
N org. Particulaire
Ammonium
Nitrates
P org. Dissous
P org. Particulaire
Orthophosphates
Cultures
Prairies
Forêts
0,80
1,60
0,80
1,60
0,80
2,60
0,50
1,00
0,50
1,00
0,50
2,00
0,40
0,40
0,20
0,05
3 à 15
0,02
0,07
0,10
0,40
0,40
0,50
0,05
3,00
0,02
0,03
0,04
0,20
0,20
0,12
0,02
1,50
0,005
0,03
0,01
Calcul pour chaque maille
% surface en cultures x coeffs.
% surface en prairies x coeffs.
% surface en forêts x coeffs.
Conc. moyenne pour chaque variable
flux moyen pour chaque variable
Résultat pour chaque maille
flux moyen pour chaque variable
Les apports diffus
Pour chaque maille
• Transfert des flux via chemin de plus grande pente
Les incertitudes
• Sur les données
-
géolocalisation en général (station de jaugeage, ouvrages, rejets)
cohérence des flux rejetés (débits/concentrations)
exhaustivité des rejets ponctuels
cohérence des débits statistiques pour le mode stationnaire
Analyse et correction des données
• Sur les processus faisant l’objet de calibration
ex mollusques filtreurs pas de description déterministe reste donc soumis à l’initialisation
des biomasses par rivière
Amélioration des connaissances
• Sur les processus mal ou moins bien décrits
le transport sédimentaire
Amélioration des processus
Les incertitudes
• COD, les valeurs calculées sont souvent inférieures aux valeurs mesurées
Origine du COD : en règle générale, les rejets ponctuels n’expliquent pas les valeurs élevées
mesurées en Bretagne et Limousin
calibration par les apports des sols
• Oxygène dissous, les valeurs calculées sont plutôt élevées
- Effet des plans d’eau : restitution d’eaux plus ou moins désoxygénées
réinitialisation possible à l’aval des plans d’eau
- Les dépôts sédimentaires dans les rivières et leur impact sur la consommation d’oxygène,
notamment lors des périodes de très faibles débits
calibration possible par tronçons mais nécessite connaisssances locales
Les restitutions des résultats
Restitutions graphiques
des variables calculées
Toutes les variables :
Hydrauliques
Chimiques
Biologiques
Cartes linéaires
Concentrations, indices
Profils longitudinaux
et temporels
Comparaison de scénarios
ECHELLES DE
RESTITUTIONS
GEOGRAPHIQUES
Tronçon (s)
Rivière (s)
Masse d’eau (s)
Bassin (s) versant (s)
ECHELLES DE
RESTITUTION
TEMPORELLES
Jour (s)
Mois
Années
Bilans de flux pour carbone, azote et phosphore
Les utilisations possibles du modèle
• Scénarios d’assainissement et dépollution
• Evaluation etat physico-chimique des eaux
• Eutrophisation phytoplanctonique
• Calculs de flux et de bilans
•
Scénarios augmentation/réduction de débit
•
Scénarios augmentation/réduction de prélèvements
•
Scénarios aménagement/suppression de seuils
Les utilisations possibles du modèle
Modèle pas adapté pour tester :
- des modifications de pratiques agricoles
- des aménagements de l’espace
- des évolutions de la qualité des nappes
SYNTHESE
Utilisation prioritaire de données précises, sinon données par défaut
Différentes échelles de simulation géographique et temporelle
Bilans des apports par origine (urbain, industriels, agricoles, naturels)
Approche théorique des impacts avec le mode stationnaire
Approche plus « réaliste » avec le mode non stationnaire
Des améliorations de calibrations et processus via un projet interagences
Merci pour votre attention
Avec l’aimable autorisation de l’auteur