Scénario 2. Impact de l’habitat en fonction de sa distance au point de prélèvement (bassin 1)

Contexte

Avant le XVème siècle, la population mondiale estimée se maintenait sous le seuil des 500 millions d’âmes. C’est dire si l’habitat devait être dispersé. Cependant, souvent, les villages s’étaient implantés dans les zones où l’eau était disponible, soit autour de sources, soit sur les cours d’eau, beaucoup d’activités nécessitant de l’eau (moulins, forges, lessives,…). Des pollutions devaient donc déjà exister mais étaient assez diffuses et par ailleurs, vu la faible densité de population, de grandes zones forestières permettaient aux rivières de s’autoépurer. Par ailleurs, l’usage d’engrais chimiques et de phosphates dans différents produits ménagers notamment (détergents, produits adoucissants) apparaît bien plus tard, après la Première Guerre mondiale et principalement après la Deuxième. Une étude du phosphore dans le Lac Léman montre ainsi son augmentation après 1950.

Aujourd’hui, la densité de population, son regroupement dans de grands ensembles, l’absence d’épuration encore dans de nombreux villages et même dans certaines villes expliquent la qualité dégradée de nombreux cours d’eau.

Le scénario proposé ici étudie l’impact d’une zone d’habitat non épurée de 150 habitants (hameau) située de plus en plus près du cours d’eau. Il introduit la notion et le mécanisme d’autoépuration (transformation des polluants organiques en substances minérales –nitrates et phosphates- grâce aux bactéries). Lorsque le hameau est placé loin, les eaux usées mettent un certain temps avant d’arriver au cours d’eau. En l’absence d’égouttage, l’écoulement au travers du bassin versant est lent et les matières organiques ont le temps de se minéraliser pour arriver sous les formes minérales nitrates et phosphates et produire une eutrophisation. Lorsque l’égouttage est présent, cette minéralisation peut se produire mais pendant un temps plus court. Il pourra donc encore arriver au cours d’eau une partie des matières organiques. Lorsque le hameau est proche du cours d’eau, la part de matières organiques y arrivant sera plus importante et fonction du temps mis à parcourir la distance entre le point de rejet et le cours d’eau. Enfin, lorsque le hameau est positionné juste à côté ou sur le cours d’eau, le rejet est direct et peu minéralisé : une pollution essentiellement organique en sera la conséquence. A la distance entre le point d’émission des eaux usées et le point d’arrivée au cours d’eau s’ajoute la distance de ce point au point d’analyse : le temps nécessaire pour  la parcourir est mis aussi à profit par le cours d’eau pour autoépurer la charge polluante restante. Le niveau de qualité calculé au point d’analyse sera la résultante de ces différents processus.

Une étude de la qualité de l'eau peut suivre deux approches différentes. Soit on analyse directement la chimie de l’eau (par exemple la matière organique, les nitrates, les phosphates, l’ammonium). Si l’analyse chimique permet d’identifier et de quantifier les polluants en présence, elle est cependant très variable suivant le moment où on fait le prélèvement et suivant par exemple l’importance des pluies qui peuvent diluer les amendements. La deuxième approche, adoptée ici, est celle des bio-indicateurs. Le principe est d’utiliser comme indicateurs de pollution les communautés vivantes qui enregistrent en permanence les variations des conditions du milieu. Parmi ces indicateurs, on utilise surtout des algues microscopiques du groupe des diatomées qui présentent trois avantages: on les récolte facilement en brossant quelques pierres immergées dans le courant; elles intègrent les variations chimiques, spécialement les éléments qui nous intéressent (matières organiques, nitrates, phosphates); enfin, on connaît bien les exigences de chaque espèce vis à vis de ces éléments. Ces algues appartiennent à la famille des algues brun-jaune, unicellulaires qui fabriquent un squelette externe d’opale (SiO4) dont la morphologie (taille, ornementation, symétrie) sert à identifier les espèces du relevé (voir: les diatomées)

Chaque fois que vous cliquez sur un point de prélèvement, un champ de diatomées apparaît. En cliquant sur chaque diatomée, on est dirigé vers une clé d’identification. Quand toutes les espèces sont identifiées, on obtient l’indice de qualité qui varie de 5 (pollution nulle) à 1 (pollution très forte) (voir: clé d'interprétation des couleurs). Une fois compris les critères qui permettent de reconnaître les espèces, on pourra activer l’option de détermination automatique (voir: procédure de détermination). Les deux procédures aboutissent au même résultat: un indice de qualité et un champ microscopique colorisé en fonction de la sensibilité des espèces à la pollution (voir: clé d'interprétation des couleurs).

Déroulement résumé de l’activité

Pour différentes positions d’un hameau par rapport au point de prélèvement (absence - éloigné - proche - à côté)
Pour 2 points de prélèvement (référence et aval du bassin)
                         - Observation d’un champ microscopique et détermination des diatomées (avec la clé ou automatiquement)
                         - Obtention d’un histogramme de fréquences et d’un indice global de qualité
Comparaison des indices en fonction de l’éloignement de l’habitat par rapport au point de mesure

Fiches de rapport d’activité pour les élèves

L'une de ces fiches (que l'enseignant peut adapter à ses objectifs) peut être distribuée avant de commencer l'activité. Les élèves peuvent y consigner leurs observations et l'utiliser pour interpréter leurs résultats.

>>> Voir Variante 1: synthétique (fichier Word)
>>> Voir Variante 2 : détaillée (fichier Word)

Déroulement détaillé de l’activité

1. Ouverture du logiciel.

Lancer l’application Virtval selon la procédure décrite dans le paragraphe "Démarrage du logiciel".
Activer l’option d’affichage des grilles-repères (cf. réglage des préférences).

2. Choix du bassin versant 1 : roches siliceuses, sols acides, eaux oligotrophes.

Cliquer une fois sur le bassin choisi pour le faire apparaître en détail.

3. Etablissement des indices de référence (en l’absence de toute activité humaine)

N.B. Si le scénario 0 (ou le scénario 1 ou 3) a été réalisé au préalable, cette étape peut être supprimée, et l’indice repris directement de cette activité précédente. On peut alors passer au point 4.

N.B. Pour aboutir à des résultats significatifs et facilement interprétables, le point S1 ne sera pas pris en compte dans cette activité (le hameau étant placé tantôt à l'amont, tantôt à l'aval de S1).

3.1. Prélèvement de diatomées au point S2.

Cliquer une fois sur le point S2 pour faire apparaître un champ microscopique. Ce champ comprend 20 diatomées dont l’assemblage est caractéristique du type d’eau prélevé

NB. La disposition des diatomées dans le champ est produite de façon aléatoire par le logiciel. Le champ que vous obtiendrez aura donc une apparence différente de l’exemple ci-dessus.

3.2. Détermination des diatomées

Deux options sont offertes : la détermination à l’aide de la clé ou la détermination automatique, qui peut être activée dans les options du menu [Fichier]. La procédure détaillée est décrite dans le paragraphe "Procédure de détermination".
N.B. Pour obtenir un champ colorisé de diatomées en mode automatique: cliquer sur [T] pour afficher la liste des taxons, puis fermer cette fenêtre. Les diatomées du champ apparaissent alors colorées selon leur groupe écologique (cf. clé d'interprétation des couleurs).

3.3. Obtention de l’histogramme de fréquences des groupes

Le pourcentage des diatomées appartenant à chacun des 5 groupes écologiques (cf. clé d'interprétation des couleurs) est représenté sous la forme d’un histogramme de fréquences. Ce graphique se construit progressivement lorsqu’on détermine les diatomées à l’aide de la clé. Il peut être consulté à tout moment en cliquant sur le bouton [Histogramme] sous le champ microscopique. En mode de détermination automatique, l’histogramme complet est directement accessible via ce même bouton. Cette fenêtre indique, en outre, la valeur de l’indice diatomique.
Dès que l’histogramme complet a été consulté, la valeur de l’indice apparaît à côté du point de prélèvement sur le bassin versant, avec la couleur correspondante.

3.4. Prélèvement de diatomées au point S3

Les étapes 3.1 à 3.3 décrites ci-dessus sont répétées pour le point S3.

Interprétation :

La station S3 est de très bonne qualité (couleur bleue) et est dominée par les diatomées très sensibles. Quelques diatomées d’eau eutrophisée (en jaune) et résistantes à la pollution organique (en orange) sont présentes. Elles peuvent se développer dans les petites zones de dépôt de feuilles ou de petits animaux morts qui existent dans tout cours d’eau naturel. La décomposition libère lentement un peu d’éléments minéraux (nitrates, phosphates) qui permettent à l’écosystème de produire à nouveau des végétaux puis des animaux vivants.

4. Implantation d’un hameau éloigné du cours d’eau et de la station S3

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester]  >>> [Installer  un hameau].

Le hameau apparaît à l’extérieur du bassin. Pointer le hameau à l’aide de la souris puis, en maintenant le clic gauche enfoncé, faire glisser le hameau jusqu’à l’emplacement 22 sur le bassin.
Ce nœud 22 est recommandé pour obtenir des résultats très significatifs, facilement interprétables (les nœuds 13 et 31 donneront un résultat équivalent).

N.B. Pour modifier l’implantation en cas d’erreur de positionnement, cliquer dans la barre de menu sur [Aménagements à tester] >>> [Installer un hameau]. Le logiciel demande alors si vous souhaitez annuler l’activité précédente. Cliquer sur [oui]. Cliquer à nouveau sur [Aménagements à tester] >>> [Installer un hameau] et recommencer l’installation sur le bassin.

Des habitations génèrent forcément des eaux usées qui arrivent directement dans le cours d’eau si le village en est proche (pollution directe) ou indirectement s’il en est éloigné (pollution diffuse). Il faut donc s’attendre à une diminution plus ou moins forte de la qualité du cours d’eau suivant la position choisie.

4.1. Détermination de l’indice de qualité au point S2

N.B. Nous supposerons que la clé de détermination a déjà été explorée lors des étapes précédentes et que la suite du scénario se fera sur la base de la détermination automatique. Pour rappel, celle-ci peut être activée à tout moment à partir de la barre de menu : [Fichier] >>> [Options], cocher la case "Permettre la détermination automatique", puis cliquer sur [OK].

Cliquer une fois sur le point S2 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité. Comme ce point ne subit pas l’influence de l’habitat, son indice ne varie pas par rapport à la référence établie en début de scénario.

4.2. Détermination de l’indice de qualité au point S3

Cliquer une fois sur le point S3 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

4.3. Synthèse et interprétation

Par rapport à la situation de référence sans habitat (histogramme de gauche), les diatomées très sensibles (en bleu) et sensibles (en vert) régressent (75 % au lieu de 90) au profit des diatomées d’eau eutrophisée (20 %, en jaune). L’indice passe de 4,4 en bleu (pollution nulle) à 4,1 en vert (pollution faible).

Pourquoi ?

Parce que le hameau est très loin du cours d’eau et que le volume d’eaux usées est faible. Les matières organiques de ces eaux usées, qui s’écoulent naturellement ou via une canalisation vers la station S1, ont le temps de se minéraliser avant d’arriver dans le cours d’eau, puis dans le cours d’eau lui-même. A la station S3 arrivent donc très peu de matières organiques et un peu de nitrates et de phosphates formés qui provoquent une légère eutrophisation. On parlera d’une bonne autoépuration du cours d’eau.

5. Implantation d’un hameau proche du cours d’eau et de la station S3

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester] >>> [Installer un hameau]. Le logiciel vous demande d’annuler d’abord l’activité humaine précédente (un hameau est déjà présent). Cliquer sur [oui]. Ensuite, cliquer à nouveau sur [Aménagements à tester] >>> [Installer un hameau].

Répéter l’étape 4, en implantant cette fois le hameau sur le nœud 46.

5.1. Détermination de l’indice de qualité au point S2

Cliquer une fois sur le point S2 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité. Comme ce point ne subit pas l’influence de l’habitat, son indice ne varie pas par rapport à la référence établie en début de scénario.

5.2. Détermination de l’indice de qualité au point S3

Cliquer une fois sur le point S3 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

5.3. Synthèse et interprétation

Par rapport à la situation d’un hameau éloigné du cours d’eau (histogramme de gauche), les diatomées très sensibles (en bleu) et sensibles (en vert) régressent nettement davantage (15 % au lieu de 75) au profit des diatomées d’eau eutrophisée (65 %, en jaune). Il y a aussi un peu plus de diatomées résistantes et très résistantes aux matières organiques ( + 15 %, en orange et en rouge). L’indice passe de 4,1 en vert (pollution faible) à 3,2 en jaune (pollution modérée).

Pourquoi ?

Parce que le hameau est moins loin du cours d’eau que dans le cas précédent. Les matières organiques des eaux usées, qui s’écoulent naturellement ou via une canalisation vers la station S1, ont moins de temps pour se minéraliser et les nitrates et phosphates formés sont moins bien résorbés quand les eaux usées arrivent au cours d’eau. Dès lors, les diatomées résistantes se développent un peu plus et il y a plus de diatomées d’eau eutrophisée. L’autoépuration est moins complète.

6. Implantation d'un hameau juste à côté du cours d’eau et près du point de prélèvement

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester] >>> [Installer un hameau].
Le logiciel vous demande d’annuler d’abord l’activité humaine précédente (un hameau est déjà présent). Cliquer sur [oui]. Ensuite, cliquer à nouveau sur [Aménagements à tester] >>> [Installer un hameau].

Répéter l’étape 4, en implantant cette fois le hameau sur le nœud 38.

6.1. Détermination de l’indice de qualité au point S2

Cliquer une fois sur le point S2 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité. Comme ce point ne subit pas l’influence de l’habitat, son indice ne varie pas par rapport à la référence établie en début de scénario.

6.2. Détermination de l’indice de qualité au point S3

Cliquer une fois sur le point S3 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

6.3. Synthèse et interprétation

Par rapport à la situation d’un hameau proche du cours d’eau (histogramme de gauche), les diatomées très sensibles (en bleu) et sensibles (en vert) régressent davantage (10 % au lieu de 15), les diatomées d’eau eutrophisée reculent (50 %, en jaune) au profit des diatomées résistantes ( + 5 %, en orange) et très résistantes (+ 15 %, en rouge) aux matières organiques. L’indice passe de 3,2 en jaune (pollution modérée) à 2,9 en orange (pollution forte).

Pourquoi ?

Parce que cette fois, les eaux usées s’écoulent directement dans le cours d’eau au point S1. C’est donc dans le cours d’eau que toutes les matières organiques se minéralisent. Quand l’eau arrive à la station S3, il en reste un excès. Les diatomées sensibles deviennent alors rares et les résistantes et très résistantes peuvent se développer. Les diatomées d’eau eutrophisée régressent car il y a moins de nitrates et phosphates disponibles (ils seront libérés plus en aval). Dans ce cas, la capacité autoépuratrice du cours d’eau est dépassée et la pollution est forte.

8. Conclusions

Ce scénario introduit la notion d’autoépuration qui comprend deux étapes :

• la minéralisation des matières organiques par des hétérotrophes (bactéries, champignons) qui produit des éléments fertilisants (nitrates et phosphates);
• l’assimilation de ces fertilisants par les végétaux du cours d’eau (algues, bryophytes, angiospermes).

Ces étapes demandent du temps, lequel dépendra d’une part de l’éloignement du point de rejet au cours d’eau (la minéralisation commence déjà dans les égoûts et les sols en l’absence de dispositif de collecte des eaux usées) et d’autre part du temps qu’il faut au cours d’eau pour aller d’un point d’analyse à l’autre.

Ainsi, plus le rejet sera proche du cours d’eau, plus son impact sera important et plus il contiendra une plus grande proportion de matières organiques. Ensuite le cours d’eau passera toujours par différentes phases d’amélioration de l’amont vers l’aval.

Pour détruire la matière organique par oxydation, les bactéries aérobies (qui ne peuvent vivre qu’en présence d’oxygène) doivent disposer de beaucoup d’oxygène. L’élément limitant de l’autoépuration est donc la capacité de réoxygénation du cours d’eau qui dépend de sa profondeur et de la turbulence de l’écoulement. Un cours d’eau profond et calme s’oxygènera bien plus lentement qu’un torrent.

Dès lors, si le rejet est déjà partiellement minéralisé quand il arrive au cours d’eau ou qu’il est peu abondant, l’autoépuration sera rapide et complète. A l’inverse, pour un rejet très important et très chargé, le cours d’eau mettra plus de temps (et donc de kilomètres) pour s’améliorer.

Il arrive souvent que la capacité de réoxygénation soit dépassée, soit à cause de la morphologie du cours d’eau (pente, profondeur), soit parce que la charge polluante déversée est trop élevée par rapport à son débit. A ce moment, d’autres bactéries anaérobies (qui vivent sans oxygène) entrent en jeu: elles détruisent la matière organique en la fermentant. Le promeneur s’en rendra vite compte par les odeurs nauséabondes émises !

Le schéma suivant d’une portion de rivière rassemble ces différentes notions.

9. Sortie du scénario

Dans la barre de menu, cliquer sur [Terminer]. Le logiciel affiche la carte générale des 3 bassins versants. Un autre scénario peut être entrepris.

Fiches de rapport d’activité avec réponses-types

>>> Voir Variante 1: synthétique
>>> Voir Variante 2 : détaillée

[SOMMAIRE]