Modélisation des pollutions diffuses nitrique des masses d'eau en prévision de l'état des lieux 2025 : Actualisation des modélisations de l'état de pollution nitrique des masses d'eau en prévision de l'état des lieux 2025 - Mines Paris Accéder directement au contenu
Rapport Année : 2024

Modélisation des pollutions diffuses nitrique des masses d'eau en prévision de l'état des lieux 2025 : Actualisation des modélisations de l'état de pollution nitrique des masses d'eau en prévision de l'état des lieux 2025

Nicolas Gallois

Résumé

With the main objective of achieving a finely quantified vision of the current state of nitrate contamination of agricultural origin in the Seine-Normandy territory, an update of the modeling platform jointly designed by ARMINES, INRAE, and Sorbonne University (Gallois et al., 2018, Passy et al., 2018) has been carried out in preparation for the new state assessment exercise (2025) of the Agency. This transdisciplinary tool combines agronomy, hydrology, hydrogeology, and biogeochemistry. It spatiotemporally simulates (i) the production of diffuse pollutants (nitrates) resulting from the long-term evolution of cropping systems (1970-2022) and (ii) the transport of dissolved nitrogen in all surface and subsurface compartments of the regional hydrosystem (i.e., soil, unsaturated zone, multi-layer aquifer system, and hydrographic network). This is made possible through the coupling of the ARSeiNE database (INRAE) and three calculation engines: the agronomic model STICS (INRAE), the hydrological and hydrogeological model CaWaQS (Center for Geosciences, ARMINES/Mines Paris, PSL University), and the biogeochemical model pyNUTS-RIVERSTRAHLER (UMR METIS-FIRE, Sorbonne University). The modeled state of groundwater nitrate pollution, updated here to 2022, results from a set of preparatory work that updated the platform with the latest developments and available databases. This new version of the platform is driven by the new version 4.2 of the ARSeiNE database (Hermès et al., 2024) and now integrates, replacing the historical tool MODCOU, the hydrological and hydrogeological calculation engine CaWaQS3.x, recently enhanced with transport functionalities (conservative solute, heat) and external forcing. Modeling of the subsurface compartments has been carried out using six finely resolved hydrogeological applications, initially designed under MODCOU, here also updated (meteorological data, groundwater withdrawals, integration of karstic system sinkholes, etc.) and now perpetuated following their transpositions under the CaWaQS architecture. This first STICS-CaWaQS coupling has demonstrated real predictive realism. A very satisfactory reproduction of past and current nitrate concentration dynamics, associated with highly varied agro-pedo-hydrogeological contexts, has been established. The average concentrations measured since 1999, at more than 300 quality meters evenly distributed over the study area (representing nearly two-thirds of all structures considered for model calibration and validation), are reproduced by simulation with an absolute difference of less than 5 mgNO3/L. An updated, spatially continuous vision of nitrate pollution levels of agricultural origin in the regional aquifer system has been produced for 2022. The main associated results have been aggregated at the scale of each groundwater body covered by the modeling (average concentration trend, surface proportions of water bodies exceeding a given concentration threshold, etc.). The main products of hydrogeological modeling have been synthesized and made compatible with the biogeochemical modeling of surface waters, ensured by the pyNUTS-RIVERSTRAHLER model, in order to constrain coherently the characterization of this type of pollution in transit towards rivers (Renaud et al., 2024). Thus, as a whole, this tool allows for a quantified evaluation of this type of diffuse pollution at both groundwater and surface water scales.
Avec pour objectif principal d’aboutir à une vision finement quantifiée de l’état actuel de la contamination nitrique d’origine agricole du territoire Seine-Normandie, c’est en préparation du nouvel exercice d’état des lieux (2025) de l’Agence, qu’une actualisation de la plate-forme de modélisation conjointement conçue par ARMINES, l’INRAE et Sorbonne-Université (Gallois et Viennot, 2018, Passy et al., 2018) a été réalisée. Cet outil transdisciplinaire, allie agronomie, hydrologie, hydrogéologie et bio-géochimie. Il simule de façon spatiotemporelle (i) la production de polluants diffus (nitrates) issus de l’évolution long-terme de systèmes de culture (1970-2022) et (ii) le transport d’azote dissous dans l’ensemble des compartiments de surface et souterrains de l’hydrosystème régional (i.e. sol, zone non saturée, système aquifère multi-couches et réseau hydrographique). Ceci est rendu possible au moyen du couplage de la base de données ARSeiNE (INRAE) et de trois moteurs de calcul: le modèle agronomique STICS (INRAE), le modèle hydrologique et hydrogéologique CaWaQS (Centre de Géosciences, ARMINES/Mines Paris, PSL Université) et le modèle biogéochimique pyNUTS-RIVERSTRAHLER (UMR METIS-FIRE, Sorbonne-Université). L’état modélisé de pollution nitrique souterraine, ici actualisé à 2022 résulte d’un ensemble de travaux préparatoires ayant porté la plate-forme à jour des derniers développements et bases de données disponibles. Cette nouvelle version de la plate-forme est forcée par la nouvelle version 4.2 de la base de données ARSeiNE (Hermès et al., 2024) et intègre désormais, en remplacement de l’outil historique MODCOU, le moteur de calcul hydrologique et hydrogéologique CaWaQS3.x, récemment augmenté des fonctionnalités de transport (soluté conservatif, chaleur) et de forçage externe. La modélisation des compartiments souterrains a été réalisée au moyen de six applications hydrogéologiques finement résolues, initialement conçues sous MODCOU, ici également mises à jour (données météorologiques, prélèvements souterrains, intégration de bétoires de systèmes karstiques, etc.) et désormais pérennisées, suite à leurs transpositions sous architecture CaWaQS. Ce premier couplage STICS-CaWaQS a démontré un vrai réalisme prédictif. Une reproduction très satisfaisante des dynamiques d’évolution des concentrations nitriques passées et actuelles, associées à des contextes agro-pédo-hydrogéologiques très variés a été établie. Les concentrations moyennes mesurées depuis 1999, aux niveaux de plus de 300 qualitomètres équitablement répartis sur le domaine d’étude (soit près de deux tiers de l’ensemble des ouvrages considérés pour la calibration et la validation des modèles), sont restituées par simulation avec un écart absolu inférieur à 5 mgNO3/L. Une vision actualisée à 2022, spatialement continue des niveaux de pollution nitrique d’origine agricole du système aquifère régional a été produite. Les principaux résultats associés ont été agrégés à l’échelle de chaque masse d’eau souterraine couverte par la modélisation (tendances d’évolution moyenne des concentrations, proportions surfaciques de masse d’eau supérieures à un seuil donné de concentration, etc.). Les principaux produits de la modélisation hydrogéologique ont été synthétisés et rendus compatibles avec la modélisation biogéochimique des eaux de surface, assurée par le modèle pyNUTS-RIVERSTRAHLER, afin de contraindre en cohérence, la caractérisation de ce type de pollution en transit vers les rivières (Renaud et al., 2024). Ainsi, dans son ensemble, cet outil permet une évaluation quantifiée de ce type de pollution diffuse aussi bien à l’échelle des masses d’eau souterraine et de surface.
Fichier non déposé

Dates et versions

hal-04553365 , version 1 (20-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : hal-04553365 , version 1

Citer

Nicolas Gallois. Modélisation des pollutions diffuses nitrique des masses d'eau en prévision de l'état des lieux 2025 : Actualisation des modélisations de l'état de pollution nitrique des masses d'eau en prévision de l'état des lieux 2025 : Actualisation des modélisations de l'état de pollution nitrique des masses d'eau en prévision de l'état des lieux 2025. R11012024NGAL, Centre de Géosciences - MINES Paris. 2024, pp.148. ⟨hal-04553365⟩
0 Consultations
0 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More