CONTEXTE SCIENTIFIQUE - RECHARGE Project (PEPR OneWater n° ANR-24-PEXO-0001)
Dans un contexte de changements mondiaux, marqué par une intensification des sécheresses, des épisodes climatiques extrêmes et une croissance démographique, la pression sur les ressources en eau douce ne cesse de s’accroître. Il est donc essentiel d’explorer les moyens d'améliorer la recharge des nappes phréatiques afin de préserver la durabilité de ces ressources. Les mesures naturelles de rétention d’eau (NWRM), associées à l'utilisation des eaux non conventionnelles (eaux pluviales urbaines, ruissellement rural, eaux usées traitées), offrent un éventail de solutions prometteuses pour améliorer la recharge des nappes phréatiques.
Néanmoins, des questions scientifiques et des obstacles sociétaux subsistent quant à la mise en œuvre des NWRM, notamment l’évaluation de leur impact sur la quantité et la qualité des ressources en eaux souterraines, leur coût économique et leur valeur écosystémique, ainsi que la perception et l’acceptabilité de ces systèmes par la société. Dans ce contexte, il est urgent d’approfondir les recherches sur les opportunités et les limites des NWRM afin de sensibiliser les utilisateurs, les parties prenantes et les décideurs politiques au potentiel d’augmentation de la recharge des nappes phréatiques.
Le projet RECHARGE vise à étudier les NWRM afin d’améliorer la recharge des eaux souterraines grâce à une approche véritablement interdisciplinaire.
Quatre questions scientifiques sont abordées :
1) Quelle est la capacité des NWRM à améliorer la recharge ?
2) Dans quelle mesure l’écosystème récepteur est-il capable d’éliminer les contaminants chimiques et microbiologiques pathogènes ?
3) Quels sont les indicateurs de suivi appropriés pour ces écosystèmes ?
4) Quels sont les freins et les moteurs sociétaux ?
Une équipe pluridisciplinaire composée de 20 chercheurs issus des sciences naturelles (hydrogéologie, géochimie, microbiologie, modélisation) et des sciences humaines et sociales (design social, psychologie environnementale, économie), ainsi que de jeunes chercheurs (4 doctorants et 2 post-doctorants), collaborera afin de proposer des stratégies élaborées conjointement visant à améliorer la recharge des nappes phréatiques.
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DESCRIPTION DU TRAVAIL DU DOCTORANT
Ce travail de thèse portera sur une étude pilote du traitement SAT (Soil Aquifer Treatment) in situ en conditions naturelles, afin de déterminer le devenir des contaminants chimiques et microbiologiques pathogènes, ainsi que les processus associés et les facteurs clés.
Le traitement SAT (Soil Aquifer Treatment) est proposé comme traitement tertiaire naturel permettant une élimination supplémentaire des micropolluants et des micro-organismes pathogènes (Amy et Drewes, 2007 ; Bekele et al., 2011 ; Laws et al., 2011), et plus encore en vue d’une éventuelle réutilisation des eaux usées traitées (Salgot et al., 2018), contribuant ainsi à renforcer la résilience des socio-hydrosystèmes.
Alors que 98 % des eaux usées traitées provenant des stations d’épuration (STEP) sont rejetées en mer ou dans les cours d’eau, les systèmes d'infiltration SAT offrent des avantages environnementaux et une meilleure acceptabilité sociale. Cependant, peu de données ont été recueillies sur l’évolution des empreintes chimiques et microbiologiques pathogènes de l’eau, ainsi que sur leur appropriation par les acteurs locaux (usagers de l’eau, riverains, etc.). Cette double collecte de données est indispensable, car les systèmes sociaux et hydrologiques sont voués à évoluer ensemble au fil du temps. L’impact global des systèmes d'infiltration SAT, en aval des rejets, ainsi que leur efficacité in situ en matière d’élimination des contaminants émergents et des agents pathogènes microbiologiques (y compris certains gènes spécifiques), sont actuellement mal compris.
Pour les contaminants chimiques, l’élimination et le devenir des contaminants organiques (TrOC) et de leurs métabolites sont principalement régis par la sorption (Thiebault et al., 2016), la dilution, la nature des composés (Hermes et al., 2019) et l’activité de biodégradation (Crampon et al., 2021) des communautés microbiennes autochtones (Falås et al., 2016 ; Regnery et al., 2016).
En ce qui concerne les contaminants microbiologiques pathogènes d'origine fécale, la capacité d’élimination du SAT s’explique par la perte de viabilité ou l’inactivation des bactéries, des protozoaires ou des virus lors du transfert dans la zone non saturée des effluents partiellement épurés par un lit de roseaux (Regnery et al., 2015). Cette efficacité d’élimination est difficile à estimer car elle dépend fortement de la composition des effluents, du débit d’infiltration et de la température (Foppen et al., 2006).
- Le site pilote d'Agon-Coutainville
Agon Coutainville est en zone côtière dans le département de la Manche (50) où les principaux enjeux sont le tourisme, la baignade et la conchyliculture.
Depuis 2005, les effluents traités de la station d’épuration sont infiltrés dans l’un des premiers systèmes SAT. Les effluents traités de la station d’épuration sont déversés dans des lit de roseaux, s’infiltrent puis s’écoulent dans l’aquifère sableux jusqu’à la mer (800 m).
Depuis 2016, ce site pilote fait l’objet d’un suivi dans le cadre d’études menées par le BRGM et l’Université de la Sorbonne (Picot-Colbeaux et al., 2021 ; Guillemoto, 2022) : des piézomètres permettent d’étudier les eaux souterraines. Celles-ci sont soumises à des forçages anthropiques (station d’épuration), climatiques et marins (intrusion saline). L’eau présente dans le SAT est un mélange d’effluents traités provenant de stations d’épuration contenant des molécules organiques TrOCs (notamment des résidus pharmaceutiques), d’eau de mer (intrusion saline) et d’eau de recharge naturelle, avec des contributions variables dans le milieu poreux. Un premier modèle hydrogéologique a été développé (Picot-Colbeaux et al., 2022 ; Guillemoto et al., 2023) et les processus de sorption et de dégradation des TrOC ont été étudiés (Crampon et al., 2021 ; Guillemoto et al., 2022).
Plusieurs piézomètres (existants et à installer dans le cadre du projet) permettent d’accéder directement aux eaux souterraines et aux sédiments (sables aquifères).
Dans le cadre de cette étude, le projet de thèse portera sur le transect d’écoulement composé de 9 points équipés de sondes spécifiques (CTD Diver) permettant de mesurer la conductivité, la température et les niveaux d’eau :
- 2 piézomètres en amont de l'infiltration donnent accès aux eaux souterraines en amont (non impactés par les eaux usées traitées)
- la sortie de la station d'épuration
- les roselières
- 4 piézomètres en aval de l'infiltration (impactés par les eaux usées traitées)
AXE 1 : Analyse et synthèse des données antérieures (données spatio-temporelles depuis 2018)
Données de la station d'épuration (SAUR) : qualité chimique et microbiologique des effluents et des eaux souterraines autour des roselières (pas de temps d’environ 1 mois), débit des rejets de STEU (pas de temps de 1 heure)
Données des campagnes antérieures :
- Environ 10 campagnes de 2018 à 2025 sur les données chimiques des eaux souterraines
- 3 campagnes en mai 2024, avril 2026 et juillet 2026 sur les eaux souterraines et les sédiments : données chimiques et microbiologiques
- Chroniques de niveau d’eau, conductivité électrique et température le long du transect d’écoulement (intervalle de temps de 10 minutes, sur une période de 1 à 2 ans selon les points)
AXE 2 : Acquisition de nouvelles données :
Caractérisation des écoulements des eaux souterraines : les écoulements d’eau et les temps de séjour le long du transect seront caractérisés in situ et en laboratoire à l’aide d’expériences de perméabilité.
Caractérisation des empreintes chimiques et microbiologiques pathogènes : six campagnes d’échantillonnage seront programmées, dans des conditions hydroclimatiques et anthropiques contrastées. Les prélèvements seront effectués sur les eaux (eaux d’infiltration, eaux des roselières et eaux souterraines) et dans les sédiments.
Le doctorant analysera: les contaminants organiques, les ions majeurs et les oligo-éléments, les nutriments majeurs sous forme particulaire et dissoute (formes organiques et minérales de C, N et P), les bactéries indicatrices fécales (E. coli et entérocoques intestinaux) ainsi que les protozoaires et virus pathogènes (en collaboration avec le laboratoire d’Eau de Paris).
Les méthodologies et les équipements nécessaires sont disponibles et couramment utilisés dans les deux laboratoires d’accueil de l’Université de la Sorbonne et de l’Université de Rouen.
AXE 3 : Interprétation et synthèse des données
L'ensemble des données sera analysé afin de caractériser les processus et les facteurs clés de l'efficacité de l'élimination des SAT.
Sur la base de ces résultats, un modèle simple de transfert réactif des contaminants chimiques et microbiologiques pathogènes sera proposé.
Enfin, une méthodologie ainsi que de nouveaux critères-indicateurs hydrogéologiques, chimiques et microbiologiques seront proposés pour le suivi de l'infiltration et de la recharge contrôlées.
OBJECTIFS SCIENTIFIQUES DE LA THÈSE DE DOCTORAT
Dans le cadre de ce projet, à partir de l’étude du site pilote, quatre objectifs principaux seront abordés :
1) la caractérisation des empreintes des contaminants chimiques et microbiologiques pathogènes au sein de l’écosystème récepteur en aval des rejets des stations d’épuration ;
2) l’évaluation de l’efficacité de l’élimination par SAT des contaminants chimiques et microbiologiques pathogènes, en étudiant les processus associés et les facteurs clés ;
3) la modélisation simple des transferts réactifs des contaminants chimiques et microbiologiques pathogènes ;
4) la proposition d’une méthodologie et de nouveaux critères-indicateurs hydrologiques, chimiques et microbiologiques pour le suivi de l’infiltration et de la recharge contrôlées.
References :
Alidina, M., et al. (2014). Water Research. https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.02.046
Amy, G., & Drewes, J. E. (2007). Environmental Monitoring and Assessment. https://doi.org/10.1007/s10661-006-9421-4
Bekele, E., et al. (2011). Water Research. https://doi.org/10.1016/j.watres.2011.08.058
Berthe, T., et al. (2013). Applied and Environmental Microbiology. https://doi.org/10.1128/AEM.00698-13
Crampon, M., et al. (2021). Frontiers in Microbiology. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.742000
Falås, P., et al. (2016). Water Research. https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.03.009
Fillinger, L., Hug, K., et al. (2021). Water Research. https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116631
Foppen, J. W. A., van Herwerden, M., et al. (2008). Journal of Contaminant Hydrology. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2007.07.005
Guillemoto, Q., et al. (2022). Science of the Total Environment. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155643
Guillemoto, Q., et al. (2023). Water, 15, 934. https://doi.org/10.3390/w15050934
Gorski, G., et al. (2020). Science of the Total Environment. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138642
Hermes, N., et al. (2019). Water Research. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.114857
Lascoumes, P., & Le Bourhis, J.-P. (1998). Politix. https://doi.org/10.3406/polix.1998.1724
Laws, B. V., et al. (2011). Science of the Total Environment. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2010.11.021
Picot-Colbeaux, G., et al. (2021). UNESCO-IAH-GRIPP Publication.
Picot-Colbeaux, G., et al. (2022). Proceedings of the 11th International Symposium on Managed Aquifer Recharge (ISMAR 11). April 2022, Long Beach, USA California
Rizzo, L., et al. (2018). Current Opinion in Environmental Science & Health. https://doi.org/10.1016/j.coesh.2017.12.004
Regnery, J., et al. (2016). Chemosphere. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.03.097
Thiebault, T., et al. (2016). Environmental Science: Water Research & Technology. https://doi.org/10.1039/C6EW00034G
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