Scénario 1. Impact de l’habitat sans épuration et du nombre d’habitants (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 dans de nombreux villages et dans certaines villes expliquent la qualité dégradée de nombreux cours d’eau.

Le scénario proposé ici étudie l’impact de zones d’habitat non épurées et de taille croissante (150, 1200 et 15000 habitants) ainsi que l’effet de l’éloignement des points de prélèvement par rapport au point de rejet des eaux usées. Ces deux aspects introduisent la notion et le mécanisme d’autoépuration (transformation des polluants organiques en substances minérales –nitrates et phosphates- grâce aux bactéries présentes naturellement dans le cours d’eau), principe qui sera par la suite appliqué dans les stations d’épuration. Ce processus demande beaucoup d’oxygène. Le pouvoir de réoxygénation naturelle du cours d’eau ne sera pas toujours suffisant ce qui explique qu’il peut rester très pollué pendant de nombreux kilomètres. Par contre, dans une station d’épuration où on amène des charges polluantes concentrées via un collecteur, on oxygène très fortement les eaux ce qui permet de minéraliser très rapidement la matière organique.

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 tailles de la zone d’habitat (aucune - hameau - village - ville)
                   Pour chacun des points de prélèvement
                         - 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 du point de prélèvement au point de rejet
Comparaison des indices en fonction de la taille de l’implantation

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 2 ou 3) a été réalisé au préalable, cette étape peut être supprimée, et les indices repris directement de cette activité précédente. On peut alors passer au point 4.

3.1. Prélèvement de diatomées au point S1.

Cliquer une fois sur le point S1 pour faire apparaître un champ microscopique. Ce champ comprend 20 diatomées dont l’assemblage est caractéristique du type d’eau prélevé.

N.B. 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 le menu [Fichie]. 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 aux points S2 et S3

Les étapes 3.1 à 3.3 décrites ci-dessus sont répétées pour les points S2 et S3.

Interprétation :

En l’absence de toute occupation humaine, le bassin est entièrement boisé et les eaux sont de très bonne qualité partout (points station en bleu, indice entre 4,6 et 4,4).

4. Implantation d’un hameau (environ 150 habitants)

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 33 sur le bassin. Les points (stations de prélèvement) gardent leur couleur initiale et leur valeur d’indice tant qu’on n’a pas cliqué dessus pour voir l’effet éventuel de la zone d’habitat installée.

Ce nœud 33 est recommandé pour obtenir des résultats très significatifs, facilement interprétables.

Aucun habitat ne peut être installé dans la réserve naturelle, de sorte que le point S2 reste toujours à l’abri de l’influence humaine et peut être considéré comme référence tout au long du scénario.
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 de la qualité du cours d’eau. Suivant les courbes de niveau et donc le sens de l’écoulement des eaux, les stations d’étude S1 et S3 seront touchées.

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 le bouton [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

4.2. Détermination de l’indice de qualité au point S1

Cliquer une fois sur le point S1 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées qui peut être colorisé en cliquant sur le bouton [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. 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 le bouton [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

4.4 Synthèse et interprétation

La zone en réserve naturelle ne peut pas être construite et la forêt est maintenue. Le cours d’eau reste dans son état naturel et la station S2 garde le même indice 4,6 (pollution nulle, couleur bleue) que dans le scénario 0. Les diatomées très sensibles à la pollution sont dominantes.

La station S1 reçoit les eaux usées du hameau sans épuration préalable. Toutefois l’apport n’est pas direct puisque le hameau est assez loin du cours d’eau. Dans ces conditions, les matières organiques ont le temps de se minéraliser partiellement avant de contaminer au cours d’eau. Ce sont alors surtout des nitrates et des phosphates et un peu de matières organiques qui y arrivent. Les diatomées très résistantes (20 %, en rouge) et résistantes (20 %, en orange) aux matières organiques et surtout les diatomées favorisées par l’eutrophisation (50 %, en jaune) se développent alors que les diatomées très sensibles et sensibles n’atteignent plus que 10 %. L’indice tombe à 2,9 (pollution forte, , couleur orange).

La station S3 se situe loin en aval de la S1 ce qui permet au cours d’eau de s’autoépurer : la pollution organique diminue et le niveau d’ eutrophisation change peu. De plus, comme les eaux de très bonne qualité de la réserve naturelle viennent diluer la pollution résiduelle, l’indice passe à 3,5 (pollution modérée, couleur jaune) car les diatomées d’eau polluée et eutrophisée régressent (15 % et 45 %) au profit des diatomées sensibles (40 %).

5. Implantation d’un village (environ 1200 habitants)

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester] >>> [Installer un village].
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 village]. Le village apparaît à l’extérieur du bassin. Pointer le village à l’aide de la souris puis, en maintenant le clic gauche enfoncé, faire glisser le village jusqu’à l’emplacement souhaité sur le bassin. Pour obtenir des résultats comparables, il est essentiel de positionner le village sur le même nœud que le hameau précédent, donc sur le nœud 33.

Répéter les prélèvements de diatomées comme pour le hameau (voir ci-dessus 4.1 à 4.3)

Synthèse et interprétation

La zone en réserve naturelle ne peut pas être construite et la forêt est maintenue. Le cours d’eau reste dans son état naturel et la station S2 garde le même indice 4,6 (pollution nulle, couleur bleue) que dans le scénario 0. Les diatomées très sensibles à la pollution sont dominantes.

La station S1 reçoit les eaux usées du village sans épuration préalable. Toutefois l’apport n’est pas direct puisque le village est assez loin du cours d’eau. Dans ces conditions, les matières organiques ont le temps de se minéraliser partiellement avant de contaminer au cours d’eau. Toutefois la charge organique reste élevée ce qui détermine l’abondance des diatomées très résistantes (50 %, en rouge) et résistantes (25 %, en orange) alors que les diatomées très sensibles et sensibles sont devenues très rares. L’indice tombe à 2,3 (pollution forte, couleur orange).

La station S3 se situe loin en aval de la S1 ce qui permet au cours d’eau de s’autoépurer : la pollution organique diminue mais l’eutrophisation augmente fortement. De plus, comme les eaux de très bonne qualité de la réserve naturelle viennent diluer la pollution résiduelle, l’indice passe à 3,0 (pollution modérée, couleur jaune) car les diatomées d’eau polluée régressent (15 %). Elles sont remplacées par celles d’eau eutrophisée (65 %, en jaune) car il y a encore beaucoup de phosphates. Les diatomées sensibles réapparaissent timidement (seulement 10 %).

6. Implantation d’une ville (environ 15000 habitants)

Répéter les actions du point 5 ci-dessus, en remplaçant le village par une ville.

Synthèse et interprétation

La zone en réserve naturelle ne peut pas être construite et la forêt est maintenue. Le cours d’eau reste dans son état naturel et la station S2 garde le même indice 4,6 (pollution nulle, couleur bleue) que dans le scénario 0. Les diatomées très sensibles à la pollution sont dominantes.

La station S1 reçoit les eaux usées de la ville sans épuration préalable. L’apport n’est pas direct puisque la ville est assez loin du cours d’eau. Mais la quantité de matières organiques est si élevée que la minéralisation est très lente (pas assez d’oxygène dissous). Les diatomées très résistantes (90 %, en rouge) et résistantes (10 %, en orange) aux matières organiques remplacent celles d’eau naturelle devenues très rares et qui n'apparaissent pas sur liste histogramme. L’indice tombe à 1,5 (pollution très forte, couleur rouge).

La station S3 se situe loin en aval de la S1 ce qui permet au cours d’eau de s’autoépurer : la pollution organique reste élevée mais l’eutrophisation commence à se manifester. De plus, les eaux de très bonne qualité de la réserve naturelle viennent diluer la pollution résiduelle et l’indice est un peu plus élevé (2,2) mais on reste en pollution très forte, couleur rouge. Les diatomées très résistantes dominent toujours (55 %). Les résistantes (20 %, en orange) et celles d’eau eutrophisée (25 %, en jaune) augmentent ce qui indique bien une minéralisation plus avancée. Les diatomées sensibles restent très rares.

7.  Comparaison des indices en fonction de l’éloignement du point de prélèvement au point de rejet

Dans les trois cas, on voit que la qualité du cours d’eau augmente d’amont en aval (c’est-à-dire entre S1 et S3) grâce à l’autoépuration : l’oxygène dissous dans l’eau permet aux bactéries de transformer les  matières organiques en minéraux fertilisants (nitrates et phosphates).

Evidemment, le pouvoir de réoxygénation de l’eau à partir de l’air a des limites. Si ce pouvoir est dépassé par une trop grande quantité de matières organiques, le cours d’eau met beaucoup plus de temps pour s’autoépurer. C’est pourquoi la qualité de l’eau s’améliore beaucoup moins vite pour les rejets de la ville que pour ceux du hameau.

8. Comparaison des indices en fonction de la taille de l’implantation

On compare ici la station S1 suivant qu’elle est en aval d’un hameau, d’un village ou d’une ville.

En moyenne, on estime qu’un habitant rejette dans l’égout 100 litres d’eau par jour.

Petit exercice…

Notez la consommation d’eau de votre maison. C’est facile, elle figure sur la facture du distributeur. Divisez par le nombre de personnes présentes la plus grande partie de l’année puis par le nombre de jours. Et vous savez ce que vous consommez en moyenne chaque jour.

Un exemple : 127 m3 par an/5 personnes/365 jours  = 70 l/jour.

A vous de jouer et de voir si vous êtes économes ou si vous devez envisager des mesures d’économie pour faire mieux que la moyenne!

Economiser est facile : diminuer le volume de la chasse d’eau (avant, on y mettait simplement une brique !), installer les chasses d’eau à double commande (une pour la petite, une pour la grande « commission »…), ne pas laisser couler l’eau pendant qu’on se brosse les dents ou qu’on se lave les cheveux, ne pas ouvrir à fond le robinet pour rincer un verre ou laver un couteau, abandonner les baignoires pour les douches (une baignoire normale peut contenir 200 litres !!!!), …

Vous avez d’autres idées ?

Le hameau de 150 habitants rejette donc chaque jour 15 m3 d’eaux usées. Le village, 120 m3. La ville, 1500 m3 : en deux jours, elle remplit d’eaux polluées une piscine olympique !!

Dans le premier cas, le peu d’eau polluée qui arrive suffit à provoquer une pollution forte dans le cours d’eau que nous avons choisi d’étudier. Evidemment, si le cours d’eau était beaucoup plus grand, il diluerait beaucoup plus la pollution et il serait donc moins altéré. Mais une bonne partie de la matière organique s’est déjà transformée en nitrates et phosphates avant d'arriver au cours d'eau ce qui profite aux diatomées d’eau eutrophisée (en jaune).

Dans le deuxième cas, le rejet se fait au même endroit mais il est presque 10 fois plus élevé. La distance entre le village et le cours d’eau ne suffit plus à minéraliser autant de matières organiques et donc ce sont les diatomées très résistantes (en rouge) et résistantes (en orange) qui dominent.

Le troisième cas est une catastrophe écologique ! Le cours d’eau devient un égout à ciel ouvert, sans oxygène, où les matières organiques trop abondantes fermentent en dégageant des odeurs nauséabondes. Il ne reste pratiquement plus que des diatomées très résistantes.

Que pouvons-nous faire individuellement ?

Devant de telles situations, on se sent impuissant. Et on l’est en grande partie puisque c’est à nos gouvernants de mettre les moyens nécessaires pour collecter les eaux usées et les épurer efficacement avant de les rejeter dans les cours d’eau. Ce qui demande des budgets énormes et se fait donc petit à petit…

Mais nous pouvons quand même agir en réduisant notre consommation, en adoptant les détergents sans phosphates et en en utilisant moins à la cuisine et à la salle de bain, en ne jetant pas d’huiles et de débris de légumes ou de viande dans l’évier,… Vous avez d’autres idées ?

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]