Contamination of the Rhone River By Trace Metal Elements€¦ · Contamination of the Rhone River...
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Contamination of the Rhone River
By Trace Metal Elements
O. Radakovitch1, S. Gairoard1, E. Resongles1,
A. Veron1, J.P. Ambrosi1
M. Coquery2, A. Dabrin2, C. Le Bescond2, J. Panay2, G.
Poulier2, M.Masson2, J. Le Coz2,
1- CEREGE, UM 34, 13545 Aix-en-Provence
2 – IRSTEA, UR hydrologie-hydraulique, UR
Milieux aquatiques, écologie et pollutions.
AROHM – 22 Novembre 2016 – Atelier OHM « contaminants métalliques »
Rhone Sediment Observatory
(OSR)
Objective : increase the scientific knowledge on the sediment dynamics in
the Rhone river and answer to operational questions.
Area : the fluvial channel from Switzerland to the Mediterranean Sea
including the confluences with major tributaries
Scientific and stakeholder partners: Management:
L’OSR est un observatoire de la
ZABR
OSR 1 Starting year
OSR 2 3 axes & 12 actions to propose the state-of-the -art
OSR 3 Transition year: few actions
OSR 4
OSR Time-line
2009
2010-2013
2014
2015-2017 5 axes & 22 actions
Directors :
Hervé Piégay (EVS LYON) et Olivier Radakovitch (CEREGE)
OSR 4 Actions (2015-2017)
Stakes related to Trace Metal Elements
• To determine their concentrations in the SPM (Suspended Particulate
Matter), their temporal variations and their fluxes (Water Agency: Barcelona
Convention for the Mediterranea Sea)
• To characterize their links with the bearing phases (Grain-size, mineral
phases, organic matter)
• To evaluate the real contamination DREAL, WA
• To locate their sources: tributaries, sediments stored on the banks or in
the reservoirs, point sources as industries or cities.
• To use them as tracers of the origin of the SPM in the watershed
In the long term: to modelize their transfer and fluxes
Observation strategy for quantifying
the SPM and contaminant fluxes
A network of sampling
stations all along the channel
JONS
ARLES
→ Turbidity probes for SPM
→ Sediment traps (integrated sampling)
→ Sampling by centrifugation (15 j on the two main stations
→ Specific sampling during floods or sluicing operations
→ Network of permanent stations
→ Temporary stations for tributaries
→ Team collaborations for sampling
(sharing of samples based on same and validated sampling protocols
→ Samples : defined nomenclature and conservation.
Sampling and measuring technics adapted to :
A survey of the entire watershed:
A permanent sampling including floods
Turbidité [NTU/1000]
Observation strategy for quantifying the SPM and contaminant fluxes
• Reported by the WFD 2008 : Ni, Pb, Cd et Hg
• Issued from global anthropogenic inputs : Cu, Zn
• Issued from specific contaminations : As, Sb, Cr, Co
• Poor knowledge: Ag, Sn, Terres rares (Nd, Dy, Gd, …)
• Natural and artificial radioisotopes : 137Cs, 239,240Pu, 238U, 235U, 232Th…
Which TME ?
Numerous sources : industrial realeses, mine deposits, cities, wastewater,
agricultural inputs, atmosphere, soils...
SPM samples analyzed for 2011-2015 :145 Arles – 98 Jons – 91 tributaries
Which samples ? • SPM from surface water
• Sediment traps
• Flood deposits
• Sediment
Actual transfer
Past accumulation Potential sources
Comparing these samples
may require normalisation.
Zn contents on SPM transfered
bythe sluicy operations in the
North Rhone (2012)
Natural vs anthropic originsThe distinction between natural or contaminated concentrations at the global
scale can be based on the general relations between TME.
The evaluation of the natural geochemical backgrounds of the tributaries will
offer more precise informations.
Natural: Co, Ni, V, U, Th, Cr Anthropic: Pb, Ag, Sn, Sb, Zn, Cu, Cd, Hg
Sr Sb Cd As
Pb Ba Cr
Ni V C
o
Cu Zn Cs U Rb Th Ag
Sn
-0,314261
-0,114261
0,085739
0,285739
0,485739
0,685739
0,885739
Sim
ilari
téDendrogramme Arles
Sr Co Cr
Ni
Sn Cd
Ag
Sb Cu Zn As
Pb Th Rb Cs
Ba U
0,2346832
0,3346832
0,4346832
0,5346832
0,6346832
0,7346832
0,8346832
0,9346832
Sim
ilari
té
Dendrogramme Jons
• TME Contents are globally lower during floods, but this trend is not general
(influence of the watershed origins, anthropic contamination, resuspension of stored
sediments).
• High contents can be found during low discharges
Métaux « naturels » Métaux « anthropisés »
Downstream spatial trends
A small spatial variability,
highlighting the existence of
some « point » sources.
Downstream Increase in contents
Comparison with PEC and TEC
TEC consensus: contents below which effects would be rarely observed
5
PEC consensus: contents abovewhich effects would be frequently observed
11460
1,8
Macdonald et al. 2000
Comparison with other rivers
European rivers reported : Danube, Daugava, Dordogne, Elbe, Garonne, Kalix, Loire,
Po, Rautas, Rhine, Rhone, Scheldt, Seine, Vene, Vosges
Low or no contamination
when compared to other
european rivers
TME fluxes and temporal variabilityBecause of the low variability in contents (factor 2-3),
the TME fluxes are mainly driven by those of SPM (factor 10-1000)(Rhone river contributes to 90-95% of French SPM fluxes to Med Sea)
Years reported : 1999-2009 (AE)
2001 et 2002 (Ollivier et al, 2011)
2011-2014 (OSR)
Distribution of TME and PCB fluxes in 2014 -
Arles
Distribution
of
SPM
fluxes
2014
Arles
Sediment archives
Mas du Pilet (Nord Arles, Ferrand et al. 2012)
Contamination was higher in the past for Pb, Cd, Hg, Cu et Zn.
naturals
anthropics
There is still a lack of data and great difficulties to evaluate the TME stored (but potentially available) in the sediment along the channel
(J.P. Bedell presentation + Archéorhône project )
EF : enrichment factor : (Métal/Al)sample/ (Métal/Al)pre-anthropic reference
If EF>1,5 contamination
EF present SPM: Cr: 1±0,2 Cu: 2,1± 0,9
Co: 1,2± 0,4 Zn: 1,7±1,6 Hg: 1,6
Ni: 1±0,2 Cd: 4,9±5,5 Pb: 2,2±1,3
Not far from pre-anthropic contents !
KS57 core80m depthRhône delta
Cossa et al, submitted
Equivalent EF: 2 1,6 4 2,5
Which tracers for the origin of SPM?
Various TME are interesting for determining the origin of SPM issued
from watersheds with different lithologies.
tousaffluent
Barium Stron um
Rubidium
Affluentscévenolset
SaôneAffluentsalpins
(Aigues,Drôme,Ouvèze,Durance)
Isère
The mean TME contents in Arles
correspond to a mix of SPM
including :
10% from Cévennes tribut.
(Gard, Ardèche et Cèze)
20% from Saône
10% from Northern Rhône
30% from Isère
30% from Durance.
Tracers for the origin of anthropic TME
The better precision
now obtained for
Pb isotopic ratios
allow to use them
as tracers of Pb
origin
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020
δ6
6Zn
(‰
)
1/Zn
Rhône à Jons
Rhône à Arles
Saône
Gardon
Ardèche
Cèze
Durance
• Variations trend δ66Zn :
→ Tributaries: 0.11 - 0.32‰
→ Rhône in Arles : 0.16 - 0.27‰
Poor potential as tracer for Zn origin
Tracers for the origin of anthropic TME
Les outils numériques de gestion de données de l’OSR
Les différentes plateformes de l’OSR
Collecte
&
Description
Bancarisation
&
Sauvegarde
Valorisation
&
Mise à
disposition
Site web
de l’OSR
GeoOSR, plateforme
de webmapping
BDOH, plateforme
de gestion des
chroniques
BD-OSR, base de
données
géographiques
MetaOSR, catalogue
de métadonnées
• TME in natural or low contaminated levels over the entire channel
• Some tributaries require further studies to characterize their higherlevels (cévenols, Ain)
• Higher contamination in the period 1960-1970, and presently a decrease to (or near) pre-anthropogenic values (Pb, Zn, Hg, Cd et Ag).
• TME fluxes mainly linked to SPM fluxes, with a high internannualvariability, and major transfer during floods (about 70-90% of TME fluxes)
• High levels during low discharges (to survey)
• A story of contamination that still needs to be described at the scaleof the watershed, at least to locate the potential sources (stock on banks, « casiers », moutain reservoirs, mine sites).
Conclusions
Tendance
similaire pour
Cd, As, Cu, Ni
Gardon
Ardèche
Durance
Granulométrie des MES
Crue Novembre 2011
Les crues du Gard et Ardèche apportent des minéraux à fortes teneurs en métaux.
Les crues de la Durance ont de plus faibles teneurs.
Origine à spécifier : - lessivage des sols naturellement enrichis
- terrils miniers ou autres sources dans le fleuve.
Tracer l’origine des particules et des métaux
Certains traceurs
géochimiques
apparaissent
maintenant pertinents
pour travailler à
l’échelle du bassin
TRACER LES POLES
Ba et Sr ne sont pas ou
très peu affectés par
des apports
anthropiques
(µg/g
)
A Jons, certaines teneurs (Ag, Sn, Sb, Cu, Zn) ne s’expliquent pas par le seul
mélange des apports d’affluents.
Il existe une contamination « temporaire » qui reste à caractériser (STEP?).
(µg/g) (µg/g)
Nord
Ain
Mélange entre
deux pôles
BariumArgent
Mélange à
3 pôles
Mai-juin 2012: Chasse + Isère
Quelques éléments métalliques non affectés par l’homme sont de bons traceurs
de sources à l’échelle du bassin grâce à la grande variation de lithologie
Césium Barium
StrontiumTerres rares
Traçage de l’origine des MES à partir de
signatures géochimiques
Variations et origines du Pb et Zn durant la crue de novembre 2011 à Arles alimentée par les affluents des Cévennes puis la Durance
Arles
Durance
Cévennes
Rhône
Traçage de l’origine des MES à partir de
signatures géochimiques
→ la variabilité inter-annuelle dépend fortement des crues (2003, 2008, 2011...)
→ mais aussi des impacts anthropiques : travaux dans le lit, chasses et manœuvres
d'aménagements hydro-électriques (Haut-Rhône, Isère, Durance)
→ se pose aussi la question de tendances de long-terme, ou non-stationnarités
La variabilité inter-annuelle est souvent la première source d'incertitude
moyenne = 0,78 Mt/an,
entre 0,22 et 1,41 Mt/an.
tendance à la diminution
1974-1984 :
0,96±0,35 Mt/an
2002-2012 :
0,50±0,20 Mt/an
Arve à Genève (1974 – 2013, années hydrologiques)
Flux reconstitués à partir du suivi OFEV (Launay, 2014)
Ré-estimation des flux particulaires
moyens inter-annuels
Moyenne = 6,7 Mt/an,
entre 1,0 et 19,7 Mt/an.
Pas de tendance
temporelle évidente
Rhône à Arles (1967-2005, années civiles)
Flux reconstitués selon Pont et al. (2002) et mesurés à la station
SORA à partir de 2005 (Antonelli, 2013)
→ la variabilité inter-annuelle dépend fortement des crues (2003, 2008, 2011...)
→ mais aussi des impacts anthropiques : travaux dans le lit, chasses et manœuvres
d'aménagements hydro-électriques (Haut-Rhône, Isère, Durance)
→ se pose aussi la question de tendances de long-terme, ou non-stationnarités
La variabilité inter-annuelle est souvent la première source d'incertitude
Ré-estimation des flux particulaires
moyens inter-annuels
→ les flux de MES de référence estimés dans l'Etude Globale Rhône (2000)
apparaissent fortement surestimés
Des valeurs revues à la baisse pour le Rhône et ses affluents majeurs
Isère(Grenoble)
DuranceSaône
Flux de MES
[Mt/an]
Répartition des apports moyens inter-annuels
au Rhône (2002-2012)
Flux d'eau
[km3/an]
Haut-
Rhône(Jons)
Saône
Isère(Grenoble)
Chasse
2012
0,25 Mt
?
Haut-
Rhône(Jons)
Ré-estimation des flux particulaires
moyens inter-annuels
Modèle hydro-sédimentaire 1-D
Codes de simulation
MAGE (hydraulique) et
Adis-TS (solutés, MES,
polluants), développés
par Irstea
Modèle 1-D du Léman à
la mer : 545 km, 21
aménagements,
diffluences/confluences,
Dx~500m
Règles automatiques des
barrages
Simulations rapides (30
jours en 5 min, environ
une décennie en un jour)
Perspective : charriage et
évolution des fonds
BDOH_OSR : chroniques de concentrations et de flux de MES et
substances associéeshttps://bdoh.irstea.fr
L’application BDOH est développée
par Irstea.
Elle héberge les chroniques de 11
observatoires, dont 5 de RBV :
OHMCV, Draix-Bléone, Oracle,
Yzeron, Réal-Collobrier.
Contact: Flora Branger
Mise à disposition de séries
temporelles continues et
discontinues de mesures
validées
Export des données par compte
nominatif après autorisation du
gestionnaire
DOI pour citation du jeu de
données
Spatialisation prévue à partir de
2017 (WebSIG)
BDOH_OSR : chroniques de concentrations et de flux de MES et
substances associées
BDOH_OSR : chroniques de concentrations et de flux de MES et
substances associées
BDOH_OSR : chroniques de concentrations et de flux de MES et
substances associées
Chroniques discontinues de mercure particulaire (en µg/g)
dans le Rhône à Jons entre 2011 et 2014
Centrifugeuse
en continu fixe
ou mobile
piège à
particules
→ Importants écarts de l'indicateur Ms2 % (Variflux) de la Saône à la Durance
Des dynamiques et des intensités de flux de MES très contrastées
Flux cumulé de MES maximal transitant en fonction du temps cumulé (2011-2012)
Suivi des affluents principaux du Rhône