La qualité des eaux du Fleuve Rouge (Vietnam): observation et

Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
La qualité des eaux du Fleuve Rouge (Vietnam):
observation et modélisation
LE Thi Phuong Quynh1,*, J. GARNIER2, G. BILLEN2, S. THERY2,
DUONG Thi Thuy3, CHAU Van Minh1
1
Institut de la Chimie des Substances Naturelles, Académie de la Science et Technologie du Vietnam, 18 Hoang Quoc
Viet, Cau Giay, Hanoi, VIETNAM, email : [email protected]
2
UMR Sisyphe 7619, CNRS - Université Pierre et Marie Curie, 4, Plcae Jussieu, Paris 75005, FRANCE
3
Institut de la Technologie de l’environnement, Académie de la Science et Technologie du Vietnam, 18 Hoang Quoc
Viet, Cau Giay, Hanoi, VIETNAM
Résumé
Le Fleuve Rouge (Chine et Vietnam) joue un rôle majeur dans la culture et la socio-économie au
Nord Vietnam. La surface totale de bassin versant est de 156 450 km2 et la population compte
environ 30 millions d’habitants en 1997. Le but général de ce travail est de développer une
compréhension d’ensemble du fonctionnement biogéochimique de ce système sub-tropical de
dimension régionale, et de son contrôle par les processus naturels et anthropiques. Ce travail a
consisté à assembler, sous SIG et à l’échelle de ce bassin, une base de données destinée à
l’implémentation du logiciel Seneque/Riverstrahler. Sont présentées ici les bases de données mises
en œuvre et une première validation des résultats du modèle de qualité d’eau en 2003 et 2004. Les
flux de nutriments apportés en Mer de Chine par le Fleuve Rouge sont calculés et le risque associé
d’eutrophisation marine côtière est évalué.
Mots clés : nutriments; qualité des eaux; modélisation; rivière tropicale; Red River; logiciel
Introduction
La source du Fleuve Rouge se situe dans la région des montagnes de la province du Yunnan (en
Chine) et traverse plusieurs provinces vietnamiennes comme Lao Cai, Yen Bai, Phu Tho, Hanoi,
Hung Yen, Ninh Binh... Il couvre une surface de
bassin versant de 156450 km2, avec une
population d’environ 30 millions d’habitants
(donnée en 1997). L’axe principal du Fleuve
Rouge (aussi appelé Yuan, Thao ou Hong) reçoit
deux affluents principaux, le Da et le Lo, puis
forme un large delta avant de se jeter dans le
Golfe du Tonkin (en Mer de Chine méridionale)
(figure 1). Les trois sous-bassins amont et le delta
diffèrent largement en terme de densité de
population (de 101 hab.km-2 dans les bassins
amont à plus de 1000 hab.km-2 dans le delta),
d’usage du sol et d’activités agricoles (tableau 1).
100 km
Un bilan d’azote et de phosphore dans les 3 sousbassins et le delta a précédemment été établi (Le
et al. 2005).
Figure 1: Réseau hydrographique et bases
élémentaires du bassin du Fleuve Rouge, obtenu
par le traitement du modèle d’élevation digitale de
NASA.
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Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
Objectifs
Le but général du présent travail est de développer une compréhension d’ensemble du
fonctionnement biogéochimique de ce système sub-tropical de dimension régionale, et de son
contrôle par les processus naturels et anthropiques. L’épine dorsale du travail a consisté dans
l’implémentation du modèle Seneque/RIVERSTRAHLER, développé antérieurement pour décrire le
lien entre la qualité de l’eau et les activités humaines dans le bassin de la Seine et d’autres fleuves
européens (Billen et al., 1994, 1999; Garnier et al., 1995, 2000), pour le cas en particulier du
système du Fleuve Rouge.
Tableau 1: Caractéristiques du Fleuve Rouge et de ses principaux tributaires
Thao
(Yen Bai)
Da
(Hoa Binh)
Lo
(Viet Tri)
Hong
Delta total
F. Rouge
(total)
57 150
51 285
34 559
9435
156 451
Longueur du principal axe, km
902
1010
470
236.5
1138,5
Altitude maximale, m
6740
3143
3076
10
6740
Pente moyenne, ‰
33,2
37
20
-
29,9
Riz, %
18,7
12,5
8,1
63
17
Cultures industrielles et autres, %
14,4
3,0
58,6
3,9
19,8
Prairies, %
7,2
3,6
3,9
2,6
5,0
Forêt, %
54,2
74,4
22,4
17,8
51,6
Roches nues, %
4,1
6,2
6,4
5,9
5,4
Urbain, %
1,4
0,3
0,6
6,8
1,2
Densité de population, hab/km²
150
101
132
1174
192
Topographie
Superficie du bassin, km²
Occupation du sol (en 1997)
Population (en 1997)
Méthode
Une base de données sous SIG a été assemblée à l’échelle du bassin du Fleuve Rouge, avec des
couches d’informations renseignant la géomorphologie du bassin, sa lithologie, la météorologie,
l’usage du sol et les activités agricoles, la population et les rejets d’eau usées domestiques et
industrielles. Cette base de données est construite au format requis par le logiciel
SENEQUE/Riverstrahler (Ruelland, 2004 ; Ruelland et al, 2007), une version du modèle
Riverstrahler encapsulée dans une interface SIG constituant un outil de modélisation générique et
spatialement explicite de la qualité de l’eau à l’échelle des grands réseaux hydrographiques. La
première application de ce logiciel au système Fleuve Rouge est validée sur les données de qualité
d’eau acquises lors de suivis mensuels à l’exutoire des grands sous-bassins et sur l’axe principal du
Fleuve en 2003 et 2004.
Les données de concentrations en nutriments dans le réseau hydrographique du Fleuve Rouge étant
assez rares, un suivi a été réalisé mensuellement durant les années 2003 et 2004, permettant de
définir le niveau général de concentration en nutriments dans les eaux de surface (formes de l’azote,
du phosphore, de la silice, du carbone organique et de la chlorophylle). Les exutoires des principaux
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Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
sous-bassins amont, l’axe principal du Fleuve dans le delta et quelques rivières polluées de la région
d’Hanoï ont ainsi été documentés.
Résultats et discussions
Evaluation de la qualité des eaux de surface
Les données de qualité des eaux de surface du système du Fleuve Rouge observées en 2003-2004
sont présentées dans le tableau 2. En se basant sur les concentrations moyennes de la période de
2003 et 2004, une classification des niveaux de pollution des nutriments dans le Fleuve Rouge et
ses grands axes peut être proposée: en amont du système du Fleuve Rouge, le niveau des nutriments
varie de l’Oligotrophie à la Mésotrophie tantdis qu’à l’aval, surtout, dans les urbaines rivières (eg.,
Nhue, ToLich) du Delta du Fleuve Rouge, le niveau des nutriments varie de la Mésotrophie à
l’Eutrophie (tableau 2).
Tableau 2 : Qualité des eaux de surface du système hydrographique du Fleuve Rouge en 2003-2004
Tot P,
Tot N,
mgN.L-1 mgP.L-1
DSi
mgSi.L-1
T Chl a,
µg.L-1
0,16
4,3
3,4
0,6
0,6
1,2
9,7
0,18
0,29
0,27
2,80
4,2
5,4
4,5
7,9
3,2
11,0
6,9
37,2
3,0
0,70
5,9
19,1
Locations
DO
mg L-1
NH4
mgN L-1
Da
4,9
0,03
0,2
Lo
Thao
Hong-Hanoi
To Lich
5,4
5,4
5,8
0,9
0,06
0,10
0,85
9,5
Nhue
2,9
2,7
Classification
OligotrophieMésotrophie
Mésotrophie
Mésotrophie
Mésotrophie
Eutrophie
Mésotrophie Eutrophie
Modélisation de la qualité des eaux de surface
Le logiciel Seneque/Riverstrahler permet de calculer, avec une résolution décadaire, les variations
géographiques et saisonnières (du débit, de la qualité de l’eau, ç-à-d le fonctionnement écologique
du réseau hydrographique du Fleuve Rouge, y compris celui de ses annexes hydrauliques; les
contraintes constituées par la morphologie des cours d’eau, les conditions météorologiques et
climatiques, l’usage du sol du bassin versant et les rejets ponctuels d’eaux usées sont prises en
compte. Le logiciel offre aux utilisateurs 3 types de visualisation de résultats:
- Les variations saisonnières du débit, et des concentrations des variables de qualité en une station
du réseau (pour les sous- bassins, à l’exutoire de chaqueordre de Strahler ou pour les axes, à chaque
point kilométrique). La figure 2 montre à titre d’exemple les résultats obtenus sur la rivière de Thao.
La figure 3 indique les résultats de simulations et observation à deux stations dans la rivière de Da,
avant et après le réservoir de HoaBinh.
- Les profils longitudinaux du débit ou des variables de qualité le long d’un axe (pK par pK) à une
décade donnée.
- Cartographie : une représentation en un point des variables de qualité (avec un code couleur
ajustable) pour tous les bassins et les axes de simulation.
Pour les deux premières représentations, la possibilité existe de comparer automatiquement les
résultats des calculs avec les données introduites dans la base de données. Grâce à notre étude, les
situations récentes sont bien documentées.
Cette comparaison constitue une validation du modèle. L’accord entre les résultats du modèle et les
observations représente en effet une mesure exacte de notre compréhension du fonctionnement du
système et/ou de notre connaissance des contraintes qui le contrôlent. Les désaccords entre les
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simulations et les observations nous informent sur les faiblesses de notre approche et nous conduit
à de nouvelles interrogations.
2004
3 -1
D
is
c
h
a
rg
e
,m
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3 -1
D
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c
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2003
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2000
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F
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J
2000
0
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F
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J
A S O N D
4000
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S
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-1
-1
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2000
2000
0
0
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J
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J
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2004
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C
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10
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3
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20
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0.0
0.0
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0.0
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J
F
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J
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S
Figure 2: Station de Yen Bai (dans le Thao) en 2003 (gauche) et en 2004 (droite): variations saisonnières
observées (cercles vides) et calculées (traits pleins). De haut en bas sont représentés le débit, les
concentrations en matière en suspension (SS), en chlorophylle a (Chla: µg.L-1), en nutriments (nitrate et
ammonium: mgN.L-1; en phosphore total et en phosphates mgP.L-1; et silice dissoute: mgSiO2.L-1).
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Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
Le modèle ne reproduit pas toute la variabilité de l’évolution spatio-temporelle de la qualité d'eau,
mais les niveaux généraux des concentrations sont correctement reproduits pour la plupart des
stations. La simulation de la concentration en biomasse algale (exprimée en chlorophylle a) dans le
Thao est supérieure à la valeur observées, mais le modèle y met en évidence une tendance générale
du développement des algues, effectivement plus importante dans le Thao que dans les autres sousbassins (Figure 2). Le modèle sous-estime les concentrations en nitrate dans le Thao, mais simule
relativement bien les faibles concentrations en ammonium, qui s’expliquent sans- doute par une
nitrification importante dans la rivière, compte tenu des apports ponctuels relativement importants,
ainsi que des apports diffus des rizières. Les niveaux simulés de la silice dissoute sont très proches
de ceux observés. Une conclusion importante des simulations par le modèle est qu’il n’y a pas de
processus notable de rétention en silice y compris au cours des poussées planctoniques observées
uniquement dans le Thao.
La figure 3 montre aussi très visiblement le rôle du réservoir de Hoa Binh , localisé dans le cours de
la rivière Da, sur la rétention des sédiments (Le et al. 2007).
Figure 3: Variations saisonnières, en
2003, des simulations (sim.) et
observations (obs.) des concentrations
en matière en suspension (suspended
solid, mgSS.L-1) obtenues aux stations
amont (à gauche) et aval (à droite) du
réservoir de Hoa Binh sur la rivière Da.
(Valeurs observées à l’amont citées par
Nguyen et al. (2003) à la station de Lai
Chau dans la période 1961-1989).
Le modèle permet de calculer les flux de nutriments et de matière en suspension à l’exutoire des
sous-bassins (Tableau 2) en fonction des contraintes anthropiques imposées au système.
Tableau 2: Flux de nutriments (N: azote; P: phosphore; Si: silice) calculés par le modèle (aux exutoires des
rivières Da, Lo, Thao et Hong aux stations de Hoa Binh, Vu Quang, Yen Bai et Hanoi en 2003.
Total N,
103 tons N.y -1
Total P
103 tons P.y -1
Total Si
103 tons Si.yr-1
MES,
106 tons SS.y -1
Da
61
9.3
274
7.4
Lo
55
24.0**
128
35.0**
Thao
15
7.9
57
8.4
Hong Hanoi
146
48.2
475
58.5
Les rapports N/P à l’exutoire des sous-bassins du Thao, du Lo et du Da et dans l’axe principal du
Fleuve Rouge à Hanoi sont respectivement de 1,9 ; 2,3 ; 6,6 et 3,0. Ils sont inférieurs au rapport de
Redfield qui, égal à 16, représente les besoins des algues pour leur croissance (Redfield et al., 1963).
Les rapports Si/N aux mêmes stations sont de 3,7; 2,3; 4,5 et 3,2 respectivement, qui beaucoup plus
élevés que 1 (Conley et al., 1993; Billen et Garnier, 1997), indiquent que la silice dans la colonne
d’eau est supérieures aux besoins des diatomées Nous pouvons ainsi conclure que les apports du
Fleuve Rouge en Mer de Chine ne sont pas limités en silice, ce qui limite le risque d’occurrence de
blooms algaux non siliceux et toxiques à la zone côtière (Cugier et al., 2005 ; Garnier et Billen,
2002 ; Billen et Garnier, 2007).
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Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
Conclusions et perspectives
Le modèle Seneque /Riverstrahler est appliqué pour la première fois avec succès à un système subtropical, comme le Fleuve Rouge au Nord-Vietnam. Dans le cadre du projet subventioné par IFS
(International Foundation for Science), nos perspectives sont d’améliorer le modèle
Seneque/Riverstrahler, et de poursuivre l’acquisition des données des contraintes pour que le
modèle s’adapte mieux aux conditions naturelles des zones tropicales, et ainsi obtenir des résultats
de simulation au plus proches des valeurs réelles. De plus, les données de validation sont encore
insuffisantes. Après validation dans des conditions hydrologiques variées, le modèle pourra être
utilisé pour explorer l’effet, en termes de qualité de l’eau et du fonctionnement biogéochimique, de
divers scénarios décrivant divers scénarios de changements futurs du bassin du Fleuve Rouge, en ce
qui concerne son aménagement hydraulique, l’usage de ses sols et de son agriculture, sa population
et sa gestion des eaux usées dans les 50 années à venir.
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