Removal efficiency of artificial wetland to mitigate nitrate and pesticide in agricultural drained watershed
Efficacité des zones tampons humides artificielles pour la dissipation des nitrates et des pesticides dans un contexte de drainage agricole
Résumé
Mitigation of agricultural pollutant in the subsurface drained context means to intercept water flows by using ecological engineering concept such as artificial wetlands (AW). Firstly this paper introduces, based on scientific review, an analysis of the removal efficiency of AW on nitrate and pesticide parameters. It appears that average efficiency is ranged around 50-60% including a large variability, due on one hand to hydrology and season and on the other hand to pollutant properties (nitrate and the numerous pesticides). Secondly the main processes involved are based on microbiological activities, for which hydraulic residential time is a key. Among other factors, vegetation plays an indirect role in controlling the hydraulic pathway and in slowing down water flows, but also by providing more or less available carbon to stimulate microbial activities. A prerequisite for implementation reflection consists of the establishment of a hydrological diagnosis on water flow and pollutant transfer at different watershed scales. The seasonality of pollutant exportation differs according to nitrate (all year) and pesticide (only after application). These facts lead us to propose, in the third part as field recommendations, two interception strategies: “on line” or “off line” of the drainage collector or ditch. “On line” consists of intercepting all drainage flows, a solution dedicated to nitrate parameter, whereas “off line” allows targeting of the most polluted water flow after the farmer’s pesticide treatment, by activation of a gate at AW’s inlet. Some suggestions are given for the design of AW (geotechnical survey, topography constraint etc). A dimension range is proposed for the French subsurface drainage context: 76 m3 per drained hectare, equivalent to 1% of upstream area, given a maximum water depth of 0.8m. Nevertheless in this context, scientific data (literature and Irstea experiment) shows that a 100% warrantied result is not manageable. Artificial wetland has to be considered only as a complementary tool dedicated to transfer reduction, as part of wider actions aiming to reduce pollutant pressure at plot scale
Réduire les transferts de contaminants agricoles en contexte drainé revient à intercepter les eaux dans des infrastructures végétalisées comme les zones tampons humides artificielles (ZTHA). L’article présente tout d’abord, à partir de données scientifiques, une analyse des résultats d’efficacité de ces systèmes sur les paramètres nitrate et pesticides. Il apparaît que l’efficacité moyenne se situe autour de 50-60%, large variabilité due d’une part à l’hydrologie, et à la saisonnalité, d’autre part aux propriétés du polluant (nitrate et des nombreux pesticides). Les études montrent que les processus mis en jeu sont majoritairement microbiologiques, pour lesquels le facteur clef est le temps de résidence hydraulique. Parmi les autres facteurs, la végétation joue un rôle indirect, en contrôlant le chemin hydraulique et en ralentissant les écoulements, mais aussi à la fourniture du carbone nécessaire à l’activité microbiologique. Un préalable à toute réflexion sur la mise en place d’infrastructure végétalisée consiste à établir un diagnostic hydrologique des écoulements et des transferts de polluant à toutes les échelles du bassin versant (de la parcelle ou sous bassin). La dynamique saisonnière des polluants diffère selon le cas des nitrates (exportés toute l’année) et des pesticides (exportés sur une période post traitement). Cette connaissance nous a conduits à proposer deux stratégies d’interception des eaux, soit « en série », soit « en parallèle » du collecteur de drainage ou du fossé d’assainissement. La stratégie « en série » intercepte toutes les eaux de drainage et est plutôt dédiée à la problématique des nitrates, tandis que la stratégie « en parallèle » cible les flux de pesticide les plus concentrés consécutivement aux applications dans le minimum de flux d’eau, en activant une vanne à l’entrée de la ZTHA, par l’agriculteur lui-même. L’article présente ensuite quelques suggestions d’aménagement (étude géotechnique, topographique, …). Dans le contexte du drainage en France, l’étude d’Irstea a calculé un volume moyen de ZTHA de 76m3/ha drainé, ce qui correspond pour une profondeur de 0.8m à 1% du bassin versant contributeur. Cependant, les ZTHA, dont l’efficacité est certes réelle mais limitée, sont une solution complémentaire aux actions ciblant la réduction à la source.