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Etude de l'evolution de la qualite des eaux de riviere
Water Res. Vol. 16, pp. 1173 to 1187. 1982 Printed in Great Britain. All rights reserved
0043-1354~82/071173-15$03.00/0 Copyright ~ 1982 Pergamon Press Ltd
ETUDE DE L'EVOLUTION DE LA QUALITE DES EAUX DE RIVIERE STUDY OF THE EVOLUTION OF RIVER WATER QUALITY A. GUILBOTt, B. PICOT-REBOUL2, M. BOUCHAUD3 et M. ROUX3 tLaboratoire d'Hydrologie Math6matique, Universite des Sciences et Techniques du Languedoc, Place Eugene Bataillon, 34060 Montpellier Cedex, ZLaboratoire d'Hydrologie et d'Hygi6ne. Facult6 de Pharmacie, Avenue Charles Flahault, 34060 Montpellier Cedex et 3Agence Financi~re de Bassin AdourGaronne, 84 Rue du F~r&ra, 31078 Toulouse Cedex, France (Recu octobre 1981)
R~,sumg--Dans le bassin Adour-Garonne, les donn6es concernant la qualit6 des eaux de rivi~re et les caract~ristiques des sources de pollution et des interventions ~ des fins d'am~lioration de la qualit~ sont particuli6rement nombreuses. Nous avons tent~ de mettre au point une mdthodologie g6n~rale d'exploitation de ces donn~es permettant de d6gager les 6volutions 6ventueUes de la qualit6 du milieu et mettre en ~vidence Hmpact des interventions. L'analyse descriptive de I'~volution est compl6t~e par une analyse statistique faisant appel/l des m6thodes de d6veloppement r6cent {STATIS). La recherche des relations causales entre 6volution de la qualit~ des eaux et 6volution des sources de pollution est abord6e par une m6thode graphique et par une simulation simple limit~e au param~tre DBO~. L'outil propos~ para~t op~rationnel et puissant. Certains probl6mes restent pos~s concernant la prise en compte des conditions d'hydraulicit~, I'evolution des m~thodes d'analyse et la n6cessit~ d',~largir la m~thode b. d'autres indices, globaux ou non, autres que la DBO 5. Abstract--ln France, the creation of a "'Ministate de l'Environnement et du Cadre de Vie" and "'Agences Financieres de Bassin'" has made it possible to obtain information on the water quality of rivers and on the measures necessary to improve water quality. Particularly in the Adour-Garonne Basin, much information is now available. The methodology needed to draw conclusions concerning the quality of the rivers and to show the effectiveness of control measures has been developed. This method has been tested in two catchments (Fig. 1): L'Adour (15,000 km 2) and La Dordogne (24,000 km2). The steps that were necessary before this method could be used were: critical assessment of the available data; identification and measurements of pollution sources. This called for the collection of information, annual statistics for each sampling station and information concerning the value and importance of measured parameters. Detailed information is available from 1971 and 1976 and this is shown by maps and graphical representations of the variations in the value of different parameters (Fig. 2). Statistical analysis has also been carried out on the information available for the period 1971-1976. Two methods were used: analysis of the principal components, the method most used being shown by Figs 3 and 4 and the "'STATIS'" method developed recently which treats the whole data "At 3 indices" (Fig. 5). Research has been carried out on the causal relations between the water quality and the sources of pollution. A simple graphical method is proposed to explain the effect of a strongly preponderant pollutant source. It allows easy visualisation of the change in the relationship between two series of variables (Fig. 8). In general cases of several sources of pollution a simplified method using BOD exclusively has been developed. It consists in comparing the values measured in the river and the estimates obtained from inflows of various sources and those from upstream basins (Fig. 91. The application of this method has made it possible to distinguish local or general tendencies in reference to the intervention realised by the "'Agence Financiere de Bassin". Attention has been given to the variations obtained between laboratories and research information and the necessity to extend application of the statistical method to parameters other than BODs. Comparable action is being taken for the whole basin of the Rhone (French). The information obtained for "L'Adour and La Dordogne" has led to a study not only of the concentration of pollutants but two types of flow, with flow measurements and concentration being taken into account in order to eliminate hydraulic effects.
INTRODUCTION
En France, la mise en place d'un Minist~re de l'Enviro n n e m e n t et du Cadre de Vie et des Agences Financi6res de Bassin, a permis d'acqu6rir une masse importante d'informations dans le domaine de l'eau:
caract6ristiques des sources de pollution d'origine domestiques et industrielles; 6volution de ces sources de pollution: diminution q u a n d des ouvrages de lutte contre la pollution sont r(~alis6s, augmentation dans le cas d'agrandissement
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A. GUIL~OT et al.
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Fig. 1. Bassins de l'Adour et de la Dordogne. Plan de situation. Fig. 1. Watershed of the Rivers Adour and Dordogne. Location map.
des villes, d'extensions de production des ateliers ou d'implantation d'usines nouvelles; suivi de la qualit6 des rivi~res grace aux inventaires nationaux du degr+ de pollution des eaux superficielles r~alis6s en 1971 et 1976 et aux autres r6seaux de surveillance des cours d'eau g~r6s par des organismes Iocaux. Dans le Bassin Adour-Garonne cet ensemble d'information a ~t6 mis sur supports informatis~s afin de constituer une v~ritable "'banque de donndes sur I'eau". I1 a paru int6ressant, en s'appuyant sur deux exempies concrets, les bassins de l'Adour (17,000 km 2) et de la Dordogne (24.000 km 2) (Fig. 1) d'essayer de mettre au point une m~thodologie permettant:
de d6tecter tout d'abord si des 6volutions de qualit~ du milieu +talent d6celables au seul vu des r~sultats d'analyses de l'eau des rivi~res; de mettre en relation ces variations de qualit6 du milieu avec celles des sources de pollution. L'analyse descriptive et stafistique de ces donn6es 1'6chelle de ces deux bassins, r6alis~e par une 6quipe pluridisciplinaire, a permis: de d6gager des tendances locales ou globales; de faire appara]tre les cons6quences des interventions et des modifications (6conomiques, techniques ou d6mograph.iques) sur la qualit~ des cours d'eau; d'optimiser les moyens et les techniques :~ mettre en oeuvre pour suivre cette 6volution.
Etude de Fevolution de la qualit~ des eaux de riviere LES D O N N E E S
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Fichier "stations d'dpuration'"
Les informations nScessaires /~ la rSalisation de l'Stude ont 8ti: extraites de la "banque de donndes sur l'eau'" r~alis~e par I'Agence Adour-Garonne.
I1 contient la description des stations d'dpuration des collectivit~s ainsi que l'historique des visites de bilan et des analyses effectu~es par les Services d'Assistance Technique des d6partements concernds.
Le fichier "qualit~ des eaux superficielles'"
Dossiers des interrentions
1900 points de mesure r~partis sur l'ensemble du Bassin Adour-Garonne y sont r+pertori~s, correspondant h plus de 13.000 pr616vements (au 1 janvier 1977). 220 de ces points sont suivis r~guli~rement avec une fr+quence d'dchantillonnage de l'ordre de 8 pr~l~vements par an. Ces mesures portent syst6matiquement sur un ensemble d'analyses physico-chimiques relatives aux param+tres dits de type A:
Ces dossiers, non informatis~s, r6unissent routes les informations permettant a priori de prdciser l'~volution des sources de pollution pour lesquelles des investissements ont 6t6 ou vont ~tre r6alisds avec l'aide de l'Agence en vue de la r6duction de la pollution.
Temp6rature de l'eau, pH, Conductivit6, Oxyg~ne dissous DBO~, DCO, MES Ca :+, Mg 2+ , Na +, K +, NH~ HCO3, Cl-, SOj.-, NO~, NO3, PO~-. Elles sont parfois compl&6es par les valeurs des toxiques ind6sirables dits param~tres de type B: F, Fe, Mn, As, Cd, Cr, Cu, Mg, Pb, Se, Zn, Cn, tensioactifs et ph6nols. Dans certains cas, les analyses bact6riologiques et hydrobiologiques ont 6t6 r6alis6es. .
Fichier "'prises et rejets" II contient la description et la localisation des points de prise d'eau et des points de rejets d'effluents de chaque redevable de l'Agence.
Fichier "sources de pollution" Constitu6 ~ partir du fichier des redevances, il regroupe les "'pollueurs'" redevables/l l'Agence, c'est-hdire: les communes de plus de 400 habitants; les industriels pr6sentant des rejets sup6rieurs b. 200 6quivalents habitants, soit environ 30kgjour -~ de mati6res en suspension (MES) et de mati6res oxydables (MO). Les chiffres de pollution brute (exprim6e en 6quivalent habitant) qui apparaissent dans le fichier, correspondent : somme des habitants (s6dentaires et saisonniers) pour les collectivit6s; une estimation calcul6e b. partir des MO et des MES ddvers+es pour les industriels. Des fiches d'enquf:tes ont 6t6, par ailleurs, communiqu6es aux services concern6s de I'Agence afin d'extraire le maximum de renseignements compl6mentaires (modification de la production en usine, rendement des stations et 6volution de ces rendements, augmentation de la population raccord6e, signification de la redevance...).
T R A I T E M E N T PRELIMINAIRES SUR LES D O N N E E S DES BASSINS DE L ' A D O U R ET DE LA D O R D O G N E
Traitement sur le fichier "'qualitd des eaux'" L'interpr6tation de ces chroniques d'av~re d61icate compte tenu de la variabilit6 parfois importante des valeurs ponctuelles :~ l'int6rieur de l'ann6e et de l'absence de concomitance des pr616vements sur une rivi~re donn6e. Pour tenter de s'affranchir de cette difficult~ et constituer un fichier homog~ne de donn~es permettant I'examen de l'6volution h 1"6chelle du bassin, l'information a ~t6 ramen~e b. des caract6ristiques annuelles (moyenne, ~cart-type, coefficient de variation, valeurs minimale et maximale). Cette fa~on de faire et ce choix sont bien s~3r discutables mais ils permettent une confrontation des teneurs avec les ~16ments "pollueurs'" dont l'~volution a 6t6 estim6e ~ l'6chelle pluri-annuelle :~ partir du fichier redevances. Ils offrent aussi Favantage d'effectuer un lissage de l'information (filtrage partiel des mesures aberrantes r6siduaires li6es :~ des erreurs de mesures ou des conditions hydrologiques exceptionnelles non 61imin6es) et de se d~gager des composantes cycliques interannuelles quand elles existent. Ils conduisent par ailleurs ~ des 616merits que Fon peut poser comme statistiquement significatifs dans la mesure off n'ont ~t6 consid~r6es que les ann~es offrant au moins 4 pr61~vements. Nous avions dgalement envisag~ de travailler en terme de flux pour se d~gager des conditions d'hydraulicit6 mais en l'absence d'6tude pr61iminaire des relations locales concentration/d6bit, cette fa¢on de faire comporte des risques. Si nous nous pla¢ons dans le cas d'un cours d'eau fortement poilu6, on peut effectivement envisager qu'une relation de dilution existe significativement entre concentration et d+bit. Le fait d'6tudier non pas la moyenne des concentrations Ci, mais la moyenne du flux C+ Q~ doit donc permettre de s'affranchir au moins partiellement de la variabilit6 des concentrations imputables aux conditions d'hydraulicit~. Mais h I'inverse, dans le cas off cette relation n'existe pas ou reste non significative (rivi~re de bonne qualitd pr~sentant des relations plus complexes, com-
A.
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GUILBOT
Tableau 1. Repartition des activit~s polluantes (en pourcentage de ia pollution brute rotate)
Sources
Pollution urbaine
Papeterie
42 36
28 18
Adour Garonne
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Laiterie
Industrie chimique
Distill. et Vinificat
Abattoir et Porcherie
Conserv. Fruits L/:gumes
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Fig. 2. (a) Bassin de r l d o u r en amont des Oaves variation de la DBO 5 entre 1971 et 1976 (moyenne annuelle). (b) Bassin de la Dordogne variation de la DBO5 entre 1971 ct 1976 (moyenne annuelle). Fig. 2. (a) Adour basin upstream to Gaves BOD S variations between 1971 and 1976 (annual mean). (bJ Dordogne basin BODs variations between 1971 and 1976 (annual mean).
Etude de l'~volution de la qualit6 des eaux de nvi~,re portement sp6cifique de certains param6tres tels les nitrates ou les orthophosphates . . . . ) on superpose b. la variabilit6 des concentrations une variabilit6 suppl6mentaire cons6cutive/t l'6volution des d~bits.
Traitement sur le fichier "sources de pollution" 2.2.1 S~lection des pollueurs selon leur importance. Le bilan des donn6es du fichier pollueur montre que les sources de pollution de plus de 2.000 eq-H repr6sentent: 87~o de la pollution totale sur le bassin de l'Adour (12 d'entre elles expliquent 50 de ces 87~o) 82~ sur le bassin de la Dordogne (20 d'entre elles expliquent 50 de ces 82~). La prise en compte de l'ensemble des informations du fichier n'a donc pas paru n6cessaire et une r6duction a 6t6 op6r6e en deux temps: tousles pollueurs conduisant h des rejets sup/:rieurs ou 6gaux ~, 10.000 eq-H ont 6t~ retenus quelle que soit l'importance de la rivi/:re r6ceptrice. T o u s l e s pollueurs entra'inant une augmentation th6orique de la concentration en DBOs dans la rivi6re de plus de 3 mg I- t o n t 6t6 retenus. Cette augmentation de concentration a/:t6 calcul6e :~ partir de la pollution brute du pollueur suppos6e dilu6e dans le d~bit moyen mensuel de fr6quence quinquennale de cours d'eau r6cepteur. 2.2.20rigine de la pollution. Un regroupement des sources polluantes par type d'activit6 a 6t6 r6alis6 pour chaque bassin permettant une sch6matisation hi6rarchique de ces sources. Ces caract6ristiques globales ont 6t6 compl6t6es par l'examen de la r6partition g6ographique des activit~s polluantes, bassin par bassi'n (Tableau 1). P R E M I E R E PHASE: ANALYSE DES D O N N E E S EN RIVIERE
Approche Descriptive: Comparaisons Graphiques Les ann6es de l'inventaire national (1971 et 1976) offrant un volume d'informations plus important, un examen de l'6volution des param6tres entre ces deux ann6es a d'abord 6t6 r6alis~. Dans tous tes cas possibles et pour chacun des 36 param6tres mesur6s, l'ensemble des valeurs moyennes de l'ann6e 1976 a 6t6 repr6sent6 graphiquement par rapport aux valeurs moyennes de l'ann6e 1971 (repr6sentation en X, Y). Cette repr6sentation globale a ensuite 6t6 diff6renci/:e en calculant les 6carts de concentration entre 1971 et 1976 et en les portrant graphiquement rivi6re par rivi~re (Fig. 2). L'examen de ces graphiques conduit aux conclusions suivantes.
Bassin de rAdour II appara~t: une augmentation g6n6rale de la conductivitY.
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Une diminution g~n~rale de la DCO et de la DBO~. Une augmentation presque g~n~rale du taux de saturation en oxyg~ne et cela en l'absence d'un comportement porticulier des d~bits moyens annuels de l'ann~e 1976 (par rapport a 1971). Sur le reste des param6tres de type A, on note:
au niveau des anions: une augmentation des teneurs en chlorures, nitrates et carbonates ainsi que les sulfates mais uniquement sur les affluents de la rive droite de l'Adour; au niveau des cations: une augmentation g6n/:rale des teneurs en potassium, magn6sium et sodium ainsi qu'une augmentation limit6e /l l'Adour et au Retjon de l'ion ammonium (qui par contre diminue sur le Gave de Pau et de la Midouze). Sur les quatre stations pr6sentant un nombre suffisant de mesures des param~tres de type B, on peut aussi d6gager: une augmentation du fer, du zinc et du fluor; l'apparition de traces de s~16nium et de cyanures inexistantes et 1971; un maintien ou une diminution de l'arsenic et du cadmium. On peut enfin signaler une tendance gen6rale I'augmentation des tensioactifs anioniques sur le Gave de Pau et des coliformes f6caux sur l'ensemble du bassin.
Bassin de la Dordogne L'~volution entre 1971 et 1976 y est caract6ris~e par: Une diminution de la conductivit6 sur l'ensemble des rivi6res sauf sur la Dordogne off elle demeure stable. Une augmentation g~n~rale des M ES qui demeurent n6anmoins faibles (inf6rieure /t 25 mg I-~) h l'exception du point 26.000 en aval de LIBOURNE influenc6 par les mar6es. Une tendance pratiquement g6n6rale h raugmentation de la DBO~ (la moyenne annuelle maximale rencontr6e n'6tant toutefois que de 6.5 mg 1-t) et de la DCO sauf pour le bassin amont de la Dordogne (C~re, Jordane et Dordogne en amont de la confluence de la Cuze) ob l'on note des diminutions assez importantes. Une augmentation quasi g6n6rale des anions et des cations de type A/L I'exception des tensioactifs anioniques. Ces tendances 6tant accompagn/:es d'une baisse presque g~n~rale des d~bits moyens annuels (ce qui rend I'interpr6tation de ces tendances tr6s d61icate et montre l'importance d'6tudes pr6atables des relations locales concentration/d6bit param/:tre par param6tre). Au niveau des param6tres de type B, trois stations seulement pr6sentent des mesures sufflsantes (4 pr616vements par an) en 1971 et 1976. Il est donc
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Etude de I'evolution de la qualit~ des eaux de riviere difficile de d6gager une tendance quelconque surtout que les teneurs restent faibles ou tr~s faibles. On peut toutefois noter: I'apparition en 1976 d'ion fluorure et de fer inexistants en 1971; une diminution du cuivre et du plomb sur la Vez~re: une augmentation g6n6rale des coliformes f6caux; l'absence continue des cyanures.
Approche Statistique--Et'olution sur I'Ensemble des lnformations Disponibles 1970-1976 Application de la m~thode des composantes principales 3 la recherche de I'~rolution des trois param~tres serrant au calcul des redevances (MES, DBO~ et DCO) La rn~thode. (Ce type d'analyse est d'emploi relativement courant et nous ne ferons qu'un rapide rappel de la m6thode.) Supposons que nous disposons de n observations de p variables x Afin de "'classer'" cet ensemble, c'est-~-dire mettre en 6vidence les individus "proches'" et les individus "~loign~s", nous nous proposons de construire une repr6sentation g6om6trique des n observations. Dans un espace b. p dimensions, d~fini par un syst~me d'axes orthogonaux, on identifie chaque axe l'une des variables. Chaque observation j est alors repr~sent6e par le point de coordonn~es: xtj , x2j , ...,
xpj.
S i p est 6gal h 1, 2 ou m i m e 3, cette repr6sentation est facilement r6alisable et la proximit6 des points sera un indicateur de la ressemblance des observations. Quand le nombre de variables augmente, cette m6thode devient inapplicable. Nous pouvons par contre esp~rer que le nuage de points repr6sentants les observations n'est pas isotrope mais qu'il s'allonge suivant certaines directions privil6gi6es alors que sa projection sur d'autres axes est pratiquement nulle, ce qui donne la possibilit6 de se limiter :~ ces directions privil6gi6es. En d'autres termes, on se propose de d6terminer un syst6me d'axes de r6f6rences hi6rarchis6s tels que, en diminuant le nombre de dimensions de l'espace dans lequel on projette les points observations, la perte d'information soit minimale. Pour ce faire on transforme les variables X~ (i = 1. . . . . p) prenant la valeur x u sur I'observation j en d'autres variables Yi(i = 1. . . . . p) prenant la valeur Yu sur l'observation j, telles que: la variance totale soit conserv6e: le maximum de variance soit port~e par Yt, le maximum du reste par Y2. . . . . Les variables ainsi d6finies, appel6es composantes •principales, n'ont aucune liaison lin6aire entre elles. Souvent, les ,deux on trois premi6res composantes expliquent fi elles seules la quasi totalit6 de la vari-
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ance (90-95°0. De ce fait, en projectant dans le plan des deux premiers axes ou composantes principales, on obtient un nuage de n points dont la disposition apporte le maximum possible d'information sur la disposition des n points dans l'hyperespace R". Ce sera la "meilleure" representation plane possible, au sens objectif de perte d'information minimale. Application. La m&hode d'analyse en composantes principales a ~t~ appliqu~e ~ l'ensemble des ann~es/ stations offrant au moins quatre pr~l~vements. Les ~l~ments fournis par la m&hode permettent: de d6gager les points de pr~16vements pr~sentant de fortes b. tr~s fortes valeurs: de mettre en ~vidence un comportement ~volutif point par point, s'il existe.
Sur le Bassin de l'Adour L'analyse de 1"6chantillon disponible fait nettement appara~tre la disproportion des teneurs en DBO5 et D C O li~es aux rejets des usines de la Cellulose du Pin ~t Tartas et b. Roquefort par rapport au reste de Finformation (Fig. 3). Les valeurs importantes des teneurs en MES pour I'ann~e 1976 sur le Gros Leez, le Gave d'Oloron (point 204 en amont de la confluence avec le Saison) et I'Adour (point 231 en amont de St Sever) semblent dues essentiellement ~ des conditions hydrologiques extremes (fortes crues non 61imin6es). Sur les sites les plus perturb6s, un cycle d'~volution g6n6rale se d~gage sur l'axe correspondant aux fortes teneurs en DBOs et DCO. Ce cycle, compos6 d'un accroissement de 1970 ~ 1972 puis d'une diminution de 1973 ~ 1976, est particuli6rement apparent: Sur le Retjon en aval de Tartas (avec une l~g~re augmentation des MES depuis 1972) et les points sous-influenc~s, c'est-:~-dire la Midouze ~, hauteur de la confluence et l'Adour en amont de DAX (ce dernier point s'accompagne de valeurs plus fortes de MES). Sur I'Estampon en aval de Roquefort. On note, enfin, sur l'axe correspondant aux fortes teneurs en MES, une nette am61ioration depuis 1971 sur le Gave de Pau en aval d'Orthez.
Sur le Bassin de la Dordogne L'analyse des valeurs disponibles conduit /l une repr6sentation dans le plan des deux premiers facteurs (pourcentages d'inertie relatifs des deux premi6res valeurs propres, ~gaux h 82 et 16)~) difficilement interpr6tables. Seuls, quelques sites de pr616vement se d6gagent, tes autres formant un nuage tr6s dense dans la partie du plan correspondant aux faibles valeurs (Fig. 4). On peut n6anmoins noter: le comportement particulier du Manoire dont la qualit~ semble se d6grader depuis le d6but des observations: I'am61ioration de la Dordogne en aval de Bort-LesOrgues depuis 1972;
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Fig. 4. Analyse en composantes principales des moyennes annuelles de mes, DBO 5 et DCO sur 152 anness stations (representation partielle). Fig. 4. Dordogne basin analysis in principal components of annual means for SS, BOD~ and COD (partial representation).
une 16g~re d~gradation sur la Corr~ze en aval de Tulle; le peu d'~volution sur la Vez~re en aval de Condat.
si~me indice se r~f~re ~ diff~rentes situations (ou diff~rents instants) dans lesquelles on a observ~ ces variables• •
Application de la mdthode STATIS aux moyennes annuelles de 12 parambtres de type A sur 5 anndes La mdthode (structuration des tableaux/z 3 indices de la statistique). Cette m~thode, de raise au point r~cente (L'Hermier, 1976) se propose d'examiner des ensembles de donn~es dits "~ trois indices" darts lesquels un premier indice permet par exemple d'identitier les variables, un second indice rep~re les observations relatives ~t ces variables tandis que la troi-
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Etude de 1"6volution de la qualit~ des eaux de riviere On pourrait envisager d'/:tudier, tableau par tableau, n x p, les ressemblances entre variables mais cette fa~on de faire ne permet de r~pondre qu'assez real aux questions concernant, l'6volution des ressemblances des variables lorsqu'on passe d'un tableau b. l'autre et h la d~finition d'une vision des variables qui soit un bon "'compromis" entre les diff~rentes visions propos6es par les diff~rents tableaux. Pour r6pondre plus pr~cis6ment h ces questions, la m~thode STATIS propose diff~rentes repr6sentations graphiques des matrices de variance. ISinterstructure. Soit X~ le k i~me tableau n × p des observations recueillies (k = l . . . . . m). On d6finit les matrices n x n'S~ = X~X'~(k = 1. . . . . m) qui sont les matrices associ~es aux 'bp6rateurs introduits par Escoufier (1976). Comparer les situations entre elles (ce que STATIS appelle l'interstructure) sera rendu possible en comparant les matrices S~ entre elles. Pour ce fake, on construit la matrice 6 de dimension m x m dont l'61~ment (ij) a pour valeur Trace (S~S~). La factorisation canonique (Gower, 1966) de cette matrice permet alors d'obtenir m points P~ qui repr~sentent chacun une des situations de d6part. On trouve dans (Escoufier, 1975; L'Hermier, 1976)la justification des affirmations suivantes: Deux points P~ et P~ sont confondus (respectivement voisins) si et seulement si les matrices S~ et S~ sont identiques (respectivement voisines) c'est-h-dire si. les distances des individus dans les situations i et j sont identiques (respectivement voisines). Soit O l'origine de I'espace de repr6sentation. Les segments OP~ et OPj sont colin6aires si et seulement si les matrices S~ et S~ sont proportionnelles, c'est-/~-dire si les distances des individus dans les situations i et j sont proportionnelles. Bien sir, alors que la repr6sentation des m points est en g6n6ral exacte dans un espace de dimensions m - 1, on n'6tudie la projection que dans un espace de dimension 2. Les outils habituels d'aide h Pinterpr6tation (~ savoir: pourcentage des valeurs propres retenues, comparaison des n o r m e s . . , restent valables. Le compromis. Soit Vle vecteur propre de 6 associ6 la plus grande valeur propre. Notons V~ (i = I . . . . , m) ses 616ments. On montre que le meilleur compromis entre les m situations a pour matrice associte ~ViSi
(L'Hermier, 1976).
i=1
II est important de bien comprendre la signification de ce compromis qui n'est pas une moyenne arithm6tique des diff6rentes situations, mais une moyenne pond6r6e.
1181
Si toutes les situations conduisent h une vision voisine des individus, alors tousles Vi sont sensiblement 6gaux et le compromis est proche de la moyenne arithm~tique. Si, au contraire. :~ c6t6 d'un groupe assez homogene de situations, existent une ou deux situations dont les visions sont tr~s particuli~res, les g i attaches h ces derni6res situations vont ~tre trf:s faibles, ce qui entra~ne que les S~ correspondants n'interveinnent pas dans la d~finition du compromis. On peut dire en termes imag~s que le compromis recherche ce qui dans les visions est majoritaire: il n~glige les minorit6s 6ventuelles.
Les intrastructures et l'~colution. La factorisation de ~ ~S, i=l
fournit une repr6sentation des n individus qui est celle qui est la plus proche de toutes les repr4sentations possibles au sens o6 m
Z v,s, i=t
est le meilleur compromis. Cette representation est appel6e intrastructure de r~f~rence. Toutes les 6tudes ne justifient pas qu'on ~tudie cette intrastructure en d6tail. I1 reste darts tous les c a s q u e la projection de toutes les situations peut ~tre faite dans l'espace du compromis (en fait sur les deux ou trois premiers axes de cet espace) et qu'il est alors possible d'~tudier les differences entre les visions de chacune des situations et celle du compromis ou encore l'6volution des visions d'une situation b. l'autre.
Remarques 1. S'il est essentiel pour la m6thode que les m~mes n individus soient ~tudi6s dans les m situations, il n'est pas essentiel que les observations se traduisent par le m~me ensemble de variables dans chacune des situations. On peut ~tudier m tableaux Xk de dimensions n xpk. 2. Escoufier (1970 et 1975) a introduit le coefficient R V pour mesurer la ressemblance entre deux situations. Ce coefficient varie entre 0 et 1. Rappelons qu'un coefficient R V 6gal ~. 1 caract4rise deux situations identiques. Application de la mdthode. Pour analyser l'hvolution globale de la qualit4 des eaux sur la phriode 1971-1975, le fichier de volume maximal des donnhes disponibles sur cette p4riode a 6t6 constitu4. L'annhe 1972, prhsentant un nombre tr6s faible de sites de mesure r6pondant aux normes fix6es, n'a pu ~tre retenue. Sur les cinq ann6es restantes, seulement treize stations sur la Dordogne et douze sur l'Adour offrent des moyennes concomitantes utilisables des douze param6tres de type A suivants:
MES, DBOs, DCO, Ca 2+, Mg 2÷. Na +. K +, NH2. Cl-. HCO3. SO~.-. NO~'.
A. GUILBOTet al.
1182
1975 '~6
ADOUR
DORDOGNE
12 s t a t i o n s
197~
13 Stations 197:3
,fs# 1974 ~
,976 ,,' 7
//
tt
/
l"
t e ~'
1975
Fig. 5. Application de statis 12 parametres de type A sur 5 anndes interstructure. Fig. 5. Statis application on 12 Type A parameters for 5 years interstucture.
L'application de la m6thode STATIS/~ ces ensembles de donn6es fournit des index de variation globale de la pollution d6finie par les douze param6tres retenus (Fig. 5). Pour I'Adour, on trouve ainsi: ann6e 1973 annie 1971 ann6e 1974 ann6e 1973 ann6e 1975 ann6e 1974 ann6e 1976 ann6e 1975
= 1,30 aecroissement
= 0,79 diminution
expliqu~e par le premier axe de ranalyse (94~) montre que cela reste n~gligeable au niveau global. Le cycle de l'6volution d'une annie sur l'autre se retrouve pour chaque param~tre, l'ann~e la plus d6grad~e 6tant syst~matiquement 1973 (seuls les nitrates pr~sentent un maximum en 1974). Pour la Dordogne, la hi+rarchie des rapports est totalement diff~rente: annie 1973 annie 1971
= 0,98 diminution
= 0,74 diminution
annie 1974 = 1104 augmentation ann6e 1973
= 1,10 accroissement.
ann6e 1975
Salt une 6volution 1973 > 1974 > 1971 > 1976 > 1975. La "pollution" ~ rimage des douze param6tres de type A consid6r6s a done atteint son maximum en 1973 pour d6croitre fortement en 1974 et 1975 et offrir une tr6s l~g~re reprise en 1976. La m6thode STATIS permet d'affirmer* que ce classement n'est pas respect6 pour l'ensemble des stations. Toutefois, le fort pourcentage de variance *Non-colin~arit~ des vecteurs de rinterstructure.
ann6e 1974 ann6e 1976 ann6e 1975
= 1,03 augmentation
= 0,98 diminution
sout une 6volution 1975 > 1976 > 1974 > 1971 > 1973. Ces variations sont faibles et indiquent qu'h r6chelle des 13 stations concern~es, "'l'image" de la pollution fournie par les 12 param~tres envisaggs, gvolue peu d'une annge sur rautre, un examen plus dgtaill~ montrant un comportement relativement homog~ne sur l'ensemble des stations.
Etude de l'evolution de la qualit6 des eaux de rivi6re
1183
esfa~
,~
=w ~ ~ , , "
MONT OE MARSaN
OLORON
TARBES
/ l
( ~ 6tat
stable
~/"
C) tendance ~ I' amelioration
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de
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de
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~ j • "'"" ..... "*'"
Io
concentration
~ ~¢
\~,NO, "~NH 4
d' un
par ticulier
Fig. 6. Qualit6 des eaux du bassin de I'Adour tendance stationnelle p6riode 1971-1976. Fig. 6. Adour basin water quality: Station tendency 1971.-1976 period.
Conclusion de l'analyse des donn~es en rivibre
Sur le Bassin de la Dordogne (Fig. 7)
L'examen descriptif et statistique des donn6es de qualit¢~ des cours d'eau de l'Adour et de la Dordogne a permis de d6gager des 6volutions tr6s diff6renci6es selon le bassin consid6r6.
La "'vision" de la pollution est beaucoup mains diff/:renci6e d'une ann6e h l'autre et d'une station I'autre, les teneurs restant g6n&alement faibles ou tr6s faibles. L'examen de l'6volution de la qualit6 sur cinq ann6es l'6chelle de 13 stations (c'est-~-dire au niveau des sites les plus perturb6s puisque les plus suivis) montre une h~g6re d6gradation de 1973 /l 1975 avec un 16ger "mieux'" en 1976. Par contre, en ne consid6rant que les ann6es 1971 et 1976 pour lesquelles 26 stations sont disponibles (c'est-~.-dire lorsqu'on int6gre aux 13 stations pr6c6dentes des stations offrant des niveaux de faible ~ tr6s faible pollution), cette dc~gradation apparah bien plus importante. I1 semblerait done qu'au niveau des sites pr6sentant potentiellement des probl6mes de qualit6, on n'observe pas ou peu d'/~volution (peut-~tre une 16gc~re am61ioration globale en terme de DBO s, D C O et MES) et qu'on assiste par contre h une plus forte d6t~rioration de la qualit6 des sites mains caract6ristiques. Ceci dolt &re compl6t6 par deux observations:
Sur le Bassin de l'Adour (Fig. 6) On note de mani6re g6n/:rale et plus significativement au niveau des sites les plus perturb6s, une amdlioration incontestable particulic~rement en terme de DBOs, D C O et mati6res en suspension (c'est-h-dire vis-a-vis des param6tres de base du calcul des redevances). Des 6volutions importantes ant conduit h u n maximum de d6gradation de la qualit6 globale en 1973 puis h une forte am61ioration en 1974 et 1975 avec une tr6s 16g6re augmentation des teneurs en 1976. La faible aggravation de 1976 semble difficile tt rattacher aux conditions hydrologiques particuli6res de cette ann6e, les d6bits moyens annuels n'6tant pas syst6matiquement plus faibles sur ce bassin. L'importance de l'ensoleillement cette ann6e-lh a pu cependant provoquer des temperatures plus ¢~lev6es qu'~. rordinaire. Les r6suhats obtenus sur les seules annexes 1971 et 1976 /~ l'6chelle de 21 stations no sont pas incompatibles avec ceux obtenus sur cinq ann6es/~ l'6chelle de 12 stations.
Les donnges du Manoire font exception ~ la remarque pr~cc~dente car le site est tr~s perturbg et se dggrade dans le temps.
1184
A. GutLBOTet al. •
O O
Tendance 6 la d6gradation Etat stable Tendance 6 I'am~lioration Tendance 6 I'augmentation Tendance 6 la diminution
.,//
,°;/ P - - - - 4 ~ , ~ u ~ u ,
de Io concentration de Io concentration
,'.~;"..../--
~
d'un d'un
param6tre par t i cul i er param6tre particulier
(
,-,~7
f
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r
Fig. 7. Qualit6 des eaux de bassin de la Dordogne tendance stationnelle p6riode 1971-1976. Fig. 7. Dordogne basin water quality station tendency: 1971-1976 period.
Bien que l'ann6e 1976 n'offre pas syst6matiquement un d6bit moyen annuel le plus bas de la p6riode d'observation, les conditions hydrologiques particuli6res de cette ann6e ne sont pas/~ ignorer et interviennent sans doute de mani6re plus significative que sur I'Adour. DEUXIEME PHASE: RECHERCHE DES
RELATIONS CAUSALES POLLUEUR/ POLLUTION: CAS DU BASSIN DE L'ADOUR L'approche descriptive de l'~volution des param~tres de qualit~ des rivi~res a permis de d6gager des tendances ponctuelles ou globales ind6pendamment des ph6nom~nes pourvant 6ventuellement justifier ces modifications. La deuxi6me phase de l'6tude a eu pour but d'examiner et si possible de quantifier les liens entre l'6volution des teneurs en rivi~re et l'6volution de la (ou des) source(s) polluante(s) a priori explicative(s) de ces teneurs. Nous ne pr~senterons que les rdsultats obtenus sur le bassin de rAdour. Darts le cas d'un point de pr616vement situ6 en aval d'une source polluante suffisamment importante pour consid6rer les autres sources comme n~gligeables, une m6thode graphique 616mentaire a 6t6 utilisde pour mettre en 6vidence les modifications de la relation, pollueur/pollution d'une ann6e sur l'autre. Darts le cas contraire, c'est-~t-dire pour une origine des teneurs beaucoup plus diversifi~e, le calcul d'une valeur moyenne annuelle de DBO~ a 6t6 effectu~ sur la base des 616ments d'informations recueillies dans
les fiches d'enqu~tes et les tableaux de I'Agence pr~:cisant les caract~ristiques des sources de pollution, certaines hypotheses simples sur les ph~nom~nes de dilution ~tant admises. Cas d:une source polluante fortement preponderante: methode graphique Les sites. Pour un certain nombre de sites de pr~16vement, la qualit~ des eaux de la rivi~re est presque essentiellement conditionn~e par un pollueur unique (industrie ou collectivit6), les autres sources de pollution 6tant relativement n6gligeable. Dans le bassin de rAdour, une dizaine de points de pr~l~vements satisfont de mani~re plus ou moins rigoureuse/l ce crit6re. La m~thode. Pour d6gage/" un changement de tendance entre deux s~ries d'observations, le proc~d~ de la repr6sentation "en double masse" est commun~ment employs en hydrologic (homog~n~isation des informations pluviom6triques). Cette representation consiste/t porter les grandeurs cumul~es des deux s~ries dans un syst~me d'axe X, Y. La droite unique observ~:e dans le cas de deux s~ries d'~volution identique pr~sentera par contre des cassures et des modifications de pente lors de changements de comportement d'une s~rie par rapport l'autre. Les concentrations moyennes annuelles cumul6es des param~tres jug6s significatifs de la source polluante consid~r~e ont ~t~ port~es en Yet les caract~ristiques cumul~es de production annuelle de cette source (tonnesjour- 1, l j o u r - ~, nombre d'habitants . . . . ) en X.
Etude de r~volution de la qualit~ des eaux de rivi~re
1185
Tableau 2. Exemple d'application de la m~thod "double masse". Commentaires b. la Fig. 8 Sous-Bassin Retjon
Point de pr61bvement 224.100
Sourse de pollution
R~ultats
Remarques
Cellulose du Pin Changements de pente (Tartas) marqu6s en 73 et 75 dans le sens d'une amelioration (surtout en terme de DBO~ et DCO)
Les r~sultats. L'application de la m6thode aux donn6es du bassin de la Midouze (Estampon, Retjon, Douze, Midouze) conduit/L des repr6sentations particuli(~rement int6ressantes et ais~:ment interpr6tables, rimpact des diverses interventions sur la relation pollueur/pollution apparaissant clairement (e.g. Tableau 2 et Fig. 8). Les r6sultats sont moins caract6ristiques sur l'Adour et les Gaves du fair du peu d'interventions au niveau des quelques points consid6r6s et d'une distribution des sources polluantes beaucoup plus diffuse.
Ces ameliorations sont tout aussi apparentes si nous consid6rons non plus les concentrations cumulbes mais le flux ou les concentrations "norm~es". Les bvolutions ne sont donc pas uniquement dues ~, des conditions hydrologiques diff~rentes mais sont les consequences des actions de lutte contre les pollutions r~alisbes (bassins de stockage et am61ioration de la r6cup~ration des fibres en Juillet, 1973, am(~nagement en Mai, 1975)
C o m m e grandeur repr6sentant la qualitd de la rivibre, nous avons retenu ici la moyenne annuelle des concentrations en DBOs mesur6es sur les 8 ou 10 pr6h~vements instantan6s disponibles. C o m m e grandeur permettant d'estimer la pollution d~vers~e, nous avons reconstitu6 un flux de DBO~ qui est la somme des flux apport6s par chaque source de pollution corrig6s pour tenir compte des augmentations de production et des op6rations de r6duction des pollutions. Afin de pouvoir comparer des grandeurs homog(~nes, ce flux de D B O s a 6t~ converti en concentration, appel6e par la suite DBO5 estim6e, en le divisant par la moyenne annuelle des d6bits observ6s dans le cours d'eau/t l'occasion des mesures de qualit& S'il est vrai que la repr(~sentativit6 effective de la mesure de DBO5 reste tr6s contrevers6e, elle demeure l'une des rares /t fournir un indice de r6action du milieu b. une pollution donn6e (r6sultant d'un ensem-
Developpement d'une methode plus generale applicable a la DB05 Presentation sommaire de la mdthode. L'id6e de base de la m6thode consiste ~ comparer les 6volutJons d'une grandeur refl6tant la qualitd mesurde de la rivibrd et d'une grandeur variant comme la pollution ddvers~e qui ne peut ~tre qu'estim~e.
pK': 9 9 8 . 6 Station : 224.100
15OO
1974e /
I t~ E
1973 / /e
."
D805 en concentration el976 Fiuz de DBO5
1975 / e
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11976
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1975
DBO 5 "norm~e" ~ . ! 1976
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1972.
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I 15OO
productions, de popier J o u r -~
Fig. 8. Le Rctjon en aval de Tartas, Fig. 8. Retjon river downstream to Tartas.
AmGUILBOT et al.
1186
DBO 5
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pK: 9 9 8 . 6 S t a t i o n : 224.1
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pK: 9:34.85i S t a t i o n : 212
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1971
1972
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1976
I 1976
Fig. 9. (a) Le Retjon en aval de Tartas. (b) L'Adour en amont de Dax. (c) Le Gave de Pau a Lacq-Partides. Fig. 9. (a) Retjon river downstream Tartas. (bl Adour river upstream to Dax. (c) Gave de Pau river at Lacq-Pardies station.
ble complexe d'actions chimiques et biologiques) permettant de suivre le comportement des rivi6res. Dans le cas de sous-bassin interm6diaire, le "flux entrant" dans le sous-bassin a 6t6 estim6 h partir des observations de DBO s b. la station amont. II convient ici de bien insister sur le fait que ces calculs n'ont pas la pr6tention de reconstituer la DBOs r6ellement pr6sente darts le cours d'eau.* II s'agit plutft de reconstituer une grandeur fictive, homog6ne ~ une concentration qui est ~ consid6rer comme un indicateur dont le num6rateur cro~t avec la pollution d6vers&e et le d6nominateur d6cro~t avec les d6bits observ6s dans la rivi6re. On pourra donc ainsi obtenir des graphiques d'6volution conjointe de la "DBO~ observde'" et de la "DBO~ estim~e" et par suite juger si les variations de la "'DBOj observde" sont li6es ou non ~ la variation de pollution rejet6e. Afin de mettre en 6vidence sur la rivi6re rinfluence des interventions de lutte contre la pollution prati*Cela n'est pas possible puisqu'on n6glige entre autres l'auto6puration.
qu6es aupr6s des collectivit6s ou industries, nous avons 6galement calcul6 et port6 graphiquement la DBOs estim6e en rabsence d'interventions. Signalons enfin que pour rendre r6volution des DBOs d'une ann6e sur rautre mains d6pendante des conditions hydrologiques, nous avons "normalis~" les DBOs observ6es, estim6es avec ou sans intervention par rapport au d6bit moyen sur rensemble des ann6es d'observations. Les rdsultats. Dans la majeure partie des cas: l'indicateur DBOs estim6e et la DBOs observ6e sont du m~me ordre de grandeur; les DBOs observ6es et estim6es 6voluent dans le m~me sens, ce qui semble montrer que ce que r a n mesure dans le cours d'eau refl~te assez bien l'6volution de la pollution d6vers6e (Fig. 9). I1 paralt tout /l fait remarquable qu'une m6thode, somme toute rustique, aboutisse h une telle qualit6 de r6sultats. Pour les stations situ6es le plus ~. r a m o n t d'une rivi6re et lorsque les sources polluantes r6pertori6es sont faibles, la DBOs observ6e est tr6s souvent
Etude de l'6volution de la qualite des eaux de rivi~re sup~rieure/~ la DBO~ estim6e. Ce bruit de fond peut ~:tre important, de I+ordre de 3 mg 1- ~ de DBO~, d'autant plus important qu'il s'agit d'une rivi/:re :~ fort d6bit. A l'aval imm~diat d'une source polluante importante, la DBO~ observee est le plus souvent inf6rieure la DBO~ estim6e alors que les profils d'6volution des DBO~ en fonction du temps sont sensiblement identiques. Ceci tient sans doute b. l+origine de l'6valuation de la DBO~ estim6e, r6alis6e ~ partir des donn6es de "redevance". Pour les industries importantes, ces redevances sont calcul6es ~ partir de coefficients sp6cifiques mesur6s et de la d6claration de production correspondant ~, la moyenne journali6re du mois d'activit6 maximale. La DBO~ observ6e corre•spond par contre h la moyenne annuelle. Cette sup~riorit6 de la DBOs estim6e par rapport la DBO~ observ/:e est encore plus nette lorsque les apports polluants r~sultent de rejets saisonniers comme c'est le cas dans le bassin de l'Adour pour les distilleries. Conclusion sur I'application de la mdthode. La DBO~ se r6v61e ~tre un assez bon crit6re pour la plupart des stations except6 le cas particulier des rejets en provenance d'industrie chimique. L'6volution des redevances int6grant les cons6quences des interventions, la bonne concordance g6n6rale entre les chroniques de DBO~ estim6e et mesur6e en rivi~re (en moyenne annuelle) montre l'impact effectif des interventions de l'Agence sur le milieu naturel dans le bassil~ de l'Adour dans les limites de repr6sentativit6 de ce param6tre+ La comparaison des teneurs en NH~ observ6es et estim6es aurait 6t6 sans doute aussi int6ressante mais nous nous sommes heurt6s h deux difficult6s pour l'utilisation de ce param/:tre: Si l'estimation de NH~ en provenance de collectivit6s peut ~tre assez bien connue, il n'en est pas de m i m e de celui en provenance des 6tablissements industriels, du moins tant que ce crit6re n'est pas retenu dans l'appr6ciation des redevances et par cons6quent souvent non mesur6 au niveau des rejets industriels. Par ailleurs, il semble qu'un probl6me de pr6cision d'analyse de l+azote ammoniacal se pose darts quelques caz (les variations de teneurs rencontr6es ~. certaines stations sont uniquement dues ~. des seuils de d6tections diff6rents des laboratoires ayant effectu6 les analyses). CONCLUSION GENERALE L'~tude descriptive et statistique des param~tres de la qualit6 des cours d'eau telle qu'elle a 6t6 men6e a finalement d6gag~ une m6thode permettant: D'appr6cier 1"6volution de la qualit6. De montrer, par la prise en compte des facteurs susceptibles de justifier cette 6volution, l'impact des actions de lutte contre la pollution. w.R. 1617--H
1187
L'application aux donn6es des bassins de l'Adour et de la Dordogne montre: Une nette am61ioration de la qualite des eaux du bassin de I'Adour, particuli6rement au niveau des sites les plus perturb6s et sur les param/:tres de base du calcul des redevances. Cette am61ioration se rattache assez bien aux interventions menses sur ce bassin. Un &at beaucoup moins 6volutif de ta qualit6 des eaux du bassin de la Dordogne. caract6ris~ par: Une stabilit~ des points les plus perturb6s/l une ou deux exceptions pr~s. Une bonne qualit6 g6n6rale, avec une tendance ~ la d6t6rioration d'une certain nombre de sites. La m6thodologie d'exploitation des donn6es de qualit6 des eaux de rivi6res que nous proposons semble suffisamment g~n6rale et performante pour btre appliqu6e ~. d'autres, I1 n'emp~che que bon nombre de probl~mes qui sont apparus au cours de l'~tude restent pos~s. La d6finition de 1"6volution de la qualit6 des cours d'eau est largement perturb6e par des effets cons~cutifs fi I'h6t~rog~n~it6 des conditions de mesure: Modification des seuils d'analyse ou des m6thodes d'6chantillonnage. Modification des heures ou m~me des sites de pr616vement. Variabilit6 des conditions d'hydraulicit6. Nous nous effor¢ons, dans le cadre d'actions en cours, de valoriser ces enseignements en tentant de prendre en compte ces perturbations afin d'61argir le champ d'application de la m~thode.
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0043-1354~82/071173-15$03.00/0 Copyright ~ 1982 Pergamon Press Ltd
ETUDE DE L'EVOLUTION DE LA QUALITE DES EAUX DE RIVIERE STUDY OF THE EVOLUTION OF RIVER WATER QUALITY A. GUILBOTt, B. PICOT-REBOUL2, M. BOUCHAUD3 et M. ROUX3 tLaboratoire d'Hydrologie Math6matique, Universite des Sciences et Techniques du Languedoc, Place Eugene Bataillon, 34060 Montpellier Cedex, ZLaboratoire d'Hydrologie et d'Hygi6ne. Facult6 de Pharmacie, Avenue Charles Flahault, 34060 Montpellier Cedex et 3Agence Financi~re de Bassin AdourGaronne, 84 Rue du F~r&ra, 31078 Toulouse Cedex, France (Recu octobre 1981)
R~,sumg--Dans le bassin Adour-Garonne, les donn6es concernant la qualit6 des eaux de rivi~re et les caract~ristiques des sources de pollution et des interventions ~ des fins d'am~lioration de la qualit~ sont particuli6rement nombreuses. Nous avons tent~ de mettre au point une mdthodologie g6n~rale d'exploitation de ces donn~es permettant de d6gager les 6volutions 6ventueUes de la qualit6 du milieu et mettre en ~vidence Hmpact des interventions. L'analyse descriptive de I'~volution est compl6t~e par une analyse statistique faisant appel/l des m6thodes de d6veloppement r6cent {STATIS). La recherche des relations causales entre 6volution de la qualit~ des eaux et 6volution des sources de pollution est abord6e par une m6thode graphique et par une simulation simple limit~e au param~tre DBO~. L'outil propos~ para~t op~rationnel et puissant. Certains probl6mes restent pos~s concernant la prise en compte des conditions d'hydraulicit~, I'evolution des m~thodes d'analyse et la n6cessit~ d',~largir la m~thode b. d'autres indices, globaux ou non, autres que la DBO 5. Abstract--ln France, the creation of a "'Ministate de l'Environnement et du Cadre de Vie" and "'Agences Financieres de Bassin'" has made it possible to obtain information on the water quality of rivers and on the measures necessary to improve water quality. Particularly in the Adour-Garonne Basin, much information is now available. The methodology needed to draw conclusions concerning the quality of the rivers and to show the effectiveness of control measures has been developed. This method has been tested in two catchments (Fig. 1): L'Adour (15,000 km 2) and La Dordogne (24,000 km2). The steps that were necessary before this method could be used were: critical assessment of the available data; identification and measurements of pollution sources. This called for the collection of information, annual statistics for each sampling station and information concerning the value and importance of measured parameters. Detailed information is available from 1971 and 1976 and this is shown by maps and graphical representations of the variations in the value of different parameters (Fig. 2). Statistical analysis has also been carried out on the information available for the period 1971-1976. Two methods were used: analysis of the principal components, the method most used being shown by Figs 3 and 4 and the "'STATIS'" method developed recently which treats the whole data "At 3 indices" (Fig. 5). Research has been carried out on the causal relations between the water quality and the sources of pollution. A simple graphical method is proposed to explain the effect of a strongly preponderant pollutant source. It allows easy visualisation of the change in the relationship between two series of variables (Fig. 8). In general cases of several sources of pollution a simplified method using BOD exclusively has been developed. It consists in comparing the values measured in the river and the estimates obtained from inflows of various sources and those from upstream basins (Fig. 91. The application of this method has made it possible to distinguish local or general tendencies in reference to the intervention realised by the "'Agence Financiere de Bassin". Attention has been given to the variations obtained between laboratories and research information and the necessity to extend application of the statistical method to parameters other than BODs. Comparable action is being taken for the whole basin of the Rhone (French). The information obtained for "L'Adour and La Dordogne" has led to a study not only of the concentration of pollutants but two types of flow, with flow measurements and concentration being taken into account in order to eliminate hydraulic effects.
INTRODUCTION
En France, la mise en place d'un Minist~re de l'Enviro n n e m e n t et du Cadre de Vie et des Agences Financi6res de Bassin, a permis d'acqu6rir une masse importante d'informations dans le domaine de l'eau:
caract6ristiques des sources de pollution d'origine domestiques et industrielles; 6volution de ces sources de pollution: diminution q u a n d des ouvrages de lutte contre la pollution sont r(~alis6s, augmentation dans le cas d'agrandissement
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A. GUIL~OT et al.
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Fig. 1. Bassins de l'Adour et de la Dordogne. Plan de situation. Fig. 1. Watershed of the Rivers Adour and Dordogne. Location map.
des villes, d'extensions de production des ateliers ou d'implantation d'usines nouvelles; suivi de la qualit6 des rivi~res grace aux inventaires nationaux du degr+ de pollution des eaux superficielles r~alis6s en 1971 et 1976 et aux autres r6seaux de surveillance des cours d'eau g~r6s par des organismes Iocaux. Dans le Bassin Adour-Garonne cet ensemble d'information a ~t6 mis sur supports informatis~s afin de constituer une v~ritable "'banque de donndes sur I'eau". I1 a paru int6ressant, en s'appuyant sur deux exempies concrets, les bassins de l'Adour (17,000 km 2) et de la Dordogne (24.000 km 2) (Fig. 1) d'essayer de mettre au point une m~thodologie permettant:
de d6tecter tout d'abord si des 6volutions de qualit~ du milieu +talent d6celables au seul vu des r~sultats d'analyses de l'eau des rivi~res; de mettre en relation ces variations de qualit6 du milieu avec celles des sources de pollution. L'analyse descriptive et stafistique de ces donn6es 1'6chelle de ces deux bassins, r6alis~e par une 6quipe pluridisciplinaire, a permis: de d6gager des tendances locales ou globales; de faire appara]tre les cons6quences des interventions et des modifications (6conomiques, techniques ou d6mograph.iques) sur la qualit~ des cours d'eau; d'optimiser les moyens et les techniques :~ mettre en oeuvre pour suivre cette 6volution.
Etude de Fevolution de la qualit~ des eaux de riviere LES D O N N E E S
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Fichier "stations d'dpuration'"
Les informations nScessaires /~ la rSalisation de l'Stude ont 8ti: extraites de la "banque de donndes sur l'eau'" r~alis~e par I'Agence Adour-Garonne.
I1 contient la description des stations d'dpuration des collectivit~s ainsi que l'historique des visites de bilan et des analyses effectu~es par les Services d'Assistance Technique des d6partements concernds.
Le fichier "qualit~ des eaux superficielles'"
Dossiers des interrentions
1900 points de mesure r~partis sur l'ensemble du Bassin Adour-Garonne y sont r+pertori~s, correspondant h plus de 13.000 pr616vements (au 1 janvier 1977). 220 de ces points sont suivis r~guli~rement avec une fr+quence d'dchantillonnage de l'ordre de 8 pr~l~vements par an. Ces mesures portent syst6matiquement sur un ensemble d'analyses physico-chimiques relatives aux param+tres dits de type A:
Ces dossiers, non informatis~s, r6unissent routes les informations permettant a priori de prdciser l'~volution des sources de pollution pour lesquelles des investissements ont 6t6 ou vont ~tre r6alisds avec l'aide de l'Agence en vue de la r6duction de la pollution.
Temp6rature de l'eau, pH, Conductivit6, Oxyg~ne dissous DBO~, DCO, MES Ca :+, Mg 2+ , Na +, K +, NH~ HCO3, Cl-, SOj.-, NO~, NO3, PO~-. Elles sont parfois compl&6es par les valeurs des toxiques ind6sirables dits param~tres de type B: F, Fe, Mn, As, Cd, Cr, Cu, Mg, Pb, Se, Zn, Cn, tensioactifs et ph6nols. Dans certains cas, les analyses bact6riologiques et hydrobiologiques ont 6t6 r6alis6es. .
Fichier "'prises et rejets" II contient la description et la localisation des points de prise d'eau et des points de rejets d'effluents de chaque redevable de l'Agence.
Fichier "sources de pollution" Constitu6 ~ partir du fichier des redevances, il regroupe les "'pollueurs'" redevables/l l'Agence, c'est-hdire: les communes de plus de 400 habitants; les industriels pr6sentant des rejets sup6rieurs b. 200 6quivalents habitants, soit environ 30kgjour -~ de mati6res en suspension (MES) et de mati6res oxydables (MO). Les chiffres de pollution brute (exprim6e en 6quivalent habitant) qui apparaissent dans le fichier, correspondent : somme des habitants (s6dentaires et saisonniers) pour les collectivit6s; une estimation calcul6e b. partir des MO et des MES ddvers+es pour les industriels. Des fiches d'enquf:tes ont 6t6, par ailleurs, communiqu6es aux services concern6s de I'Agence afin d'extraire le maximum de renseignements compl6mentaires (modification de la production en usine, rendement des stations et 6volution de ces rendements, augmentation de la population raccord6e, signification de la redevance...).
T R A I T E M E N T PRELIMINAIRES SUR LES D O N N E E S DES BASSINS DE L ' A D O U R ET DE LA D O R D O G N E
Traitement sur le fichier "'qualitd des eaux'" L'interpr6tation de ces chroniques d'av~re d61icate compte tenu de la variabilit6 parfois importante des valeurs ponctuelles :~ l'int6rieur de l'ann6e et de l'absence de concomitance des pr616vements sur une rivi~re donn6e. Pour tenter de s'affranchir de cette difficult~ et constituer un fichier homog~ne de donn~es permettant I'examen de l'6volution h 1"6chelle du bassin, l'information a ~t6 ramen~e b. des caract6ristiques annuelles (moyenne, ~cart-type, coefficient de variation, valeurs minimale et maximale). Cette fa~on de faire et ce choix sont bien s~3r discutables mais ils permettent une confrontation des teneurs avec les ~16ments "pollueurs'" dont l'~volution a 6t6 estim6e ~ l'6chelle pluri-annuelle :~ partir du fichier redevances. Ils offrent aussi Favantage d'effectuer un lissage de l'information (filtrage partiel des mesures aberrantes r6siduaires li6es :~ des erreurs de mesures ou des conditions hydrologiques exceptionnelles non 61imin6es) et de se d~gager des composantes cycliques interannuelles quand elles existent. Ils conduisent par ailleurs ~ des 616merits que Fon peut poser comme statistiquement significatifs dans la mesure off n'ont ~t6 consid~r6es que les ann~es offrant au moins 4 pr61~vements. Nous avions dgalement envisag~ de travailler en terme de flux pour se d~gager des conditions d'hydraulicit6 mais en l'absence d'6tude pr61iminaire des relations locales concentration/d6bit, cette fa¢on de faire comporte des risques. Si nous nous pla¢ons dans le cas d'un cours d'eau fortement poilu6, on peut effectivement envisager qu'une relation de dilution existe significativement entre concentration et d+bit. Le fait d'6tudier non pas la moyenne des concentrations Ci, mais la moyenne du flux C+ Q~ doit donc permettre de s'affranchir au moins partiellement de la variabilit6 des concentrations imputables aux conditions d'hydraulicit~. Mais h I'inverse, dans le cas off cette relation n'existe pas ou reste non significative (rivi~re de bonne qualitd pr~sentant des relations plus complexes, com-
A.
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GUILBOT
Tableau 1. Repartition des activit~s polluantes (en pourcentage de ia pollution brute rotate)
Sources
Pollution urbaine
Papeterie
42 36
28 18
Adour Garonne
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Laiterie
Industrie chimique
Distill. et Vinificat
Abattoir et Porcherie
Conserv. Fruits L/:gumes
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Fig. 2. (a) Bassin de r l d o u r en amont des Oaves variation de la DBO 5 entre 1971 et 1976 (moyenne annuelle). (b) Bassin de la Dordogne variation de la DBO5 entre 1971 ct 1976 (moyenne annuelle). Fig. 2. (a) Adour basin upstream to Gaves BOD S variations between 1971 and 1976 (annual mean). (bJ Dordogne basin BODs variations between 1971 and 1976 (annual mean).
Etude de l'~volution de la qualit6 des eaux de nvi~,re portement sp6cifique de certains param6tres tels les nitrates ou les orthophosphates . . . . ) on superpose b. la variabilit6 des concentrations une variabilit6 suppl6mentaire cons6cutive/t l'6volution des d~bits.
Traitement sur le fichier "sources de pollution" 2.2.1 S~lection des pollueurs selon leur importance. Le bilan des donn6es du fichier pollueur montre que les sources de pollution de plus de 2.000 eq-H repr6sentent: 87~o de la pollution totale sur le bassin de l'Adour (12 d'entre elles expliquent 50 de ces 87~o) 82~ sur le bassin de la Dordogne (20 d'entre elles expliquent 50 de ces 82~). La prise en compte de l'ensemble des informations du fichier n'a donc pas paru n6cessaire et une r6duction a 6t6 op6r6e en deux temps: tousles pollueurs conduisant h des rejets sup/:rieurs ou 6gaux ~, 10.000 eq-H ont 6t~ retenus quelle que soit l'importance de la rivi/:re r6ceptrice. T o u s l e s pollueurs entra'inant une augmentation th6orique de la concentration en DBOs dans la rivi6re de plus de 3 mg I- t o n t 6t6 retenus. Cette augmentation de concentration a/:t6 calcul6e :~ partir de la pollution brute du pollueur suppos6e dilu6e dans le d~bit moyen mensuel de fr6quence quinquennale de cours d'eau r6cepteur. 2.2.20rigine de la pollution. Un regroupement des sources polluantes par type d'activit6 a 6t6 r6alis6 pour chaque bassin permettant une sch6matisation hi6rarchique de ces sources. Ces caract6ristiques globales ont 6t6 compl6t6es par l'examen de la r6partition g6ographique des activit~s polluantes, bassin par bassi'n (Tableau 1). P R E M I E R E PHASE: ANALYSE DES D O N N E E S EN RIVIERE
Approche Descriptive: Comparaisons Graphiques Les ann6es de l'inventaire national (1971 et 1976) offrant un volume d'informations plus important, un examen de l'6volution des param6tres entre ces deux ann6es a d'abord 6t6 r6alis~. Dans tous tes cas possibles et pour chacun des 36 param6tres mesur6s, l'ensemble des valeurs moyennes de l'ann6e 1976 a 6t6 repr6sent6 graphiquement par rapport aux valeurs moyennes de l'ann6e 1971 (repr6sentation en X, Y). Cette repr6sentation globale a ensuite 6t6 diff6renci/:e en calculant les 6carts de concentration entre 1971 et 1976 et en les portrant graphiquement rivi6re par rivi~re (Fig. 2). L'examen de ces graphiques conduit aux conclusions suivantes.
Bassin de rAdour II appara~t: une augmentation g6n6rale de la conductivitY.
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Une diminution g~n~rale de la DCO et de la DBO~. Une augmentation presque g~n~rale du taux de saturation en oxyg~ne et cela en l'absence d'un comportement porticulier des d~bits moyens annuels de l'ann~e 1976 (par rapport a 1971). Sur le reste des param6tres de type A, on note:
au niveau des anions: une augmentation des teneurs en chlorures, nitrates et carbonates ainsi que les sulfates mais uniquement sur les affluents de la rive droite de l'Adour; au niveau des cations: une augmentation g6n/:rale des teneurs en potassium, magn6sium et sodium ainsi qu'une augmentation limit6e /l l'Adour et au Retjon de l'ion ammonium (qui par contre diminue sur le Gave de Pau et de la Midouze). Sur les quatre stations pr6sentant un nombre suffisant de mesures des param~tres de type B, on peut aussi d6gager: une augmentation du fer, du zinc et du fluor; l'apparition de traces de s~16nium et de cyanures inexistantes et 1971; un maintien ou une diminution de l'arsenic et du cadmium. On peut enfin signaler une tendance gen6rale I'augmentation des tensioactifs anioniques sur le Gave de Pau et des coliformes f6caux sur l'ensemble du bassin.
Bassin de la Dordogne L'~volution entre 1971 et 1976 y est caract6ris~e par: Une diminution de la conductivit6 sur l'ensemble des rivi6res sauf sur la Dordogne off elle demeure stable. Une augmentation g~n~rale des M ES qui demeurent n6anmoins faibles (inf6rieure /t 25 mg I-~) h l'exception du point 26.000 en aval de LIBOURNE influenc6 par les mar6es. Une tendance pratiquement g6n6rale h raugmentation de la DBO~ (la moyenne annuelle maximale rencontr6e n'6tant toutefois que de 6.5 mg 1-t) et de la DCO sauf pour le bassin amont de la Dordogne (C~re, Jordane et Dordogne en amont de la confluence de la Cuze) ob l'on note des diminutions assez importantes. Une augmentation quasi g6n6rale des anions et des cations de type A/L I'exception des tensioactifs anioniques. Ces tendances 6tant accompagn/:es d'une baisse presque g~n~rale des d~bits moyens annuels (ce qui rend I'interpr6tation de ces tendances tr6s d61icate et montre l'importance d'6tudes pr6atables des relations locales concentration/d6bit param/:tre par param6tre). Au niveau des param6tres de type B, trois stations seulement pr6sentent des mesures sufflsantes (4 pr616vements par an) en 1971 et 1976. Il est donc
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Etude de I'evolution de la qualit~ des eaux de riviere difficile de d6gager une tendance quelconque surtout que les teneurs restent faibles ou tr~s faibles. On peut toutefois noter: I'apparition en 1976 d'ion fluorure et de fer inexistants en 1971; une diminution du cuivre et du plomb sur la Vez~re: une augmentation g6n6rale des coliformes f6caux; l'absence continue des cyanures.
Approche Statistique--Et'olution sur I'Ensemble des lnformations Disponibles 1970-1976 Application de la m~thode des composantes principales 3 la recherche de I'~rolution des trois param~tres serrant au calcul des redevances (MES, DBO~ et DCO) La rn~thode. (Ce type d'analyse est d'emploi relativement courant et nous ne ferons qu'un rapide rappel de la m6thode.) Supposons que nous disposons de n observations de p variables x Afin de "'classer'" cet ensemble, c'est-~-dire mettre en 6vidence les individus "proches'" et les individus "~loign~s", nous nous proposons de construire une repr6sentation g6om6trique des n observations. Dans un espace b. p dimensions, d~fini par un syst~me d'axes orthogonaux, on identifie chaque axe l'une des variables. Chaque observation j est alors repr~sent6e par le point de coordonn~es: xtj , x2j , ...,
xpj.
S i p est 6gal h 1, 2 ou m i m e 3, cette repr6sentation est facilement r6alisable et la proximit6 des points sera un indicateur de la ressemblance des observations. Quand le nombre de variables augmente, cette m6thode devient inapplicable. Nous pouvons par contre esp~rer que le nuage de points repr6sentants les observations n'est pas isotrope mais qu'il s'allonge suivant certaines directions privil6gi6es alors que sa projection sur d'autres axes est pratiquement nulle, ce qui donne la possibilit6 de se limiter :~ ces directions privil6gi6es. En d'autres termes, on se propose de d6terminer un syst6me d'axes de r6f6rences hi6rarchis6s tels que, en diminuant le nombre de dimensions de l'espace dans lequel on projette les points observations, la perte d'information soit minimale. Pour ce faire on transforme les variables X~ (i = 1. . . . . p) prenant la valeur x u sur I'observation j en d'autres variables Yi(i = 1. . . . . p) prenant la valeur Yu sur l'observation j, telles que: la variance totale soit conserv6e: le maximum de variance soit port~e par Yt, le maximum du reste par Y2. . . . . Les variables ainsi d6finies, appel6es composantes •principales, n'ont aucune liaison lin6aire entre elles. Souvent, les ,deux on trois premi6res composantes expliquent fi elles seules la quasi totalit6 de la vari-
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ance (90-95°0. De ce fait, en projectant dans le plan des deux premiers axes ou composantes principales, on obtient un nuage de n points dont la disposition apporte le maximum possible d'information sur la disposition des n points dans l'hyperespace R". Ce sera la "meilleure" representation plane possible, au sens objectif de perte d'information minimale. Application. La m&hode d'analyse en composantes principales a ~t~ appliqu~e ~ l'ensemble des ann~es/ stations offrant au moins quatre pr~l~vements. Les ~l~ments fournis par la m&hode permettent: de d6gager les points de pr~16vements pr~sentant de fortes b. tr~s fortes valeurs: de mettre en ~vidence un comportement ~volutif point par point, s'il existe.
Sur le Bassin de l'Adour L'analyse de 1"6chantillon disponible fait nettement appara~tre la disproportion des teneurs en DBO5 et D C O li~es aux rejets des usines de la Cellulose du Pin ~t Tartas et b. Roquefort par rapport au reste de Finformation (Fig. 3). Les valeurs importantes des teneurs en MES pour I'ann~e 1976 sur le Gros Leez, le Gave d'Oloron (point 204 en amont de la confluence avec le Saison) et I'Adour (point 231 en amont de St Sever) semblent dues essentiellement ~ des conditions hydrologiques extremes (fortes crues non 61imin6es). Sur les sites les plus perturb6s, un cycle d'~volution g6n6rale se d~gage sur l'axe correspondant aux fortes teneurs en DBOs et DCO. Ce cycle, compos6 d'un accroissement de 1970 ~ 1972 puis d'une diminution de 1973 ~ 1976, est particuli6rement apparent: Sur le Retjon en aval de Tartas (avec une l~g~re augmentation des MES depuis 1972) et les points sous-influenc~s, c'est-:~-dire la Midouze ~, hauteur de la confluence et l'Adour en amont de DAX (ce dernier point s'accompagne de valeurs plus fortes de MES). Sur I'Estampon en aval de Roquefort. On note, enfin, sur l'axe correspondant aux fortes teneurs en MES, une nette am61ioration depuis 1971 sur le Gave de Pau en aval d'Orthez.
Sur le Bassin de la Dordogne L'analyse des valeurs disponibles conduit /l une repr6sentation dans le plan des deux premiers facteurs (pourcentages d'inertie relatifs des deux premi6res valeurs propres, ~gaux h 82 et 16)~) difficilement interpr6tables. Seuls, quelques sites de pr616vement se d6gagent, tes autres formant un nuage tr6s dense dans la partie du plan correspondant aux faibles valeurs (Fig. 4). On peut n6anmoins noter: le comportement particulier du Manoire dont la qualit~ semble se d6grader depuis le d6but des observations: I'am61ioration de la Dordogne en aval de Bort-LesOrgues depuis 1972;
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Fig. 4. Analyse en composantes principales des moyennes annuelles de mes, DBO 5 et DCO sur 152 anness stations (representation partielle). Fig. 4. Dordogne basin analysis in principal components of annual means for SS, BOD~ and COD (partial representation).
une 16g~re d~gradation sur la Corr~ze en aval de Tulle; le peu d'~volution sur la Vez~re en aval de Condat.
si~me indice se r~f~re ~ diff~rentes situations (ou diff~rents instants) dans lesquelles on a observ~ ces variables• •
Application de la mdthode STATIS aux moyennes annuelles de 12 parambtres de type A sur 5 anndes La mdthode (structuration des tableaux/z 3 indices de la statistique). Cette m~thode, de raise au point r~cente (L'Hermier, 1976) se propose d'examiner des ensembles de donn~es dits "~ trois indices" darts lesquels un premier indice permet par exemple d'identitier les variables, un second indice rep~re les observations relatives ~t ces variables tandis que la troi-
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Etude de 1"6volution de la qualit~ des eaux de riviere On pourrait envisager d'/:tudier, tableau par tableau, n x p, les ressemblances entre variables mais cette fa~on de faire ne permet de r~pondre qu'assez real aux questions concernant, l'6volution des ressemblances des variables lorsqu'on passe d'un tableau b. l'autre et h la d~finition d'une vision des variables qui soit un bon "'compromis" entre les diff~rentes visions propos6es par les diff~rents tableaux. Pour r6pondre plus pr~cis6ment h ces questions, la m~thode STATIS propose diff~rentes repr6sentations graphiques des matrices de variance. ISinterstructure. Soit X~ le k i~me tableau n × p des observations recueillies (k = l . . . . . m). On d6finit les matrices n x n'S~ = X~X'~(k = 1. . . . . m) qui sont les matrices associ~es aux 'bp6rateurs introduits par Escoufier (1976). Comparer les situations entre elles (ce que STATIS appelle l'interstructure) sera rendu possible en comparant les matrices S~ entre elles. Pour ce fake, on construit la matrice 6 de dimension m x m dont l'61~ment (ij) a pour valeur Trace (S~S~). La factorisation canonique (Gower, 1966) de cette matrice permet alors d'obtenir m points P~ qui repr~sentent chacun une des situations de d6part. On trouve dans (Escoufier, 1975; L'Hermier, 1976)la justification des affirmations suivantes: Deux points P~ et P~ sont confondus (respectivement voisins) si et seulement si les matrices S~ et S~ sont identiques (respectivement voisines) c'est-h-dire si. les distances des individus dans les situations i et j sont identiques (respectivement voisines). Soit O l'origine de I'espace de repr6sentation. Les segments OP~ et OPj sont colin6aires si et seulement si les matrices S~ et S~ sont proportionnelles, c'est-/~-dire si les distances des individus dans les situations i et j sont proportionnelles. Bien sir, alors que la repr6sentation des m points est en g6n6ral exacte dans un espace de dimensions m - 1, on n'6tudie la projection que dans un espace de dimension 2. Les outils habituels d'aide h Pinterpr6tation (~ savoir: pourcentage des valeurs propres retenues, comparaison des n o r m e s . . , restent valables. Le compromis. Soit Vle vecteur propre de 6 associ6 la plus grande valeur propre. Notons V~ (i = I . . . . , m) ses 616ments. On montre que le meilleur compromis entre les m situations a pour matrice associte ~ViSi
(L'Hermier, 1976).
i=1
II est important de bien comprendre la signification de ce compromis qui n'est pas une moyenne arithm6tique des diff6rentes situations, mais une moyenne pond6r6e.
1181
Si toutes les situations conduisent h une vision voisine des individus, alors tousles Vi sont sensiblement 6gaux et le compromis est proche de la moyenne arithm~tique. Si, au contraire. :~ c6t6 d'un groupe assez homogene de situations, existent une ou deux situations dont les visions sont tr~s particuli~res, les g i attaches h ces derni6res situations vont ~tre trf:s faibles, ce qui entra~ne que les S~ correspondants n'interveinnent pas dans la d~finition du compromis. On peut dire en termes imag~s que le compromis recherche ce qui dans les visions est majoritaire: il n~glige les minorit6s 6ventuelles.
Les intrastructures et l'~colution. La factorisation de ~ ~S, i=l
fournit une repr6sentation des n individus qui est celle qui est la plus proche de toutes les repr4sentations possibles au sens o6 m
Z v,s, i=t
est le meilleur compromis. Cette representation est appel6e intrastructure de r~f~rence. Toutes les 6tudes ne justifient pas qu'on ~tudie cette intrastructure en d6tail. I1 reste darts tous les c a s q u e la projection de toutes les situations peut ~tre faite dans l'espace du compromis (en fait sur les deux ou trois premiers axes de cet espace) et qu'il est alors possible d'~tudier les differences entre les visions de chacune des situations et celle du compromis ou encore l'6volution des visions d'une situation b. l'autre.
Remarques 1. S'il est essentiel pour la m6thode que les m~mes n individus soient ~tudi6s dans les m situations, il n'est pas essentiel que les observations se traduisent par le m~me ensemble de variables dans chacune des situations. On peut ~tudier m tableaux Xk de dimensions n xpk. 2. Escoufier (1970 et 1975) a introduit le coefficient R V pour mesurer la ressemblance entre deux situations. Ce coefficient varie entre 0 et 1. Rappelons qu'un coefficient R V 6gal ~. 1 caract4rise deux situations identiques. Application de la mdthode. Pour analyser l'hvolution globale de la qualit4 des eaux sur la phriode 1971-1975, le fichier de volume maximal des donnhes disponibles sur cette p4riode a 6t6 constitu4. L'annhe 1972, prhsentant un nombre tr6s faible de sites de mesure r6pondant aux normes fix6es, n'a pu ~tre retenue. Sur les cinq ann6es restantes, seulement treize stations sur la Dordogne et douze sur l'Adour offrent des moyennes concomitantes utilisables des douze param6tres de type A suivants:
MES, DBOs, DCO, Ca 2+, Mg 2÷. Na +. K +, NH2. Cl-. HCO3. SO~.-. NO~'.
A. GUILBOTet al.
1182
1975 '~6
ADOUR
DORDOGNE
12 s t a t i o n s
197~
13 Stations 197:3
,fs# 1974 ~
,976 ,,' 7
//
tt
/
l"
t e ~'
1975
Fig. 5. Application de statis 12 parametres de type A sur 5 anndes interstructure. Fig. 5. Statis application on 12 Type A parameters for 5 years interstucture.
L'application de la m6thode STATIS/~ ces ensembles de donn6es fournit des index de variation globale de la pollution d6finie par les douze param6tres retenus (Fig. 5). Pour I'Adour, on trouve ainsi: ann6e 1973 annie 1971 ann6e 1974 ann6e 1973 ann6e 1975 ann6e 1974 ann6e 1976 ann6e 1975
= 1,30 aecroissement
= 0,79 diminution
expliqu~e par le premier axe de ranalyse (94~) montre que cela reste n~gligeable au niveau global. Le cycle de l'6volution d'une annie sur l'autre se retrouve pour chaque param~tre, l'ann~e la plus d6grad~e 6tant syst~matiquement 1973 (seuls les nitrates pr~sentent un maximum en 1974). Pour la Dordogne, la hi+rarchie des rapports est totalement diff~rente: annie 1973 annie 1971
= 0,98 diminution
= 0,74 diminution
annie 1974 = 1104 augmentation ann6e 1973
= 1,10 accroissement.
ann6e 1975
Salt une 6volution 1973 > 1974 > 1971 > 1976 > 1975. La "pollution" ~ rimage des douze param6tres de type A consid6r6s a done atteint son maximum en 1973 pour d6croitre fortement en 1974 et 1975 et offrir une tr6s l~g~re reprise en 1976. La m6thode STATIS permet d'affirmer* que ce classement n'est pas respect6 pour l'ensemble des stations. Toutefois, le fort pourcentage de variance *Non-colin~arit~ des vecteurs de rinterstructure.
ann6e 1974 ann6e 1976 ann6e 1975
= 1,03 augmentation
= 0,98 diminution
sout une 6volution 1975 > 1976 > 1974 > 1971 > 1973. Ces variations sont faibles et indiquent qu'h r6chelle des 13 stations concern~es, "'l'image" de la pollution fournie par les 12 param~tres envisaggs, gvolue peu d'une annge sur rautre, un examen plus dgtaill~ montrant un comportement relativement homog~ne sur l'ensemble des stations.
Etude de l'evolution de la qualit6 des eaux de rivi6re
1183
esfa~
,~
=w ~ ~ , , "
MONT OE MARSaN
OLORON
TARBES
/ l
( ~ 6tat
stable
~/"
C) tendance ~ I' amelioration
J
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de
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de
parorn~tre
~ Io diminution
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~ j • "'"" ..... "*'"
Io
concentration
~ ~¢
\~,NO, "~NH 4
d' un
par ticulier
Fig. 6. Qualit6 des eaux du bassin de I'Adour tendance stationnelle p6riode 1971-1976. Fig. 6. Adour basin water quality: Station tendency 1971.-1976 period.
Conclusion de l'analyse des donn~es en rivibre
Sur le Bassin de la Dordogne (Fig. 7)
L'examen descriptif et statistique des donn6es de qualit¢~ des cours d'eau de l'Adour et de la Dordogne a permis de d6gager des 6volutions tr6s diff6renci6es selon le bassin consid6r6.
La "'vision" de la pollution est beaucoup mains diff/:renci6e d'une ann6e h l'autre et d'une station I'autre, les teneurs restant g6n&alement faibles ou tr6s faibles. L'examen de l'6volution de la qualit6 sur cinq ann6es l'6chelle de 13 stations (c'est-~-dire au niveau des sites les plus perturb6s puisque les plus suivis) montre une h~g6re d6gradation de 1973 /l 1975 avec un 16ger "mieux'" en 1976. Par contre, en ne consid6rant que les ann6es 1971 et 1976 pour lesquelles 26 stations sont disponibles (c'est-~.-dire lorsqu'on int6gre aux 13 stations pr6c6dentes des stations offrant des niveaux de faible ~ tr6s faible pollution), cette dc~gradation apparah bien plus importante. I1 semblerait done qu'au niveau des sites pr6sentant potentiellement des probl6mes de qualit6, on n'observe pas ou peu d'/~volution (peut-~tre une 16gc~re am61ioration globale en terme de DBO s, D C O et MES) et qu'on assiste par contre h une plus forte d6t~rioration de la qualit6 des sites mains caract6ristiques. Ceci dolt &re compl6t6 par deux observations:
Sur le Bassin de l'Adour (Fig. 6) On note de mani6re g6n/:rale et plus significativement au niveau des sites les plus perturb6s, une amdlioration incontestable particulic~rement en terme de DBOs, D C O et mati6res en suspension (c'est-h-dire vis-a-vis des param6tres de base du calcul des redevances). Des 6volutions importantes ant conduit h u n maximum de d6gradation de la qualit6 globale en 1973 puis h une forte am61ioration en 1974 et 1975 avec une tr6s 16g6re augmentation des teneurs en 1976. La faible aggravation de 1976 semble difficile tt rattacher aux conditions hydrologiques particuli6res de cette ann6e, les d6bits moyens annuels n'6tant pas syst6matiquement plus faibles sur ce bassin. L'importance de l'ensoleillement cette ann6e-lh a pu cependant provoquer des temperatures plus ¢~lev6es qu'~. rordinaire. Les r6suhats obtenus sur les seules annexes 1971 et 1976 /~ l'6chelle de 21 stations no sont pas incompatibles avec ceux obtenus sur cinq ann6es/~ l'6chelle de 12 stations.
Les donnges du Manoire font exception ~ la remarque pr~cc~dente car le site est tr~s perturbg et se dggrade dans le temps.
1184
A. GutLBOTet al. •
O O
Tendance 6 la d6gradation Etat stable Tendance 6 I'am~lioration Tendance 6 I'augmentation Tendance 6 la diminution
.,//
,°;/ P - - - - 4 ~ , ~ u ~ u ,
de Io concentration de Io concentration
,'.~;"..../--
~
d'un d'un
param6tre par t i cul i er param6tre particulier
(
,-,~7
f
~o
r
Fig. 7. Qualit6 des eaux de bassin de la Dordogne tendance stationnelle p6riode 1971-1976. Fig. 7. Dordogne basin water quality station tendency: 1971-1976 period.
Bien que l'ann6e 1976 n'offre pas syst6matiquement un d6bit moyen annuel le plus bas de la p6riode d'observation, les conditions hydrologiques particuli6res de cette ann6e ne sont pas/~ ignorer et interviennent sans doute de mani6re plus significative que sur I'Adour. DEUXIEME PHASE: RECHERCHE DES
RELATIONS CAUSALES POLLUEUR/ POLLUTION: CAS DU BASSIN DE L'ADOUR L'approche descriptive de l'~volution des param~tres de qualit~ des rivi~res a permis de d6gager des tendances ponctuelles ou globales ind6pendamment des ph6nom~nes pourvant 6ventuellement justifier ces modifications. La deuxi6me phase de l'6tude a eu pour but d'examiner et si possible de quantifier les liens entre l'6volution des teneurs en rivi~re et l'6volution de la (ou des) source(s) polluante(s) a priori explicative(s) de ces teneurs. Nous ne pr~senterons que les rdsultats obtenus sur le bassin de rAdour. Darts le cas d'un point de pr616vement situ6 en aval d'une source polluante suffisamment importante pour consid6rer les autres sources comme n~gligeables, une m6thode graphique 616mentaire a 6t6 utilisde pour mettre en 6vidence les modifications de la relation, pollueur/pollution d'une ann6e sur l'autre. Darts le cas contraire, c'est-~t-dire pour une origine des teneurs beaucoup plus diversifi~e, le calcul d'une valeur moyenne annuelle de DBO~ a 6t6 effectu~ sur la base des 616ments d'informations recueillies dans
les fiches d'enqu~tes et les tableaux de I'Agence pr~:cisant les caract~ristiques des sources de pollution, certaines hypotheses simples sur les ph~nom~nes de dilution ~tant admises. Cas d:une source polluante fortement preponderante: methode graphique Les sites. Pour un certain nombre de sites de pr~16vement, la qualit~ des eaux de la rivi~re est presque essentiellement conditionn~e par un pollueur unique (industrie ou collectivit6), les autres sources de pollution 6tant relativement n6gligeable. Dans le bassin de rAdour, une dizaine de points de pr~l~vements satisfont de mani~re plus ou moins rigoureuse/l ce crit6re. La m~thode. Pour d6gage/" un changement de tendance entre deux s~ries d'observations, le proc~d~ de la repr6sentation "en double masse" est commun~ment employs en hydrologic (homog~n~isation des informations pluviom6triques). Cette representation consiste/t porter les grandeurs cumul~es des deux s~ries dans un syst~me d'axe X, Y. La droite unique observ~:e dans le cas de deux s~ries d'~volution identique pr~sentera par contre des cassures et des modifications de pente lors de changements de comportement d'une s~rie par rapport l'autre. Les concentrations moyennes annuelles cumul6es des param~tres jug6s significatifs de la source polluante consid~r~e ont ~t~ port~es en Yet les caract~ristiques cumul~es de production annuelle de cette source (tonnesjour- 1, l j o u r - ~, nombre d'habitants . . . . ) en X.
Etude de r~volution de la qualit~ des eaux de rivi~re
1185
Tableau 2. Exemple d'application de la m~thod "double masse". Commentaires b. la Fig. 8 Sous-Bassin Retjon
Point de pr61bvement 224.100
Sourse de pollution
R~ultats
Remarques
Cellulose du Pin Changements de pente (Tartas) marqu6s en 73 et 75 dans le sens d'une amelioration (surtout en terme de DBO~ et DCO)
Les r~sultats. L'application de la m6thode aux donn6es du bassin de la Midouze (Estampon, Retjon, Douze, Midouze) conduit/L des repr6sentations particuli(~rement int6ressantes et ais~:ment interpr6tables, rimpact des diverses interventions sur la relation pollueur/pollution apparaissant clairement (e.g. Tableau 2 et Fig. 8). Les r6sultats sont moins caract6ristiques sur l'Adour et les Gaves du fair du peu d'interventions au niveau des quelques points consid6r6s et d'une distribution des sources polluantes beaucoup plus diffuse.
Ces ameliorations sont tout aussi apparentes si nous consid6rons non plus les concentrations cumulbes mais le flux ou les concentrations "norm~es". Les bvolutions ne sont donc pas uniquement dues ~, des conditions hydrologiques diff~rentes mais sont les consequences des actions de lutte contre les pollutions r~alisbes (bassins de stockage et am61ioration de la r6cup~ration des fibres en Juillet, 1973, am(~nagement en Mai, 1975)
C o m m e grandeur repr6sentant la qualitd de la rivibre, nous avons retenu ici la moyenne annuelle des concentrations en DBOs mesur6es sur les 8 ou 10 pr6h~vements instantan6s disponibles. C o m m e grandeur permettant d'estimer la pollution d~vers~e, nous avons reconstitu6 un flux de DBO~ qui est la somme des flux apport6s par chaque source de pollution corrig6s pour tenir compte des augmentations de production et des op6rations de r6duction des pollutions. Afin de pouvoir comparer des grandeurs homog(~nes, ce flux de D B O s a 6t~ converti en concentration, appel6e par la suite DBO5 estim6e, en le divisant par la moyenne annuelle des d6bits observ6s dans le cours d'eau/t l'occasion des mesures de qualit& S'il est vrai que la repr(~sentativit6 effective de la mesure de DBO5 reste tr6s contrevers6e, elle demeure l'une des rares /t fournir un indice de r6action du milieu b. une pollution donn6e (r6sultant d'un ensem-
Developpement d'une methode plus generale applicable a la DB05 Presentation sommaire de la mdthode. L'id6e de base de la m6thode consiste ~ comparer les 6volutJons d'une grandeur refl6tant la qualitd mesurde de la rivibrd et d'une grandeur variant comme la pollution ddvers~e qui ne peut ~tre qu'estim~e.
pK': 9 9 8 . 6 Station : 224.100
15OO
1974e /
I t~ E
1973 / /e
."
D805 en concentration el976 Fiuz de DBO5
1975 / e
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11976
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1975
DBO 5 "norm~e" ~ . ! 1976
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1972.
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I 15OO
productions, de popier J o u r -~
Fig. 8. Le Rctjon en aval de Tartas, Fig. 8. Retjon river downstream to Tartas.
AmGUILBOT et al.
1186
DBO 5
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pK: 9 9 8 . 6 S t a t i o n : 224.1
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pK: 9:34.85i S t a t i o n : 212
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1971
1972
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1976
I 1976
Fig. 9. (a) Le Retjon en aval de Tartas. (b) L'Adour en amont de Dax. (c) Le Gave de Pau a Lacq-Partides. Fig. 9. (a) Retjon river downstream Tartas. (bl Adour river upstream to Dax. (c) Gave de Pau river at Lacq-Pardies station.
ble complexe d'actions chimiques et biologiques) permettant de suivre le comportement des rivi6res. Dans le cas de sous-bassin interm6diaire, le "flux entrant" dans le sous-bassin a 6t6 estim6 h partir des observations de DBO s b. la station amont. II convient ici de bien insister sur le fait que ces calculs n'ont pas la pr6tention de reconstituer la DBOs r6ellement pr6sente darts le cours d'eau.* II s'agit plutft de reconstituer une grandeur fictive, homog6ne ~ une concentration qui est ~ consid6rer comme un indicateur dont le num6rateur cro~t avec la pollution d6vers&e et le d6nominateur d6cro~t avec les d6bits observ6s dans la rivi6re. On pourra donc ainsi obtenir des graphiques d'6volution conjointe de la "DBO~ observde'" et de la "DBO~ estim~e" et par suite juger si les variations de la "'DBOj observde" sont li6es ou non ~ la variation de pollution rejet6e. Afin de mettre en 6vidence sur la rivi6re rinfluence des interventions de lutte contre la pollution prati*Cela n'est pas possible puisqu'on n6glige entre autres l'auto6puration.
qu6es aupr6s des collectivit6s ou industries, nous avons 6galement calcul6 et port6 graphiquement la DBOs estim6e en rabsence d'interventions. Signalons enfin que pour rendre r6volution des DBOs d'une ann6e sur rautre mains d6pendante des conditions hydrologiques, nous avons "normalis~" les DBOs observ6es, estim6es avec ou sans intervention par rapport au d6bit moyen sur rensemble des ann6es d'observations. Les rdsultats. Dans la majeure partie des cas: l'indicateur DBOs estim6e et la DBOs observ6e sont du m~me ordre de grandeur; les DBOs observ6es et estim6es 6voluent dans le m~me sens, ce qui semble montrer que ce que r a n mesure dans le cours d'eau refl~te assez bien l'6volution de la pollution d6vers6e (Fig. 9). I1 paralt tout /l fait remarquable qu'une m6thode, somme toute rustique, aboutisse h une telle qualit6 de r6sultats. Pour les stations situ6es le plus ~. r a m o n t d'une rivi6re et lorsque les sources polluantes r6pertori6es sont faibles, la DBOs observ6e est tr6s souvent
Etude de l'6volution de la qualite des eaux de rivi~re sup~rieure/~ la DBO~ estim6e. Ce bruit de fond peut ~:tre important, de I+ordre de 3 mg 1- ~ de DBO~, d'autant plus important qu'il s'agit d'une rivi/:re :~ fort d6bit. A l'aval imm~diat d'une source polluante importante, la DBO~ observee est le plus souvent inf6rieure la DBO~ estim6e alors que les profils d'6volution des DBO~ en fonction du temps sont sensiblement identiques. Ceci tient sans doute b. l+origine de l'6valuation de la DBO~ estim6e, r6alis6e ~ partir des donn6es de "redevance". Pour les industries importantes, ces redevances sont calcul6es ~ partir de coefficients sp6cifiques mesur6s et de la d6claration de production correspondant ~, la moyenne journali6re du mois d'activit6 maximale. La DBO~ observ6e corre•spond par contre h la moyenne annuelle. Cette sup~riorit6 de la DBOs estim6e par rapport la DBO~ observ/:e est encore plus nette lorsque les apports polluants r~sultent de rejets saisonniers comme c'est le cas dans le bassin de l'Adour pour les distilleries. Conclusion sur I'application de la mdthode. La DBO~ se r6v61e ~tre un assez bon crit6re pour la plupart des stations except6 le cas particulier des rejets en provenance d'industrie chimique. L'6volution des redevances int6grant les cons6quences des interventions, la bonne concordance g6n6rale entre les chroniques de DBO~ estim6e et mesur6e en rivi~re (en moyenne annuelle) montre l'impact effectif des interventions de l'Agence sur le milieu naturel dans le bassil~ de l'Adour dans les limites de repr6sentativit6 de ce param6tre+ La comparaison des teneurs en NH~ observ6es et estim6es aurait 6t6 sans doute aussi int6ressante mais nous nous sommes heurt6s h deux difficult6s pour l'utilisation de ce param/:tre: Si l'estimation de NH~ en provenance de collectivit6s peut ~tre assez bien connue, il n'en est pas de m i m e de celui en provenance des 6tablissements industriels, du moins tant que ce crit6re n'est pas retenu dans l'appr6ciation des redevances et par cons6quent souvent non mesur6 au niveau des rejets industriels. Par ailleurs, il semble qu'un probl6me de pr6cision d'analyse de l+azote ammoniacal se pose darts quelques caz (les variations de teneurs rencontr6es ~. certaines stations sont uniquement dues ~. des seuils de d6tections diff6rents des laboratoires ayant effectu6 les analyses). CONCLUSION GENERALE L'~tude descriptive et statistique des param~tres de la qualit6 des cours d'eau telle qu'elle a 6t6 men6e a finalement d6gag~ une m6thode permettant: D'appr6cier 1"6volution de la qualit6. De montrer, par la prise en compte des facteurs susceptibles de justifier cette 6volution, l'impact des actions de lutte contre la pollution. w.R. 1617--H
1187
L'application aux donn6es des bassins de l'Adour et de la Dordogne montre: Une nette am61ioration de la qualite des eaux du bassin de I'Adour, particuli6rement au niveau des sites les plus perturb6s et sur les param/:tres de base du calcul des redevances. Cette am61ioration se rattache assez bien aux interventions menses sur ce bassin. Un &at beaucoup moins 6volutif de ta qualit6 des eaux du bassin de la Dordogne. caract6ris~ par: Une stabilit~ des points les plus perturb6s/l une ou deux exceptions pr~s. Une bonne qualit6 g6n6rale, avec une tendance ~ la d6t6rioration d'une certain nombre de sites. La m6thodologie d'exploitation des donn6es de qualit6 des eaux de rivi6res que nous proposons semble suffisamment g~n6rale et performante pour btre appliqu6e ~. d'autres, I1 n'emp~che que bon nombre de probl~mes qui sont apparus au cours de l'~tude restent pos~s. La d6finition de 1"6volution de la qualit6 des cours d'eau est largement perturb6e par des effets cons~cutifs fi I'h6t~rog~n~it6 des conditions de mesure: Modification des seuils d'analyse ou des m6thodes d'6chantillonnage. Modification des heures ou m~me des sites de pr616vement. Variabilit6 des conditions d'hydraulicit6. Nous nous effor¢ons, dans le cadre d'actions en cours, de valoriser ces enseignements en tentant de prendre en compte ces perturbations afin d'61argir le champ d'application de la m~thode.
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