Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire d'hydrologie et aménagements HYDRAM)

Regional and local scale pesticide transport in the alluvial plain of the Swiss Rhône River Valley

Meiwirth, Kirsten ; Mermoud, André (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2869.

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    Summary
    The herbicide transport and the groundwater vulnerability to pesticide contamination were studied in the alluvial aquifer of the Rhône River Valley near Martigny (Southwest Switzerland). The low clay and organic matter content of the soil, the intensive agricultural use, and the low depth of the groundwater table, lead to an alleged high vulnerability of the groundwater to contamination. Groundwater is used for irrigation, drinking water supply, and industrial purposes; it is of great economic and ecological importance which makes it particularly interesting to study. The work consists of local scale transport experiments and a regional monitoring of the groundwater over a two year period. At the local scale, two herbicides (atrazine and isoproturon) and a tracer were applied to instrumented field plots (4 m2) in two consecutive years and the transport through the vadose zone was studied in detail. Water flow and solute transport are closely linked to climatic factors. After the application, the pesticides remain at the soil surface as long as no precipitation occurs. Following to the first heavy rainfall, the chemicals are quickly transported through the vadose zone and part of them reaches the groundwater in a short time. During dry periods, the concentrations decrease steadily in the soil profile and the groundwater. After further rainfall, additional concentration peaks are observed in the groundwater, while only small peaks appear near the soil surface. Approximately 2.5 months after the application, the chemical concentration in the soil and in the groundwater has decreased considerably. The experimental results have been used to evaluate a mechanistic deterministic root zone model (HYDRUS-1D). The aim of the simulations was to define the processes involved in pesticide transport and, if possible, to predict the fate of chemicals applied at the soil surface. The MIM (mobile-immobile water) concept was used in order to account for the rapidity of the observed transport. In the study area, the shallow groundwater influences considerably the water conditions in the unsaturated zone; apparently, in such cases the use of a one-dimensional model to simulate the water flow and the chemical transport in the vadose zone is hindered due to difficulties in defining the lower boundary condition. Groundwater flow is typically three-dimensional and therefore, a global (saturated - unsaturated) 3-D model or the coupling of an unsaturated 1-D model to a 3-D saturated model would be more appropriate. Nevertheless, HYDRUS-1D allowed to describe qualitatively the observed results and to confirm the assumption that accelerated flow occurs on the experimental plots. At the regional scale, 13 piezometers were installed in an observation area (400 ha), and the groundwater was regularly analysed for the concentration of 6 herbicides (atrazine, terbutylazine, simazine, deethylatrazine, isoproturon, and diuron). Herbicides were detected in 12 piezometers, sometimes at high concentrations, but during a short period of time (mid May to mid July). Throughout the rest of the year, the concentrations remained below the drinking water limit. The observations are in good agreement with the conclusions of the local experiments (rapid transport, important influence of the climatic conditions, quick decrease of concentration peaks). Furthermore, the groundwater characteristics play an important role for the observation of herbicides. Near the Rhône river, high hydraulic gradients quickly dilute chemicals leaching from the fields above and herbicides coming from more distant fields may also be observed. Near the slope, an inflow of contaminated water from the hill side (vineyards) contributes to the groundwater contamination. Within the plain, high concentrations of herbicides applied to an above located field can temporarily be observed. Contaminations are confined in time and space and different substances are detected from one piezometer to another. This lack of continuity in pesticide concentrations will complicate the prediction of the solutes' fate in the groundwater, and a very precise knowledge of the pesticides use, both in space and time, is required.
    Résumé
    Les processus de transport d'herbicides et la vulnérabilité de la nappe à des contaminations chimiques ont été étudiés dans une zone de la plaine du Rhône alluviale valaisanne située près de Martigny, au Sud-Ouest de la Suisse. Les faibles teneurs en argile et en matières organiques du sol, l'utilisation agricole intensive et la faible profondeur de la nappe souterraine laissent à penser que la nappe, d'une grande importance économique et écologique, est exposée à des risques de contamination par des substances appliquées à la surface du sol. L'étude repose sur l'association d'essais à l'échelle locale et d'observations à l'échelle régionale effectués pendant une période de deux ans. A l'échelle locale, deux herbicides (atrazine et isoproturon) et un traceur ont été appliqués sur des sites expérimentaux (4 m2) largement instrumentés pendant deux années de suite et le transport à travers la zone non saturée a été suivi de façon systématique. Il apparaît que les mouvements d'eau et le transport de solutés sont étroitement liés aux facteurs climatiques. Après l'application, et en l'absence de précipitations, les herbicides demeurent à la surface du sol. Lors de la première pluie importante, les herbicides sont transportés rapidement à travers la zone non saturée et une fraction atteint la nappe très rapidement. Durant les périodes sèches qui suivent, les concentrations diminuent régulièrement dans tout le profil de sol. A la suite d'autres événements pluvieux, de nouveaux pics de concentration sont observés dans la nappe, alors que seuls de très faibles pics sont détectés dans la zone non saturée près de la surface du sol. Environ 2.5 mois après l'application, les concentrations en herbicides dans le sol et dans la nappe ont diminué considérablement. Les résultats des expériences à l'échelle locale ont été utilisés pour évaluer un modèle de type mécaniste déterministe (HYDRUS-1D) en vue de mieux comprendre les processus impliqués dans le transport de pesticides et de prédire le devenir des substances chimiques appliquées à la surface du sol. Vu la rapidité des processus de transport observés, il a été fait appel au concept MIM qui suppose qu'une partie de l'eau du sol est immobile, alors que l'autre fraction est mobile. Dans la zone d'étude, la nappe peu profonde influence considérablement le comportement de l'eau dans la zone non saturée. Il ressort des simulations que dans telles situations, le recours à un modèle uni-dimensionnel pour simuler les transferts d'eau et le transport de solutés dans la zone non saturée se heurte à la difficulté de définir correctement la condition à la limite inférieure. L'écoulement dans la nappe étant tri-dimensionnel, un modèle global (saturé - non saturé) à trois dimensions ou, éventuellement, un modèle uni-dimensionnel pour la zone non saturée couplé à un modèle tri-dimensionnel pour la zone saturée, seraient sans doute plus appropriés. Cela étant, le modèle HYDRUS-1D a permis de décrire, au moins qualitativement, les résultas observés et de confirmer la plausibilité de l'hypothèse que de l'écoulement accéléré se produit aux sites expérimentaux. A l'échelle régionale, 13 piézomètres ont été installés dans une zone d'observation de 400 ha et des échantillons d'eau ont été prélevés régulièrement en vue de la détermination de leur concentration en 6 herbicides (atrazine, terbutylazine, simazine, deethylatrazine, isoproturon et diuron). La présence d'herbicides a été détectée dans 12 piézomètres, parfois à forte concentration, mais durant une brève période (entre mi mai et mi juin); le reste du temps, les concentrations étaient très faibles. Les principaux résultats des essais sur sites expérimentaux (rapidité du transport, importance des conditions climatiques, diminution rapide des pics de concentration) se confirment à l'échelle régionale. Par ailleurs, les caractéristiques de la nappe influencent notablement le devenir des herbicides. A proximité du Rhône, les gradients de charge hydraulique élevés diluent et entraînent rapidement les herbicides issus des parcelles sus-jacentes; par ailleurs, des substances provenant de sources plus éloignées peuvent également être observées. Près du versant, l'apport d'eau contaminée en provenance du coteau (vignobles) peut contribuer significativement aux pics de concentration. Au centre de la plaine, de fortes teneurs en herbicides appliqués sur les parcelles sus-jacentes peuvent être détectées temporairement. Les contaminations sont limitées dans le temps et dans l'espace et des substances différentes sont observées d'un piézomètre à l'autre. Cette absence de continuité des concentrations laisse entrevoir des difficultés pour prédire le devenir des substances dissoutes dans la nappe et la nécessité de connaître précisément le régime d'application des pesticides.