Méthodologie d`évaluation écotoxicologique de matériaux de dragage : tests de la démarche et essais d`optimisation
Résumé
This report focuses on additions brought to an ecological risk assessment tiered approach previously developed for two dredged materials management scenarios: one consists of a dredged materials deposit in an open gravel quarry, and the second is an non-confined deposit on soil. These additions concern either tests of certain tiers, or attempts for optimising some of the protocols. Furthermore, a risk characterisation method is developed, and two other scenarios are outlined. Tier 1: rough risk assessment The first tier of this ecological risk assessment approach (ERA) is based on a chemical contamination assessment, coupled with a mean quotient approach allowing to pool the results in a single figure. Its relevance was assessed on the basis of three datasets: the first two aimed at testing the relationship between the chemical contamination and mean quotient values on one side (chemistry), sediment toxicity as revealed by laboratory tests on the other. Several kinds of sediment quality thresholds were also examined in that context, along with two different mean quotient designs. The third dataset was made of chemical data only, and was used for a draft assessment of the operational consequences of the proposed decision threshold values. Both chemistry + toxicity datasets displayed a rather good relationship between quotient values and toxicity incidence, up to a mean quotient value of about 2, depending of the dataset. Above this value, the toxicity incidence does not increase up to 100%, and even decreases. No explanation was found to this observation. In addition, a selection is needed in the datasets prior to the assessment of the relationship between the chemical contamination and the toxicity; this selection is designed for discarding the samples for which the toxicity is probably due to unmeasured chemicals. The proportion of discarded samples is indeed a critical element for assessing the overall relevance of this tier: if there was a rather high proportion of toxic samples associated with a low measured contamination, the relevance of the approach would be questionable. This proportion was about 30% in the two datasets used for the tests, which originated from the Netherlands and Flanders (Belgium). It appears therefore important to determine the true proportion in France. The operational consequences of the mean quotient values proposed for decision were variable, depending of the region. Moreover, as data on the concerned volumes were lacking, the accuracy of this analysis was somewhat hindered. Although the fit of the statistical models summarising the relationship between toxicity and mean quotient values was partially defective, it seems possible to use the mean quotient - rather than other formulas - as a basis for making the decision at this tier. The cut-off values proposed initially, i.e. 0.1, below which the project could go on without further restriction, and 0.5, above which a detailed ERA should be done, can be kept, considering the available knowledge. Tier 2: hazard assessment In the first version of the approach, this tier was based on two bioassays, namely Chironomus riparius survival and growth (7 days, French standard) and Hyalella azteca survival and growth (14 days). An alternative option could consist of replacing one of these tests by a pore water test, e.g. Brachionus calyciflorus (48 hours, survival and reproduction), in order to consider various types o hazard. Unfortunately, apart a small set of data available at Cemagref, we could not identify dataset allowing to compare these options, nor other combinations. The Cemagref`s data analysis, which should be considered as a very preliminary assessment, suggests that H. azteca and B. calyciflorus provide similar results. It would be necessary to collect more data on field sediments, where these three tests (at least) would be applied systematically, in order to complete the analysis, since these options are not strictly equivalent in economical terms. Tier 3: ecological risk assessment The initial methodology was modified for both scenarios; this tier is now divided in two steps. The first step is based on standard tests, or at least tests liable to be standardized. The second step involves more sophisticated tools, for instance microcosms, and would be used only if no conclusion could be obtained at the previous step. Open gravel quarry deposit scenario The main innovation brought to the initial methodology was to develop a rigorous approach to risk characterization and to uncertainty evaluation. This approach is based on the definition of effect and exposure classes; their combination leads to pre-defined risk classes. Each measurement`s uncertainty is determined in function of pre-determined criteria, through a score ordination approach. The overall uncertainty of a given assessment endpoint is defined as the mean of individual measurements uncertainty scores. For the assessment endpoint focusing on groundwater degradation, the risk will still be characterized by a quotient approach; nevertheless, the related uncertainty will also be assessed in reference to pre-determined criteria and a score ordination approach. Unconfined soil deposit scenario As for the previous scenario, a risk characterization based on effect and exposure classes is outlined, but could not be finalized yet. The main reason is the lack of data on exposure routes, hampering the definition of acceptable class boundaries. It is necessary to collect field data on deposits in order to complete the approach. New scenarios Two scenarios have been outlined: the first focuses on the risk posed by the dredging operation itself, the second is dedicated to cases where dredging is only an option among several, when there no regulatory or technical necessity of dredging. Usually, the dredging operation will cause an increase of turbidity, a decrease of dissolved oxygen, and a release of ammonia. These three stressors, when combined, may affect aquatic organisms survival, particularly for fishes. Two strategies can be considered for assessing appropriately this risk, either an experimental approach or an approach combining a physical-chemical test and a model. Both strategies should be further developed and tested prior to the final selection of the means (tests) and their standardization. When there is neither a regulatory, nor a technical need to dredge, the issue for a manager skips from "how to manage the future dredged materials without adverse effects to the environment" to "is it better to dredge or to keep the sediments in place". Therefore, the desired approach should compare two or more management options. The first term of that comparison focuses on the expected damages to the ecosystem if the sediment is kept as such. The second term results itself of the sum of several kinds of risks and benefits, including the risks related to the dredging itself, and those related to the dredged materials management, and the expected benefits related to the sediment removal. The proposed approach, which is still theoretical and would need further developments and tests, would consist of several modules, each tackled as a risk assessment, and a multicriteria method for combining the modules results into a single figure.
Ce rapport présente les compléments apportés à la démarche d`évaluation des risques pour l`écosystème proposée précédemment pour deux scénarios de gestion de matériaux de dragage : dépôt dans une gravière en eau, et dépôt non confiné sur sol. Les compléments présentés portent sur des tests des différentes étapes de la démarche, l`optimisation de certaines parties des protocoles, le développement d`une méthode de caractérisation des risques, et l`esquisse de nouveaux scénarios. Etape 1, évaluation sommaire du risque La première étape de la démarche d`évaluation des risques pour l`écosystème est basée sur l`analyse d`une série de paramètres chimiques, dont les résultats sont ensuite agrégés sous forme d`un quotient de risque. Le test de cette première étape s`est appuyé sur trois jeux de données : deux ont permis d`étudier la relation entre contamination chimique, et valeur du quotient d`une part, toxicité mesurée à l`aide de tests écotoxicologiques d`autre part. Plusieurs types de seuils de toxicité ont été également examinés pour le calcul du quotient, ainsi que deux formules différentes pour sa détermination. Une troisième série de données, constituée uniquement de résultats d`analyse, a permis de procéder à une première analyse des conséquences du choix proposé pour les valeurs de quotient entraînant les différentes décisions possibles. On observe dans les deux séries testées une bonne relation entre valeur de quotient et incidence de la toxicité pour les valeurs de quotient moyen comprises entre 0 et 1 ou 2, selon la série. Au-delà, l`incidence de la toxicité n`augmente pas et même diminue. Aucune explication satisfaisante n`a pu être trouvée avec les données disponibles. Par ailleurs, l`examen de la relation entre valeur de quotient et incidence de la toxicité nécessite une filtration préalable du jeu de données, pour écarter les points pour lesquels la toxicité est probablement due à des substances non mesurées. La proportion d`échantillons ainsi écartés est un élément critique par rapport à la pertinence de l`ensemble de la démarche elle-même. En effet, si l`on constatait une proportion importante d`échantillons toxiques alors que la contamination mesurée est faible, la pertinence de la décision associée au seuil de décision le plus bas paraîtrait discutable. Cette proportion était d`environ 30% pour les deux séries testées, d`origine néerlandaise et belge. Il paraît donc important de déterminer cette proportion dans le contexte français. Les conséquences opérationnelles du choix des valeurs décisionnelles pour le quotient sont variables d`une région à une autre ; de plus, l`absence de données sur les volumes associés aux résultats d`analyse diminue fortement la portée de cette analyse. Malgré un ajustement imparfait aux modèles statistiques de relation entre incidence de la toxicité et quotient moyen, il paraît possible d`utiliser ce dernier, de préférence à d`autre formules, comme base pour les seuils décisionnels de cette étape. Les valeurs de 0.1 (seuil inférieur ; décision de poursuite des travaux sans contrainte particulière) et 0.5 (seuil supérieur, décision de procéder à l`évaluation détaillée des risques) peuvent être conservées, en l`état actuel de nos connaissances. Etape 2, évaluation de danger La proposition de départ pour cette étape était basée sur deux bioessais (Chironomus riparius et Hyalella azteca) appliqués au sédiment. Une proposition alternative consisterait à remplacer un des bioessais sur sédiment, par exemple H. azteca, par un test sur eau interstitielle, comme B. calyciflorus, afin de prendre en compte différents types de danger. A part un petit nombre de résultats de tests de toxicité sur sédiments de la base de données du Cemagref, nous n`avons pas identifié de jeux de données permettant de comparer ces deux associations, encore moins d`autres combinaisons. L`examen des données issues de la base Cemagref, qui ne peut être considéré que comme une analyse préliminaire, suggère que H. azteca et B. calyciflorus donnent des résultats convergents. Il serait nécessaire de collecter des données de caractérisation des sédiments recourant systématiquement à ces trois essais, d`autant plus que les différentes combinaisons possibles ne sont pas équivalentes d`un point de vue opérationnel ni en termes de coût. Etape 3, évaluation des risques Pour les deux scénarios, on distingue désormais dans cette étape deux parties : une partie basée sur des tests normalisés, ou à tout le moins standardisés, et une partie « à façon », employant en tant que de besoin des moyens plus sophistiqués (par exemple des essais en microcosmes). Cette deuxième partie ne serait mise en oeuvre que si la première ne permettait pas de conclure. Scénario « dépôt en gravière » Le principal développement apporté a consisté à proposer une démarche rigoureuse pour la caractérisation des risques et des incertitudes associées. Cette démarche est basée sur la définition de classes d`exposition et d`effet, dont la combinaison conduit à des classes de risque prédéfinies. L`incertitude est évaluée, pour chaque mesure, en fonction de plusieurs critères également prédéfinis, par ordination de scores (SIRIS). L`incertitude globale par hypothèse (paramètre d`évaluation) est définie comme la moyenne des incertitudes des mesures. Pour l`hypothèse de risque concernant la nappe phréatique traversant la gravière, on conservera la méthode du quotient. En revanche, l`incertitude pourra être évaluée selon la même approche que ci-dessus. Scénario « dépôt non confiné sur sol » De même que pour le scénario précédent, une démarche de caractérisation des risques par classes a été mise en chantier. Elle bute actuellement sur le manque de connaissances sur les expositions, empêchant de définir des classes d`exposition sur une base solide. Il paraît indispensable de collecter et analyser des données sur des sites de dépôt pour compléter cette démarche. Nouveaux scénarios Deux esquisses sont proposées, concernant d`une part le risque associé à la réalisation des travaux de dragage, d`autre part l`évaluation comparée des risques et bénéfices lorsqu`il n`y a pas d`obligation technique ou réglementaire de procéder à un dragage. La réalisation de dragages provoque en général une augmentation de la turbidité, une diminution du taux d`oxygène dissous et un relargage d`ammoniaque. Ces trois éléments combinés peuvent affecter la survie des organismes aquatiques, en premier lieu des poissons. Deux approches sont envisageables pour analyser ce risque, une approche expérimentale et une approche combinant un test physico-chimique et un modèle. L`une comme l`autre de ces approches doivent être mises au point et testées avant d`arrêter le choix des moyens à mettre en oeuvre et de les standardiser. Lorsqu` il n`y a pas d`obligation de curage ou de dragage pour maintenir la navigabilité des biefs, la question posée au maître d`ouvrage se déplace de « comment gérer les matériaux sans impact nuisible sur l`environnement » à « est-il préférable de retirer les sédiments ou de les laisser en place » ? Il s`agit donc d`une approche comparative entre au moins deux options de gestion. Le premier terme de la comparaison concerne les risques pour l`écosystème aquatique si le sédiment est laissé en place ; le deuxième terme est lui-même composite, et requiert d`évaluer les risques au moment du curage, les bénéfices pour l`écosystème, et les risques engendrés par les matériaux extraits. La démarche proposée, qui reste théorique et à élaborer en détail et à tester, consisterait à aborder chaque terme, ou module, sous forme d`une évaluation de risques, et de combiner les résultats de ces modules à l`aide d`une méthode multicritères.