Bilan azoté d’une Zone Tampon Humide Artificielle : puits ou source d’azote ?
Abstract
Nitrogen mass balance of an artificial wetland: well or source of nitrogen? Rampillon wetland, Seine-et-Marne (77) Fresh water quality degradation has become a growing concern as it damages ecosystems and leads to reconsider the relevance of alternative purifier systems. The Seine-etMarne territory is characterized by intensive cereal agriculture and a 100% drained surface for the 355 ha Rampillon catchment. The protection of the Champigny groundwater resource (77) is a fundamental issue for drinkable water supply, involving nearly 1.5 million Paris inhabitants. In this respect, the artificial wetland of Rampillon has been created in 2010 with the aim to intercept tile drainage water loaded in nitrates and located upstream of the groundwater point refill.
The objective of the study is to realize an integrated nitrogen mass balance at the Rampillon artificial wetland scale, involving multiple compartments (sediments, plants, water and atmosphere). The study especially focuses on the nitrogen elimination processes by assimilation, immobilization and bacterial denitrification. First, the nitrogen immobilization through plants and sediments is estimated for the 0.53 ha wetland area. Second, the denitrification process is evaluated and simulated thanks to the use of a simplified model following a first order removal equation ("Tank-in-series" model). Sediments currently store per year 183 kg of organic nitrogen from the plants degradation, and 29 kg of mineral nitrogen which for it is a temporary storage. Denitrification mainly takes place at the water/sediments interface, which explains the very little amount of nitrates trapped in this compartment. The three dominant species of plants are studied together with an immersed specie. The plant cover rate of the area is about 39%. Plants absorb nitrogen on its mineral form which is then converted into organic nitrogen through biological processes. This mineral nitrogen joins the sediments compartment when they die. The total area storage is estimated to 45 kg of organic nitrogen per year without including the roots biomass.
On average over 2014 and 2017, 407 kg/year of nitrate-N have been eliminated in Rampillon. 82% of this amount comes from a complete denitrification which gives back to the atmosphere 99.88% of the nitrogen on its gaseous form N2. 11% of the mineral nitrogen is assimilated by plants and 7% is temporary stored by sediments. The “tanks-in-series” model reliability is validated with the denitrification simulations over 2014 to 2018. The Nash criteria for the outlet concentration simulation is always above 0.9, showing strong predictive capacities. The error on load estimation increase with years suggesting k20 and θ might vary over time. The artificial wetland of Rampillon behaves as a mineral nitrogen well and a gaseous and organic nitrogen source. It is functional and improves the water quality through the transformation of nitrogen toxic forms into organic content and into greenhouse-free gaz.
Bilan azoté d’une Zone Tampon Humide Artificielle : puits ou source d’azote ? Zone de Rampillon, Seine-et-Marne (77) La dégradation de la qualité des eaux douces constitue une problématique grandissante qui perturbe les écosystèmes et amène à reconsidérer la pertinence de systèmes alternatifs épurateurs. Le territoire de Seine-et-Marne est caractérisé par une agriculture céréalière intensive et une surface à 100% drainée pour les 355ha du bassin versant de Rampillon. La protection de la ressource en eaux souterraines de la nappe de Champigny (77) est un enjeu crucial pour l'alimentation en eau potable de près de 1,5 million de franciliens. Dans ce contexte, la zone tampon humide artificielle de Rampillon a été créée en 2010 afin d’intercepter les eaux d’un collecteur de drainage chargé en nitrates et situé en amont de la zone de recharge de la nappe. L’objectif de l’étude est de réaliser un bilan de masse azotée intégré à l’échelle de la zone tampon humide artificielle de Rampillon impliquant les différents compartiments (sédiment, végétation, aquatique et atmosphérique). L’étude se focalise particulièrement sur les voies de dissipation de l’azote par assimilation, immobilisation et dénitrification bactérienne. Dans un premier temps, l’immobilisation de l’azote par les végétaux et les sédiments est estimée à l’échelle des 0,53ha de la zone humide. Dans un second temps, le processus de dénitrification est évalué puis simulé à l’aide d’un modèle simplifié suivant une loi du premier ordre (modèle "Tanks-in-series"). Les sédiments immobilisent annuellement 183 kg d’azote organique issu de la décomposition des végétaux, et 29 kg d’azote minéral dont le stockage n’est que temporaire. La dénitrification se déroule majoritairement à l’interface eau/sédiments ce qui explique qu’il y ait très peu de rétention des nitrates dans ce compartiment. Les trois espèces végétales les plus abondantes sont étudiées conjointement à une espèce immergée, pour un taux de couverture de 39%. Les végétaux absorbent l’azote sous forme minérale qu’ils transforment en azote organique, et qui rejoint le compartiment sédimentaire à leur sénescence. Le stockage à l’échelle de la zone est évalué à 45 kg/an d’azote organique sans compter la biomasse racinaire. En moyenne, 407 kg/an de N-nitrates sont abattus dans la zone ces entre 2014 et 2017. 82% de la dissipation est dû à une dénitrification complète qui relargue 99,88% de l’azote sous forme de gaz N2 inerte. 11% du flux en azote minéral est assimilé par la végétation et 7% est temporairement stocké par les sédiments. La robustesse du modèle "Tanks-in-series" est validée avec la simulation de la dénitrification de 2014 à 2018. Le critère de Nash obtenu est toujours supérieur à 0,9 pour la simulation de la concentration en sortie de la zone, indiquant de solides capacités prédictives. L’erreur sur l’estimation des flux augmente avec les années suggérant que k20 et θ pourraient varier dans le temps. La zone tampon humide artificielle de Rampillon se comporte donc comme un puits d’azote minéral et comme une source d’azote organique et gazeux. Elle est fonctionnelle et permet d’améliorer la qualité des eaux par transformation des formes toxiques de l’azote en matière organique et en gaz sans effet de serre.
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