Pollution de l'eau : Sources et Types de Polluants
Contexte : Le bilan de massePrincipe de conservation de la matière qui stipule que la masse d'un polluant entrant dans un système est égale à la masse qui en sort, plus la masse qui s'y accumule..
Nous étudions une rivière qui subit une pollution diffuse d'origine agricole. Un champ voisin, sur lequel des engrais azotés ont été épandus, génère un ruissellement d'eau de pluie chargé en nitratesIons (NO₃⁻) très solubles dans l'eau, provenant souvent d'engrais agricoles. En excès, ils sont un polluant majeur des eaux de surface et souterraines.. Ce ruissellement se déverse directement dans la rivière. L'objectif de cet exercice est de quantifier l'impact de cette source de pollution sur la qualité de l'eau de la rivière en aval du point de rejet.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à appliquer le principe fondamental du bilan de masse pour évaluer la concentration d'un polluant après un mélange. C'est une compétence essentielle en chimie environnementale pour modéliser la dispersion des contaminants.
Objectifs Pédagogiques
- Calculer un débit massique de polluant.
- Appliquer le principe de conservation de la masse (bilan de masse) à un point de mélange.
- Déterminer la concentration résultante d'un polluant après dilution.
- Comparer une concentration calculée à une norme de qualité de l'eau.
- Comprendre le lien entre l'excès de nutriments et le phénomène d'eutrophisationProcessus par lequel un plan d'eau s'enrichit en nutriments (comme les nitrates), provoquant une prolifération d'algues qui appauvrit l'eau en oxygène..
Données de l'étude
Schéma du Point de Mélange
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Débit de la rivière (amont) | \(Q_a\) | 5 | m³/s |
| Concentration en nitrates (amont) | \(C_a\) | 2 | mg/L |
| Débit du ruissellement agricole | \(Q_r\) | 500 | L/s |
| Concentration en nitrates (ruissellement) | \(C_r\) | 80 | mg/L |
Questions à traiter
- Calculer le débit massique (ou flux) de nitrates apporté par le ruissellement agricole à la rivière, en kg/jour.
- Déterminer le débit total de la rivière en aval du point de mélange, en m³/s.
- En appliquant un bilan de masse, calculer la concentration en nitrates attendue dans la rivière en aval (\(C_e\)), en mg/L.
- La concentration calculée en aval respecte-t-elle la norme pour l'eau potable fixée à 50 mg/L ? Commentez.
- Décrivez brièvement le phénomène écologique que cet apport de nitrates pourrait engendrer dans la rivière à plus long terme.
Les bases sur le Bilan de Matière
Pour résoudre cet exercice, nous nous appuierons sur le principe de conservation de la masse. Dans notre système (le point de mélange), la masse de polluant qui entre est égale à la masse qui sort, en supposant qu'il n'y a ni accumulation ni réaction chimique.
1. Débit Massique (Flux)
Le débit massique d'un polluant est la masse de ce polluant qui traverse une section par unité de temps. Il se calcule en multipliant la concentration massique du polluant par le débit volumique du fluide.
\[ \text{Flux } (\text{kg/s}) = C \left(\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}\right) \times Q \left(\frac{\text{m}^3}{\text{s}}\right) \]
2. Bilan de Masse au Point de Mélange
Le flux de polluant en aval est la somme des flux des sources en amont.
\[ (Q_a \times C_a) + (Q_r \times C_r) = Q_e \times C_e \]
Comme le débit en aval est la somme des débits entrants (\(Q_e = Q_a + Q_r\)), on peut isoler la concentration finale :
\[ C_e = \frac{(Q_a \times C_a) + (Q_r \times C_r)}{Q_a + Q_r} \]
Correction : Pollution de l'eau : Sources et Types de Polluants
Question 1 : Calculer le débit massique de nitrates apporté par le ruissellement, en kg/jour.
Principe
Il s'agit de calculer la masse totale de nitrates que le champ agricole déverse dans la rivière chaque jour. Pour cela, on multiplie la concentration de nitrates dans l'eau de ruissellement (la "richesse" en polluant) par le volume d'eau qui s'écoule chaque jour (la "quantité" de vecteur).
Mini-Cours
En chimie environnementale, le flux de polluant (ou débit massique) est une notion clé. Il représente la quantité de substance transportée par un fluide par unité de temps. Il est plus représentatif de l'ampleur d'une pollution que la concentration seule. Une source à faible concentration mais à très fort débit peut être plus impactante qu'une source très concentrée à faible débit.
Remarque Pédagogique
Gardez toujours une trace de vos unités à chaque étape du calcul. Le passage de `mg/s` à `kg/jour` implique plusieurs conversions. Écrivez-les clairement pour éviter les erreurs de facteur 10, 60, ou 1000, qui sont très courantes.
Normes
Il n'existe pas de "norme" réglementaire pour un débit massique de pollution en tant que tel. Cependant, les réglementations (comme la Directive Cadre sur l'Eau en Europe) fixent des objectifs de réduction de ces flux à l'échelle de bassins versants pour atteindre le "bon état écologique" des masses d'eau.
Formule(s)
Formule du débit massique
Hypothèses
On suppose que le débit et la concentration du ruissellement sont constants sur la période de 24 heures. En réalité, ils varient fortement en fonction de l'intensité de la pluie.
Donnée(s)
Les données utilisées pour ce calcul sont directement issues de l'énoncé.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Débit du ruissellement | \(Q_r\) | 500 | L/s |
| Concentration en nitrates (ruissellement) | \(C_r\) | 80 | mg/L |
Astuces
Pour passer des secondes aux jours, multipliez par 86400 (car 24h * 60min * 60s = 86400s). Pour passer des mg aux kg, divisez par 1 000 000 (10⁶). Combinez ces deux facteurs : multiplier par `86400 / 10^6` revient à multiplier par `0.0864`.
Schéma (Avant les calculs)
Visualisation du flux de ruissellement
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul du débit massique en mg/s
Étape 2 : Conversion du débit massique en mg/jour
Étape 3 : Conversion du débit massique en kg/jour
Schéma (Après les calculs)
Masse Journalière de Nitrates Déversée
Réflexions
Un apport de 3456 kg de nitrates par jour est considérable. Pour mettre en perspective, cela équivaut à déverser près de 70 sacs d'engrais de 50 kg (type ammonitrate) directement dans la rivière chaque jour. Cela illustre l'impact potentiellement massif d'une pollution agricole diffuse.
Points de vigilance
L'erreur la plus fréquente est de se tromper dans les facteurs de conversion. Vérifiez toujours la cohérence de votre résultat : un flux de pollution se chiffre souvent en centaines ou milliers de kg/jour pour un bassin versant agricole, un chiffre de 0.03 ou 3 000 000 serait suspect.
Points à retenir
Pour maîtriser cette question, retenez : 1) La formule de base `Flux = Concentration × Débit`. 2) La méthode rigoureuse de conversion d'unités en cascade (mg → kg, s → jour). 3) L'importance du flux pour quantifier une pollution.
Le saviez-vous ?
Le procédé Haber-Bosch, inventé au début du 20ème siècle pour produire de l'ammoniac (base des engrais azotés) à partir de l'azote de l'air, est l'une des inventions les plus importantes de l'humanité. On estime qu'il est responsable de l'alimentation de près de la moitié de la population mondiale, mais il a aussi profondément altéré le cycle global de l'azote.
FAQ
L'échelle du jour est plus parlante et plus pertinente pour évaluer un impact environnemental chronique, comme celui d'une pollution agricole, qui s'inscrit dans la durée (saisons, années). Ils proviennent principalement du lessivage des engrais azotés épandus sur les cultures. Lorsque la pluie tombe, elle dissout les nitrates présents dans le sol qui n'ont pas été absorbés par les plantes et les entraîne vers les cours d'eau.Pourquoi convertir en kg/jour et non en kg/s ?
D'où viennent exactement les nitrates dans le ruissellement ?
Résultat Final
A vous de jouer
Si une analyse montrait que la concentration du ruissellement était en fait de 120 mg/L, quel serait le nouveau débit massique en kg/jour ?
Question 2 : Déterminer le débit total de la rivière en aval, en m³/s.
Principe
Le débit en aval du point de mélange est simplement la somme du débit initial de la rivière et du débit de l'affluent (le ruissellement). C'est une application directe du principe de conservation du volume d'eau (en supposant l'eau incompressible).
Mini-Cours
En hydrologie, un point où deux cours d'eau se rejoignent est appelé une confluence. Le débit du cours d'eau en aval de la confluence est, en première approximation, la somme des débits des deux cours d'eau en amont. Ce principe est à la base de la modélisation des réseaux hydrographiques.
Remarque Pédagogique
C'est un calcul simple, mais il cache un piège classique : l'addition de valeurs ayant des unités différentes. Prenez toujours le réflexe de vérifier et d'harmoniser les unités avant toute opération arithmétique.
Normes
Il n'y a pas de norme pour le débit d'une rivière. C'est une caractéristique naturelle du cours d'eau, appelée "module". Cependant, la connaissance du débit est fondamentale car elle détermine la "capacité de dilution" de la rivière : plus le débit est élevé, plus la rivière peut "absorber" une charge polluante sans que la concentration n'augmente dangereusement.
Formule(s)
Formule de la somme des débits
Hypothèses
On suppose qu'il n'y a aucune perte d'eau au point de mélange (par évaporation ou infiltration dans le sol), et que l'eau est un fluide incompressible (son volume ne change pas avec la pression).
Donnée(s)
Les données utilisées pour ce calcul sont directement issues de l'énoncé.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Débit de la rivière (amont) | \(Q_a\) | 5 | m³/s |
| Débit du ruissellement | \(Q_r\) | 500 | L/s |
Astuces
Pour passer rapidement des L/s aux m³/s, il suffit de diviser par 1000. C'est une conversion très fréquente en hydraulique, à connaître par cœur.
Schéma (Avant les calculs)
Addition des débits à la confluence
Calcul(s)
Étape 1 : Conversion du débit de ruissellement en m³/s
Étape 2 : Calcul du débit total en aval
Schéma (Après les calculs)
Composition du débit en aval
Réflexions
L'apport du ruissellement, bien que semblant important (500 L/s), ne représente que 9.1% du débit total en aval (\(0.5 / 5.5\)). La rivière a donc un fort "pouvoir diluant" sur cet affluent. Cette notion est cruciale pour comprendre pourquoi les petits ruisseaux sont beaucoup plus vulnérables à la pollution que les grands fleuves.
Points de vigilance
Ne jamais additionner ou soustraire des valeurs sans avoir vérifié que leurs unités sont identiques. C'est la règle d'or en sciences physiques.
Points à retenir
Pour maîtriser cette question, retenez : 1) Le débit en aval d'une confluence est la somme des débits en amont (\(Q_e = Q_a + Q_r\)). 2) La conversion L/s ↔ m³/s (facteur 1000) est fondamentale.
Le saviez-vous ?
Le débit des fleuves n'est pas constant. Il suit des cycles saisonniers (crues hivernales, étiages estivaux). Un même flux de pollution aura un impact très différent selon la période de l'année. Les concentrations de polluants sont souvent maximales en été, lorsque le débit de la rivière est le plus faible.
FAQ
Oui, pour les liquides comme l'eau, c'est une excellente approximation. Elle est à la base de tous les modèles hydrologiques. Les seules exceptions concernent des phénomènes plus complexes comme les pertes par infiltration dans le lit de la rivière ou l'évaporation, mais elles sont souvent négligées à l'échelle d'un point de mélange.Cette règle de l'addition des débits est-elle toujours vraie ?
Résultat Final
A vous de jouer
En période de sécheresse, le débit de la rivière en amont tombe à 1.5 m³/s. Quel serait alors le débit en aval si le ruissellement reste le même ?
Question 3 : Calculer la concentration en nitrates en aval (\(C_e\)), en mg/L.
Principe
On applique le bilan de masse : la quantité totale de nitrates qui entre dans la zone de mélange (ce qui vient de la rivière en amont + ce qui vient du ruissellement) doit être égale à la quantité qui en sort. La concentration finale est cette quantité totale de polluant, divisée par le volume total d'eau.
Mini-Cours
La formule de la concentration au mélange, \(C_e = \frac{(Q_a C_a + Q_r C_r)}{(Q_a + Q_r)}\), est un cas d'application de la moyenne pondérée. La concentration finale n'est pas la simple moyenne des concentrations initiales, mais une moyenne où chaque concentration est "pondérée" par l'importance du débit qui lui est associé.
Remarque Pédagogique
Pensez à un mélange de deux cafés. Si vous mélangez un grand volume de café léger avec une petite goutte de café très fort, le résultat sera très proche du café léger. Le débit joue le rôle du "volume" dans cette analogie. Le débit le plus fort "tire" la concentration finale vers sa propre concentration.
Normes
Ce calcul est l'étape cruciale pour vérifier la conformité d'un milieu ou d'un rejet à une norme environnementale. Les modèles de qualité de l'eau utilisent ce principe de base pour prédire les concentrations de polluants en n'importe quel point d'un réseau hydrographique.
Formule(s)
Formule du bilan de masse
Hypothèses
On suppose que le mélange est parfait (la concentration \(C_e\) est uniforme dans toute la section de la rivière en aval) et qu'il n'y a pas de réaction chimique qui consommerait ou produirait des nitrates au point de mélange (pas de dénitrification instantanée).
Donnée(s)
Les données utilisées pour ce calcul sont directement issues de l'énoncé.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Débit amont | \(Q_a\) | 5 | m³/s |
| Concentration amont | \(C_a\) | 2 | mg/L |
| Débit ruissellement | \(Q_r\) | 500 | L/s |
| Concentration ruissellement | \(C_r\) | 80 | mg/L |
Astuces
Pour ce calcul, si les concentrations sont dans la même unité (ici mg/L), vous pouvez utiliser n'importe quelle unité de débit (m³/s ou L/s) tant que vous utilisez la même pour tous les débits de la formule. Utiliser les L/s évite une conversion.
Schéma (Avant les calculs)
Bilan des flux à la confluence
Calcul(s)
Étape 1 : Harmonisation des unités de débit (en L/s)
Étape 2 : Calcul du flux de nitrates en amont
Étape 3 : Calcul du flux de nitrates du ruissellement
Étape 4 : Calcul de la concentration finale
Schéma (Après les calculs)
Comparaison des concentrations
Réflexions
La concentration finale (≈9.1 mg/L) est beaucoup plus proche de la concentration initiale de la rivière (2 mg/L) que de celle du ruissellement (80 mg/L). C'est la confirmation mathématique de l'effet de dilution : le grand volume de la rivière "absorbe" la pollution apportée par le plus petit volume du ruissellement.
Points de vigilance
L'erreur classique est de faire une moyenne simple des concentrations : (80 + 2) / 2 = 41 mg/L. Ce résultat est complètement faux car il ignore que les débits sont très différents. C'est une erreur conceptuelle grave.
Points à retenir
Pour maîtriser cette question, retenez la formule de la moyenne pondérée par les débits, et comprenez le concept de dilution : le débit le plus fort a le plus d'influence sur le résultat final.
Le saviez-vous ?
Dans la réalité, le mélange n'est pas instantané. Il existe une "zone de mélange" qui peut s'étendre sur des centaines de mètres voire des kilomètres, où la concentration du polluant est hétérogène. Les modèles de qualité de l'eau sophistiqués calculent la forme et la taille de ce "panache" de pollution.
FAQ
Parce que les quantités d'eau ne sont pas les mêmes. Si vous mélangez 10 litres d'eau à 2 mg/L et 1 litre d'eau à 80 mg/L, le résultat sera beaucoup plus proche de 2 que de 80. C'est le principe de la moyenne pondérée par les volumes (ou les débits).Pourquoi ne peut-on pas simplement faire la moyenne des concentrations (80+2)/2 ?
Résultat Final
A vous de jouer
En période sèche, le débit de la rivière tombe à 1 m³/s. Quelle serait la nouvelle concentration en aval ? (Le ruissellement reste à 500 L/s et 80 mg/L).
Question 4 : La concentration en aval respecte-t-elle la norme pour l'eau potable (50 mg/L) ?
Principe
Il s'agit d'une simple comparaison entre la valeur que nous venons de calculer et la valeur seuil réglementaire. C'est l'étape où le calcul de l'ingénieur prend un sens pratique et réglementaire : "sommes-nous conformes ?"
Mini-Cours
Les normes de qualité de l'eau sont des seuils de concentration pour divers polluants, fixés par les autorités sanitaires (OMS, agences nationales) pour protéger la santé publique et les écosystèmes. Le seuil de 50 mg/L pour les nitrates vise spécifiquement à prévenir la méthémoglobinémie, ou "maladie bleue du nourrisson", une affection où les nitrates empêchent le transport de l'oxygène par le sang.
Remarque Pédagogique
Un résultat d'ingénierie doit toujours être conclu par une interprétation. "9.09 mg/L" est un calcul. "9.09 mg/L < 50 mg/L, donc la norme est respectée" est une conclusion d'ingénieur. Allez toujours jusqu'à cette étape finale.
Normes
La Directive 98/83/CE de l'Union Européenne relative à la qualité des eaux destinées à la consommation humaine fixe la valeur paramétrique pour les nitrates à 50 mg/L. C'est une valeur légale dans toute l'UE.
Formule(s)
Critère de conformité
Hypothèses
On suppose que l'échantillon analysé est représentatif de l'eau qui serait prélevée pour la consommation, et que la norme de 50 mg/L est bien celle qui s'applique au cas d'étude.
Donnée(s)
Les données utilisées sont le résultat de la question 3 et la norme spécifiée dans l'énoncé.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Concentration calculée en aval | \(C_e\) | 9.09 | mg/L |
| Norme pour l'eau potable | \(C_{\text{norme}}\) | 50 | mg/L |
Astuces
Pas d'astuce de calcul ici, mais une astuce de présentation : utilisez des symboles clairs (<, >, =) pour rendre votre conclusion immédiate et sans ambiguïté.
Schéma (Avant les calculs)
Concept de Jauge de Conformité
Calcul(s)
Comparaison à la norme
Schéma (Après les calculs)
Positionnement du Résultat sur la Jauge
Réflexions
Bien que la norme soit respectée, la pollution a tout de même multiplié la concentration par plus de 4.5. Cela montre une dégradation notable de la qualité de l'eau. Dans ce scénario, la norme est respectée grâce au fort débit de la rivière. En période d'étiage (faible débit), le même apport de pollution pourrait facilement entraîner un dépassement du seuil.
Points de vigilance
Ne concluez pas trop vite. "Respecte la norme" ne veut pas dire "pas de problème". Un bon ingénieur signalera que la marge de sécurité est réduite et que la situation pourrait devenir problématique si les conditions (débit, apport de pollution) changent.
Points à retenir
Pour maîtriser cette question, retenez : 1) La valeur clé de la norme pour les nitrates (50 mg/L). 2) La méthodologie : on calcule, puis on compare à la norme. 3) L'importance de nuancer la conclusion.
Le saviez-vous ?
En Bretagne, région française historiquement très touchée par la pollution aux nitrates, des plans d'action ont été mis en place depuis les années 1990 pour modifier les pratiques agricoles. Cela a permis de réduire significativement les concentrations, mais le problème des "marées vertes" (prolifération d'algues sur les plages due à l'excès de nitrates) persiste dans certaines baies.
FAQ
Légalement, elle est considérée comme potable. Sanitairement, elle est acceptable pour la population générale. Cependant, par principe de précaution, elle reste déconseillée pour la préparation des biberons des nourrissons, qui sont les plus sensibles.Si l'eau est à 49 mg/L, est-elle vraiment sans danger ?
Résultat Final
A vous de jouer
A partir de quelle concentration dans le ruissellement (en mg/L) la norme de 50 mg/L serait-elle tout juste atteinte en aval (avec Qa=5 m³/s) ?
Question 5 : Décrivez le phénomène écologique que cet apport de nitrates pourrait engendrer.
Principe
Les nitrates sont des nutriments. Un apport excessif de nutriments dans un écosystème aquatique perturbe son équilibre naturel. Ce phénomène porte un nom : l'eutrophisation.
Mini-Cours
L'eutrophisation est l'enrichissement d'un milieu aquatique en matières nutritives, principalement l'azote (via les nitrates) et le phosphore. Cet enrichissement conduit à une prolifération massive de végétaux aquatiques, notamment des algues microscopiques (phytoplancton). Lorsque ces algues meurent, leur décomposition par des bactéries consomme de grandes quantités d'oxygène dissous dans l'eau. Cela peut entraîner une hypoxie (faible teneur en oxygène) ou une anoxie (absence d'oxygène), provoquant la mort des poissons et d'autres organismes aquatiques.
Schéma (Après les calculs)
Cycle de l'Eutrophisation
Réflexions
L'eutrophisation est un processus insidieux. Même si la concentration en nitrates reste sous la norme potable, l'apport continu de nutriments "fertilise" la rivière et modifie profondément la chaîne alimentaire. Les espèces tolérant de faibles niveaux d'oxygène (vers, bactéries) peuvent proliférer, tandis que les poissons plus nobles (truites, ombres) disparaissent. L'impact n'est pas seulement local ; les nutriments sont transportés en aval et peuvent causer des problèmes à des kilomètres, notamment dans les estuaires où ils contribuent à des "zones mortes".
Points de vigilance
Ne pas confondre eutrophisation et toxicité directe : les nitrates ne sont pas directement toxiques pour les poissons aux concentrations rencontrées ; c'est l'asphyxie par manque d'oxygène qui est le vrai danger. De plus, le phosphore est aussi un nutriment clé et peut être le facteur limitant. Une eau qui redevient claire après un "bloom" d'algues n'est pas forcément saine, cela peut signifier que l'écosystème s'est effondré.
Points à retenir
Pour maîtriser ce concept, retenez :
- Concept Clé : Nitrates = Engrais pour les algues.
- Processus en 3 étapes : 1. Enrichissement en nutriments → 2. Prolifération d'algues → 3. Décomposition et consommation d'oxygène.
- Conséquence Majeure : Asphyxie du milieu aquatique (hypoxie/anoxie) et perte de biodiversité.
Résultat Final
Outil Interactif : Simulateur de Pollution
Utilisez les curseurs pour faire varier la concentration en nitrates du ruissellement et le débit de la rivière en amont. Observez en temps réel comment ces changements affectent la concentration finale en aval et si la norme de potabilité est respectée.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Si le débit d'une rivière polluée double (sans autre changement), que devient la concentration du polluant loin en aval ?
2. Quel est le principal impact écologique direct d'un excès de nitrates dans un lac ?
3. L'unité "mg/L" est équivalente à :
4. Le principe du bilan de masse repose sur :
5. Une pollution dite "diffuse" est caractérisée par :
Glossaire
- Bilan de masse
- Principe de conservation de la matière qui stipule que la masse d'un polluant entrant dans un système est égale à la masse qui en sort, plus la masse qui s'y accumule.
- Concentration massique
- Masse d'une substance (soluté) par unité de volume de la solution. S'exprime souvent en mg/L ou g/m³.
- Débit massique
- Masse d'une substance qui traverse une section donnée par unité de temps. S'exprime souvent en kg/s ou kg/jour.
- Eutrophisation
- Processus par lequel un plan d'eau s'enrichit en nutriments (comme les nitrates et phosphates), provoquant une prolifération d'algues qui, en se décomposant, appauvrit l'eau en oxygène et nuit à l'écosystème.
- Nitrates \((\text{NO}_3^-)\)
- Ions très solubles dans l'eau, provenant souvent d'engrais agricoles ou de rejets d'eaux usées. En excès, ils sont un polluant majeur des eaux de surface et souterraines.
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