Site français  Site anglais

Fonctionnement d'une zone tampon

Le rôle d’une zone tampon est avant tout d’intercepter les flux hydriques chargés de contaminants avant qu’ils n’atteignent les milieux aquatiques récepteurs. On parle d’atténuation hydrique. L’aptitude d’une zone tampon à intercepter et atténuer un type de transfert donné dépend d’un certain nombre de facteurs : positionnement, conception, dimensionnement, état hydrique du sol selon la saison, bon entretien… L'efficacité des zones tampons selon le type de contaminants et les processus en jeu sont ici détaillés.

Fonctions

Les zones tampons sont susceptibles d’assurer différentes fonctions selon la façon dont elles sont conçues et positionnées dans le bassin versant. Certaines configurations seront plus adaptées que d’autres pour atténuer un type de transfert donné. Ainsi, il est important de bien connaître les différentes possibilités pour choisir le type de dispositif le plus adapté au contexte.
 

Limiter les transferts de matières en suspension, de contaminants adsorbés et d’azote organique

Dans les contextes sensibles à l’érosion, les transferts de MES, de contaminants adsorbés (phosphates, produits phytosanitaires adsorbés) et d’azote organique s’effectue en majeure partie par ruissellement (on les retrouve également mais très secondairement en sortie de drainage agricole).

Dans ce cas et grâce à la végétation en place, l’implantation d’une zone tampon sèche, enherbée ou boisée, aura pour fonction de ralentir l’écoulement et favoriser son infiltration par augmentation de la rugosité en surface (forte densité de tige) et de la perméabilité du sol (système racinaire). La diminution de la vitesse de l’écoulement entrant permet la décantation des MES qui se voient alors retenues au sein du dispositif. Bien entendu, ce dernier devra être d’autant plus « large » et/ou présenter des propriétés de rugosité d’autant plus élevées que la lame d’eau interceptée est importante ou que le flux entrant est concentré. Ainsi, dans les cas extrêmes, le recours à l’enherbement complet d’un talweg ou l’aménagement de haies denses et fascines en travers de celui-ci devra être envisagé.

Lorsqu’elles sont bien positionnées, dimensionnées et entretenues, les haies et fascines peuvent intercepter entre 74 et 99 % de la charge solide transportée par ruissellement (résultats expérimentaux issus des travaux de l’AREAS pour des débits spécifiques allant de 2 à 6 l/s/ml).

Lorsque les dispositifs enherbés ou boisés ne suffisent plus, une autre solution consiste à intercepter les flux concentrés (y compris en sortie de drainage) à l’aide d’un dispositif de type plan d’eau. Ce dernier aura alors pour rôle de recueillir et stoker temporairement les écoulements et là encore permettre la sédimentation et le piégeage des MES par diminution des vitesses d’écoulement (favorisée par la présence de végétation). Les différents processus de dégradation (biotique ou abiotique) au sein du dispositif seront ensuite en mesure de diminuer la charge en contaminants adsorbés.

Quelle que soit la solution adoptée et lorsque les flux de MES sont importants, il est important de veiller à l’entretien du dispositif en raison de la formation possible d’un bourrelet de terre à la limite entre la parcelle et le dispositif tampon. L’eau cherchera alors à contourner l’obstacle, phénomène susceptible de créer un passage préférentiel, contraire à l’effet recherché. Les dépôts de terres seront également susceptibles de recouvrir en partie la végétation basse et donc d’endommager le dispositif. Enfin, l’apport de sédiments dans les plans d’eau pourra conduire à un envasement pouvant nécessiter un curage régulier.

Limiter les transferts de produits phytosanitaires solubles

Les produits phytosanitaires solubles (à faible coefficient d’adsorption) ont pour spécificité d’être exportés vers les milieux aquatiques récepteurs quel que soit le mode de transfert hydrique mis en jeu. Ainsi, s’ils sont assez majoritairement véhiculés par les eaux de ruissellement, on les retrouves également dans les eaux de drainage, d’infiltration profonde et les écoulements hypodermiques. Néanmoins, les teneurs en contaminant peuvent différer fortement selon les conditions de transfert. En effet, le rôle de rétention joué par le sol est d’une importance majeure et l’on constate que, lorsque l’eau a circulé à travers le profil de sol, les concentrations en pesticides dissous sont généralement très inférieures à celles relevées dans les eaux de ruissellement (diminution d’un facteur 10 à 1000).

L’implantation d’une zone tampon sèche aura donc pour principal objectif de favoriser les processus d’infiltration dans le sol en interceptant tout ou partie des eaux de ruissellement. Comme dans le cas des MES, la rugosité de surface et la perméabilité du dispositif tendront à ralentir les écoulements entrants et permettre leur infiltration. Au contact du sol, les substances dissoutes pourront alors être partiellement retenues et/ou dégradées. Là encore, un dimensionnement du dispositif adapté à la lame d’eau à intercepter est primordial pour abattre au maximum les flux entrants.

En présence d’écoulements hydrauliquement concentrés, qu’il s’agisse de ruissellement ou d’eaux de drainage, un dispositif de type plan d’eau sera généralement plus adapté. Dans ce cas, c’est le temps de séjour de l’eau (et des contaminants qu’elle véhicule) qui constitue le principal critère d’efficacité. Les processus de dégradation au sein du dispositif, qu’ils soient biologiques ou abiotiques, seront favorisés par la présence de végétation spécifique (macrophytes) qui permet d’entretenir des conditions aérobies au contact de la rhizosphère et délivre au milieu la matière organique nécessaire à une bonne activité biologique. L’alternance de périodes sèches et humides, qui peut faire partie d’un mode de gestion choisi, sera elle aussi favorable aux réactions chimiques d’oxydo-réduction pouvant participer à la dégradation des contaminants.

Limiter les transferts de nitrates

L’infiltration profonde vers les nappes souterraines et les écoulements sub-surfaciques (écoulements hypodermiques et drainage agricole) constituent les principales voies de transfert de l’azote sous forme nitrique. Si les dispositifs tampons s’avèrent inadaptés pour maîtriser les transferts par infiltration, ils peuvent en revanche jouer un rôle d’atténuation des transferts d’azote en sub-surface, sous réserve de favoriser aussi les processus de dénitrification.

En présence d’écoulements hypodermiques, ce sera principalement le cas des prairies humides et boisements de bas-fond (incluant les ripisylves) qui, connaissant des conditions de saturations plus ou moins permanentes (conditions anoxiques), alliées à une bonne activité biologique stimulée par l’enrichissement en matière organique du sol, possèdent un potentiel avéré de dégradation des nitrates.

L’interception des flux par les systèmes racinaires (absorption de l’eau et des nutriments) pourra également contribuer à réguler les concentrations de nitrates en sortie de dispositif. Toutefois, sauf à envisager l’export des végétaux (biomasse, fourrage…), l’azote ainsi assimilé ne sera retenu que temporairement pour être restitué au sol sous forme de matière organique dès la mort ou la sénescence du végétal.

En présence de transferts de nitrates via les dispositifs de drainages agricole, un dispositif de type plan d’eau connecté à l’émissaire de drainage (par exemple via un système de fossés) constituera l’une des seules solutions satisfaisantes. Dans ce cas, le flux d’eau entrant dans la zone tampon est stocké pour une durée plus ou moins longue (en fonction du dimensionnement du dispositif) ; en conditions favorables de température et de pH, les conditions anaérobies et la richesse du substrat en matière organique, libérée par la végétation en place, seront alors particulièrement propices au processus de dénitrification.

L’une des principales limites des zones tampons à limiter les flux de nitrates reste toutefois que ces transferts se déroulent principalement en période hivernale (période d’excédent hydrique), lorsque les températures sont peu favorables à l’activité biologique et que les volumes d’eau à intercepter sont importants. Par ailleurs le processus de dénitrification est susceptible de générer des rejets non négligeables de protoxyde d’azote (N2O), gaz qui contribue fortement à l’effet de serre. Ainsi, on rappellera qu’une gestion raisonnée des apports azotés à la parcelle doit avant tout être privilégiée pour éviter les effets néfastes résultants d’un excès de nitrates dans le milieu.

Protéger contre la dérive de pulvérisation

La majorité des zones tampons sèches joue aussi un rôle dans la protection contre la dérive de pulvérisation : soit en matérialisant une Zone Non Traité qui permet d’éviter que les substances soient appliquées à proximité immédiate des points d’eau soit en faisant écran à la dérive (dispositifs arbustifs ou arborés).

Processus en jeu

Les différentes fonctions d’atténuation des transferts de contaminants assurées par les zones tampons font appel à un ensemble de processus biogéochimiques assez complexes dont ne sont rappelés ici que les grands principes.

Rétention des contaminants

Sédimentation

Ce processus intervient lorsque la rugosité du sol et/ou du couvert végétal parvient à ralentir suffisamment les flux d’eau pour permettre la décantation des particules en suspension véhiculées par les eaux de ruissellement. Les matières en suspension (MES) et les contaminants adsorbés sont alors piégés au sein du dispositif.
Dans le cas d’une zone tampon sèche, l’efficacité du dispositif dépend en grande partie de la bonne couverture végétale (couvert dense et homogène), de la résistance de la végétation à la submersion et aux apports de sédiments, de sa largeur et de son bon entretien.
Dans le cas des zones tampons humides, les critères déterminants sont les effets de rugosité liés à la végétation en place, la géométrie du dispositif (méandrage) et le volume utile de ce dernier.

Infiltration

Dans le cas des zones tampons sèches, le ralentissement du flux entrant, couplé à des bonnes propriétés de perméabilité, permet à l’eau et aux contaminants qu’elle véhicule de s’infiltrer dans le sol. Pour jouer ce rôle, la capacité d’infiltration du dispositif est déterminante. Habituellement supérieure à celle d’une parcelle cultivée (ou du moins plus stable dans l’année), elle dépend en grande partie de la nature du sol (texture, pierrosité, structure, porosité) et du bon développement du système racinaire de la végétation en place. Elle est en revanche fortement réduite en cas d’engorgement du sol (hydromorphie) ou lorsque le dispositif est tassé ou endommagé par le passage d’engins ou le surpâturage. Par ailleurs, l’atténuation des flux de contaminant ne sera réellement effective que si les processus complémentaires de sorption et de dégradation se déroulent correctement dans le sol.

Sorption

La sorption désigne un ensemble de processus biologiques et physico-chimiques qui contribuent à la rétention à plus ou moins long terme des contaminants par la végétation ou la microflore du sol d’une part (absorption) et à la surface des particules de sol ou du substrat des plans d’eau d’autre part (adsorption).

L’adsorption n’est toutefois pas un état figé ; les mécanismes d’adsorption sont en effet le plus souvent réversibles (désorption) et dépendent d’équilibres physico-chimiques complexes. On note néanmoins que la désorption n’est pas forcément complète et que, sur une certaine durée, des résidus liés peuvent être retenus de manière presque définitive.

Dégradation des contaminants

Dégradation biotique

Dans le cas des produits phytosanitaires, la dégradation biotique (ou biodégradation) résulte principalement de l’action de divers micro-organismes (bactéries, champignons, algues…) qui disposent d’un vaste potentiel de transformation des substances chimiques grâce à leurs systèmes enzymatiques. Ce type de processus intervient autant dans les sols, que dans les sédiments des plans d’eau et les végétaux (phytodégradation par les enzymes des plantes). Cette voie de dégradation transforme les substances organiques en métabolites plus ou moins stables pour finalement aboutir à leur minéralisation complète en composés des grands cycles géochimiques.

La dénitrification fait également partie des processus de dégradation biotique et correspond à une réduction des nitrates en produits gazeux (oxydes d’azote et azote moléculaire). C’est un mode de respiration alternative des bactéries en milieu anoxique qui utilisent alors l’oxygène inclus dans la molécule du nitrate comme accepteur d’électrons.

Dégradation abiotique

La dégradation abiotique met en jeu des réactions chimiques qui ne sont pas catalysées par des systèmes enzymatiques mais qui modifient la composition et la structure des molécules organiques et aboutissent là aussi à la formation de métabolites. Les principales transformations abiotiques sont des réactions d’oxydo-réduction, d’hydrolyse, et de photolyse (ces dernières étant les plus fréquentes).

 

Schéma des processus en jeu dans une zone tampon sèche.

 ZoneTampon_Fonctionnement1.jpg

Schéma des processus en jeu dans une zone tampon humide.

 ZoneTampon_Fonctionnement2.jpg