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Conception et implantation d'une zone tampon

À partir des préconisations issues du diagnostic, lorsque le type et la localisation des zones tampons ont été définis à l’échelle du bassin versant, la phase d’implantation des dispositifs tampons requiert de connaître les règles de conception et de dimensionnement qui permettront de parvenir à une efficacité satisfaisante.

Pour ce faire, un certain nombre d’outils à portée opérationnelle (guides méthodologiques, utilitaires informatiques, abaques), issus de travaux de recherche, sont mis à disposition en premier lieu des maîtres d’œuvre. Ils permettent d'appréhender quels sont les différents aspects techniques, pratiques, financiers et réglementaires à prendre en compte pour l’aménagement, la gestion et l’entretien de chaque catégorie de dispositif :

Aménager et dimensionner une bande enherbée ou boisée

Fruit de plusieurs années de recherche, Irstea a publié en 2011 un guide méthodologique présentant les outils nécessaires au dimensionnement des bandes enherbées et boisées pour atténuer les transferts de pesticides par ruissellement (Carluer et al., 2011). Dans ce cas, la question du dimensionnement concerne la largeur du dispositif (perpendiculairement au sens des écoulements) en fonction des caractéristiques du versant contributif intercepté et des conditions locales de mise en place de la bande tampon (propriétés du sol principalement).

Le principe retenu est de déterminer quelle largeur de bande sera nécessaire pour abattre (diminuer) d’un certain pourcentage les flux d’eau (et de contaminant) entrant sur le dispositif par ruissellement (100 % d’abattement correspondant à l’absence complète de ruissellement en sortie de dispositif). Deux étapes sont alors distingués dans la méthode proposée : la quantification du flux d’eau produit par les parcelles contributrices à l’amont du dispositif lors d’un épisode pluvieux d’intensité donnée et la capacité de la bande à infiltrer les écoulements reçus.

Chacune de ces deux étapes successives fait appel à des outils et données spécifiques. La première est traitée à l’aide de la méthode du SCS-CN (USDA-SCS, 1972), basée sur le calcul d’un coefficient de ruissellement fonction des caractéristiques de la parcelle contributive (propriétés et degré d’humidité du sol, dimension, pente) et de scénarios climatiques représentatifs du secteur d’étude. La seconde s’appuie sur l’utilisation du modèle numérique VFSMOD (Vegetative Filter Strip Modeling system), élaboré aux États-Unis (Muñoz-Carpena et Parson, 2010) puis validé et réadapté au contexte français, notamment pour permettre de rendre compte de la présence d’une nappe peu profonde sous la bande enherbée, situation relativement fréquente en bordure de cours d’eau (Munoz-Carpena et al., 2011). Il permet de décrire de manière appropriée la complexité des processus de transferts hydriques au sein du dispositif à partir des caractéristiques de ce dernier (propriétés du sol, état d’humidité, pente) et des flux d’eau entrants (issus de l’étape précédente). Il donne en sortie la largeur nécessaire pour un objectif d’abattement donné.

On précisera que les dimensions calculées sont adaptées au type de culture et au scénario climatique donnés en entrée du modèle. La modification de l’assolement (rotation des cultures) ou la variabilité saisonnière n’est donc pas pris en compte directement. Aussi, il peut être recommandé de produire plusieurs scénarios pour un même dispositif de manière à déterminer quelle largeur offre le meilleur compromis pour la majorité des situations (par exemple une largeur de 10 mètres pour un abattement du ruissellement entrant de 100 % en période estivale et 70 % en période hivernale).

Principe de la méthode de dimensionnement des bandes enherbées ou boisée pour l’atténuation des transferts de pesticides par ruissellement

Il sera également intéressant d’examiner l’évolution de la largeur en fonction du pourcentage d’abattement pour trouver le meilleur compromis « efficacité / emprise au sol / coût ». L’intérêt d’un dispositif sera notamment analysé en fonction du ratio entre largeur de bande et longueur du versant intercepté. Si ce ratio est trop défavorable, il pourra être envisagé d’implanter des bandes de moindres dimensions plus en amont sur le versant, voire à l’intérieur des parcelles (ou encore avoir recours à un autre type de dispositif tampon plus adapté). Ainsi l’outil de dimensionnement peut également être employé pour valider ou proposer différents scénarios d’aménagement.

Les outils mobilisés par cette méthode (suite d’utilitaires informatiques) sont disponibles gratuitement sur demande. Leur prise en main reste cependant délicate et demande une formation appropriée. La conception d’un nouvel utilitaire informatique qui permettra de faciliter la manipulation de l’outil est actuellement à l’étude. Parallèlement, des travaux sont engagés (dans le cadre du projet TOPPS-Prowadis notamment) pour la constitution d’abaques qui devraient permettre de s’affranchir en partie du modèle. Le but est alors de proposer aux opérateurs des références de dimensionnement en fonction de jeux de paramètres simplifiés, représentatifs de différents contextes agro-pédo-climatiques.

Aller plus loin

  • USDA-SCS (1972). National Engineering Handbook, Part 630 Hydrology. Washington, D.C.
  • Muñoz-Carpena R, Parsons J.E (2010). VFSMOD-W : Vegetative Filter Strip Modeling System. Available at :
  • Carluer N., Fontaine A., Lauvernet C., Muñoz-Carpena R. (2011). Guide de dimensionnement des zones tampons enherbées ou boisées pour réduire la contamination des cours d’eau par les produits phytosanitaires. Rapport Irstea-MAAPRAT, 98 p.
  • Muñoz-Carpena R., Lauvernet C., Carluer N. (2011). Development and testing of a mechanistic algorithm to calculate the influence of a shallow water table on flow dynamics through vegetative filter strips. Paper presented at the ASABE Annual International Meeting, Louisville, Kentucky (USA).
  • TOPPS-prowadis : Train Operators to Promote Practices and Sustainability - to protect water from diffuse sources; www.topps-life.org

Aménager et dimensionner une zone tampon humide artificielle

Placé à l’exutoire d’un réseau de fossés collecteurs, l’aménagement d’une Zone Tampon Humide Artificielle (ZTHA) constitue sans doute l’une des solutions les plus appropriées pour atténuer les transferts de contaminants par voie concentrée (qu’il s’agisse de ruissellement ou de drainage agricole). Sur la base de l’expérience acquise sur plusieurs sites expérimentaux, un guide publié par Irstea en 2014 fournit les éléments nécessaires pour aider les porteurs de projet à mettre en place ce type de dispositif.

Ces éléments concernent toutes les étapes de conception, depuis le diagnostic hydrologique qui permettra de bien dimensionner le dispositif jusqu’aux règles d’entretien et de gestion, en passant par un certain nombre de recommandations techniques (génie civil, conception du bassin et des ouvrages hydrauliques) et pratiques (mise en sécurité du site, réglementation et financement).

Parmi les critères de conception, 3 aspects doivent être notamment étudiés avec attention :

Le dimensionnement qui doit être prévu pour assurer un temps de résidence suffisant de l’eau et des contaminants pour que le dispositif puisse jouer son rôle épurateur. Il est alors possible de jouer sur le volume utile du dispositif pour stocker les flux d’eau entrants. Le guide donne notamment quelques références pour un dimensionnement adapté à l’atténuation des flux de pesticides en sortie de drainage pour différents départements (en m3 par hectare drainé, données issues d’estimations fournies par le modèle SIDRA-RU sous différentes hypothèses).

La stratégie de positionnement et de gestion qui peut différer selon l’objectif recherché. En effet, si l'on cherche à réduire en priorité les concentrations en nitrates, dont le lessivage survient généralement tout au long de la période hivernale, la ZTHA sera placée de préférence en continuité avec l'exutoire (stratégie dite en série). Dans ce cas, l'ensemble des eaux drainées transite dans la ZTHA et le volume requis doit être assez important pour permettre un temps de résidence suffisant. Dans le cas où l'on s’attache à réduire les concentrations en pesticides, un dispositif placé en parallèle de l'exutoire (stratégie dite en dérivation) sera privilégié et associé à une gestion hydraulique appropriée, permettant de n’intercepter qu’une partie des flux d’eau. Le but est alors de ne collecter que les eaux les plus chargées en contaminants (par exemple lors des premières pluies suivant l’application des produits) et permettre ainsi de limiter le volume (et l’emprise) du dispositif.

La géométrie et la végétalisation qui doivent permettre de ralentir l’écoulement et favoriser les processus de rétention et de dégradation des contaminants au sein du dispositif (mise en place de diguettes par exemple). On rappellera en particulier que les végétaux sont essentiels au bon fonctionnement de tels dispositifs en permettant de :

  • constituer un support au développement des micro-organismes (biofilm),
  • apporter de la matière organique, nécessaire aux différents processus de biodégradation (dénitrification notamment),
  • ralentir les écoulements, augmentant ainsi le temps de résidence de l'eau et favorisant la sédimentation des matières en suspension (MES),
  • stabiliser les berges par le développement de leur système racinaire,
  • assurer un ombrage à la surface de l'eau, permettant de réguler la croissance des algues (limitation de l’eutrophisation qui survient en présence d’une eau riche en nutriments),
  • une meilleure intégration paysagère.

Aménager et dimensionner des zones tampons pour la lutte contre l’érosion

Le cas de la maîtrise de l’érosion est abordé ici sous un angle relatif à la qualité de l’eau, c'est-à-dire lié à l’atténuation des transferts de matières en suspension et de contaminants adsorbés (phosphore et certains pesticides) vers les milieux aquatiques récepteurs. Pour ce faire différentes solutions correctives existent (« hydraulique douce »), allant de couverts herbacés jusqu’à l’implantation de haies et fascines voire d’une combinaison des différents dispositifs. Ils apportent par ailleurs bien d’autres bénéfices pour limiter les effets néfastes de l’érosion (coulées boueuses, perte de terre arable, envasement des plans d’eau…).

Bien que ciblés sur un contexte agro-pédo-climatique particulier (secteurs de grandes cultures à limons battant du nord de la France), les travaux menés ces dernières années par l’AREAS (http://www.areas.asso.fr/) ont abouti à la publication de plusieurs guides et références expérimentales en matière de lutte contre l’érosion. Un important travail a notamment été mené au sujet des haies et fascines qui restaient jusqu’à présent assez peu documentées.

Ces travaux reposent en particulier sur une série d’expérimentations visant à déterminer les propriétés hydrauliques des haies et fascines (réduction des vitesses d’écoulement et abattement de la charge solide transportée par ruissellement). Il en est tiré un ensemble de recommandations pratiques destinées aux opérateurs : positionnement dans le bassin versant, dimensionnement, modalités d’implantation et d’entretien, coûts…

On retiendra en particulier que :

L’outil « fascine » est bien adapté pour apporter une réponse immédiate mais temporaire (durant 5 à 7 ans) aux problèmes de transfert d’agrégats ou de particules grossières sur les zones amont des bassins versants. Si elle est correctement aménagée et entretenue, une fascine permet de piéger de 60 à 99 % des particules selon les conditions géomorphologiques, pédologiques, agricoles et climatiques. Toutefois, pour pérenniser l’efficacité du dispositif, il convient soit de prévoir un rechargement régulier du fagot, soit de faire évoluer la fascine vers une haie (fascine « vivante » ou fascine doublée d’une haie jeune).

Exemple de fascine à pieux vivants, destinée à évoluer vers le stade haie. Le dispositif retient les particules érodées dans la parcelle cultivée. L’atterrissement modifie progressivement le profil de pente en créant une zone d’eau calme favorable à la sédimentation.

L’outil « haie » apporte un taux d’efficacité comparable à celui de la fascine au bout de 10 ans, mais ensuite pour une durée bien plus longue. Compte tenu de son effet très significatif sur l’infiltration, la haie à plat présente un intérêt supplémentaire à la fascine pour intercepter les ruissellements diffus et ré-infiltrer une part des écoulements. La haie sur talus est quant à elle très intéressante car elle offre une efficacité immédiate et la possibilité d’accroitre la protection rapprochée de zones a enjeux en dérivant les ruissellements tout en piégeant les sédiments.

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Valorisation des fossés pour l’atténuation des transferts de contaminants

Traditionnellement, les fossés implantés en milieu rural ont une fonction hydraulique d’évacuation des eaux de manière à limiter l’érosion ou assainir les parcelles agricoles. A ce titre ils font partie intégrante du chevelu hydrographique et, de par leur positionnement en tête de réseau, constituent l’une des principales interfaces entre les parcelles agricole et les milieux aquatiques de surface. De fait, ils revêtent une importance majeure dans la collecte et le transit des contaminants d’origine agricole ; ils sont de ce point de vue souvent considérés comme un facteur aggravant en permettant une circulation rapide des eaux contaminées vers les milieux aquatiques récepteurs.

Si une protection rapprochée au moyen de dispositifs végétalisés (type bandes enherbées) constituerait une solution idéale pour intercepter les contaminants avant leur accès aux fossés, la mise en œuvre généralisée d’une telle mesure peut s’avérer particulièrement contraignante en raison de l’importance du linéaire concerné. En revanche un certain nombre de travaux, ciblés sur les produits phytosanitaires, tendent aujourd’hui à montrer qu’une conception et une gestion appropriée des fossés peuvent leur permettre d’assurer par eux-mêmes une fonction de rétention et d’épuration (Kao et al., 2002, Margoum et al., 2003).

Il est notamment démontré que la vitesse d’écoulement à travers le fossé et donc le temps de séjour des contaminants constitue un paramètre important. Plus cet écoulement est lent, plus les possibilités de rétention (en fonction des propriétés d’adsorption des molécules) et de dégradation sont élevées. Les facteurs susceptibles de ralentir voire retenir temporairement l’eau au sein du fossé – pente adaptée, rugosité induite par la végétation, redents – ont donc un effet bénéfique pour limiter les flux de contaminants.

La nature du substrat se révèle également importante : la présence de végétaux (macrophytes notamment), de sédiments fins et la richesse en matière organique sont en effet des éléments favorisants, à divers degrés, la fixation des substances phytosanitaires ou l’activité biologique nécessaire à leur dégradation. Finalement, les processus à l’œuvre sont très similaires à ceux recherchés dans le cas des Zones Tampons Humides Artificielles (mais ne peuvent évidemment être optimisés de la même manière étant donné la nécessité de préserver les fonctions hydrauliques des fossés). 

On signalera qu’une étude approfondie est actuellement engagée par l’INRA à propos des fossés infiltrant. Elle se donne pour objectif de :

  • mieux appréhender l’impact de ce type de fossés dans la contamination des ressources en eau par les produits phytosanitaires,
  • permettre d’identifier les situations à risque (phase de diagnostic),
  • proposer, le cas échéant, des modes de gestion adaptés pour optimiser le pouvoir épurateur des fossés.

La spécificité de ces travaux réside dans l’intérêt qui est porté à la fois aux risques pour les eaux de surface et aux risques pour les eaux souterraines (possibilités d’infiltration de l’eau et des contaminants).

Une première synthèse bibliographique faisant l’état des connaissances en la matière (élargie à tous types de fossés) est aujourd’hui disponible (Dollinger et al., 2014). Elle sera prochainement complétée par un guide méthodologique pour le diagnostic et la gestion locale des réseaux de fossés en vue de la limitation de la contamination des masses d’eau par les pesticides.

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