Effet de la chronologie des pluies sur la rétention

Le transfert vertical de particules de sol est connu pour faciliter le transport de polluants adsorbés à leur surface vers les nappes d’eau souterraine ou le transport de particules polluantes en elles-mêmes (exemple: virus, bactéries, nanoparticules) pouvant causer des risques sanitaires importants pour la nappe d’eau (McCarthy and Zachara, 1989 ; Gerba and Smith, 2005). C’est aussi le moteur d’un des processus majeurs de l’évolution des sols : le lessivage (Mackeague and Arnaud, 1969; Jamagne and Pedro, 1981). Ce dernier résulte de deux sous-processus : l’un de départ, supposé massif, de particules dans les horizons de surface (éluviation), l’autre de rétention également importante de particules en subsurface (illuviation). Transfert et rétention de particules ont été étudiés dans des milieux poreux modèles, souvent saturés, et constitués de sable, de billes de verre, de sédiments ou plus rarement d’agrégats de sol recompacté. Les facteurs mis en évidence comme affectant la rétention et les mécanismes sous-jacents sont la filtration physique des particules (Bradford et al., 2006), la rétention par les forces colloïdales, elles-mêmes contrôlées par la force ionique, le pH et la valence des contre-ions présents en solution (Torkzaban et al., 2006, 2008b; a; Bradford et al., 2007; Chowdhury et al., 2012), la sédimentation dans des zones de faible courant (Gao et al., 2006), la sorption aux interfaces eau-air (Wan and Wilson, 1994; Sirivithayapakorn and Keller, 2003) ou eau-air-solide (Crist et al., 2004; Gao et al., 2008; Sang et al., 2013) ou encore la rétention dans des films d’eau d’épaisseur inférieure à la taille des particules (Wan and Tokunaga, 1997; Lenhart and Saiers, 2002).

Des modèles ont été établis pour prendre en compte tout ou partie de ces mécanismes de rétention. Le modèle le plus usité est la théorie de la filtration (Yao et al., 1971) et ses améliorations ultérieures (Logan et al., 1995; Tufenkji and Elimelech, 2004). Il permet de prédire la rétention de particules dans certains cas simplifiés (absence de barrière de potentiel et milieu poreux modèle saturé et homogène). Cependant ce modèle n’est, par hypothèse, pas applicable dans les sols structurés, dans lesquels des écoulements gravitaires non saturés sont susceptibles de se produire à travers un faible nombre de chemins d’écoulements préférentiels (macropores constitués par exemple de terriers de vers de terre, ou résultant de la décomposition de racines), court-circuitant ainsi la plus grande partie des pores les plus fins (matrice). Dans les sols, où les conditions physico-chimiques varient transitoirement (Jarvis et al., 1999; Schelde et al., 2002; Bin et al., 2011), l’attention s’est surtout portée sur la mobilisation de particules autochtones du sol. La rétention de particules a été comparativement peu étudiée, et même si elle a été quantifié dans une fourchette de 25 à 90 % par Cornu et al. (2014) la rétention est encore mal comprise et mal modélisée (Jarvis et al., 1999; Finke et al., 2014).

Il est probable que les mécanismes de rétention décrits dans les milieux modèles soient également actifs dans les sols structurés, mais leur importance relative est vraisemblablement différente (Jacobsen et al., 1997; Jacobs, 2007). En effet, la structure du sol semble jouer un rôle important dans la rétention. Des études phénoménologiques montrent – au champ et dans des colonnes de sol non remanié et insaturé – que les particules sont fortement retenues (i) dans les premiers centimètres sous la surface du sol, (ii) sur les parois des macropores à travers lesquelles l’eau s’est écoulée et (iii) dans la matrice proche (Cumbie and McKay, 1999; Driese and McKay, 2004; Burkhardt et al., 2008; Cey et al., 2009; Passmore et al., 2010; Nielsen et al., 2011). dans l’eau de pluie, dans des colonnes de sol non remanié et non-saturé. Une méthodologie originale en science du sol, reposant sur la cytométrie de flux est employée pour dénombrer les microsphères fluorescentes présentes dans les effluents. Elle permet aussi de quantifier la fraction de ces microsphères adsorbées sur des particules naturelles du sol, ainsi que la remobilisation – au cours d’une pluie – de microsphères retenues lors de pluies précédentes. Ces informations, ainsi que le suivi du comportement hydrique des colonnes et de la physico-chimie des effluents nous permettent de proposer un modèle conceptuel permettant d’expliquer les variations de rétention observées lorsque la durée de la période sèche augmente de 5 à 1200 heures. L’importance relative de ce mécanisme – comparée à d’autres affectant aussi la rétention de particules dans les sols – sera discutée, ainsi que les conséquences environnementales de la remobilisation de particules précédemment retenues.