Modelling the fate of pesticides in constructed wetlands | Modélisation du devenir des pesticides dans les zones tampons humides artificielles

English. Pesticides used to improve the quality of agricultural products are a source of non-point source pollution that affects the quality of water resources and aquatic habitats. Several studies have evidenced that natural (e.g., lakes, ponds, and bogs) or constructed wetlands (e.g., ponds, irrigation reservoirs, and drainage ditches) that intercept agricultural waters can dissipate pesticide contamination. Thus, this thesis aims to study the fate of pesticides in constructed wetlands (ponds). Ponds were originally constructed to store rainwater and agricultural drainage water to provide water for livestock and irrigation. However, several research studies have demonstrated the environmental benefits of ponds. In addition to providing a habitat for living organisms, they can dissipate the concentration of pesticides contained in agricultural waters. When the pesticides remain in the ponds, they undergo a series of physicochemical processes that reduce their concentration. Subsequently, when the ponds are filled, the water is discharged to the surface, and groundwater sources are less pesticide-loaded. Therefore, as a complement to pesticide use regulations, ponds are an effective tool for reducing pesticide transfer to water resources downstream of agricultural plots. Although many studies of the dissipation potential of ponds focus on nitrates and suspended sediments, very little is known about the behavior of pesticides. Furthermore, most studies evaluate a dissipation process individually without focusing on its potential interaction with other processes. Even fewer papers present mathematical formulations for dissipation processes to develop predictive models. The first objective of the thesis is to study and assess the interactions and contribution of multiple physicochemical processes to pesticide dissipation in ponds, as well as their mathematical formulations and main controlling factors. The quantification of the contribution of each process to pesticide dissipation in ponds allowed the construction of primary process hierarchization hypotheses. In the second phase, the findings of this process investigation and the selected mathematical formulations were used to develop a conceptual model of pesticide fate in the ponds. The model integrates the different processes of transport, transfer, and transformation within the main compartments of the ponds (water and sediments) to predict the dynamics of the pesticides. A sensitivity analysis was performed to identify the most involved processes in pesticide dissipation: sorption, transformation by microorganisms, and photolysis. The model was then applied to a typical agricultural pond in a drainage area (Rampillon, France) where pesticides are mostly transported in a dissolved form in the catchment. The application results enabled to display of the temporal distribution of pesticides in the pond and the contribution of each process to the dissipation of pesticides. The model was also applied to another pond (Auradé, France) representing erosive media to characterize pesticides' particle form behavior.

French. Les pesticides utilisés pour améliorer la qualité des produits agricoles, sont une source de pollution diffuse qui affecte la qualité des ressources en eaux et des habitats aquatiques. Nombreuses études ont montré que les zones humides naturelles (ex. lacs, mares, et tourbières) ou construites (ex. étangs, réservoir d’irrigation, et fossé de drainage) qui interceptent les eaux agricoles, peuvent dissiper contamination par les pesticides. Cette thèse a pour objectif d’étudier le devenir des pesticides dans les zones humides artificielles (pond en anglais). Les ponds sont initialement construits pour stocker les eaux de pluie et issues du drainage agricole pour assurer l’approvisionnement d’eau pour le bétail et l’irrigation. Cependant, plusieurs travaux de recherche ont démontré d’avantages atouts environnementaux des ponds. En plus d’offrir un habitat aux organismes vivants, ils peuvent dissiper la concentration de pesticides contenus dans les eaux agricoles. Quand les pesticides séjournent dans les ponds ils subissent un ensemble de processus physicochimiques qui réduisent leur concentration. Par la suite, quand les ponds sont remplis, l’eau qui est déchargée pour rejoindre les sources d’eau de surface et souterraines est moins chargée en pesticides. Par conséquent, en complément à la réglementation d’application de pesticides, les ponds s’avèrent une technique efficace pour réduire le transfert de pesticides vers les ressources d’eau en aval des parcelles agricoles. Bien que de nombreuses études sur le potentiel de dissipation des ponds portent sur les nitrates et les sédiments en suspension, on sait très peu de choses sur le comportement des pesticides. De plus, la plupart des études évaluent un processus de dissipation individuellement sans mettre l'accent sur son interaction éventuelle avec d'autres processus. Encore moins d'articles proposent des formulations mathématiques pour les processus de dissipation pour développer des modèles de prévisions. Un premier objectif de la thèse est d’étudier et évaluer les interactions et la contribution de multiples processus physicochimiques à la dissipation de pesticides dans les ponds ainsi que leurs formules mathématiques et leurs principaux facteurs de contrôle. La quantification de la contribution de chaque processus à la dissipation des pesticides dans les ponds a permis de construire des hypothèses d’hiérarchisation de processus. Dans un second temps, les résultats de cette étude de processus et les formulations mathématiques retenues ont été utilisés pour développer un modèle conceptuel du devenir des pesticides dans les ponds. Le modèle intègre les différents processus de transport, transfert et transformation au sein des principaux compartiments des ponds (eau et sédiments) pour prédire la dynamique des pesticides. Une étude de sensibilité a permis de ressortir les processus les plus impliqués dans la dissipation des pesticides et qui sont la sorption, la transformation par microorganismes, et la photolyse. Ensuite, le modèle a été appliqué sur un pond type des milieux agricoles drainés (Rampillon, France) où les pesticides sont majoritairement transportés en forme dissoute dans le bassin versant. Les résultats de cette application ont permis de visualiser l’évolution temporelle de la répartition des pesticides dans le pond et la contribution de chaque processus à leur dissipation. Le modèle a été appliqué sur autre pond (Auradé, France) représentatif des milieux érosifs pour caractériser le comportement des pesticides sous forme particulaire. Les résultats de la modélisation et les conclusions retenues de l’analyse de sensibilité permettent d’avoir une vision détaillée du fonctionnement des ponds. Ces résultats préparent la voie au ingénieurs pour définir des critères de dimensionnement permettant d’optimiser l’efficacité environnementale des zones humides artificielles.