Détails du projet

La localisation de l’OHM Fessenheim, aux frontières de l’Allemagne et de la Suisse, dans une région fortement industrialisée en bordure du Rhin, en fait un objet d’étude unique. Au-delà des questionnements liés à la centrale elle-même, il est important de souligner la proximité et l’interdépendance de ce territoire avec le Rhin Supérieur et ses activités. Cette partie transfrontalière du fleuve vit des successions de déconnexions, connexions et reconnexions qui jalonnent et expliquent ses trajectoires spatio-temporelles d’état, d’usages et de services. Dans ce cadre, le projet DOMINO a investigué la question de l’opposition du visible/invisible au sein de ces trajectoires via l’étude de l’accumulation et de la remobilisation de micro-polluants tels que des contaminants organiques et inorganiques provenant de zones industrialisées en bordure du Rhin et séquestrés au sein des sédiments alluviaux. Il a également permis de développer un algorithme (DOMINO) pour caractériser le(s) point(s) de bascule statistique(s) pouvant influer sur les trajectoires spatio-temporelles du socio-hydrosystème Rhin Supérieur au droit de Fessenheim et à identifier les conséquences des changements induits. Nos actions de recherche ont permis ainsi de « rendre visible » les processus écologiques, géochimiques et géomorphologiques qui ont été déterminants dans l’état actuel du fleuve. Il a été mis en évidence que les milieux d’aujourd’hui restent empreints de nos usages et activités passées mais offrent également des pistes encourageantes quant à l’influence des politiques publiques dans l’amélioration de la qualité des milieux.

Objectifs du projet et mise en contexte

La localisation de l’OHM Fessenheim, aux frontières de la France, l’Allemagne et à proximité de la Suisse, dans une région fortement industrialisée en bordure du Rhin, en fait un objet d’étude unique. La fermeture de la première centrale nucléaire française REP900 en exploitation commerciale depuis 1978 induit une volonté de transition énergétique et écologique globale pouvant mener à une modification profonde des interactions Homme-Milieux au sein de ce territoire. Au-delà du prisme Fessenheim, il convient de souligner l’interdépendance de l’ensemble de ce territoire avec la gestion du Rhin, un fleuve transfrontalier très fortement anthropisé et aménagé. Il apparaît clairement que le démantèlement peut être un vecteur de reconnexion sociétale avec le fleuve ou une déconnexion bénéfique pour l’écosystème aquatique.

Le projet de recherche DOMINO s’inscrit dans le cadre conceptuel proposé par le groupe inter-OHM HYDECO (projet transverse LabEx DRIIHM accepté en 2021), qui cherche à analyser les influences de faits structurants sur les trajectoires évolutives des grands fleuves, dans notre cas d’étude le Rhin (ex. aménagements marquants & infrastructures, ouverture/fermeture du CNPE, pollutions accidentelles & contaminants, perturbations naturelles de type crues & changements globaux dont climatique). Le projet HYDECO intègre deux idées conceptuelles, étroitement liées, qui interrogent la notion de connexion, déconnexion ou reconnexion : (i) l’opposition visible/invisible et (ii) la définition du « point de bascule » – réinvestis dans le cadre du projet DOMINO en deux objectifs distincts mais interconnectés.

Objectif 1. Notre premier objectif a visé la caractérisation du poids des connexions/déconnexions hydrogéologiques dans l’accumulation et la remobilisation de polluants et interroge ainsi l’opposition visible/invisible. Plusieurs contaminants organiques, inorganiques et organométalliques proviennent de zones industrialisées en bordure du Rhin et sont piégés au sein des sédiments alluviaux. Les sédiments pollués sont ici des marqueurs spatio-temporels, soumis à des connexions ou déconnexions hydro-sédimentaires passées et actuelles (e.g. inondations) ou liés à des évènements ponctuels majeurs dans l’histoire du fleuve (e.g. accident de pollution de l’usine de Bâle Sandoz, 1986, qui a conduit à une révision globale de la gestion du fleuve), faisant ainsi varier leurs teneurs en polluants.

Figure 1. Objectif 1 : Localisation des stations d’étude (points blancs) et descriptif de la méthode de traitement des échantillons.

Objectif 2. Le second objectif a été de développer une méthode pour identifier le(s) point(s) de bascule statistique(s) au sein de séries temporelles longues de données biologiques. Les premières études menées dans le cadre de l’OHM Fessenheim s’intéressent en effet fortement à ces derniers aspects mais beaucoup moins à l’étude des trajectoires écologiques du Rhin supérieur. Cela rejoint les débats scientifiques sur « l’effet cascade », i.e. un petit changement et/ou la multiplication de petits changements pourrait entraîner un socio-hydrosystème dans un mode de fonctionnement très différent ; ex. changement de fonctionnalité ou de services écosystémiques – ou encore plus largement sur les questions d’équilibre/déséquilibre des socio-écosystèmes après la construction/destruction d’ouvrages. In fine, ces deux objectifs rejoignent une même volonté, celle de « rendre visible » les phénomènes (processus écologiques, géomorphologiques, géochimiques, hydrologiques) aux yeux des sociétés concernées.

Méthodologies

Objectif 1. Pour cette partie nous nous sommes focalisés sur le cas des pollutions métalliques et leur enregistrements dans les sédiments du Rhin supérieur. Trois sites (Rhinau, Marckolsheim et Kembs) ont été sélectionnés via l’analyse d’anciennes cartes géoréférencées du Rhin supérieur datant de 1778 à 2012 et des investigations de terrain pour échantillonner des sédiments déposés le long du Rhin supérieur au cours des 200 dernières années. Après collecte, séchage et sous-échantillonnage, la granulométrie a été caractérisée par granulomètre laser, une partie des échantillons a été broyée à 100 µm afin d’analyser (i) la minéralogie par diffraction des rayons X et (ii) la composition chimique en éléments majeurs et traces des sédiments par spectrométrie de masse et à émission atomique (Fig. 1). En parallèle, les échantillons ont été datés en combinant différentes méthodes géochronologiques : (i) les cartes anciennes, (ii) les crues historiques et la granulométrie, (iii) les datations par luminescence grain par grain stimulés par infrarouge (IRSL) et (iv) la datation par le Cesium-137. Une fois l’âge de certains échantillons obtenus, une interpolation linéaire a été tracée pour définir une équation mathématique reliant la profondeur et l’âge de dépôt. La production des graphes en sortie reliant l’évolution de la composition chimique avec la période de dépôt des sédiments a été assurée par une application Python, programmée spécifiquement pour le projet.

Objectif 2. Une première étape a été de définir mathématiquement le point de bascule et de le transcrire en langage de programmation R pour être employé plus largement sur des jeux de données à grande échelle. L’algorithme a été développé en s’appuyant sur le retour d’expérience du logiciel HYPE, qui s’intéresse à la caractérisation et l’évaluation des tendances d’évolution temporelle de la qualité des eaux souterraines. Ainsi, un package a été spécifiquement créé pour le projet (DOMINO). Il permet de (i) rechercher les dates de changement de tendance sur un intervalle de temps défini par paramètre, (ii) identifier si certains paramètres ont des dates de changement de tendance similaires (ou intervalles) et (iii) extraire une liste de triplets comportant des couples de paramètres ayant des dates/intervalles de changement identiques – ainsi qu’une date correspondant au moment de bascule. Pour établir le(s) point(s) de bascule statistique(s) qui ont eu lieu dans l’histoire du Rhin et avec un impact sur les communautés biologiques, les données NAIADES du Bassin Rhin-Meuse ont été explorées : (1) physico-chimie (01/02/1970-29/12/2022), (2) hydrobiologie (22/05/2007-30/09/2021), (3) hydromorphologie (22/07/2008-08/09/2023) et (4) température (25/04/2006-04/12/2023). Plus précisément, les stations situées à proximité du Rhin ont été ciblées y compris celles encadrant Fessenheim et la centrale.

Principaux résultats

Objectif 1

Les résultats de cette étude montrent qu’il est probable que les sédiments récents du Rhin trouvés dans le lit mineur du Rhin, les paléochenaux et les anciennes plaines d’inondation ont enregistré certaines activités anthropiques au cours de la seconde moitié du 20ème siècle. Par exemple, les résultats du profil temporel pour le potassium (figure 2) suggèrent qu’il existe un enrichissement dans les sédiments prélevés à Rhinau et non à Kembs entre 1960 et 2021. Cela peut être expliqué par la localisation spatiale de Kembs, qui se trouve en amont des bassins de saumure (qui rejette du NaCl et du potassium dans le fleuve), alors que Rhinau se trouve à l’aval. L’hypothèse formulée est que l’anomalie en potassium est étroitement liée avec l’activité des bassins de saumure (figure 2).

Globalement, nous constatons une nette diminution de ces impacts pour les éléments chimiques étudiés qui est bien corrélée avec la période de désindustrialisation du bassin du Rhin (fin du 20e siècle, début du 21ème siècle). En effet, nous avons vu les éléments métalliques étudiés attestant d’un impact historique ont un impact plus faible aujourd’hui (dépôts sédimentaires de 2021) que pendant l’ère industrielle de la seconde moitié du 19e siècle. Cette diminution récente de l’enregistrement de métaux anthropiques pourrait être la conjoncture de la désindustrialisation de la région au 21ème siècle et de la mise en place de politiques environnementales qui pourraient être menées par exemple par la CIPR (Commission internationale pour la protection de l’environnement).

Objectif 2

Le projet DOMINO a permis de développer une méthode pour identifier le(s) point(s) de bascule statistique(s) au sein de séries temporelles longues de données biologiques. L’algorithme a été testé dans le cadre d’un processus itératif et a révélé ainsi son potentiel en identifiant des dates d’intérêt par corrélations booléennes. Il recherche si pour plusieurs paramètres des dates similaires se distinguent. Ce résultat permet de répondre à deux questions : (i) est-ce que la biologie a été influencée par certains paramètres abiotiques ou par la biologie elle-même ? et (ii) est-ce les corrélations sont multiples, garantissant un fait structurant d’ampleur – qui a pu être identifié par le passé (pollutions visibles : mortalités massives, changement de couleur) ou non identifié (pollutions invisibles, présence d’espèces exotiques envahissantes). En utilisant la base de données NAIAIDES du bassin Rhin-Meuse, il a été identifié, par exemple, pour les sulfates, la date clef du 15/05/2017, à partir de laquelle des modifications d’état ont été éprouvées statistiquement (ex. richesse en macro-invertébrés, diversité fonctionnelle) par le programme.

Figure 2. Profil géochimique du potassium normalisé par le silicium en fonction de l’âge de dépôt.

Figure 3. Extrait d’une recherche de corrélation entre le paramètre « Sulfates » et les paramètres biologiques de la station de Kembs.

Ces résultats sont prometteurs mais le programme est en cours d’amélioration avec plusieurs objectifs :

• Considérer des seuils de significativité pour extraire plusieurs dates clefs. A ce jour, l’outil est très exigeant et ne permet pas de considérer des corrélations multivariées ;
• Améliorer le temps de traitement de jeux de données ;
• Tester plus largement l’algorithme (en cours) ;
• Rapprocher les dates extraites par le programme de faits structurants, en mettant en évidence la part de faits connus de ceux qui sont passés inaperçus ou sous-estimés (ex. amélioration de la qualité des milieux, abondance des espèces exotiques envahissantes).

Perspectives

Le projet DOMINO s’est intéressé à la complexité des socio-hydrosystèmes, en proposant des objectifs intégrateurs aux composantes multivariées. Il est démontré ici qu’une part de la variabilité des systèmes peut être expliquée par des faits sous-estimés, méconnus ou encore invisibles aux yeux de la société.

L’objectif 1 a mis en évidence que l’environnement actuel est empreint des activités passées et invite à se questionner sur le bénéfice que pourrait avoir nos actions aujourd’hui. Si ces paléo-chenaux et autres milieux anciennement inondables étaient à nouveau ciblés, en particulier à la suite de projets de restauration de ces connections hydrauliques anciennes – le remaniement de sédiments potentiellement chargés pourrait être un facteur se confondant aux effets positifs de l’action restauratrice. Il serait ainsi envisageable de prévoir une étude éco toxicologique pour confirmer/infirmer si, à de telles concentrations, les enrichissements observés en métaux lourds et en potassium peuvent représenter un danger pour l’homme et la biodiversité. Or, il est à noter également que les impacts sur les sédiments ont été réduits et que les politiques publiques ont largement participé à l’amélioration de la qualité des milieux. A l’avenir, il pourrait être intéressant de comparer ces résultats avec les données géochimiques en amont de Bâle pour caractériser l’impact des anciennes usines de la ville sur la concentration en métaux lourds détectée en aval dans le cadre de ce projet. Cela produirait un résultat similaire à celui obtenu pour les mines de potasse d’Alsace en étudiant une carotte sédimentaire en aval et en amont (Fig 2.). D’autres données le long du Rhin dans des systèmes de dépôts récents seraient intéressantes pour confirmer les observations. En outre, il serait intéressant d’améliorer notre estimation du signal naturel qui sert de référence en prélevant davantage d’échantillons comme ceux prélevées sur des carottes plus plurimillénaires.

In fine, l’algorithme développé dans le cadre de ce projet est également prometteur et fait l’objet actuellement d’une publication en cours d’écriture. Actuellement, il est en phase de test et d’amélioration. Les données NAIAIDES sont encore largement explorées pour identifier précisément les faits ayant joué un rôle dans les trajectoires d’état du Rhin (positif ou négatif). A ce stade, les opportunités sont nombreuses. L’identification des points de bascule (faits structurants) nous permet de renforcer la connaissance en identifiant les faits (i) ayant altéré de façon irréversible les trajectoires spatio-temporelles d’état, d’usages et de services, (ii) pour lesquelles le système a été résilient, ou (iii) qui ont été améliorés avec l’appui des politiques publiques.

Plus-value pour le territoire

Le projet DOMINO est une chance pour le territoire d’améliorer la compréhension des processus et de renforcer la connaissance du fonctionnement des socio-hydrosystèmes. Des pistes sont ici formulées pour mettre en lumière la part de variabilité inexpliquée dans les trajectoires des socio-hydrosystèmes. Comprendre l’historicité d’un socio-hydrosystème dans ses temporalités permet au territoire d’orienter les politiques publiques et d’être réactif face aux aléas (ex. changement climatique, évènements extrêmes). Alors que les notions de résilience et de transition sont au premier plan, dans un contexte de forçage climatique, il s’agit in fine d’éclairer les décisions à prendre pour une gestion durable des ressources et des services liés au fleuve.

D’autre part, ces travaux mettent en avant le Rhin comme un site de démonstration où l’histoire du fleuve devient l’acteur de la pédagogie. Les résultats obtenus concernant l’identification des points de bascule et de leurs influences seraient intéressants à intégrer dans un modèle comparatif avec les autres OHM, et ainsi fédérer autour des trajectoires passées et contemporaines des grands fleuves à l’échelle internationale.