Sédiment

Le processus de sédimentation est d'abord une loi physique, liée à la pesanteur. Des phénomènes biologiques peuvent l'accélérer ou le réduire, intervenant notamment dans les cycles écologiques et biogéochimiques

La sédimentation dépend du contexte géomorphologique, climatique, écologique et de la vitesse de l'eau.

Une faune spécifique aux sédiments contribue à leur nature, à leur mobilité et à la biodisponibilité des éléments qu'ils contiennent ; particules, nutriments, ou polluants. Les vers Polychaete typiques des vases des estuaires y contribuent, mais ils contribuent aussi a aérer les sédiments

Les polluants peuvent être accumulés dans la chaîne alimentaire et quitter le sédiment pour recontaminer d'autres compartiments de l'écosystème, via la bioturbation

Barrage construit pour bloquer les sédiments issus de l'explosion du volcan Mt St Helens sur la rivière Toutle (État de Washington, États-Unis)

Les matériaux se déposent différentiellement selon leur poids, caractéristique utilisée par les chercheurs d'or pour prospecter les sédiments, où ils trouvent généralement plus de billes de plomb de chasse que d'or

La sédimentation est à l'origine des roches sédimentaires, dont par exemple la craie et le pétrole qui jouent un rôle majeur dans le cycle du carbone

Un sédiment est une particule de taille et d'origine variable, détachée de sa matrice originelle par des phénomènes d'érosion et transportée par la gravité, l'eau, le vent ou la glace. Leur dépôt sur une superficie de taille variable est à l'origine de la formation de couches sédimentaires.

Enjeux

Les sédiments constituent en tant qu'écotone roche-mère/eau un habitat colonisé par des espèces spécifiques (fouisseuses) qui y jouent un rôle majeur d'épuration, aération, fermentation et puits de carbone et pour le réseau trophique.
Le sédiment, autrefois parfois utilisé comme engrais ou amendement (le limon fertil du Nil...) abrite parfois des espèces pathogènes (souvent anaérobies), et aujourd'hui des polluants problématiques pas ou peu ou lentement biodégradables. Il participe néanmoins aussi à la qualité de l'eau des nappes phréatiques en jouant un rôle de tampon ou de « filtre » ^[1] « grâce auquel une partie des éléments polluants des rivières reste fixée dans les sédiments »^[1] (dont une partie peut toutefois être emportée vers la mer ou d'autres parties du bassin-versant lors des grandes crues).

Avec l'aggravation de l'érosion des sols labourés et cultivés ou désertifiés et salinisés, les sédiments encombrent les ports fluviaux et estuariens ou maritimes.
Leur gestion est une source croissante de coûts pour les autorités portuaires et gestionnaires des canaux, ainsi que pour les collectivités riveraines de cours d'eau.

Origine et types de sédiments

• Des particules physiques, des êtres vivants et leurs excrêtats sédimentent en permanence dans les eaux douces, saumâtres et salées, ou se déposent dans les glaciers. Elles peuvent être remobilisées et transportées ailleurs.
• La sédimentation d'origine (éolienne) augmente avec l'aridification et la désertification. Les sédiments transportés par le vent, sont des minéraux issus de l'érosion des sols et des roches, des volcans, des embruns, des incendies.
• Les périodes de crue des rivières et des fleuves entraînent une plus grande quantité de sédiments, car les débits, plus forts, ont une plus importante force érosive et une plus grande énergie de transport. La baisse subséquente des niveaux d'eau crée souvent de vastes étendues de sol nouveau sur les plaines inondables.
  La disparition ou la régression des embâcles naturels, des castors et de leurs barrages peuvent modifier les paramètres érosifs d'un bassin versant et la sédimentation en aval, de même que la canalisation d'un fleuve ou d'une rivière, ou la construction de barrages artificiels qui emprisonnent dans leurs réservoirs d'importantes quantités de sédiments et parfois de polluants.
• L'érosion des sols dégradés par l'agriculture et le lessivage des sols urbains sont une source croissante de sédiments dans les canaux. A titre d'exemple, dans le réseau Nord/Pas de Calais, VNF estimait^[2] en 2007 que l'érosion des bassins versants était responsable de l'apport de 143 000 tonnes de sédiments par an (à raison de 100 mg·l^-1 dans les eaux de ruissellement urbain^[2], de de 0,18 t/ha pour les eaux de ruissellement agricole^[2], les apports en sédiments étant nuls ou négligeables^[2] dans les zones boisées ou prairiales, qui au contraire captent une grande partie des particules en suspension de l'eau qui réapparait limpide en aval dans les sources. Ces sédiments (souvent pollués) doivent être coûteusement curés et stockés dans des terrains de dépôt. Dans cette seule région, et rien que pour les canaux, VNF a identifié (chiffres 2007) 5.346 ouvrages de rejets directs. Selon la DRIRE, les industriels de cette région suivis par la DRIRE rejetaient dans les cours d'eau environ 4.300t/an ^[3]. Le volume des sédiments que VNF prévoit devoir extraire entre 2007 et 2027 est d'environ 8,5 millions de m3, venant à 80 % du réseau magistral (grands et principaux canaux)^[4].

• Les dunes et le lœss sont des résultats d'un transport sédimentaire éolien.
• Les moraines et tills sont des dépôts de sédiments ayant été transportés par la glace. Les effondrements gravitaires créent aussi des sédiments comme les talus et les glissements ainsi que les éléments de karstologie.
• Les lacs, deltas, mers et océans accumulent des sédiments pendant de longues périodes (transgression marine). Le matériau peut être terrigène (venant des terres) ou marin (dont l'origine est marine). Les sédiments déposés sont la source de roches sédimentaires qui peuvent contenir des fossiles des habitants de ce volume d'eau jadis recouvert par les couches de sédiments. Leur carottage permet de connaître l'évolution du climat.

Transport de sédiments

Cours d'eau

Lorsqu'un fluide comme l'eau coule, il peut se charger de particules en suspension. En milieu calme, la vitesse verticale de sédimentation est la vitesse maximale, ou limite, de chute d'une particule. Elle est donnée par la loi de Stokes :

où w est la vitesse limite verticale de sédimentation, ρ est la masse volumique (les indices p et f indiquent respectivement particule et fluide), g est l'accélération due à la gravité, r est le rayon de la particule et μ est la viscosité dynamique du fluide.

Si la vitesse de l'écoulement est plus grande que celle de dépôt, le granulat continue vers l'aval. Comme il y a toujours des diamètres différents dans le flot, les plus gros se déposent (décantation) tout en pouvant continuer à descendre par des mécanismes comme la saltation (collisions particules-paroi, par roulement ou glissement, dont les traces sont souvent conservées dans les rochers solides) et peuvent être utilisées pour estimer la vitesse du courant.

Dans les cours d'eau à pente plus importante, des sédiments plus grossiers peuvent être transportés. En montagne, le diamètre de plus grosses particules rocheuses transportées peut atteindre plusieurs dizaines de centimètres. Lorsque ce transport de sédiments survient lors d'une crue, on assiste à un événement de charriage.

Sédiments pollués

En aval des zones habitées, cultivées et/ou industrialisées, les sédiments des fleuves, des canaux, des gares d'eau, des estuaires et des littoraux ainsi que de certains lacs sont souvent très pollués. La pollution peut être ancienne (issue de mines médiévales ou antiques de métaux par exemple) et/ou récentes. On parle parfois de « pollution de stock », qui peut (re)devenir une « pollution de flux » en période de crue, ou suite à une méandrisation du cours d'eau ou suite à des travaux contribuant directement ou indirectement (modification des courants) à leur remise en suspension.
Des sédiments peuvent aussi avoir été pollués directements par le rejet volontaire ou involontaire de déchets, et notamment en mer Baltique et sur le littoral français ou dans certains lacs par l'immersion volontaire de munitions, d'explosifs et de déchets divers. Le long des canaux, des dépôts de boues de curages peuvent parfois constituer des points de relarguage de pollution.

Lits fluviaux

N'importe quelle particule dont le diamètre est approximativement plus grand que 0,7 mm formera des composants topographiques visibles et sculptés dans le lit du cours d'eau.

Environnements dépositaires principaux

Les principaux environnements dépositaires sont :

• Delta
• terrasse alluviale
• éventail alluvial
• méandres et rivière en tresses
• lac de bras mort
• levée
• bassin sédimentaire

Côtes et mers peu profondes

Le second environnement principal où le sédiment peut être en suspension dans un fluide est dans les mers et océans. Il peut venir des cours d'eau comme précédemment. Au milieu de l'océan, ce sont les organismes vivants qui sont principalement responsables de l'accumulation de sédiments, car leur coquille coule sur le fond de l'océan après leur mort et s'y fossilise. Enfouis durant des millions d'années, ces sédiments organiques sont graduellement transformés en combustibles fossiles tels que le charbon ou le pétrole, selon la durée d'enfouissement et l'environnement des couches organiques.

Formes du lit marin

Le forme du lit marin est influencée par la marée.

Les contre-écoulements

La chute de particules dans un liquide provoque des contre-écoulements opposés à leur descente. Ces contre-écoulements ont pour effet de ralentir la descente des particules situées au-dessus et ralentissent la sédimentation.

Pour mettre en évidence ce phénomène, une expérience de sédimentation dans un tube peut facilement être réalisée (voir l'effet Boycott).

En France

Le grenelle de la mer et les sédiments

Le ComOp « sédiments » dans son rapport^[5] rendu en juin 2010 note que la loi peut limiter l’immersion de sédiments très toxiques, mais non l'interdire tout à fait «  puisque des immersions de sédiments dépassant les teneurs-seuils restent possibles s’il s’agit de la solution la moins pénalisante pour l’environnement  » (principe de la Convention de Londres).
Il a conclu que si le dragage n'engendrait pas en soi une contamination des sédiments, il induit néanmoins « une remobilisation de particules polluées par des flux provenant du bassin-versant ». Il faut donc « agir en amont pour éviter les flux polluants à la source en appliquant le principe « pollueur-payeur» sur l’ensemble des activités contribuant à la pollution des sédiments, et d’inciter aux bonnes pratiques en matière de dragage et d’immersion  » ^[5].

Le ComOp demande^[5]:

• un « protocole » officiel « d’évaluation de la dangerosité des sédiments (dont pour leur gestion à terre), « après analyse des tests de validation actuellement en cours ».
• Des bilans scientifiques précédant toute évolution réglementaire.
  Un 1er bilan réglementaire (MEEDDM) est souhaité avant mi 2011, de la « réglementation existante et de son application, en France et dans les États membres concernés par cette problématique, notamment pour les sites d’immersion, la gestion à terre des sédiments, le suivi de substances non réglementées (mais que la directive cadre sur l’eau demande de prendre en compte), les éventuelles mesures compensatoires aux impacts des opérations de dragage/immersion, et les pratiques éventuelles de mélanges de sédiments de dragage  ».
• Les sites d’immersion devraient être mieux suivis,
• Il faut prendre en compte des substances non encore réglementées, en cohérence avec la directive cadre sur l’eau et la directive cadre stratégique pour le milieu marin, surtout dans les zones les plus sensibles. Des produits tels que les HAP notamment pourraient déjà faire l’objet de fixation de seuils (rem : cette recommandation n'a pas fait l’objet d’un consensus au sein du groupe de travail)
• Il faut mieux traiter (dont par inertage…) et valoriser à terre des sédiments, ce qui implique de mieux les caractériser ( des guides d’application sont aussi nécessaires)
• Il faut à la fois réfléchir aux limites de l'immersion et au développement de filières d’élimination des sédiments non immergeables.
• Actualiser avant fin 2011 les circulaires d’application sur les dragages en coordonnant mieux les polices de l’eau et ICPE pour l’instruction des dossiers (dragage et gestion à terre des sédiments), en intégrant la nouvelle nomenclature des ICPE sur les déchets (décret du 13 avril 2010), en évaluant scientifiquement la dangerosité des sédiments à terre, en suivant mieux les opérations à risque (ex : « pollutions historiques et sites particulièrement sensibles »). Les préfets peuvent déjà – via leurs arrêtés - renforcer le suivi des sites d’immersion, « « en précisant les objectifs de ce suivi, modalités de mise en oeuvre et d’interprétation des autorisations  »…).

Le ComOp souhaite^[5] enfin une procédure d’autorisation (instruction + enquête publique) « unique et globale » pour les demandes d’autorisation de dragage d'immersion et/ou de gestion à terre des sédiments, avec clarification des procédures et responsabilités concernant la gestion des macro déchets émergés à l’occasion d’opérations de dragage.
Il faut mieux comprendre et prendre en compte les flux de polluants lors du dragage et des immersions, et élaborer des «  indices globaux intégrateurs d'un niveau de pollution des sédiments », en associant les hercheurs et parties prenantes, dans l’esprit du Grenelle de l’environnement ».
Des guides méthodologiques et/ou de recommandations sont à publier (dont en ligne) pour :

- le suivi et la gestion des sites d’immersion en mer, sur la base de règles d’interprétation du suivi, et éventuellement des seuils et méthodes de suivi innovantes (GEODE, 2011) ;

- l’étude des impacts dans le cadre préalables aux autorisation de dragage et immersion en mer (GEODE, finalisation du guide pour 2012) ;

- l’évaluation des pressions et impacts des dragages, avec analyses comparatives des impacts sanitaires et environnementaux selon le mode de gestion des sédiments, pour 2012 dans le cadre de la mise en oeuvre de la DCSMM) ;

- les sédimatériaux (valorisation des sédiments en techniques routières, travaux maritimes et d’aménagements (MEEDDM, 2011).

• Soutenir l'expérimentation pour développer les filières de valorisation des sédiments et en tirer les enseignements, avec des aides du MEEDDM et de ses établissements publics, en structurant et fédérant les projets de valorisation en cours.
• Promouvoir les bonnes pratiques, les labels, cahier des charges, guides techniques et les connaissances acquises et les retours d’expériences en renforçant la communication (animation, échanges d’expériences entre État, ports, établissement scientifiques et techniques et associations de protection de l’environnement, avec un rapport public annuel et des bilans pluriannuels, journée annuelle d’échanges et de restitution sur les dragages et immersions et les sédimatériaux...
• Mieux associer les acteurs au groupe technique, et sensibiliser les usagers (dont ports) à l’importance de réduire les volumes de macro-déchets rejetés en mer^[5].

Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie

• (en) Piet Lens ; « Soil and sediment remediation: mechanisms, technologies and applications » ; Integrated environmental technology series ; Ed : IWA Publishing, 2005 ; ISBN:1843391007, 9781843391005, 523 pages.
• (fr) Claude Alzieu (coordinateur), 2003, Bioévalution de la qualité environnemntale des sédiments portuaires et des zones d'immersion, Editions Ifremer, 248 p.
• (fr)Glémarec M., 2003, Les indices biotique en milieu sédimentaire. In Bioévalution de la qualité environnemntale des sédiments portuaires et des zones d'immersion, Editions Ifremer, Claude Alzieu (coordinateur), 2003, 31-50
• (fr)Roland Boutin, 2000 ; Dragage et rejets en mer: les produits de type vase , Presses de l'école nationale des ponts et chaussées, - 307 pages
• (fr) OSPAR, Lignes directrices OSPAR sur la gestion des matériaux de dragage ;Réunion ministérielle de la Commission OSPAR ; (p 68) (Télécharger)
• (en) GESAMP, 1982. Reports and Studies No. 16: Scientific Criteria for the Selection of Waste Disposal Sites at Sea.
• (en) International Association of Dredging Companies (IADC)/Central Dredging Association (CEDA), 1997. Environmental Aspects of Dredging, Guide 2a:Conventions, Codes and Conditions: Marine Disposal.
• (en) International Association of Dredging Companies (IADC)/Central Dredging Association (CEDA), 1997. Environmental Aspects of Dredging. Guide 3 (Investigation, Interpretation and Impact). ISBN:90-75254-08-3.
• (en) International Association of Dredging Companies (IADC)/Central Dredging Association (CEDA). Environmental Aspects of Dredging, Guide 4: Machines, Methods and Mitigation
• (en) PIANC, 1992. Beneficial Uses of Dredged Material : A Practical Guide, Report of Working Group No. 19.
• (en) PIANC, 1996. Handling and Treatment of Contaminated Dredged Material from Ports and Inland Waterways, Report of Working Group No. 17 of the Permanent Technical Committee 1 - Supplement to PIANC Bulletin No. 89.
• (en) PIANC, 1997. Dredged Material Management Guide. Special Report of the Permanent Environmental Commission – Supplement to Bulletin no. 96.
• (en) PIANC, 1998. Handling and Treatment of Contaminated Dredged material from Ports and Inland Waterways, Vol. 2., Report of Working Group No. 17 of the Permanent Technical Committee 1.
• (en) PIANC, in prep. Management of Aquatic Disposal of Dredged Material. Report of Working Group 1 of the Permanent Environmental Commission. (parution prévue pour septembre 1998)
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• (en) EPA/CE, 1991. Evaluation of Dredged Material Proposed for Ocean Disposal: Testing Manual EPA-503/8-91/001. US-EPA Office of Water (WH-556F).
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• (en) International Association of Dredging Companies (IADC)/Central Dredging Association (CEDA), 1997. Environmental Aspects of Dredging. Guide 3 (Investigation, Interpretation and Impact). ISBN 90-75254-08-3.
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• (en) Murk et al., 1996. Chemical-activated luciferase gene expression (CALUX): a novel in vitro bioassay for Ah receptor active compounds in sediments and pore water. Fund. & Applied Tox. 33: 149-160. OSPAR, 1997 (available from the OSPAR Secretariat)
• (en) JAMP Guidelines for Monitoring Contaminants in Sediments
• (en) Rees, H.L., C. Heip, M. Vincx and M.M. Parker, 1991. Benthic communities: use in monitoring point-source discharges. ICES Techniques in Marine Environmental Sciences No. 16.

Notes et références

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