Thèse Maîtrise du Risque de Transfert de Contaminants Vers les Eaux de Surface et Souterraines en Réutilisation des Eaux Usées Traitées pour l'Agriculture Analyse de la Pratique du Goutte-À-Goutte H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Agro Montpellier École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau Laboratoire de recherche : LISAH - étude des interactions entre sols, agrosystèmes et hydrosystèmes Direction de la thèse : Jean-Stéphane BAILLY ORCID 0000000341635275 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59 Cette thèse vise à évaluer et maîtriser le risque de transfert de contaminants organiques vers les eaux de surface et souterraines dans le cadre de la réutilisation des eaux usées traitées (REUT) pour l'irrigation viticole en contexte méditerranéen, via la pratique du goutte-à-goutte.
Dans un contexte de changement climatique marqué par une intensification des sécheresses en région méditerranéenne, la REUT constitue une solution prometteuse pour préserver les ressources en eau conventionnelles. Bien que la réglementation européenne encadre strictement les risques sanitaires liés aux agents microbiologiques, les incertitudes persistent concernant le devenir des microcontaminants organiques dans les sols irrigués, notamment lors d'épisodes pluvieux intenses typiques du climat méditerranéen.
La pratique du goutte-à-goutte concentre les éléments dissous dans un « bulbe d'irrigation » localisé. Cette accumulation pourrait modifier les processus d'adsorption, de désorption et de dégradation des contaminants, et favoriser leur remobilisation vers les nappes ou les eaux de surface lors des pluies automnales.

Les objectifs sont :

Caractériser les bulbes d'irrigation et les zones d'accumulation de solutés ;

Étudier les mécanismes de sorption/désorption et les cinétiques de dégradation des microcontaminants ;

Évaluer le risque de remobilisation lors des épisodes pluvieux ;

Proposer des pratiques d'irrigation durables (calendrier, gestion quantitative) minimisant les risques environnementaux.

Les résultats attendus permettront d'établir un diagnostic environnemental de la REUT en goutte-à-goutte en viticulture méditerranéenne et de définir une typologie de pratiques adaptées aux différents types de sols et régimes climatiques.

L'activité agricole sur toute la région méditerranéenne est soumise à un déficit hydrique important. Le changement climatique tend à augmenter la fréquence et l'intensité des sécheresses depuis 1950 sur cette zone géographique (Hartmann et al. 2013 ; Vincente-Serrano et al. 2014). D'ici 2080, certains scénarios prévoient une diminution de 30% des précipitations moyennes annuelles, en particulier au printemps et en été (Cramer et al. 2018).
Dans ce contexte, des solutions sont imaginées et mises en place par les acteurs pour limiter les prélèvements dans les ressources en eau de surface et souterraines. Une de ces solutions est le recours à des ressources d'eau alternatives pour l'agriculture. La réutilisation des eaux usées traitées en agriculture (REUT) est une forme de recours à une ressource alternative, déjà explorée via plus d'une quarantaine de projets à l'étude ou en cours de réalisation dans la seule région Occitanie (Région Occitanie, 2023). Par ailleurs, cette pratique est largement utilisée dans plusieurs pays dans le monde, et les besoins de connaissance associés aux risques sont importants (Ait-Mouheb et al. 2018).
Le règlement européen encadrant la REUT pour l'activité agricole adopté en mai 2020 (2020/741), suivi par l'arrêté du 18 décembre 2023 relatif aux conditions de production et d'utilisation des eaux usées traitées pour l'irrigation des cultures en France, impose une qualité de l'eau aux objectifs contraignants, limitant de fait les risques de contamination aigus via l'utilisation de cette ressource, notamment via l'exposition à des agents fécaux (McLennan et al. 2024). De plus, cette pratique est souvent mise en oeuvre en association avec du goutte-à-goutte, empêchant le contact direct entre la production et l'eau usée traitée (effet barrière selon la définition donnée par l'arrêté du 18 décembre 2023). Concernant les autres contaminants, et notamment les microcontaminants organiques, il a été montré pour certaines substances médicamenteuses que les quantités absorbées par les productions végétales étaient généralement infimes et ne représentaient donc pas un danger direct pour la consommation humaine (Manasfi et al. 2020), même si dans certains contextes des molécules telles que le sulfamethoxazole and 17- ethinylestradiol ont été trouvés dans les productions dans des concentrations significatives (Delli Compagni et al. 2019). Par ailleurs, concernant le risque de transferts vers les eaux souterraines, en goutte-à-goutte, l'efficience de l'eau atteint environ 90%. Le risque de transfert de contaminants vers les eaux souterraines lors de l'irrigation est donc considéré extrêmement faible. En revanche, les possibilités de remobilisation des éléments stockés dans le sol vers les eaux de surface ou vers les eaux souterraines lors des forts épisodes de pluies n'a, à notre connaissance pas été examiné. Des phénomènes de remobilisation ont déjà été décrits en contexte Méditerranéen et pour des micro-polluants tels que les pesticides (e.g. Louchart et al., 2001) cependant. En Méditerranée, les pluies automnales contribuent fortement à la recharge des nappes et occasionnent fréquemment des ruissellements de surface. La question de la redistribution spatiale de contaminants via l'utilisation plus massive d'eaux usées traitées est donc encore un champ de recherche (McLennan et al. 2024). Par ailleurs, la pratique du goutte-à-goutte modifiant localement les équilibres au niveau des bulbes d'irrigation (apports de sels dissous, biote, matière organique dissoute, microplastiques et microcontaminants), il est probable que les processus d'immobilisation et de dégradation des microcontaminants au niveau des bulbes s'en trouvent modifiés par rapport au sol environnant (Carter et al. 2019 ; Fu et al. 2019).
La pratique du goutte-à-goutte en contexte viticole apparaît donc comme une mesure efficace pour la maîtrise du risque de transferts directs vers les eaux souterraines. Par ailleurs, cette pratique est à l'origine d'un bulbe d'irrigation au niveau du goutteur. Le bulbe d'irrigation est le lieu de la concentration des éléments chimiques et biologiques contenus dans les EUT : sels, biote, matière organique, microplastiques et contaminants organiques et non-organiques (Carter et al. 2019 ; Fu et al. 2019). Il est fait l'hypothèse que la composition particulière des eaux usées traitées peut influencer le devenir des microcontaminants organiques dans le sol. Le risque de remobilisation des contaminants au moment des épisodes de pluie en début et fin de période d'irrigation n'a jamais été caractérisé dans ce contexte. Une étude des processus de remobilisation et de dégradation se déroulant au niveau du bulbe d'irrigation permettrait de caractériser les risques de contamination des ressources en eau liés à la pratique de la REUT en goutte-à-goutte.
La thèse se propose donc d'explorer le risque de transferts de contaminants organiques contenus dans les EUT vers les eaux souterraines et les eaux de surface en pratique du goutte-à-goutte (de surface) suivie de pluies automnales. Les aspects qualitatifs spécifiques des eaux usées seront considérés pour prendre en compte l'effet potentiel des sels et de la matière organique contenue dans les eaux usées traitées et leur influence sur le devenir des contaminants organiques dans les sols. Un des objectifs opérationnels de la thèse est de proposer des pratiques d'irrigation (en termes de temporalité, de mise en oeuvre, de gestion quantitative) qui soient pérennes du point de vue environnemental en s'appuyant sur un diagnostic et une typologie de fonctionnement de la pratique au regard des transfert des contaminants.
La thèse se propose d'étudier le devenir de microcontaminants quantifiés dans les eaux usées traitées et présentant un enjeu environnemental ou de santé publique (ex: PFAS). Les molécules étudiées feront l'objet d'un choix en fonction de l'analyse bibliographique, des eaux usées traitées qui seront utilisées expérimentalement et de la possibilité de les quantifier avec une incertitude acceptable. 3 sols viticoles représentatifs de la région méditerranéenne seront étudiés.
Les sous-questions suivantes pourront être abordées :
- Au niveau des interactions sol-eau-contaminants dans le bulbe d'irrigation : La composition spécifique des eaux usées traitées influence-t-elle les coefficients de partage sol/eau des molécules étudiées et le temps de demi-vie par rapport à une eau d'irrigation conventionnelle ?
- Au niveau de la formation des bulbes d'irrigation et de la composante hydrologique du système : Est-ce que la forme et la taille du bulbe d'irrigation ont une influence sur le risque de transfert ? (dépendant du type de sol et des pratiques à la parcelle). Est-ce que les pratiques d'irrigation tardives, de plus en plus fréquentes en région méditerranéenne en raison du changement climatique, influencent de manière significative les risques de transfert vers la nappe ? (en rapprochant périodes d'irrigation et périodes de pluie intenses ?)
La démarche suivante est proposée (la partie expérimentale pourra être adaptée en fonction des préférences du candidat).
1. ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
La thèse débutera par une analyse bibliographique approfondie de l'influence de la composition des eaux usées traitées sur le devenir de contaminants organiques (Peña et al. 2020). Celle-ci visera notamment à identifier les potentiels processus de premier ordre intervenant dans ces interactions. Une partie de l'analyse bibliographique visera également à analyser les facteurs influençant la forme du bulbe d'irrigation et la concentration de sels dans le bulbe (Benthaer et al. 2003 ; Lubana et al. 2001 ; Baiamonte et al. 2024).
2. EXPERIMENTATIONS
Des expériences préliminaires en plein champ ou en banc d'essai seront menées avec des traceurs pour étudier la forme du bulbe d'irrigation, suivant le calendrier d'irrigation mené et selon les types de sols. Par ailleurs, la caractérisation des propriétés des sols considérés sera faite en parallèle. Ceci visera à identifier les paramètres de sols en vue d'une modélisation du bulbe d'irrigation et des transferts. Cette même expérimentation visera à caractériser la composition particulière de ces bulbes d'irrigation par rapport au sol environnant, après une saison d'irrigation, en termes de concentration de sels notamment. Les expérimentations plein champ pourront être menées sur des sites expérimentaux de l'INRAE (Lavalette, Murviel-lès-Montpellier, Puech Rouge) ou de partenaires privés.
Une deuxième expérience en laboratoire visera à caractériser les coefficients (avec eaux usées traitées et eaux de pluie) de sorption et désorption via la méthode des batchs, sur un type de sols. Une expérience de minéralisation en présence des solutés concentrés au niveau du bulbe visera à déterminer la cinétique de dégradation et la demi-vie.
Une troisième expérimentation en bacs lysimétriques visera à comparer, dans le cas des types de sols étudiés, dans quelle mesure l'irrigation avec des eaux usées traitées présente un risque de remobilisation des contaminants contenus au niveau du bulbe sur les transferts vers la nappe ou de surface, dans le contexte d'événements pluvieux simulés artificiellement après la saison d'irrigation.
Un code de calcul modélisant les transferts d'eau (équations de Richards) et de solutés (équations d'advection-dispersion) dans les sols (type Hydrus 2D) pourra être utilisé pour modéliser et analyser les risques de transferts en fonction des différents contextes étudiés.

Niveau Master en science du sol, hydrologie ou agronomie