PEGASE, an integrated river/basin model dedicated to surface water quality assessment: application to cocaine

in Acta Clinica Belgica (2010), 65(Supplement 1), 42-48

The Aquapôle of the University of Liège has been involved in environmental modeling for more than 20 years. Among other, its current R&D unit focuses on the compartment of surface water, and – for ... [more ▼]

The Aquapôle of the University of Liège has been involved in environmental modeling for more than 20 years. Among other, its current R&D unit focuses on the compartment of surface water, and – for modeling processes – is specialized on the water quality. One of its environmental models, called Pegase (Planification Et Gestion de l’ASsainissement des Eaux), French acronym for “Planning and management of water purification” is devoted to the modeling of the environmental state of surface water, at different scales from small watersheds (10 km²) and basins up to entire transnational Districts (more than 100.000 km²). The software is used operationally by several administrations (Agencies and Ministries) mainly through Europe (France and Benelux, Germany ...), and several calculations have also been performed at international District levels for international commissions (Scheldt, Meuse, Moselle ...) Recently, the Pegase model has been adapted to describe the cocaine’s behavior (using a stable metabolite of the cocaine in the environment: the benzoylecgonine) in waste water, waste water treatment plants (WWTP) and surface water. The cocaine is newly described in the model as an additional micropollutant (Pegase already treats numerous heavy metals), thanks to the implementation of new state variable equations and their specific parameterizations. At a first stage, only the urban sources (releases associated to the consumption by inhabitants) were considered as the industrial releases and the soil loads are assumed to be negligible. Simulations of benzoylecgonine have been done in the Walloon and Flemish regions, where many measurements from the COWAT project were available. These first results are showing a good agreement between calculated and measured values. This ability of the model to simulate the fate of the cocaine derivatives in surface waters should be continued and extended to other metabolites. [less ▲]

Rapport sur l’étude de faisabilité d’une méthodologie de modélisation à l’échelle globale du bassin versant de la Medjerda (Tunisie)

Report (2009)

Depuis 2007, l’Aquapôle appuie l’Agence Nationale de Protection de l’Environnement (ANPE - Tunisie) dans sa mission de contrôle de la pollution des eaux par la mise en place d’un réseau de contrôle de la ... [more ▼]

Depuis 2007, l’Aquapôle appuie l’Agence Nationale de Protection de l’Environnement (ANPE - Tunisie) dans sa mission de contrôle de la pollution des eaux par la mise en place d’un réseau de contrôle de la pollution des eaux (projet LIFE Pays Tiers COPEAU 2007- 10). Les données ainsi collectées pourraient être utilement exploitées au travers de l’utilisation de modèles de gestion des ressources en eau. Le modèle PEGASE développé par l’Aquapôle, permet d’établir la relation pression / impact entre les différentes charges de pollution et la qualité de l’eau dans tout le réseau des rivières modélisées associées au bassin versant concerné, et constitue ainsi un puissant outil de gestion des cours d’eau et de leurs bassins versants. Il permet notamment de simuler le transport des polluants et différents scénarios de gestion (planification de l’épuration et de l’assainissement, réduction des pressions, mise aux normes des rejets,…) et d’en déterminer les impacts (gain de qualité) sur l’écosystème. Ce modèle est déjà largement utilisé dans plusieurs pays européens (Belgique, France, Pays-Bas, Allemagne, Luxembourg). La présente étude intitulée « étude de faisabilité d’une méthodologie de modélisation à l’échelle globale du bassin versant de la Medjerda (Tunisie) » a été réalisée entre juin 2008 et décembre 2009 au travers du partenariat entre l’Aquapôle et l’ANPE et ce, avec l’appui de Wallonie Bruxelles International (commission mixte 2008). L’étude dresse un bilan des données disponibles et analyse leur pertinence eu égard de ce qui est requis pour permettre la bonne application du modèle PEGASE à l’ensemble du bassin versant tunisien de la Medjerda. Il s’agit de données géographiques (MNT, réseau hydrographique, limites administratives, occupation des sols etc.), météorologiques (insolation, température, débits), de rejets (domestiques, industriels, STEP, cheptel) et de mesure de qualité. L’étude dresse également un bilan des problématiques spécifiques dont il faudra nécessairement tenir compte dans l’adaptation du modèle au contexte local. Celles-ci concernent principalement la présence de 9 grands barrages implantés le long de la Mejerda et de ses affluents, la forte anthropisation du débit liée notamment aux lâchés de barrages, le caractère intermittent de certains affluents en fonction des périodes de l’année, la présence de prélèvements très importants notamment pour l’irrigation et enfin, des problèmes de crues et d’érosion. En conclusion, l’analyse des échantillons de données transmises par l’ANPE et des problématiques spécifiques aux régions du Nord de la Tunisie montre que le modèle PEGASE est tout à fait applicable au bassin de la Medjerda, moyennant certaines adaptions spécifiques. Cet outil de gestion a toute sa raison d’être dans ce pays où la préservation des ressources en eau constitue un enjeu vital pour les générations actuelles et futures. [less ▲]

Etude et modélisation des impacts hydrologiques de pluies exceptionnelles dans un environnement valloné et boisé

Scientific conference (2009, September)

Le jeudi 29 mai 2008 a eu lieu en région liégeoise un événement pluvieux extrême qui a eu des conséquences (humaines et financières) douloureuses. Pour rappel, une pluie de courte durée, mais très intense ... [more ▼]

Le jeudi 29 mai 2008 a eu lieu en région liégeoise un événement pluvieux extrême qui a eu des conséquences (humaines et financières) douloureuses. Pour rappel, une pluie de courte durée, mais très intense (lame d’eau d’environ 90 litres par mètre carré en moins de 2 heures) sur le domaine du Sart Tilman a provoqué des inondations très soudaines (communément appelées « flash-floods ») aux abords des ruisseaux descendant du Sart Tilman vers la Meuse et l’Ourthe. Des évènements du même type ont eu lieu dans les semaines suivantes en région liégeoise (Remicourt, …). La méthodologie développée lors cette étude devait donc être transférable à d’autres applications. Le choix du Sart Tilman comme cas d’étude s’imposait cependant vu la bonne connaissance préliminaire du site par les équipes de l’ULg et la concentration des phénomènes extrêmes. Un tel évènement interpelle et amène à chercher à comprendre le phénomène, à le reproduire de façon théorique et à l’anticiper. Ainsi, à l’initiative de la Ministre de la recherche scientifique de la Communauté Française (Marie-Dominique Simonet), l’Aquapôle a fédéré un travail multidisciplinaire visant à décrire les mécanismes de ces événements extrêmes et à reproduire les impacts hydrologiques de ces pluies exceptionnelles à l’échelle locale, dans un environnement boisé et vallonné. Un des objectifs principaux de ce travail était d’obtenir une méthodologie incluant un modèle intégré permettant d’abord de représenter l’évènement, puis par la simulation de scénarios de tester l’effet spécifique de certains facteurs. En effet, outre la complexité de la dynamique météorologique qui les a générés (ces événements exceptionnels ont présenté des caractéristiques homogènes mais à une échelle très locale), les conséquences de l’évènement ont été le fruit de la combinaison complexe d’une série de facteurs environnementaux et humains : nature des sols, topographie locale, couverture végétale, ouvrages anthropiques et urbanisation, etc. De plus, pour effectuer une modélisation hydrologique physiquement basée et spatialement distribuée, il est nécessaire de disposer de nombreuses informations issues de sources différentes. L’approche pluridisciplinaire exigée pour la rencontre de ces phénomènes a pu être rapidement appréhendée à l’Aquapôle de l’Université de Liège. En particulier, l’existence de modèles compartimentaux intégrés a permis de tenir compte de la dynamique des bassins versants, de la nature hydrogéologique des sols et de la complexité des écoulements de surface et/ou sur l’axe hydraulique. Cette approche de modélisation opérationnelle et pragmatique a tout d’abord nécessité la collecte et la préparation d’un grand nombre de données (dans les environnements cartographiques appropriés) afin d’alimenter les modèles et de créer des bases de données. Ce volet a impliqué un noyau d’équipes composées de topo-climatologues, de topographes, d’hydrauliciens, d’hydrogéologues et d’intégrateurs numériques de façon à prendre en considération l’ensemble des processus et paramètres pertinents à l’atteinte de l’objectif visé. Sur base de la description des processus et de leurs dynamiques spatiale et temporelle ayant abouti à ces catastrophes, l’Aquapôle a pu reproduire et mettre en évidence les événements grâce à des outils de simulations numériques s’appuyant sur une description fine de la météorologie et de la topographie locale, des ouvrages d’art existants et des spécificités locales de toute nature (anthropiques et naturelles). Le dernier volet de cette étude a été dédié à l’élaboration intégrée de scénarios de simulation pour l’utilisation du modèle WOLF HYDRO : un modèle hydrologique spatialement et temporellement distribué qui est principalement développé pour représenter les transferts quasi horizontaux prépondérants en périodes de crues. Son approche physiquement basée lui permet d’utiliser au mieux les différentes informations disponibles. Il a été utilisé dans cette étude, en s’appuyant sur les informations générées par les autres équipes. Pour les trois bassins versants étudiés, de caractéristiques sensiblement différentes, la méthodologie employée permet d’aboutir à des hydrogrammes réalistes pour l’épisode du 29 mai 2008. Des scénarios multiples ont également permis de vérifier la sensibilité du modèle, de tester l’influence d’aménagements potentiels sur le bassin versant (changements d’occupation des sols, création de bassins d’orage, …) et de fournir des résultats pour des pluies de récurrences fixées d’une durée proche de l’événement principal. Les observations réalisées lors de l’événement et les résultats de la modélisation permettent de conclure au fait que l’événement de mai 2008 est véritablement extrême et qu’aucun équipement raisonnable n’aurait pu aboutir à un affaiblissement significatif des débits observés aux exutoires des ruisseaux. Les pics de crues sont en effet parfois proches du double de ceux observés pour une crue bi-centennale. Ainsi, lors d’un tel événement, seul un aménagement prudent de l’habitat aux abords des ruisseaux peut amener à une réduction des dommages matériels. En effet, la délivrance de permis d’urbanisme sur le cours d’eau ou à son voisinage immédiat aggrave les conséquences de ces phénomènes exceptionnels. Enfin, conformément à la notification du Gouvernement Wallon (séance du 3 juin 2009), les résultats de la recherche FL², confiée par la Communauté Française à l’ULg, seront intégrés dans les travaux du GTI (Groupe Transversal Inondations). Ces résultats ont fait l’objet d’une présentation collégiale au GTI le 5 octobre 2009 et d’une présentation à destination des communes et d’un public large et ouvert le 19 novembre 2009. [less ▲]

Contribution du modèle PEGASE à la mise en application de la Directive cadre sur l’eau : Mise au point et application d’une méthodologie de détermination à l’échelle de la masse d’eau des combinaisons de mesures complémentaires les plus efficientes et mise en évidence de motifs de dérogations

Report (2009)

PEGASE (Planification Et Gestion de l’ASsainissement des Eaux) est un modèle intégré bassins hydrographiques/rivières développé à l’Aquapôle qui permet de calculer de façon déterministe et prévisionnelle ... [more ▼]

PEGASE (Planification Et Gestion de l’ASsainissement des Eaux) est un modèle intégré bassins hydrographiques/rivières développé à l’Aquapôle qui permet de calculer de façon déterministe et prévisionnelle la qualité des eaux des rivières en fonction des rejets et apports de pollution (voir http://hdl.handle.net/2268/35224 pour plus de renseignements). Dans le cadre de cette étude, le modèle a été utilisé afin d'apporter des éléments et des informations techniques nécessaires à la Région Wallonne (S.P.W.) pour la mise en application de la Directive Cadre Eau et, en particulier, les plans de gestion et les programmes de mesures qui y sont associés [less ▲]

Adaptation du modèle PEGASE à deux micropolluants sur deux sous-bassins situés dans les bassins hydrographiques des agences de l’eau Rhin-Meuse et Adour-Garonne

Report (2009)

Les réglementations européennes (Directive Cadre Eau 2000/60/CE, Directive 76/464/CE) et leurs corollaires nationaux (Programme National de Réduction des Substances Dangereuses dans l‘Eau en France, … ... [more ▼]

Les réglementations européennes (Directive Cadre Eau 2000/60/CE, Directive 76/464/CE) et leurs corollaires nationaux (Programme National de Réduction des Substances Dangereuses dans l‘Eau en France, …) imposent des réductions des rejets dans les eaux de surfaces d’une centaine de substances. En particulier, la circulaire du 7 mai 2007 du MEDAD définit les « normes de qualité environnementale provisoires (NQEp) » des 41 substances impliquées dans l’évaluation de l’état chimique des masses d’eau ainsi que des substances pertinentes du programme national de réduction des substances dangereuses dans l’eau. Cette circulaire fixe également les objectifs nationaux de réduction des émissions de ces substances. Pour ces substances, la mise en œuvre d’actions de réduction pour les rejets industriels (Installations Classées), mais aussi dans d’autres secteurs d’activité (artisanat, agriculture, utilisation de produits par les ménages,….) est nécessaire. Les mesures de réduction passent entre autres par la fixation de valeurs limites d’émissions (VLE) dans les rejets, qui doivent permettre de respecter les NQE fixées pour le milieu. En apparence, fixer la concentration maximale d’un rejet en fonction d’une concentration avale à respecter dans le milieu est une question relativement simple de dilution. Cependant, cette approche s’avère rapidement insuffisante, pour les principales raisons suivantes : - les substances visées ont presque toutes des comportements complexes dont un simple calcul de dilution ne peut pas rendre compte ; - le respect d’une norme de qualité dans une masse d’eau dépend non seulement du rejet amont le plus proche, mais aussi de l’ensemble des rejets qui sont situés en amont ; - même s’il s’agit de fixer des VLE pour des rejets industriels uniquement, les autres rejets (artisanat, agriculture, utilisation de produits par les ménages,….) et leurs évolutions futures doivent être pris en compte ; - les apports diffus, les apports atmosphériques, et les éventuels apports naturels doivent être eux aussi pris en compte ; - la question des coûts et la notion de coût/efficacité doivent être introduites dans la démarche. En 2006, l’INERIS a élaboré pour le compte du MEDAD les grandes lignes d’une méthodologie permettant de fixer des VLE locales de manière à respecter les Normes de Qualité sur l’ensemble d’un bassin versant en prenant en compte ces considérations. L’approche proposée consiste, avant de gérer localement des concentrations limites dans des rejets (l’approche réglementaire habituelle), à d’abord répartir à grande échelle les flux maximaux admissibles sur l’ensemble des masses d’eau du bassin versant concerné. Cette approche se traduit par la production de tableaux de bord des flux, destinés à gérer localement la stratégie de fixation de VLE. Dans le contexte de la poursuite de ce travail par l’INERIS pour le compte du MEDAD, il apparaît indispensable de tester l’utilisation de modèles de transfert de polluants sur des bassins versants pilotes. L’unité de Recherche & Développement de l’Aquapôle de l’Université de Liège (AQUAPOLE) a développé le modèle PEGASE, appliqué et utilisé par plusieurs autres Agences de l’Eau. Avec l’approbation et la participation des Agences de l’Eau concernées, il est prévu que l’AQUAPOLE procède à l’adaptation de ce modèle à deux substances sur deux sous-bassins situés dans les bassins hydrographiques des Agences Adour-Garonne et Rhin-Meuse. L’INERIS, réaliserait ensuite des scénarios de gestion des rejets et des exemples de tableaux de bord. [less ▲]

Pegase, A software dedicated to Surface Water Quality Assessment and to European database reporting

in Hrebiceck, Jiri (Ed.) Proceedings of the European conference TOWARDS eENVIRONMENT, Opportunities of SEIS and SIZE: Integrating Environmental Knowledge in Europe (2009, March)

The Aquapôle of the University of Liège has been involved in environment modelling for more than 20 years. Its R&D unit focused on the domain of surface water, targeted to water quality. One of its ... [more ▼]

The Aquapôle of the University of Liège has been involved in environment modelling for more than 20 years. Its R&D unit focused on the domain of surface water, targeted to water quality. One of its environmental models, called PEGASE (Planification Et Gestion de l’ASsainissement des Eaux), French acronym for ―Planning and management of water purification‖ is devoted to the characterization of the environmental state of surface water, at the scale of a whole watershed, basin and district. The software has been used operationally in several countries like France and Benelux, but several calculations have also been performed at international level for the international commissions in charge of the Scheldt and the Meuse. PEGASE model requires as input, at least data like digital terrain models, water flow, water level and other hydrodynamic measurements in some geo-localized points, diffuse loads properties, ecological model data (to characterize bacteria, phytoplankton, zooplankton, macrophytes, shells, etc…), chemical discharges (from industry and cities) and treatment plant effect. The output of the software consists in tables, graphs and maps, showing the state of various calculated parameters of quality (DO, BOD, COD, N, P, Chla,… + indices) either at a specified time, along the river, or the temporal evolution at a given point. It provides printed maps or animations of the evolution of the results on the basin. The software is able to simulate non stationary scenarios from a local scale, up to a global scale i.e. a few km² to hundreds of thousands km² and handles the entire river tree (hundreds to thousands of water bodies). Some results of the model are already used to populate the SoE-Wise databases. On another hand, the model is a tool to validate and check consistency of SoE-Wise data at district (and thus international) level. The flexibility of the model enables to choose the time (daily to yearly periods) and spatial (watershed, water body, district, region, country …) scales of the expected results. PEGASE is also a full-scale operational tool for WFD implementation and WISE databases. This means that our partners handle a software (also known as the model) directly usable – and of direct help – in the implementation of the WFD and other water related directives. The model allows the member states to compare efficiently the collected international WISE data and populate database with relevant model results. We propose not only to read the data directly from the database to avoid manipulation mistakes, but also we propose to generate output data in a format directly exploitable by WISE databases administration. [less ▲]

Modélisation d’indices de qualité biologique par PEGASE et réalisation de simulations particulières

Report (2008)

Dans le cadre de la caractérisation des cours d’eau du milieu naturel et de l’appréciation de l’efficacité environnementale des mesures déployées en application de la Directive Cadre sur l’Eau 2000/60/CE ... [more ▼]

Dans le cadre de la caractérisation des cours d’eau du milieu naturel et de l’appréciation de l’efficacité environnementale des mesures déployées en application de la Directive Cadre sur l’Eau 2000/60/CE, l’Agence de l’Eau Rhin-Meuse demande de modéliser des scénarios particuliers avec le modèle Pégase et à évaluer des indices de qualité biologique à partir de la qualité physico-chimique et de la qualité physique des cours d’eau. [less ▲]

Schéma directeur intégré pour la préservation de la qualité de l’eau et la valorisation écologique des lacs de l’Eau d’Heure dans le cadre du développement touristique et économique du site

Report (2005)

Schéma directeur intégré pour la préservation de la qualité de l’eau et la valorisation écologique des lacs de l’Eau d’Heure dans le cadre du développement touristique et économique du site Les barrages ... [more ▼]

Schéma directeur intégré pour la préservation de la qualité de l’eau et la valorisation écologique des lacs de l’Eau d’Heure dans le cadre du développement touristique et économique du site Les barrages de l'Eau d'Heure (cinq plans d’eau, dont deux principaux liés à la construction des deux grands barrages de la Plate Taille et de l'Eau d'Heure) ont comme but principal de soutenir le débit d’étiage de la Sambre, tout en contribuant à réduire les effets des pollutions urbaines et industrielles résiduelles et à soutenir le débit du canal Charleroi-Bruxelles. Outre ces fonctions, le complexe "Eau d'Heure" représente un attrait touristique indéniable. Des infrastructures touristiques importantes ont été construites, elles constituent un risque pour la qualité de l'eau et de l'environnement. Le niveau de qualité de l'eau est préoccupant pour certains lacs ; aussi, dans l'esprit du « Phasing out » de l'objectif 1, il était urgent d'entreprendre des actions au niveau environnemental pour revaloriser le site des lacs de d'Eau d'Heure, aussi bien au niveau du potentiel touristique que de la qualité environnementale en tant que telle. Le "Schéma directeur intégré pour la préservation de la qualité de l'eau et la valorisation écologique des lacs de l'Eau d'Heure dans le cadre du développement touristique et économique du site" est un projet financé par la Région wallonne et par le fonds européen FEDER. Le programme s’est étalé sur trois ans de 2002 à 2004. Dans une première phase (2 ans), un bilan complet de la qualité des eaux a été dressé : niveau d’eutrophisation, bilan des apports d’eau par le bassin versant (ruissellement, écoulements souterrains ou nappes aquifères), bilan des apports de matières organiques et de nutriments en fonction des activités humaines (notamment agricoles). Le fonctionnement écologique de tout le système a aussi fait l’objet d’études détaillées. Le lien entre tous ces éléments, assuré par une modélisation mathématique, a permis de dégager des actions susceptibles de contrôler l’eutrophisation afin de restaurer les milieux naturels et les biocénoses. Durant la deuxième phase, des recommandations de gestion ont été formulées. Le projet était construit sur un partenariat entre IGRETEC et deux institutions universitaires (FUNDP-URBO/GIREA et ULg-Centre Environnement), en relation avec les communes, les administrations wallonnes (MET, DGRNE, DGATLP, Commissariat au Tourisme …) ainsi qu’avec les gestionnaires (MET, AGLEH). Une "Plaquette" est annexée à cette référence, cf. section 'Adjuvant". Elle a été réalisée par le GIREA (Verniers, G. et Leroy, P.) et le URBO (Sarmento, H.) de la FUNDP, et décrit en synthèse les tâches réalisées au cours de cette étude par l'ensemble des partenaires scientifiques. [less ▲]

Simulation dans PEGASE de la qualité de l'eau du bassin versant de la Gueule en relation avec le développement de son réseau d'assainissement.

in Tribune de l'Eau (La) (2005), 58(n°635), 41-53

La partie belge du bassin de la Gueule, dans la région des trois frontières, comporte de nombreuses zones d’habitats qui constituent une source de pollution de la rivière. La mise en service de la station ... [more ▼]

La partie belge du bassin de la Gueule, dans la région des trois frontières, comporte de nombreuses zones d’habitats qui constituent une source de pollution de la rivière. La mise en service de la station d’épuration de Plombières en 1998 a permis d’améliorer la qualité des eaux de la Gueule à la frontière Néerlandaise, mais sans atteindre une qualité meilleure que celle qu’il y avait fin des années 70 avant la mise en place des réseaux d’égouttage. C’est afin d’expliquer ce paradoxe que la qualité de l’eau du bassin versant de la Gueule a été simulée avec le logiciel PEGASE (Planification Et Gestion de l'ASsainissement des Eaux), en corrélation avec le développement du réseau d’assainissement. La petitesse du bassin (205 km2 répartis sur seulement 4 communes) a en effet permis de rassembler et structurer l'ensemble des données historiques relatives à l'urbanisation et aux différents stades de l'extension du réseau d'assainissement du bassin, et de les intégrer dans le modèle PEGASE. Nous décrivons ici la méthodologie employée et présentons quelques résultats caractéristiques. [less ▲]

Modélisation de l’impact de mollusques filtreurs sur le phytoplancton de la Moselle.

in Tribune de l'Eau (La) (2002), 55-56(n° 619-620), 130-138

Le modèle POTAMON (Everbecq & al., 2001) a été utilisé pour simuler l'effet de mollusques bivalves (principalement Dreissena polymorpha) sur le phytoplancton et le zooplancton d'une rivière de plaine, la ... [more ▼]

Le modèle POTAMON (Everbecq & al., 2001) a été utilisé pour simuler l'effet de mollusques bivalves (principalement Dreissena polymorpha) sur le phytoplancton et le zooplancton d'une rivière de plaine, la Moselle. Les simulations suggèrent un impact significatif des mollusques filtreurs sur le phytoplancton, en particulier en été. Les simulations ont également permis d'établir un bilan carbone de la rivière et d'expliquer les déficits en oxygène observés dans la Moselle. [less ▲]