Évaluation hydroécologique de la qualité des eaux de la Loire moyenne, réalisée de 1977 à 1998 sur le site de la centrale de Saint-Laurent des Eaux (France). Bilan et perspectives

Hydroecological studies at Saint-Laurent des Eaux power station in the middle Loire river (France). Assessment of environmental quality from 1977 to 1998 and prospects

¹ Université Blaise Pascal, UPRES A CNRS 6042, Equipe Hydrosystèmes & Bassins Versants, Maison de la Recherche, 63057 Clermont-Ferrand Cedex (France)
² UPRES A 6042, Bureau d'Etudes Techniques EMA La Croix Cadet, 63460 Jozerand (France)

Résumé

Le site de Saint-Laurent-des Eaux est étudié depuis 1976, dans le cadre d'études spécifiques, en application de la loi de protection de la nature de 1976, puis du programme réglementaire de surveillance. Un état de référence a été dressé en 1977 et 1978 au cours de deux années hydrologiques atypiques, préalablement à à la mise en service, en 1983, des tranches B 1&2 (2900MWe). Les études d'état de référence ont été réalisées dans un contexte de rejets thermiques par les tranches nucléaires A1&2 de la centrale, qui fonctionnaient en circuit ouvert. Elles ont montré qu'en pleine eau, les microorganismes offraient un judicieux équilibre d'espèces autochtones accomplissant une autoépuration efficace, une partie de la microflore circulante étant véhiculée par les eaux météoriques. Bien que légèrement affectée par le relèvement du niveau des eaux en amont du seuil de la centrale, la végétation riveraine s'est avérée bien diversifiée, avec des groupements végétaux caractéristiques des différents niveaux du fleuve. Ce secteur abritait également une flore et une faune planctonique au développement largement conditionné par le régime hydrologique du fleuve, et certaines communautés de rotifères se sont développées plus précocement ou plus tardivement en aval selon leurs préférences thermiques. Les communautés benthiques étaient également influencées par les rejets, comme l'a montré la prolifération de certains taxons. La faune ichtyologique, abondante, était caractéristique d'eaux cyprinicoles, cette étude ayant révélé, par ailleurs, le caractère eutrophe de cette zone, très influencée par les activités humaines en amont. A partir de 1979, un programme de suivi du secteur, comportant 8 séries de prélèvements en 3 stations (une station de référence à l'amont de la centrale, une seconde à I'aval immédiat et la troisième à I'aval plus éloigné des rejets), a été réalisé chaque année, de la fin du printemps au début de l'automne. Ce programme a permis de montrer que les oscillations des différentes variables et leurs amplitudes annuelles reflétaient la dynamique fluviale, et que, dans le secteur situé en aval du rejet de la centrale, l'augmentation de température, significative dans les années 1980, s'était considérablement atténuée après l'arrêt définitif, en 1992, des tranches à circuit ouvert A1&2, et grâce au fonctionnement en circuit fermé des tranches B1&2 ainsi qu' à l'amélioration du dispositif de rejet en Loire, installé en 1996. Les MES, le pH, la DBO₅, la DCO, le SiO₂, les principaux éléments minéraux et la conductivité avaient en moyenne des valeurs supérieures en aval du rejet de la centrale, liées aux purges des tours de réfrigération et au seuil en Loire. Pour sa part, l'étude des rotifères (constituants quasiment exclusifs du potamoplancton animal), reprise depuis 1995, a permis de mettre en évidence des variations quantitatives significatives entre amont et aval, parfois négatives, mais le plus souvent positives. Les différences entre stations révélées par les indices de qualité biologique, basés sur les peuplements benthiques de diatomées et de macroinvertébrés, ont montré une légère baisse de qualité en aval immédiat des rejets. Puis elles se sont estompées entre 1990 et 1994, période à partir de laquelle seules les tranches B1&2 ont fonctionné. Outre l'effet du seuil, les variations entre stations méritent cependant d'être examinées au regard de la morphologie des lieux, dont les zones d'eaux mortes en liaison avec une prolifération localisée du plancton. Ce suivi à long terme a également permis de dégager l'évolution des caractéristiques générales de ce secteur du fleuve. Une diminution des teneurs en oxygène dissous se dégage, concomitante à la diminution des MES (étroitement liées, en étiage, à la biomasse algale), et à la baisse de densité des algues vertes (Chlorophycées). Inversement, la conductivité des eaux a augmenté. Pour leur part, les teneurs en éléments nutritifs, qui fluctuent largement sur la période d'étude, semblent amorcer une tendance à la baisse et l'examen des valeurs prises par les indices diatomiques montre une amélioration de la qualité de l'eau. Cette tendance, probablement liée aux efforts de traitement des eaux usées en amont, est également confirmée par les indices biotiques calculés jusqu'en 1994. En effet, les notes indicielles ont augmenté, y compris en amont de la centrale, et depuis 1995 l'application des indices normalisés (IBGN) a montré que la qualité des eaux était demeurée stable jusqu'en fin d'étude. D'une façon plus générale, durant la période chaude, ce secteur eutrophe de Loire abrite un abondant peuplement planctonique végétal, essentiellement composé de Chlorophycées et de Bacillariophycées, et un peuplement animal, composé de rotifères. Ces communautés sont remarquablement organisées, riches et diversifiées. Quant au peuplement benthique de macroinvertébrés, également bien adapté à cet environnement, il est dominé par les Chironomidés et les Oligochètes. Cette revue synthétique de résultats accumulés, pour certains, depuis plus de 20 ans, notamment lors des études de surveillance réglementaires et d'études complémentaires, a permis de comparer les stations amont et aval de la centrale et de dégager les caractéristiques générales des différentes variables, ainsi que leurs amplitudes pluriannuelles, qui reflètent également la dynamique fluviale de ce secteur. En particulier, l'influence limitée des rejets, à I'aval immédiat des installations, permet de relativiser la notion d'impact lié au fonctionnement de ces deux tranches en circuit fermé, dans le contexte d'un écosystème aquatique abondant et diversifié, soumis par ailleurs à des évolutions d'origines naturelle et anthropique, dont certaines s'inscrivent à long terme. Aussi, pour mieux distinguer la part revenant à ces différents types de variations, il est capital d'évaluer avec soin l'ensemble des paramètres susceptibles d'interagir (effet de l'hétérogénéité naturelle du milieu, conditions météorologiques, rejets anthropiques en amont du site, rôle des compartiments macrobenthique et microbien, relations préda- teurs-proies, etc.), parallèlement aux indicateurs du milieu retenus par le programme de surveillance pour cette centrale. De même, un élargissement du champ d'investigation à d'autres sites de la Loire moyenne, permettra de mieux cerner les évolutions et traits communs ou particuliers pour chacun d'entre eux.

Abstract

The site was previously studied in the summer of 1976, an exceptionally dry period. In view of the preparation for an ecological monitoring programme which began in 1979, a study of the reference state of the environment of the Saint-Laurent des Eaux nuclear power plant site was carried out in 1977 and 1978, prior to the commissioning of units B1&2 in 1983. This study showed that, though the thermal discharge from units A 1&2 operating in an open circuit, was observed a healthy balance of indigenous species of micro-organisms, ensuring an effective self-purification, with some inputs of circulating microflora conveyed by rainwater. Though slightly affected by the rise in water level upstream of the plant sill, the riverbank vegetation was quite diversified, with plant groups characteristic of the different river levels. This sector also contained planktonic flora and fauna whose development was strongly conditioned by the hydraulic regime of the river. Furthermore, certain communities of rotifers developped earlier or later downstream depending on their thermal preferences, as well as certain benthic communities prolifered in relation to open-circuit thermal releases from units A1&2. Finally, the study revealed the abundant ichthyological fauna, typical of water favourable to Cyprinids, and also the eutrophic nature of this zone, strongly affected by human activities upstream. Beginning in 1979, a monitoring programme was carried out every year from the end of spring to early autumn, consisting in 8 sampling surveys at 3 stations (one reference station upstream of the plant, one immediately downstream and the third further downStream from the releases). Firstly the fluctuation of the different variables and their annual amplitude reflected the river dynamics. Secondly the analyses pointed up a considerable attenuation of the temperature rise downstream of the discharge (particularly marked during the Eighties) subsequent to the definitive shutdown in 1992 of open-circuit units A1&2, as to other beneficial influencing factors such as the B 1&2 cooling tower design and the improvements made in the discharge structure in the Loire, installed in 1996. The mean values found for the main mineral elements, conductivity, suspended solids (MES), pH, biological oxygen demand (DBO₅), chemical oxygen demand (DCO) and SiO₂ were higher downstream of the plant discharge due in part to the cooling tower blowdown and to the sill on the Loire. A study of the rotifers (the essential constituent of the planktonic fauna), which was resumed in 1995, pointed up significant quantitative variations between upstream and downstream, sometimes negative, but generally positive. Globally, the biological indicators, related to the benthic communities of diatoms and macroinvertebrates, reveal a slight decline in water quality immediately downstream of the discharge. These discrepancies in biotic indexes between the stations decrease between 1990 and 1994, when units B1&2 began operating alone. In addition to the sill effect, the inter-station variations should, however, be investigated in relation to the local morphology, including dead water zones, giving possibly a localized proliferation of plankton. This study also allowed to bring out the general evolution of the river. The reduction of the oxygen content was linked to the decrease in suspended solids (closely linked, in low-water periods, to algal biomass) and density of green algae (Chlorophyceae). Conversely the conductivity of the water increased over the period. Nutrient content, which fluctuated widely over the period, appeared to decline, parallel to the values for diatom indexes which showed an improvement in water quality. This tendency, probably due to efforts to treat waste water upstream, was also confirmed by biotic indexes (IB) calculated until 1994 ; in fact, the indexes results have increased, even upstream the power station, and the use of normalised indexes ( IBGN) since 1995 has shown that the quality of waters was the same up to the end of this study. Generally speaking, during the warm period, the river provides a dense algal plankton (Chlorophytes and Bacillariophytes essentially) and the animal plankton consists of rotifers. These communities, rich and diversified, are remarkably structured, as for the benthic populations of macroinvertebrates, equally well adapted to this environment and dominated by Chironomidae and Oligochetes. This overview of data, for some of them gathered over more than 20 years during the environnement surveillance of the site and complementary studies, enabled comparing the stations upstream and downstream of the plant and identifying the general trends found for different variables, as well as their amplitudes over several years, reflecting the river dynamics in the sector. In particular, the weak influence of releases, essentially observed just downstream of the discharge, enables to limit the concept of ecological impact in the case of these two units, operating in a closed circuit and located in an abundant, diversified aquatic ecosystem ; by contrast, this last one is also subject to natural and other human influences upstream with some effects over the long term. To better understand the relative importance of these different influences, it is essential to evaluate very carefully all parameters (the effect of the natural heterogeneity of the environment, meteorological conditions, human activities upstream of the site, the role of the macrobenthic and microbial compartments, relationships between predator and prey, etc.) which might be interacting together with the surveillance indicators chosen for this site. In addition, an extension of the scope of the study to other sites on the middle Loire would help in understanding these trends and identifying characteristics which are common or specific to a given site.