Sources, flow and assessment of the atmospheric metal fallouts in Ile-de-France
Sources, flux et bilan des retombées atmosphériques de métaux en Ile-de-France
Résumé
The urban atmosphere is submitted to large inputs of anthropogenic contaminants arising from both stationary (power plants, industries, etc.) and mobile (road traffic) sources. These small particles may be transported over long distances and affect ecosystems. Significant dry and wet atmospheric deposition also occurs locally and contributes to the contamination of urban runoff. The aim of this study is to compare heavy metal and hydrocarbon atmospheric deposition fluxes to other input ways on agricultural and urban areas to assess their importance. Moreover, a source investigation has been done to identify the main origins of these pollutants. Before the quantification of pollutant fluxes, a comparison of several sampling procedures was performed. As a result, the sampling of total atmospheric deposition is not affected by the funnel material (Teflon and polyethylene) or by the sampling duration (7 and 28 days). However, the rinsing step of the funnel walls showed a higher relative importance during short sampling periods. The relative amount contained in these solutions reached 24 to 40 % of the total flux during weekly sampling periods and 8 to 18 % during monthly sampling periods, whatever the element considered. The temporal evolution of atmospheric deposition showed no seasonal influence on flux variations during the 2001-2002 period. Considering an 8-year period behaviour, between 1994 and 2002, a significant decrease of the deposition fluxes of Cd, Cu, Pb and Zn occurred at the Créteil site which is placed in an industrialised area of the Paris suburb. The decreasing factor reached 16, 2.5, 4 and 7.5 for these elements respectively.
At the Ile-de-France scale, the deposition flux levels on urban and semi-urban areas were of the same order of magnitude (? 20 tonnes per year for Ba, Cu, Pb and Sr). Since semiurban surface area is four times higher than urban ones, the important influence of anthropogenic activities on atmospheric deposition of urban areas is evidenced. At the Seine River catchment scale, the atmospheric deposition levels were of the same order of magnitude as Seine River particle contents measured at the catchment estuary (Poses). The flux ratio between atmospheric inputs and Seine particles ranged between 0.8 and 4.8 for Al, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb and Zn. The importance of atmospheric deposition of metals was estimated on agricultural and urban areas. In the first case, the atmospheric fallout appears as the main input way of Cu, Ni and Pb to agrosystems while Cd is mainly introduced by fertilisers. These two input ways induced an increase of Cd, Ni and Pb in the cultivated horizon with an annual balance reaching 0.33, 0.014 and 0.014 %, respectively, of actual stocks while the Cu showed a
decrease with an annual balance reaching 0.024 %. In the second case, atmospheric deposition was compared to roof and street runoff. The atmospheric deposition is the main introducing way of most of considered elements, compared to roof runoff excepting Cu, Pb, Ti and Zn which are mainly emitted by the latter. Nevertheless, compared to street runoff, atmospheric deposition levels are 1.5 to 27 times lower than street cleaning ones showing that atmospheric
introducing way is not the main introducing way of metals in urban areas. The source investigation on atmospheric deposition was performed using several tools developed during this study. The results allow the characterisation of the anthropogenic sources considered using specific elements or ratios. These tools were applied to the atmospheric deposition data but they did not allowed the determination of anthropogenic activities becauseof the atmospheric mixture.
At the Ile-de-France scale, the deposition flux levels on urban and semi-urban areas were of the same order of magnitude (? 20 tonnes per year for Ba, Cu, Pb and Sr). Since semiurban surface area is four times higher than urban ones, the important influence of anthropogenic activities on atmospheric deposition of urban areas is evidenced. At the Seine River catchment scale, the atmospheric deposition levels were of the same order of magnitude as Seine River particle contents measured at the catchment estuary (Poses). The flux ratio between atmospheric inputs and Seine particles ranged between 0.8 and 4.8 for Al, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb and Zn. The importance of atmospheric deposition of metals was estimated on agricultural and urban areas. In the first case, the atmospheric fallout appears as the main input way of Cu, Ni and Pb to agrosystems while Cd is mainly introduced by fertilisers. These two input ways induced an increase of Cd, Ni and Pb in the cultivated horizon with an annual balance reaching 0.33, 0.014 and 0.014 %, respectively, of actual stocks while the Cu showed a
decrease with an annual balance reaching 0.024 %. In the second case, atmospheric deposition was compared to roof and street runoff. The atmospheric deposition is the main introducing way of most of considered elements, compared to roof runoff excepting Cu, Pb, Ti and Zn which are mainly emitted by the latter. Nevertheless, compared to street runoff, atmospheric deposition levels are 1.5 to 27 times lower than street cleaning ones showing that atmospheric
introducing way is not the main introducing way of metals in urban areas. The source investigation on atmospheric deposition was performed using several tools developed during this study. The results allow the characterisation of the anthropogenic sources considered using specific elements or ratios. These tools were applied to the atmospheric deposition data but they did not allowed the determination of anthropogenic activities becauseof the atmospheric mixture.
La pollution de l'air résulte de multiples facteurs anthropiques. La nature dynamique de l'atmosphère facilite ensuite le transport des particules émises à différentes échelles spatiales. Ces apports anthropiques sont déposés suivant différents processus sur tous les types de milieux, tant urbains que ruraux, en les affectant plus ou moins irrémédiablement. De nombreux travaux ont cherché à évaluer les quantités déposées sur ces différents milieux sans toutefois tenter d'en déterminer la représentativité. Sous le vocable représentativité, nous incluons la comparaison avec les autres voies d'introduction de tels polluants dans les milieux considérés. Les principaux objectifs de ce travail sont d'une part, d'améliorer les connaissances sur les quantités de métaux et d'hydrocarbures déposées en les comparant aux autres voies d'apport pour chaque type de milieu et d'autre part, d'identifier leur principale origine. Préalablement à la quantification des flux de déposition, nous avons procédé à une comparaison des protocoles de collecte des dépôts atmosphériques totaux, montrant que la collecte n'était ni dépendante du matériau utilisé pour les entonnoirs, ni de la durée de la période de collecte. Par contre, le rinçage des entonnoirs a montré un apport plus important lors des collectes hebdomadaires que mensuelles, les parts relatives étant respectivement 24-40 et 8-18 %. L'étude des évolutions temporelles qui a suivi cette étape de validation a montré globalement une absence de variation saisonnière sur la période 2001-2002 des métaux. Cependant, une baisse significative des flux de déposition est apparue entre 1994 et 2002 de facteurs respectivement égaux à 16 ; 2,5 ; 4 et 7,5 pour Cd, Cu, Pb et Zn à Créteil. Les quantités se déposant sur la région Ile-de-France, similaires sur les zones urbaines et semi- urbaines (? 20 t.an-1 pour les éléments Ba, Cu, Pb et Sr) malgré une surface quatre fois plus importante dans le second cas, ont permis de constater l'importance des flux de dépositions en zone urbaine. A l'échelle du bassin de la Seine, les quantités déposées par la voie atmosphérique sont du même ordre de grandeur que celles présentes dans les matières en suspension de la Seine à l'estuaire de son bassin, avec des rapports compris entre 0,8 et 4,8 pour des éléments tels que Al, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb et Zn. La comparaison des flux de déposition avec les autres apports s'est effectuée en zones agricole et urbaine. Dans le premier cas, les retombées atmosphériques sont apparues comme la voie prépondérante des apports de Cu, Ni et Pb, alors que le Cd est majoritairement apporté par les intrants agricoles. Ces deux modes d'apport engendrent une accumulation de Cd, Ni et Pb dans les horizons de surface avec un taux annuel respectivement de 0,33 ; 0,014 et 0,014 % et une diminution du Cu de 0,024 % par an. En zone urbaine, les retombées atmosphériques ont été comparées aux ruissellements de toitures et de chaussées. Ainsi, l'apport atmosphérique est la voie prépondérante d'introduction de métaux et d'hydrocarbures, à l'exception des éléments Cu, Pb, Ti et Zn émis majoritairement par les toitures. Cependant, les apports atmosphériques sont inférieurs, de l'ordre de 1,5 à 27 fois suivant les éléments, aux apports occasionnés par le lavage de la voirie. L'étude des sources atmosphériques d'aérosols a permis l'obtention d'outils permettant la caractérisation des principales sources de rejets atmosphériques de métaux. Ainsi, les différents types d'aérosols considérés ont pu être clairement distingués suivant différents éléments et rapports d'éléments. L'utilisation des outils obtenus sur les données de retombées atmosphériques ne semble cependant pas permettre une distinction des différents apports anthropiques et terrigènes du fait des phénomènes de mélange atmosphériques.