Annexe B : Détermination des concentrations environnementales estimées (CEE) chez les organismes pélagiques et benthiques au moyen d'un modèle multicompartiments de fugacité de niveau III
On a appliqué un modèle de répartition multicompartiments reposant sur le concept de fugacité de niveau III (à l'état stable), lequel est basé sur le modèle plurispécifique de niveau IV décrit par Cahill et al. (2003), en vue d'estimer l'exposition à l'HBCD dans les milieux pélagiques et benthiques. Le modèle de Cahill et al. a pour importante caractéristique de modéliser le devenir des dérivés en plus de celui de la substance chimique mère. La dégradation de l'HBCD en cyclododéca-1,5,9-triène (CDT) est considérée comme un devenir important de cette substance. Ce dérivé a donc été ajouté au modèle en qualité d'espèce supplémentaire. Le CDT ne figurait pas dans l'analyse du quotient de risque de l'HBCD, mais on en a tenu compte pour ce qui est de la persistance globale de la substance mère.
La figure 2-1 donne un aperçu conceptuel du modèle de fugacité. Il s'agit d'un modèle de bilan de masse comprenant une série vers l'aval de dix compartiments comportant chacun un milieu humide et un milieu sédimentaire. Aux fins de la modélisation, on présume que le courant est en ligne droite avec des croisements uniformes et rectangulaires sans végétation dans le cours d'eau ou sur les rives, sinon très peu. On considère l'entrée d'eau à l'embouchure comme constante, à partir d'une source stable et verticale.
Figure 2-1. Aperçu conceptuel du modèle multicompartiments de fugacité, utilisé pour estimer les concentrations d'HBCD dans l'eau et les sédiments
Pour chaque compartiment, on modélise la fugacité (f) de l'HBCD et du dérivé potentiellement persistant, le CDT, dans chaque milieu (eau, sédiments). La fugacité, exprimée en pascals (Pa), représente la « pression partielle » d'une espèce chimique dans un milieu donné, et elle est analogue à la concentration, C (mol/m3), normalisée en fonction de l'affinité relative de la substance chimique pour un milieu donné (appelée également la « capacité de fugacité », Z [mol/m3.Pa]). Par conséquent, f = C/Z (Mackay, 1991).
Mise à part la charge (qui est un taux de rejet connu [mol/h]), le transfert de masse associé à chaque phénomène (mol/h) est représenté par le produit d'un coefficient de fugacité (D, exprimé en mol/h.Pa) par f (Pa) pour d'autres compartiments/espèces (entrées) ou compartiments ou espèces modélisés (sorties). La conversion de l'HBCD en CDT est comprise dans les termes de la réaction. Pour obtenir un examen détaillé des équations de ce modèle, on renvoie le lecteur au document de travail à l'appui de la présente évaluation (Environnement Canada, 2009).
Principales hypothèses du modèle :
- Rejet chimique dans l'eau seulement
- Volatilisation ou transport négligeable entre les milieux atmosphériques et aquatiques
- Les eaux de surface sont composées d'eau pure, de solides en suspension et de phases biotiques.
- Les sédiments benthiques sont composés d'eau pure et de phases sédimentaires solides.
- Phénomènes de réaction de premier ordre
- Mélange complet instantané dans les compartiments
- Équilibre entre les phases (eau pure, matières solides sédimentaires et biote) dans un compartiment donné
Paramètres du modèle
Les paramètres d'entrée pour ce modèle comprennent les propriétés chimiques (p. ex., log Koe, Kco, taux de dégradation), les taux de rejet de la substance, l'état des eaux réceptrices (p. ex., débit fluvial et débit d'eau) et les paramètres environnementaux génériques (p. ex., teneur en carbone organique des sédiments et taux de dépôt des sédiments). Les paramètres environnementaux ont été choisis de manière à représenter les rivières du Sud de l'Ontario à partir des paramètres du modèle ChemCan (Webster et al., 2004) et de Cahill et al. (2003) et des caractéristiques physiques plausibles de réseaux hydrographiques semblables (tenant compte des valeurs résumées dans Chapra, 1997 et dans Gobas et al., 1998). Pour la présente évaluation, le modèle s'étend sur 5 000 m et se divise en dix compartiments. La longueur du premier compartiment et celle du dernier ont été établies à 100 m et celle de chacun des huit autres compartiments à 600 m.
Estimation des émissions et scénarios du modèle
On a estimé les charges du modèle à l'aide des quantités déclarées en réponse à l'avis publié en application de l'article 71 (Environnement Canada, 2001), des facteurs d'émission par défaut recommandés par l'OCDE (2004a) et des périodes d'émission par défaut recommandées dans le document d'orientation technique du Bureau Européen des Substances Chimiques (BESC, 2003). D'après les renseignements fournis en réponse à l'avis publié en application de l'article 71, les volumes d'importation annuels pour l'année 2000 étaient compris entre 100 000 et 1 000 000 kg. En outre, on a estimé que l'utilisation annuelle d'HBCD dans chaque installation canadienne serait comprise entre 10 000 kg/an et 100 000 kg/an. On a créé deux groupes de scénarios de rejets pour représenter les activités liées à l'HBCD qui ont vraisemblablement lieu au Canada – manutention des matières premières (groupe de scénarios 1) et formulation (groupe de scénarios 2). L'OCDE (2004a) définit la manutention des matières premières comme la manutention des matières premières de leur arrivée sur place à leur ajout aux polymères, notamment la manutention manuelle de sacs, les bandes transporteuses ou les pompes de transfert à partir des récipients de stockage en vrac. La formulation est alors le processus par lequel on incorpore des additifs tels que l'HBCD aux matières (p. ex., du plastique) pendant la production de polymères, et elle comprend le traitement et la transformation finale (OCDE, 2004a). On a séparé ces deux activités, en vue d'estimer le risque supplémentaire prévu de chaque activité. On ne produit pas d'HBCD au Canada et une usine préparant des formulations devra sans doute également assurer la manutention des matières premières. Dans de telles usines, les risques supplémentaires prévus consécutifs à la manutention de matières premières s'additionnent à ceux associés à la confection de mélanges.
Pour le groupe de scénarios 1, on a appliqué un facteur d'émission de 0,6 % basé sur les paramètres de l'OCDE (2004a) et des périodes d'émissions de 200 jours pour des utilisations de 100 000 kg/an et de 60 jours pour des utilisations de 10 000 kg/an (d'après le tableau B2.8 de l'annexe I du document d'orientation technique). Pour chaque taux d'utilisation, on a appliqué trois degrés possibles de traitement des eaux usées (aucun traitement, traitement primaire et traitement secondaire) avec des taux d'élimination estimés au moyen d'EPIWIN (2000). La combinaison des deux taux d'utilisation et des trois degrés possibles de traitement des eaux usées a donné six possibilités de scénarios d'émissions pour la manutention des matières premières (scénarios 1a à 1f). Dans le groupe de scénarios 2, on a appliqué un facteur d'émission de 0,055 % basé sur les paramètres de l'OCDE (2004a) et les mêmes périodes d'émission ainsi que les mêmes degrés de traitement des eaux usées que pour le groupe de scénarios 1, ce qui a également donné six possibilités de scénarios d'émissions pour la formulation (scénarios 2a à 2f). Il est à noter que les paramètres d'émissions de l'OCDE et du document d'orientation technique ont été établis d'après l'avis d'experts et qu'ils ont tendance à correspondre aux pires éventualités.
On a tenu pour acquis que tous les scénarios de rejets décrivaient des activités industrielles à une usine générique située au sud de l'Ontario. On a eu recours à des scénarios génériques afin de pouvoir utiliser des quantités approximatives d'émissions en l'absence de données sur un site particulier. L'usine générique était située au sud de l'Ontario, car cette région est associée à d'importantes activités industrielles, et on pourrait donc s'attendre à y trouver des usines de traitement et de production qui utilisent de l'HBCD. Les caractéristiques des dimensions des rivières de ces scénarios ont été choisies pour représenter la moyenne des rivières de taille moyenne » de la région industrialisée du lac Érié et des basses terres du Sud de l'Ontario (c.-à-d. la moyenne de 33 % des rivières de cette région, selon la base de données Hydat d'Environnement Canada). Le débit fluvial des rivières correspondait au 25e percentile du débit fluvial de ces rivières.
On a saisi les scénarios de rejets dans le modèle multicompartiments de fugacité et on a utilisé les résultats obtenus pour estimer les concentrations potentielles d'exposition des organismes pélagiques dans la colonne d'eau. Pour chaque scénario, la concentration dissoute d'HBCD, dont on prévoyait qu'elle se produirait dans les 100 premiers mètres à partir du point d'émission, appelée la Cmax, a été prise en considération pour représenter une concentration d'exposition raisonnable et prudente dans la rivière et elle a été sélectionnée en tant que concentration environnementale estimée (CEE). Cette concentration équivaut à celle obtenue par un mélange complet instantané de la substance dans les 100 premiers mètres de distance du point d'émission dans la rivière.
Le tableau 2-1 résume les caractéristiques et paramètres principaux des entrées dans le modèle pour chaque scénario.
Résultats du modèle et analyse du risque
Avant de calculer les quotients de risque pour les milieux benthiques et pélagiques, on a évalué les scénarios et les concentrations prévues par le modèle quant à leur degré de réalisme » en ce qui concerne les conditions de rejet d'HBCD réelles et prévues au Canada. Le scénario 1a a donné une concentration maximale d'HBCD dans la colonne d'eau supérieure à la mesure de l'hydrosolubilité de cette substance (voir le tableau 1). En outre, après examen, on a jugé qu'il n'y aurait pas de rejet direct d'HBCD dans les cours d'eau sans traitement primaire ou secondaire des eaux usées dans des conditions d'exploitation normales des installations de traitement. Compte tenu de ces renseignements, les scénarios sans traitement des eaux usées (c.-à-d. « aucun traitement ») ont été exclus de la caractérisation des risques (c.-à-d. qu'on n'a pas calculé les quotients de risque).
Organismes pélagiques
Le tableau 2-2 résume les résultats relatifs au quotient de risque obtenus pour les organismes pélagiques avec les scénarios retenus. Les quotients de risque allaient de 0,071 à 3,75 pour une quantité d'utilisation annuelle par installation de 10 000 kg/an et de 0,179 à 10,7 pour une quantité d'utilisation de 100 000 kg/an. Les concentrations d'HBCD dissoutes dans l'eau dépassaient la concentration estimée sans effet (CESE) pour tous les scénarios de manutention des matières premières (groupe de scénarios 1), sauf pour les installations traitant des petits volumes (10 000 kg/an) effectuant un traitement secondaire des eaux usées. Pour les scénarios de formulation (groupe de scénarios 2), les concentrations prévues d'HBCD dissoutes dans l'eau étaient inférieures à la CESE pour tous les scénarios, sauf pour les installations traitant des petits volumes (10 000 kg/an) effectuant un traitement primaire.
D'après les résultats des quotients de risque, on en conclut que les concentrations d'HBCD dans les eaux de surface résultant des activités associées à la manutention des matières premières et à la formulation peuvent causer des effets nocifs sur les populations d'organismes pélagiques au Canada. L'application de procédés de traitement secondaire aux cours d'eau qui viennent des usines de traitement d'HBCD réduit beaucoup le risque potentiel. Toutefois, les valeurs d'exposition prévues sont encore supérieures à la dose minimale d'effets observables pour les scénarios associés à la production de grandes quantités (p. ex., 100 000 kg/an) et qui ont recours à des procédés de traitement primaire des eaux usées. Il est à noter que bien qu'on prévoie une diminution des concentrations d'HBCD en fonction de la distance, on s'attend à ce que la distance potentielle des répercussions en aval (c.-à-d. la distance pour laquelle les quotients de risque sont supérieurs à 1) soit importante (plus de 5 000 mètres).
Organismes benthiques
Le tableau 2-3 résume les résultats relatifs au quotient de risque obtenus pour les organismes benthiques avec chaque scénario retenu. Les résultats des organismes benthiques se comparent généralement à ceux des organismes pélagiques. Les quotients de risque allaient de 0,051 à 2,37 pour une quantité d'utilisation annuelle par installation de 10 000 kg/an et de 0,152 à 7,11 pour une quantité d'utilisation de 100 000 kg/an. Les concentrations d'HBCD prévues dans les sédiments en vrac dépassaient la concentration estimée sans effet (CESE) pour les scénarios associés à la manutention de gros volumes de matières premières (scénarios 1b et 1c) et aux installations traitant de plus petits volumes de matières premières n'effectuant qu'un traitement primaire des eaux usées (scénario 1e). Les concentrations d'HBCD prévues dans les sédiments en vrac étaient inférieures à la CESE pour tous les scénarios de formulation (groupe de scénarios 2), ce qui laisse penser que les estimations actuelles des volumes de sédiments en vrac pour cette activité ne devraient pas dépasser les concentrations minimales avec effet chez les organismes. Il est à noter que bien qu'on prévoie une diminution des concentrations d'HBCD en fonction de la distance, on s'attend à ce que la distance potentielle des répercussions en aval (c.-à-d. la distance pour laquelle les quotients de risque sont supérieurs à 1) soit importante (> 5 000 m) .
Tableau 2-1 : Taux d'émission d'HBCD, caractéristiques des rivières et rejets pour les scénarios de rejets du modèle de fugacité
| Activité industrielle | |||||||||||
| Quantité utilisée à l'usine (kg/an) | |||||||||||
| 100 000 | 100 000 | 100 000 | 10 000 | 10 000 | 10 000 | 100 000 | 100 000 | 100 000 | 10 000 | 10 000 | 10 000 |
| Scénarios de manutention des matières premières | Scénarios de formulation | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1a | 1b | 1c | 1d | 1e | 1f | 2a | 2b | 2c | 2d | 2e | 2f |
| Facteur d'émission (%)2 | |||||||||||
| 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,055 | 0,055 | 0,055 | 0,055 | 0,055 | 0,055 |
| Jours d'émissions3 | |||||||||||
| 200 | 200 | 200 | 60 | 60 | 60 | 200 | 200 | 200 | 60 | 60 | 60 |
| Quantité rejetée par l'installation (kg/jour) | |||||||||||
| 3 | 3 | 3 | 1 | 1 | 1 | 0,275 | 0,275 | 0,275 | 0,092 | 0,092 | 0,092 |
| Type de traitement des eaux usées | |||||||||||
| Aucun | 1°4 | 2°5 | Aucun | 1° | 2° | Aucun | 1° | 2° | Aucun | 1° | 2° |
| Taux d'élimination du traitement (%)6 | |||||||||||
| 0 | 57 | 90 | 0 | 57 | 90 | 0 | 57 | 90 | 0 | 57 | 90 |
| Quantité d'HBCD rejetée dans la rivière (kg/jour) | |||||||||||
| 3 | 1,28 | 0,3 | 1 | 0,43 | 0,1 | 0,28 | 0,12 | 0,028 | 0,092 | 0,039 | 0,0092 |
| Débit fluvial (m3/s)7 | |||||||||||
| 0,85 | 0,85 | 0,85 | 0,85 | 0,85 | 0,85 | 0,85 | 0,85 | 0,85 | 0,85 | 0,85 | 0,85 |
| Tirant d'eau moyen (m)8 | |||||||||||
| 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 | 0,33 |
| Vitesse de la rivière (m/s)8 | |||||||||||
| 0,31 | 0,31 | 0,31 | 0,31 | 0,31 | 0,31 | 0,31 | 0,31 | 0,31 | 0,31 | 0,31 | 0,31 |
| Largeur de la rivière (m)8 | |||||||||||
| 8,5 | 8,5 | 8,5 | 8,5 | 8,5 | 8,5 | 8,5 | 8,5 | 8,5 | 8,5 | 8,5 | 8,5 |
1 Environnement Canada, 2001
2 OCDE, 2004a
3 BESC, 2003
4 Traitement primaire des eaux usées
5 Traitement secondaire des eaux usées
6 De STPWIN (EPIWIN, 2000).
7 On a estimé le débit en tenant compte des données sur l'écoulement fluvial dans le Sud de l'Ontario tirées de la base de
données HYDAT (Archives nationales des données hydrologiques, Environnement Canada). Celui-ci représente généralement le 25e percentile des débits observés.
8 La géométrie des chenaux et les paramètres hydrauliques ont été estimés au moyen d'équations établies spécialement pour le Sud de l'Ontario (Boivin, 2005).
Tableau 2-2 : Analyse des résultats du modèle et du quotient de risque pour les organismes pélagiques
| Activité industrielle | |||||||||||
| Quantité utilisée à l'usine (kg/an) | |||||||||||
| 100 000 | 100 000 | 100 000 | 10 000 | 10 000 | 10 000 | 100000 | 100 000 | 100000 | 10 000 | 10 000 | 10 000 |
| Scénarios de manutention des matières premières | Scénarios de formulation | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1a | 1b | 1c | 1d | 1e | 1f | 2a | 2b | 2c | 2d | 2e | 2f |
| Type de traitement des eaux usées | |||||||||||
| Aucun | 1°1 | 2°2 | Aucun | 1° | 2° | Aucun | 1° | 2° | Aucun | 1° | 2° |
| CESE (mg/L) | |||||||||||
| 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 | 5,6×10-4 |
| Concentration maximale (Cmax, mg/L)3 | |||||||||||
| 0,0155 | 0,006 | 0,001 | 0,0049 | 0,0021 | 0,0005 | 0,0013 | 0,0006 | 0,0001 | 0,00045 | 0,00019 | 0,00004 |
| Concentration à 5 km en aval du point d'émission (C5000, mg/L)4 | |||||||||||
| 0,010 | 0,004 | 0,001 | 0,0034 | 0,0015 | 0,0003 | 0,0009 | 0,0004 | 0,0001 | 0,00032 | 0,00013 | 0,00003 |
| Quotient de risque maximal (Qmax = Cmax/CESE) | |||||||||||
| S. O.6 | 10,7 | 1,79 | S. O.6 | 3,75 | 0,893 | S. O.6 | 1,07 | 0,179 | S. O.6 | 0,339 | 0,071 |
| Distance (m) avec Q > 1 | |||||||||||
| S. O.6 | > 5000 | > 5000 | S. O.6 | > 5000 | S. O.7 | S. O.6 | > 5000 | S. O.7 | S. O.6 | S. O.7 | S. O.7 |
1 Traitement primaire des eaux usées
2 Traitement secondaire des eaux usées
3 Cmax représente la concentration d'HBCD dissoute dans les 100 premiers mètres en aval du point de rejet.
4 C5000 représente la concentration d'HBCD dissoute à une distance allant de 4 900 à 5 000 m en aval du point de rejet.
5 La concentration d'HBCD dissoute prévue dépasse l'hydrosolubilité mesurée (voir le tableau 1).
6 On n'a pas calculé le quotient de risque, car les scénarios de non traitement » ont été jugés irréalistes.
7 Sans objet, car la concentration d'exposition prévue était inférieure à la concentration sans effet estimée.
Tableau 2-3 : Analyse des résultats du modèle et du quotient de risque pour les organismes benthiques
| Activité industrielle | |||||||||||
| Quantité utilisée à l'installation (kg/an) | |||||||||||
| 100 000 | 100 000 | 100 000 | 10 000 | 10 000 | 10 000 | 100 000 | 100 000 | 100 000 | 10 000 | 10 000 | 10 000 |
| Scénarios de manutention des matières premières | Scénarios de formulation | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1a | 1b | 1c | 1d | 1e | 1f | 2a | 2b | 2c | 2d | 2e | 2f |
| Type de traitement des eaux usées | |||||||||||
| Aucun | 1°1 | 2°2 | Aucun | 1° | 2° | Aucun | 1° | 2° | Aucun | 1° | 2° |
| CESE (mg/L) | |||||||||||
| 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 |
| Concentration maximale (Cmax, mg/L)3 | |||||||||||
| 108,2 | 46,2 | 10,8 | 36,1 | 15,4 | 3,6 | 9,92 | 4,24 | 0,99 | 3,31 | 1,41 | 0,33 |
| Concentration à 5 km en aval du point d'émission (C5000, mg/L)4 | |||||||||||
| 76,7 | 32,8 | 7,7 | 25,6 | 10,9 | 2,6 | 7,03 | 3,01 | 0,70 | 2,34 | 1,00 | 0,23 |
| Quotient de risque maximal (Qmax = Cmax/CESE) | |||||||||||
| S. O.5 | 7,11 | 1,67 | S. O.5 | 2,37 | 0,553 | S. O.5 | 0,652 | 0,152 | S. O.5 | 0,217 | 0,051 |
| Distance (m) avec Q > 1 | |||||||||||
| S. O.5 | > 5000 | > 5000 | S. O.5 | > 5000 | S. O.6 | S. O.5 | S. O.6 | S. O.6 | S. O.5 | S. O.6 | S. O.6 |
1 Traitement primaire des eaux usées
2 Traitement secondaire des eaux usées
3 Cmax représente la concentration d'HBCD dans les sédiments dans les 100 premiers mètres en aval du point de rejet.
4 C5000 représente la concentration d'HBCD dans les sédiments à une distance allant de 4 900 à 5 000 m en aval du point de rejet.
5 On n'a pas calculé le quotient de risque, car les scénarios de non traitement » ont été jugés irréalistes.
6 Sans objet, car la concentration d'exposition prévue était inférieure à la concentration sans effet estimée.
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