Seasonal Heavy Metal Contamination and Ecological Risk in the Mwambashi–Kafue River System, Zambia

Résumé technique : Contamination saisonnière par les métaux lourds et risque écologique dans le système de la rivière Mwambashi–Kafue, Zambie

Énoncé du problème
Les écosystèmes d'eau douce dans les régions touchées par l'exploitation minière font face à des menaces persistantes de contamination par les métaux lourds en raison de la toxicité, de la non-biodégradabilité et du potentiel d'accumulation de ces polluants. En Zambie, l'importante industrie minière, particulièrement dans la province du Copperbelt, a historiquement contribué à la dégradation de l'environnement via les résidus miniers, les stériles rocheux et les effluents de traitement. Bien que des études antérieures aient abordé les évaluations globales des bassins versants ou des centres miniers spécifiques, il subsiste une lacune critique concernant la distribution spatiale et les risques écologiques dans le tronçon stratégiquement important de la rivière Kafue, s'étendant de la confluence Mwambashi–Kafue jusqu'au pont de la rivière Kafue. Cette section est vitale pour les communautés locales qui dépendent de la rivière pour l'usage domestique, l'irrigation et la pêche, et elle se situe en aval d'opérations minières actives et a fait l'objet d'une évaluation limitée après des ruptures de parcs à résidus. L'étude répond à la nécessité d'évaluer l'étendue de la contamination par les métaux lourds dans l'eau et les sédiments, d'identifier les polluants dominants et d'évaluer les risques écologiques associés afin d'orienter la gestion environnementale.

Méthodologie
La recherche a employé une approche saisonnière comparative, collectant des échantillons d'eau de surface et de sédiments sur six sites (SS1–SS6) le long du système de la rivière Mwambashi–Kafue pendant la saison des pluies (décembre 2025) et la saison sèche (septembre 2025). Les sites comprenaient un apport de tributaire (Pont de la rivière Mwambashi), une référence en amont (Pa Kapula), la confluence, et des localisations en aval s'étendant jusqu'au pont de la rivière Kafue.

• Échantillonnage et analyse : Un total de 72 échantillons (36 d'eau, 36 de sédiments) ont été analysés pour le cobalt (Co), le cuivre (Cu), le chrome (Cr), le fer (Fe), le zinc (Zn) et le manganèse (Mn) par spectrophotométrie d'absorption atomique (SAA). Les échantillons d'eau ont été filtrés (0,45 µm) et acidifiés pour l'analyse des métaux dissous, tandis que les sédiments ont été digérés à l'eau régale.
• Indices d'évaluation : Les niveaux de contamination ont été évalués à l'aide de l'indice de géoaccumulation ($I_{geo}$), du facteur d'enrichissement (EF), du facteur de contamination (CF), du degré de contamination (CD) et du facteur de risque écologique (ERI). L'indice de risque potentiel (RI) a été calculé pour intégrer les risques de tous les métaux.
• Analyse statistique : Les analyses de corrélation de Pearson, l'analyse en composantes principales (ACP) et l'analyse de classification hiérarchique (HCA) ont été utilisées pour identifier les relations entre les métaux, les paramètres physico-chimiques et les sources potentielles de contamination.

Résultats clés

• Qualité de l'eau : Les concentrations de métaux lourds dissous dans l'eau sont restées généralement conformes aux directives de l'OMS, de l'USEPA et de la ZABS pour l'eau potable, à l'exception du fer (Fe) et du manganèse (Mn) à certains sites durant la saison sèche, qui ont dépassé certaines limites de référence. Notamment, le Co, le Cr et le Zn étaient souvent en dessous des limites de détection durant la saison sèche, mais ont été détectés lors de la saison des pluies, probablement en raison de la mobilisation par le ruissellement.
• Accumulation dans les sédiments : Les sédiments ont servi de réservoir primaire pour les métaux lourds, présentant une accumulation substantielle par rapport à la colonne d'eau. Le fer était le métal le plus abondant en masse, mais le cuivre (Cu) a été identifié comme le contaminant dominant concernant l'enrichissement et le risque écologique.
• Variation spatiale et saisonnière :
  • Points chauds (Hotspots) : Le site de Pa Kapula (SS2) et la confluence Mwambashi–Kafue (SS3) ont enregistré les niveaux de contamination les plus élevés.
  • Cuivre : Le Cu a présenté l'indice de géoaccumulation ($I_{geo}$) le plus élevé (jusqu'à 4,079), le facteur d'enrichissement (EF jusqu'à 107,764) et le facteur de contamination (CF jusqu'à 25,343) à Pa Kapula pendant la saison des pluies, classant le site comme fortement à extrêmement pollué.
  • Saisonnalité : Les échantillons de la saison sèche ont généralement montré des concentrations de métaux et des indices de contamination plus élevés que ceux de la saison des pluies, en raison d'un débit fluvial réduit et d'une dilution moindre, ce qui a favorisé le dépôt et l'accumulation des sédiments.
• Risque écologique : L'indice de risque potentiel (RI) a indiqué un « risque écologique considérable » à Pa Kapula (RI = 137,415–145,466) et un risque modéré à considérable sur d'autres sites en aval. Le cuivre a été le principal moteur de ce risque, contribuant aux valeurs les plus élevées du facteur de risque écologique (ERI).
• Identification des sources :
  • Analyse multivariée : L'ACP et les analyses de corrélation ont révélé deux modèles distincts. Le Co, le Cr, le Fe, le Zn et le Mn présentaient de fortes corrélations positives et se sont regroupés dans la PC1, suggérant des sources communes (probablement l'altération naturelle et les apports miniers généraux) influencées par les paramètres physico-chimiques (conductivité, TDS, pH).
  • Distinction du cuivre : Le cuivre s'est séparé dans la PC2, montrant de faibles corrélations avec les autres métaux et une association distincte avec le potentiel redox (ORP). Cela suggère que le Cu provient de sources anthropiques plus localisées ou est contrôlé par des mécanismes spécifiques induits par le redox.

Signification et revendications
L'article affirme que ses conclusions fournissent des informations de base essentielles pour comprendre les conséquences environnementales de la contamination liée à l'activité minière dans le système de la rivière Mwambashi–Kafue. L'étude démontre que, bien que la qualité de l'eau soit largement conforme aux directives, les sédiments constituent un puits important et à long terme pour les métaux lourds, posant une menace écologique persistante.

Les auteurs soutiennent que le Cuivre est le principal contaminant de préoccupation, engendré par les activités minières dans la région du Copperbelt, et que la contamination n'est pas uniforme mais concentrée dans des points chauds spécifiques comme Pa Kapula. La recherche souligne l'importance d'un suivi saisonnier, notant que les saisons sèches exacerbent les niveaux de contamination en raison des conditions hydrologiques. L'étude conclut qu'une gestion environnementale efficace pour cette section de la rivière Kafue nécessite un suivi continu de l'eau et des sédiments, avec un accent particulier sur l'atténuation des apports de cuivre et la gestion des sources de déchets liés aux mines pour protéger l'intégrité écologique de la rivière et les communautés qui en dépendent. Ce travail soutient la nécessité d'un développement de politiques fondées sur des preuves à la suite des défaillances de parcs à résidus et des opérations minières en cours.