Les stations instrumentées de suivi de la qualité de l’eau

Parmi les multiples domaines de l'environnement étudiés, la qualité de l'eau représente en effet souvent le premier témoignage de la qualité de l'environnement du fait de son rôle dans le transport de polluants dans l'environnement, quelles que soient leur nature et leurs concentrations. La surveillance de l'eau fait, d'ailleurs, l'objet d'une réglementation rigoureuse (contrôles et mesures de protection), justifiée par son rôle important dans la chaîne alimentaire (prélèvement d'eau potable, faune aquatique, irrigation...).

A l'échelle de la zone d'étude de l'Observatoire Pérenne de l'Environnement, le suivi des eaux représente également un enjeu important. C'est pourquoi, plusieurs campagnes d'analyses ont été réalisées depuis 2007 afin de décrire en détail la variabilité de la qualité des eaux dans un contexte hydrologique karstique sur une vaste zone de 900 km². L'expertise de ces données avec l'appui du Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE) sur 26 points de suivi répartis sur les principaux cours d'eau de la zone d'étude (Saulx, Orge, Ornain, Ormançon, Réchicourt) et le canal de la Marne au Rhin a confirmé la forte variabilité spatiotemporelle et l'intérêt dès lors d'installer des stations de mesure en continu pour contrôler l'ensemble des événements qui ne peuvent être observés et mesurés à l'aide de suivis ponctuels.

Ces suivis des réseaux de contrôle nouvellement définis par la Directive Cadre sur l'Eau appliquée sur la zone OPE en collaboration avec l'Agence de l'Eau Seine-Normandie (AESN) pour évaluer l'état écologique, l'état chimique et le potentiel écologique des eaux de surfaces reposent sur des prélèvements à intervalle de temps réguliers qui ne permettent pas d'en mesurer finement la variabilité temporelle.

Pour concevoir ces stations de mesure en continu, l'Andra a sollicité le LNE afin de réaliser une expertise des principaux capteurs de mesures en continu et à l'utilisation d'échantillonneurs intégratifs spécifiques afin de proposer un dispositif autonome et performant. Plusieurs sondes/capteurs ont été sélectionnés (cf. tableau ci-dessous) en fonction des paramètres à suivre parmi ceux identifiés comme étant les plus variables temporellement et/ou représentatifs d'une classe ou d'une famille de paramètres comme la matière organique, les macropolluants (Nitrates, Nitrites, Phosphates, Ammonium) et les micropolluants (métaux, pesticides, HAP, autres) et/ou encore pertinents par rapport au suivi d'impact des activités de l'Andra.

Principaux paramètres et capteurs utilisés
MatérielParamètresFabricants / Fournisseurs
Capteur bulle à bulle Niveau d'eau et débit OTT
Hydrolab pH, conductivité, température, oxygène dissous, turbidité, chlorures OTT
AlgaeTorch Chlorophylle a et cyanobactéries bbe / Bionef
ISA Spektrometer Matières organiques, nitrates GO Systemelektronik / Bionef
EnviroFlu-HC HAP Trios / Bionef
DGT : Diffusive Gradient in Thin Film Métaux, phosphates (échantillonneur intégratif) DGT Research Ltd
SPMD : Semipermeable Membrane Device PCB (échantillonneur intégratif) Exposmeter

Avant même d'installer ces instruments de mesure, l'Andra a mis en place avec le LNE une évaluation métrologique de l'ensemble des équipements de la chaîne de mesure. Cette évaluation métrologique est un préalable indispensable pour contrôler la qualité des mesures qui seront acquises in situ dans des conditions particulières de fonctionnement soumises à de fortes contraintes climatiques et environnementales.

La méthodologie retenue pour évaluer les caractéristiques métrologiques et estimer l'incertitude de mesure associée a été déclinée et adaptée en fonction des paramètres et du type d'instruments /capteurs sélectionnés : sondes in situ (dont multiparamètres) et échantillonneurs intégratifs. Elle comprend une double évaluation métrologique au laboratoire et sur site réalisée sur une période de 6 mois (mars à août 2011) afin d'estimer la justesse et la fidélité de chaque capteur sous différentes conditions d'utilisation. Pour les échantillonneurs intégratifs retenus (DGT métaux et phosphates, SPMD HAP et PCB), une approche spécifique est appliquée pour estimer la fidélité de la mesure en réalisant des immersions pendant plusieurs périodes afin d'évaluer l'importance du biofouling (bio-incrustations sur une matière solide immergée dans un milieu aquatique) sur la diffusion et l'accumulation des éléments à analyser. La phase d'évaluation métrologique in situ commencera dès septembre 2011 sur le site de la Ferme de la Tanchotte à Ecurey.

Ces essais en laboratoire et sur site permettront aussi de définir un protocole de maintenance, en s'appuyant sur les recommandations des fabricants, notamment en ce qui concerne le protocole d'étalonnage et de ré-étalonnage, de nettoyage des capteurs ou de leur remplacement. Enfin, un plan qualité sera défini et mis en place afin de contrôler périodiquement que la justesse et la fidélité des mesures ne s'écartent pas des valeurs estimées avant la mise en place des matériels et des capteurs.

L'originalité de ces stations est l'importance donnée au contrôle de la qualité des données mesurées non seulement en laboratoire mais également in situ. A ce jour, il n'existe pas d'expérience équivalente. Toute l'évaluation métrologique menée dans les conditions décrites précédemment permettra de connaître l'incertitude de la mesure en fonction de différents paramètres et ainsi de contrôler la qualité de la mesure.

Ces travaux menés sur la robustesse de la mesure en fonction des conditions d'utilisation et dans le temps seront une garantie de la validité de la donnée mesurée. Ce travail ainsi réalisé permettra de disposer de stations de référence pour les différentes sondes utilisées et des protocoles de fonctionnement et de maintenance associés.

C'est au total 5 stations instrumentées réparties sur la zone OPE qui seront connectées au SAGD avec l'appui de DRD/CSE pour assurer l'acquisition en temps réel des mesures (figure 1). L'installation des infrastructures de ces stations réalisée en août 2011 a fait l'objet d'une demande d'autorisation de travaux sur cours d'eau (DDT et ONEMA) et la mise en place de conventions d'occupation temporaire pour une première période de 5 ans avec les propriétaires des parcelles concernées. Ces stations instrumentées seront opérationnelles en décembre 2011.Ce réseau de mesure de la qualité des eaux superficielles constitué de 17 stations ponctuels dont 5 instrumentées permettra d'engager un vaste programme d'étude de la variabilité spatiotemporelle de la qualité des eaux en tête de bassin versant sur une zone hydrographique complexe et pour laquelle le suivi ponctuel est souvent insuffisant. Ce suivi des eaux superficielles est complété par un suivi des eaux souterraines sur 7 forages.

 Carte de localisation du réseau de stations de mesures de la qualité des eaux superficielles de la zone OPE

Figure 1 : Carte de localisation du réseau de stations de mesures de la qualité des eaux superficielles de la zone OPE

Par ailleurs, l'utilisation de ces stations de mesures en continu en parallèle de suivis ponctuels tels que pratiqués selon les programmes de suivi de la qualité des eaux nouvellement définis par la Directive Cadre sur l'Eau apportera une évaluation sur la pertinence des suivis ponctuels. Cette question souvent posée mais restée sans réponse à ce jour suscite l'intérêt des acteurs de l'eau dont l'Agence de l'Eau Seine Normandie qui s'est engagée dans ce programme. A l'issu d'un retour d'expérience d'un an, plusieurs pistes seront étudiées pour valoriser et externaliser ce concept de stations instrumentées : en développant une labellisation spécifique sous forme d'une NF Instrumentation eau, en développant des programmes d'étalonnage et des protocoles qui pourraient être transposables à d'autres capteurs de mesures reposant sur l'utilisation de la même technologie, en exploitant le réseau de stations de référence OPE pour proposer à tout développeur de nouvelle technologie de mesures de certains paramètres de qualité des eaux de tester leur équipement sur site. Les dispositifs de suivi pérenne sont illustrés ci-après (figure 2).

 Coffret instrumenté

Coffret instrumenté

Infrastructure d’accueil des équipements de mesures (Station à Houdelaincourt)

Infrastructure d'accueil des équipements de mesures

(Station à Houdelaincourt)

Dispositif de protection des sondes

Dispositif de protection des sondes

Chaîne de mesures et équipements

Chaîne de mesures et équipements

Figure 2 : Illustration du concept de stations instrumentées

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