Une approche quantitative du rôle de la fréquence d'échantillonnage sur les incertitudes associées aux calculs des flux et des concentrations moyennes en nitrate en Bretagne - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement
Article Dans Une Revue Ingénieries eau-agriculture-territoires Année : 2009

A quantitative approach of the impact of sampling frequency on uncertainties associated with the estimation of the annual nitrate load and average concentration in Brittany, France

Une approche quantitative du rôle de la fréquence d'échantillonnage sur les incertitudes associées aux calculs des flux et des concentrations moyennes en nitrate en Bretagne

Résumé

The mission of most water quality monitoring networks is to evaluate the long term water quality pattern of water bodies. These networks often use compiled indicators (annual average concentration, maximum concentration, annual exported flux, etc.) calculated from a limited number of measurements. Infrequent measurements induce uncertainties on the indicator values. These uncertainties must be known to better interpret observed patterns. The objective of this article is to evaluate, using scientific approaches, uncertainties on nitrate indicators induced by infrequent sampling, and by the algorithms used to compute fluxes. A 50 year-basin data set of hourly to daily flow and concentration data gathered from nine watersheds (5 to 252 km2 in size) in Brittany, France, was analyzed to evaluate the uncertainties. Original data was numerically sampled to simulate common sampling frequencies including bimonthly, monthly and bimestrial frequencies. Water quality indicators (annual concentration average, maximum, median, 90th and 95th percentile and flux) calculated from the simulated samples were compared to the reference indicators calculated from the high frequency original data. Several algorithms proposed in the literature to calculate annual fluxes were tested. Results show that for all indicators, uncertainties increase as sampling intervals increase. Results also show that all the algorithms that do not use continuous flow data to compute nitrate fluxes yield very large uncertainties, even for biweekly sampling intervals, prompting the recommendation not to use these types of algorithms. Simulation results of watersheds with average hydrological reactivity show that monthly sampling procedures (typical sampling frequency in many monitoring networks) yield uncertainties ranging from 6 to +4 % for the annual average concentration indicator and uncertainties ranging from 12 to +11 % for the annual flux. The boundary values of the uncertainty ranges were found to be correlated to an indicator of hydrological reactivity of the watersheds. This flow duration indicator was the percentage of flow occurring in 2 % of the time corresponding to the highest flow. Using these correlations, guideline curves were drawn relating sampling frequencies, uncertainty levels and hydrological reactivity of watersheds. Using these curves, the general perception that average concentration and flux values obtained using the existing sampling scheme (monthly or bimestrial intervals) in the Brittany water quality monitoring networks are quite reliable is validated. However, uncertainties become very high for watersheds of high hydrological reactivity including artificially drained watersheds. The guideline curves offer for the first time a tool that can be used to optimize sampling schemes of surface water monitoring networks. This is particularly valuable in light of the tightening of existing monitoring scheme resulting from the implementation of the European Water Framework Directive.
La plupart des réseaux de surveillance de la qualité de l'eau déterminent l'évolution dans le temps de la qualité physico-chimique d'une masse d'eau sur la base d'indicateurs moyens (concentration moyenne, concentration maximale, flux total exporté...), bâtis le plus souvent sur un nombre restreint de mesures très espacées dans le temps. Cet espacement dans le temps des mesures induit des incertitudes sur les indicateurs construits, qu'il importe de connaître pour correctement interpréter des tendances observées. L'objectif de cet article est de présenter des éléments scientifiques permettant de calculer ces incertitudes dans le cas de l'ion nitrate, en tenant compte à la fois des fréquences d'échantillonnage et des algorithmes utilisés dans le cas des flux. Pour cela, nous avons analysé un jeu rassemblant cinquante années de mesures des débits de l'eau et de la concentration en nitrate mesurée aux pas de temps horaire à journalier issus de neuf bassins versants bretons allant de 5 à 252 km2 en superficie. Les indicateurs calculés (flux annuel, concentration moyenne annuelle, concentration maximale, concentration médiane, quantile 90 et 95), en dégradant les séries hautes-fréquences (pas de temps hebdomadaires, bihebdomadaires et mensuels), ont été comparés aux indicateurs de référence fournis par les séries hautes-fréquences. Différents algorithmes d'estimation des flux proposés dans la littérature ont été testés. Les résultats montrent que les algorithmes qui n'utilisent pas de mesures de débits en continu sont à proscrire car induisant de très grandes incertitudes sur le calcul des flux. Les résultats des simulations effectuées montrent qu'une fréquence relâchée à une mesure tous les mois peut conduire, pour un bassin versant de réactivité hydrologique « moyenne », à des incertitudes de plus ou moins 5 % sur les concentrations moyennes annuelles du nitrate et de plus ou moins 10 % sur les flux annuels. Les résultats montrent également que les bornes inférieures et supérieures des incertitudes peuvent être corrélées à un indicateur de réactivité des bassins versants. À partir de ces corrélations, nous avons pu dresser des abaques permettant de calculer les fréquences à laquelle mesurer les concentrations en nitrate pour une incertitude désirée en fonction de la réactivité des bassins versants. L'utilisation de ces abaques valide la perception répandue en Bretagne, mais jusqu'ici non validée quantitativement, que les concentrations moyennes et les flux de nitrate calculés à partir d'échantillonnages mensuel à bimestriel, sont relativement fiables, même si des incertitudes élevées sont mises à jour dans certains bassins à forte réactivité hydrologique (bassins versants drainés). Ces abaques fournissent un outil « guide » permettant d'optimiser les réseaux de suivi de la concentration en nitrate des eaux de surface, en particulier dans le cadre de la création ou du renforcement des programmes de surveillance imposés par la mise en place de la Directive cadre européenne sur l'eau.
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hal-02593166 , version 1 (15-05-2020)

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Citer

François Birgand, C. Faucheux, G. Gruau, Bénédicte Augeard, Florentina Moatar, et al.. Une approche quantitative du rôle de la fréquence d'échantillonnage sur les incertitudes associées aux calculs des flux et des concentrations moyennes en nitrate en Bretagne. Ingénieries eau-agriculture-territoires, 2009, 59-60, pp.23-37. ⟨hal-02593166⟩
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