Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Relations concentration-débit“

Les paramètres chimiques jouent un rôle important dans l'équilibre des écosystèmes aquatiques. De nombreuses études ont déjà démontré que les caractéristiques chimiques d'un cours d'eau peuvent changer avec les saisons. Cette étude a pour but de revoir les relations débit- concentration sur un petit cours d'eau, dans le contexte des variations entre deux périodes climatiques. Pour ce faire, une analyse de régression entre le débit et six paramètres de qualité de d'eau (sodium, magnésium, conductivité, pH, azote total et le carbone organique dissous) provenant d'un petit bassin versant forestier (ruisseau Catamaran, N.-B., Canada) a été réalisée afin de déterminer la différence entre la saison sans glace et la saison avec glace. Des échantillons mensuels d'eau ont été récoltés sur le ruisseau Catamaran depuis 1990. Les analyses chimiques faites sur ses échantillons ont permis de déterminer les concentrations des paramètre étudiés. La plupart des variables de qualité ont démontré une relation significative avec le débit, sauf l'azote total. Les coefficients de détermination variaient entre 0.752 et 0.898, exception faite du carbone organique dissous dont le r2 était de 0.294. La conductivité était le paramètre dont le débit expliquait le plus la variance. Une étude des rapports des sommes des carrés des résidus a permis de déterminer que seul le pH requiert un modèle différent pour la période sans glace et la saison avec glace. Les variations saisonnières de la relation débit-pH revêt une importance significative pour les ruisseaux comme celui de Catamaran, qui incluent de nombreux habitats pour le saumon de l'Atlantique. Les résultats des analyses de régressions indiquent que lorsque la géochimie est plus complexe, comme c'est le cas pour le pH, il faut diviser les séries temporelles en sous-composantes saisonnières avant de tenter d'établir une relation débit-concentration.

Nous avons étudié la variabilité saisonnière de la relation entre les fluctuations des concentrations en carbone organique dissous (COD) dans le ruisseau de l'Hermine (Québec, Canada) et les changements du débit (Q). Un total de 93 événements hydrologiques échantillonnés de 1994 à 2003 et regroupés sur une base saisonnière (hiver-printemps, été, automne) a été analysé. Le modèle de régression linéaire est utilisé afin de déterminer, pour chaque événement, la pente de la relation entre la concentration en COD dans le ruisseau et le débit. Ces pentes sont regroupées par saison et selon un seuil arbitraire de un qui permet de contraster les conditions hydrologiques et climatiques initiales des événements répertoriés. Les résultats du test de Kruskal-Wallis, visant la comparaison entre les événements de pentes supérieures et inférieures à un, montrent clairement la saisonnalité de la relation entre le COD et le débit. La saisonnalité de la relation COD/Q est ensuite mise en relation avec des variables climatiques et hydrologiques susceptibles de conditionner le transport du COD dans le bassin de l'Hermine. Les résultats montrent que les changements saisonniers des conditions climatiques et hydrologiques dans le bassin versant ont un impact significatif sur la relation entre le COD et le débit. Ainsi, le volume de précipitation tombé durant l'événement, la température moyenne de l'air et la température du sol régissent significativement (p =0,041; 0,001 et 0,009 respectivement) le transport du COD pour la période hiver-printemps. Les basses températures du sol et l'apport élevé en eau via les précipitations et la fonte favorisent le lessivage intense du COD soluble déjà limité par les basses températures. Au cours de l'été, l'état initial d'humidité du bassin est le principal facteur contrôlant l'évolution des concentrations de COD lors d'une crue; les fortes relations avec le pourcentage d'humidité des sols et le débit total 24 h avant l'événement le prouvent (p =0,039 et 0,0003 respectivement). Les changements les plus prononcés du COD surviennent, au cours de l'été, suite à une période prolongée de sécheresse. À l'automne, le transport du COD est influencé par le volume de précipitation tombé durant l'événement (p =0,031) et la température du sol (p =0,042). La modélisation de la relation COD/Q par les variables hydro-climatiques montre que 40% de la relation COD/Q s'explique par la température du sol durant la période d'hiver-printemps. Durant l'été, les conditions initiales d'humidité du bassin, traduites par le débit 24 h avant l'événement, expliquent à 51% la relation COD/Q. À l'automne, la relation COD/Q est gouvernée à 50% à la fois par le volume de précipitation tombé durant l'événement et la température du sol. L'analyse de ces données établit clairement la saisonnalité de la relation COD/Q et que des variables climatiques et hydrologiques permettent de quantifier ces fluctuations saisonnières.

Des échantillons d'eau de rivière ont été prélevés près de l'embouchure de la Venoge, affluent du Léman, au cours de cinq crues survenues entre octobre 1986 et novembre 1987. Les échantillons ont été extraits de grands volumes d'eau à l'aide d'une centrifugeuse à débit continu. La concentration de matières en suspension, et les formes du phosphore de ces échantillons ont été dosés. L'interprétation de ces données, basée sur une méthode de régression progressive, montre que la concentration en phosphore particulaire total peut être estimée par deux paramètres, la fraction de suspensions supérieure à 63 µm et la concentration en phosphore réactif dissous. Par ailleurs, puisqu'il existe des relations statistiques entre le phosphore particulaire total et les autres formes du phosphore particulaire, il est possible d'évaluer la concentration de ces dernières (formes de phosphore apatitique, non apatitique, organique et inorganique). Le phosphore total dissous peut être pareillement estimé en fonction du phosphore réactif dissous. L'estimation des formes du phosphore et ainsi que celle de leur charge en crue peut donc se faire même lorsque le volume des échantillons est limité, c'est-à-dire, lorsque la quantité de matières en suspension n'est pas suffisante pour l'analyse de toutes les formes du phosphore particutaire.

Résumé La qualité des eaux de surface est sujette à de nombreuses fluctuations et par conséquence les gestionnaires sont souvent confrontés à des pics de pollution problématiques. À cet effet, nous présentons dans cette étude les résultats d’une exploration des séries d’analyses de la qualité des eaux de surface dans le bassin de la Tafna (Algérie). Nous avons retenu trois descripteurs de la qualité des eaux; la matière en suspension (MES), la conductivité et la demande chimique en oxygène (DCO). On dispose pour cette étude de séries de prélèvements instantanés d’une fréquence au moins mensuelle, couvrant une période de sept ans (avril 1995-mars 2002). Les stations de prélèvements choisies se situent sur les principaux cours d’eau du bassin de la Tafna (Mouillah, Isser et Tafna) de manière à couvrir l’ensemble du bassin versant. Afin d’aboutir à des conclusions exploitables, nous avons commencé, dans une première étape, par une vérification de la cohérence des résultats d’analyse, suivie d’une analyse conjointe de tous les paramètres pour explorer la structure globale des données et appréhender les principaux facteurs qui contrôlent l’évolution de la qualité physico-chimique des eaux. Nous proposons dans cette étude deux modèles mathématiques prévisionnels : le premier est un modèle de simulation du comportement de la qualité des eaux basé sur les relations concentration-débit. Le second est une approche prédictive qui permet de mettre en évidence les saisonnalités et les tendances d’évolution des paramètres étudiés.

L'étude des tableaux de données hydrochimiques acquises au cours de campagnes synchrones (« instantanés ») ou de suivis diachroniques à pas régulier (hebdomadaire, quotidien, horaire) s'opère généralement en résumant l'information par des méthodes statistiques. Ces méthodes descriptives, qui négligent nécessairement une partie de l'information initiale, permettent l'interprétation de la structure du tableau de données en termes de fonctionnement hydrocinématique (BAKALOWICZ, 1979, 1982, MUDRY et BLAVOUX, 1988, ROLET et SEGUIN, 1986 8 et b). Ces méthodes, fondées sur l'analyse d'une seule population statistique (bi ou multidimensionnelle) impliquent un mode de raisonnement déductif. Leur application, ainsi que l'examen du tableau des données brutes (ou de ses représentations graphiques), peut mettre en évidence des sous-groupes fondés sur des critères hydrogéologiques. La réalité de ces sous-groupes peut être testée à l'aide de méthodes statistiques basées sur l'analyse de la variance. Certaines méthodes utilisent le rapport des variances qu'elles comparent à la distribution de Snedecor (analyse de la variance à une ou deux voies), d'autres comparent des variances multidimensionnelles intraclasses à la variance interclasses, c'est le cas de l'analyse discriminante. Les sous-groupes constituent une variable qualitative dont la pertinence peut être démontrée par la calcul. L'analyse discriminante apparaît donc comme un outil décisionnel. Le présent article présente brièvement la méthode du point de vue statistique et montre deux exemples d'application à des sources karstiques. Le premier exemple traite de l'appartenance chimique d'une phase de basses eaux à la petite crue qui la précède et non à un tarissement au sens hydrocinématique. L'analyse discriminante permet d'affirmer qu'une recharge peu perceptible sur l'hydrogramme de la source amène une évolution chimique irréversible de l'eau de la réserve, responsable des phénomènes d'hystérésis observés sur les courbes concentration-débit. Ce cas est celui de l'aquifère de la Fontaine de Vaucluse (Sud-Est de la France) pendant un suivi quotidien d'étiage. Le second exemple permet de rattacher, par son comportement physico-chimique hebdomadaire, une émergence karstique à une autre et non à une troisième. Ce cas est celui du karst de la Rochefoucauld (Charente), avec les sources du Bouillant, de la Font de Lussac et de la Lèche. Les sources du Bouillant et de la Font de Lussac ont un comportement physico-chimique semblable, alors que la Lèche réagit de manière totalement indépendante. Elle constitue un système globalement distinct du point de vue hydrocinématique, ce qui permet de minimiser les relations mises en évidence par traçage artificiel entre les deux systèmes.

Résumé La concentration de nitrate dans les 25 principales rivières bretonnes est, dans 90 % des cas, corrélée positivement au débit. Les caractéristiques hydrogéologiques des bassins versants jouent sur les termes de cette corrélation; ainsi, un taux d’écoulement superficiel important (caractéristique des bassins versants peu perméables) renforce cette corrélation et diminue le décalage temporel entre les pointes de crue et de concentration de nitrate. L’évolution pluriannuelle des concentrations de nitrate dans les rivières bretonnes est caractérisée par un quadruplement durant les trente dernières années. Par contre, depuis le milieu des années 90, on observe sur 80 % des rivières une tendance à la décroissance, indépendamment des évolutions pluriannuelles des débits. Le taux annuel de décroissance est d’autant plus fort que le bassin versant présente une part importante d’écoulements superficiels, et a donc une moins grande inertie hydrogéologique. Étant donné que les temps de réaction des bassins versants sont relativement courts (2‑10 ans), il se peut que l’on commence à constater l’effet sur les eaux superficielles d’une inversion de tendance concernant la pression agricole (baisse des fumures organiques et minérales azotées depuis le début des années 90). Ces tendances restent à confirmer et ne permettent pas encore d’atteindre, dans de nombreuses rivières, des concentrations de nitrate inférieures au seuil à partir duquel se produisent des proliférations macroalgales en zone côtière, ou de permettre sans problème la production d’eaux destinées à la consommation humaine.

Les progrès technologiques récents permettent de mesurer à haute-fréquence les concentrations en ions dissous des eaux de rivières, sur de longues périodes. Ces nouvelles données, bien adaptées aux variations temporelles des débits, permettent aujourd'hui de préciser les liens entre les processus hydrologiques du bassin versant et la chimie du cours d'eau. Cependant, elles nécessitent le développement de méthodes adaptées. Cette thèse tente de répondre aux nouvelles questions qui se posent aujourd’hui: quels modèles et méthodes pouvons-nous utiliser pour exploiter les données haute-fréquences et comment transforment-elles notre connaissance de la qualité chimique des rivières ? Au cours de cette thèse, nous avons adapté différentes méthodes et méthodologies conçues à l'origine pour les données basse / moyenne fréquence et les avons appliquées au jeu de données haute-fréquence du River Lab de l'Observatoire Oracle-Orgeval (France). Pendant de nombreuses années, la taille des jeux de données concentrations-débits ayant été limitée, il était difficile d'analyser de manière détaillée la forme précise de la relation C-Q. Dans de nombreux cas, l’équation de puissance précédée d’une transformation logarithmique, semblait adequate. Aujourd’hui, toute la gamme des relations C-Q à haute-fréquance peut maintenant être incluse dans l'analyse. De cette dernière, comme alternative à la relation de puissance, nous proposons d’utiliser une transformation affine de puissance bilatérale. La séparation d’hydrogramme est peut-être l’un des plus anciens problèmes non résolus de l’hydrologie. Dans la thèse, nous avons utilisé conjointement les méthodes de séparation d’hydrogramme de type filtre numérique (RDF) et une équation de mélange à deux composantes basée sur le bilan de masse (MB). Le but etait d'identifier le paramètre du modèle RDF menant aux paramètres de l’équation de mélange les plus réalistes. Nous montrons que cette approche de couplage RDF-MB fonctionne avec un étalonnage spécifique et sur l'hypothèse simple de deux sources d’écoulement. Pour combiner la relation simple de puissance et le modèle de mélange, nous avons appliqué la transformation affine de puissance bilatérale aux deux composantes de l’équation de mélange, à l’aide d’une procédure d'identification multicritère. Le nouveau modèle combiné améliore considérablement, par rapport aux modèles de puissance et de mélange, la simulation des concentrations dans le cours d'eau. Enfin, nous avons développé une méthodologie pour identifier et quantifier les sources sur la seule base d’une analyse chimique. La nouvelle méthode développée au cours de la thèse, sans aucune hypothèse préalable sur la composition des sources potentielles, nous permet d'analyser la variabilité temporelle des sources chimiques et leur relation avec les différents régimes d'écoulement
Recent technological advances allow measuring high-frequency chemical concentrations in rivers over long periods. These new data sets, well adapted to the temporal variations of discharge, allows us today to specify the links between hydrological processes in catchments and the water stream chemistry. However, they require the development of adapted methods for data treatment. This thesis tries to answer to the following questions: which models and methods can we use to exploit high-frequency measurements and the way they are transforming our knowledge of the chemical water-quality? During the course of this thesis, we adapted different methods and methodologies originally designed for low / medium frequency data and applied then to high-frequency dataset of the River Lab of the Oracle-Orgeval observatory (France). For many years, since the size of the C-Q datasets was limited, it was difficult to analyse in much detail the precise shape of the C-Q relationship. In many cases, the power-law relationship appeared adequate, which explains its popularity, although many additions to the basic relation have been proposed to improve it. With the advent of high-frequency measuring devices, all the range of the relationship can now be included in the analysis. As a progressive alternative to the power law relationship and a log-log transformation, we propose to use a two-sided affine power scaling relationship. Hydrograph separation is perhaps one of the oldest unsolved problems of hydrology. In the thesis we aim to use jointly the Recursive Digital Filter (RDF) and Mass Balance (MB) methods in order to identify the RDF model parameter leading to the most realistic MB parameters. We show that a simple methodology proposed for the hydrograph separation (RDF-MB coupling approach) works, with a specific calibration and with the simple hypothesis of two sources of path flow. To combine the power-law relationship and the two-component mixing model, we applied the two-side affine power scaling relationship to the so-called base flow and quick flow (Cb and Cq) components, with a multicriterion identification procedure. The new combined model significantly improves, compared to power and mixing models, the simulation of stream river concentrations. Last, we develop a methodology for identifying and quantifying sources from a purely chemical point of view. The new method developed here, without any preliminary assumption on the composition of the potential sources, allows us analyzing the temporal variability of the end-member sources and their relationship to the different flow regimes