Connaissances en matière de surveillance de la qualité des eaux de surface

Connaissance de la surveillance de la qualité des eaux de surface 

 Introduction

La surveillance de la qualité des eaux de surface est un pilier de la gestion des ressources en eau et de la protection de l'environnement, visant à évaluer la qualité des eaux de surface telles que les rivières, les lacs et les réservoirs. Elle fournit des informations sur la répartition et la variation des polluants, offrant une base scientifique pour la gestion de l'environnement aquatique, la sécurité de l'eau potable et la conservation écologique. Avec l'aggravation croissante de la pollution de l'eau et la promotion de modèles de gestion comme les systèmes d'eau intelligents et le système des chefs de rivière, l'importance de la surveillance de la qualité des eaux de surface est devenue de plus en plus évidente. Cet article couvre de manière exhaustive la collecte de données de base, la sélection des sites de surveillance, le calendrier et la fréquence d'échantillonnage, les choix de technologies de surveillance, ainsi que la présentation des résultats et l'assurance qualité pour la surveillance de la qualité des eaux de surface, offrant une référence systématique pour les praticiens. 

 1. Collecte des données de base pour la surveillance de la qualité de l'eau

La première étape de la surveillance de la qualité des eaux de surface consiste à collecter des données de base relatives au corps d'eau pour obtenir une compréhension complète de ses caractéristiques naturelles et anthropogéniques. Ces données constituent la base pour concevoir les programmes de surveillance et analyser les résultats, couvrant les aspects suivants : 

 1.1 Données hydrologiques, climatiques, géologiques et topographiques

- Données hydrologiques : Incluent le niveau d'eau, le débit, la vitesse et la morphologie de la section transversale de la rivière, reflétant les changements dynamiques du corps d'eau. Les données hydrologiques historiques et les tendances doivent être enregistrées.

- Données climatiques : Les précipitations, l'évaporation et la température affectent les niveaux d'oxygène dissous, la dispersion des polluants et les changements de qualité de l'eau.

- Données géologiques et topographiques : La structure du lit de la rivière, le type de sol, les conditions géologiques (par exemple, paysages karstiques), ainsi que la largeur et la profondeur de la rivière influencent la répartition de la qualité de l'eau et la migration des polluants.

- Volume d'eau historique : Analyse des variations de débit pendant les saisons humides, sèches et normales pour orienter le calendrier d'échantillonnage. 

 1.2 Données socio-économiques le long des corps d'eau

- Disposition urbaine et industrielle : Répartition des villes, des zones industrielles, types de sources de pollution (par exemple, sources ponctuelles ou diffuses) et leurs volumes de rejets.

- Conditions de drainage : Emplacements et capacités de traitement des systèmes de drainage urbains et des sorties des stations d'épuration.

- Analyse des sources de pollution : Identification des principales sources de pollution (par exemple, eaux usées industrielles, ruissellement agricole, eaux usées domestiques) et leurs caractéristiques de rejets. 

 1.3 Utilisations des ressources en eau et zones protégées

- Sources d'eau potable : Emplacements, limites des zones protégées et normes de qualité de l'eau pour les sources d'eau potable.

- Fonctions des terres : Utilisation actuelle des terres dans le bassin versant (par exemple, agriculture, industrie, protection écologique) et planification récente.

- Zonage fonctionnel : Identification des zones pour les loisirs aquatiques, le tourisme ou les installations hydroélectriques. 

 1.4 Données historiques de surveillance et de recherche

- Données historiques de qualité de l'eau : Résultats de surveillance passés et tendances des concentrations de polluants.

- Données d'observation hydrologique : Données à long terme des stations hydrologiques pour analyser les corrélations entre la qualité de l'eau et les conditions hydrologiques.

- Recherche sur l'environnement aquatique : Études académiques, évaluations d'impact environnemental et autres rapports pour compléter les informations de base.

 2. Sections de surveillance et mise en place des points d'échantillonnage

Des sections de surveillance et des points d'échantillonnage conçus scientifiquement sont cruciaux pour garantir la représentativité et la fiabilité des données de qualité de l'eau. Voici les principes et exigences pour leur mise en place : 

 2.1 Principes pour la disposition des sections de surveillance

- Représentativité : Les sections de surveillance doivent refléter de manière exhaustive la répartition spatiale de la qualité de l'eau et les variations des polluants, couvrant les principales zones de pollution et les zones fonctionnelles.

- Exhaustivité : En fonction des objectifs de surveillance (par exemple, protection de l'eau potable, contrôle de la pollution) et des paramètres (par exemple, pH, DCO, oxygène dissous), déterminer le nombre et l'emplacement des sections tout en tenant compte des ressources comme la main-d'œuvre et l'équipement.

- Cohérence : Aligner les sections de surveillance avec les sections de surveillance hydrologique pour faciliter l'analyse de corrélation entre les données de qualité de l'eau et les données hydrologiques.

- Opérabilité : Les sections doivent être accessibles, avec des marqueurs de rivage clairs, pour faciliter l'échantillonnage et la maintenance. 

 2.2 Mise en place des points d'échantillonnage

La sélection des points d'échantillonnage doit tenir compte des caractéristiques du corps d'eau, de la répartition des sources de pollution et des exigences des zones fonctionnelles :

- Amont et aval des sources de pollution : Placer des points en amont et en aval des grandes villes, des zones industrielles ou des sorties de rejets d'eaux usées pour surveiller l'apport et la dispersion des polluants.

- Confluences des affluents : Placer des points au confluent des affluents significatifs avec le cours principal et dans les sections complètement mélangées en aval.

- Zones spéciales :

  - Estuaires et zones de marée : Surveiller la qualité de l'eau dans les estuaires ou les sections influencées par les marées pour analyser les interactions entre la salinité et les polluants.

  - Zones avec une forte érosion des sols : Se concentrer sur l'impact des sédiments sur la turbidité et la migration des polluants.

  - Entrées/sorties des lacs et réservoirs : Surveiller les changements de qualité de l'eau aux entrées et sorties principales.

  - Frontières des rivières internationales : Surveiller la qualité de l'eau dans les corps d'eau transfrontaliers.

- Zones fonctionnelles : Placer des points dans les zones de sources d'eau potable, les zones de concentration des ressources en eau, les zones touristiques, les zones de loisirs aquatiques et les emplacements des installations hydroélectriques pour répondre aux besoins spécifiques de gestion de la qualité de l'eau.

- Exigences pour la sélection des sections :

  - Éviter les zones stagnantes, à contre-courant ou à fort débit ; sélectionner des sections de rivière droites avec des lits de rivière stables et un écoulement régulier.

  - S'assurer que les points d'échantillonnage représentent la qualité de l'eau du courant principal, en évitant les interférences localisées (par exemple, près des sorties de rejets ou de la végétation aquatique dense).

 3. Détermination du calendrier et de la fréquence d'échantillonnage

Le calendrier et la fréquence d'échantillonnage doivent être déterminés en fonction du type de corps d'eau, des objectifs de surveillance et des caractéristiques des changements environnementaux pour équilibrer la représentativité des données et les coûts de surveillance. 

 3.1 Sources d'eau potable

- Fréquence : Au moins 12 échantillons par an (mensuels ou plus fréquents).

- Calendrier : Ajuster en fonction des fluctuations de la qualité de l'eau, en priorisant les saisons à risque de pollution plus élevé (par exemple, saison des pluies). 

 3.2 Rivières

- Cours principaux des grands systèmes fluviaux et petites/moyennes rivières :

  - Fréquence : Au moins 6 échantillons par an, couvrant les saisons humides, sèches et normales, avec au moins 2 échantillons par saison.

  - Calendrier : Sélectionner des moments représentatifs en fonction des cycles hydrologiques, tels que les saisons des pluies (humide) ou l'hiver (sec).

- Rivières fortement polluées ou zones fonctionnelles (par exemple, sections urbaines ou touristiques) :

  - Fréquence : Au moins 12 échantillons par an (mensuels ou plus fréquents en fonction des schémas de pollution).

  - Calendrier : Aligner sur les schémas de rejets de pollution ou les périodes de pointe touristique. 

 3.3 Égouts

- Fréquence : Au moins 3 échantillons par an, en se concentrant sur les périodes de rejets de pollution de pointe.

- Calendrier : Sélectionner en fonction des schémas de drainage, comme les saisons des pluies ou les pics de production industrielle. 

 3.4 Sédiments

- Fréquence : Au moins 1 échantillon par an, de préférence pendant la saison sèche (lorsque les sédiments sont stables).

- Calendrier : Éviter les saisons des pluies avec perturbation des sédiments pour garantir que les résultats reflètent les caractéristiques de pollution des sédiments. 

 3.5 Sections de référence

- Fréquence : Au moins 1 échantillon par an.

- Calendrier : Choisir les saisons à risque de pollution plus élevé (par exemple, saison des pluies ou périodes de fertilisation agricole). 

 3.6 Rivières à marée

- Fréquence : Couvrir les saisons humides, normales et sèches, avec un échantillonnage sur 2 jours par saison.

- Calendrier : Échantillonner pendant les marées hautes et basses chaque jour, en mesurant les paramètres de qualité de l'eau et hydrologiques. 

 3.7 Lacs et réservoirs

- Stations de surveillance dédiées : Au moins 1 échantillon par mois, avec un minimum de 12 échantillons par an.

- Autres lacs/réservoirs : Au moins 2 échantillons par an, un pour chaque saison humide et sèche.

- Calendrier : Sélectionner des moments représentatifs en fonction des changements saisonniers des corps d'eau.

 4. Sélection des technologies d'échantillonnage et de surveillance

La surveillance de la qualité de l'eau implique divers paramètres (par exemple, pH, DCO, oxygène dissous, turbidité, métaux lourds), nécessitant des techniques d'échantillonnage et d'analyse appropriées en fonction des propriétés de la cible, de la plage de concentration et des exigences de précision. 

 4.1 Techniques d'échantillonnage

- Échantillonnage manuel : Convient pour une surveillance à faible fréquence et à petite échelle, en utilisant des bouteilles d'échantillonnage ou des échantillonneurs dédiés pour garantir des échantillons non contaminés.

- Échantillonnage automatique : Utilise des échantillonneurs automatisés pour un échantillonnage temporisé et quantitatif, idéal pour une surveillance en ligne à long terme.

- Considérations pour l'échantillonnage :

  - Utiliser des contenants propres et non contaminés (par exemple, bouteilles en polyéthylène ou en verre).

  - Sélectionner la profondeur d'échantillonnage (par exemple, surface, couche intermédiaire ou eau de fond) en fonction des paramètres de surveillance.

  - Prévenir les changements physiques, chimiques ou biologiques pendant le transport ou le stockage des échantillons (par exemple, utiliser des conservateurs ou réfrigérer). 

 4.2 Technologies de surveillance

- Analyse chimique :

  - DCO : Méthode au dichromate de potassium, méthode d'absorption UV.

  - Azote ammoniacal : Méthode colorimétrique au réactif de Nessler, méthode des électrodes sélectives d'ions.

  - Métaux lourds : Spectroscopie d'absorption atomique, spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS).

- Technologies des capteurs :

  - Capteurs de pH : Méthode électrochimique pour mesurer l'acidité/alcalinité de l'eau.

  - Capteurs d'oxygène dissous : Méthodes électrochimiques ou de fluorescence pour surveiller les niveaux d'oxygène.

  - Capteurs de turbidité : Méthode optique pour mesurer la concentration des particules en suspension.

  - Capteurs multi-paramètres : Intègrent pH, DCO, oxygène dissous, etc., pour une surveillance en ligne en temps réel.

- Télédétection et technologie des drones : Utilisation d'images satellites ou de drones combinées avec des modèles de qualité de l'eau pour surveiller la répartition de la pollution sur de grands corps d'eau.

- Principes de sélection :

  - Choisir des méthodes à haute sensibilité et haute précision en fonction des propriétés chimiques du paramètre et de la plage de concentration.

  - Prioriser les méthodes conformes aux normes nationales (par exemple, la norme chinoise de qualité environnementale des eaux de surface GB 3838-2002).

  - Équilibrer la fréquence de surveillance et le coût en sélectionnant des capteurs en ligne ou une analyse en laboratoire.

 5. Présentation des résultats, assurance qualité et planification de la mise en œuvre

 5.1 Présentation des résultats

Les données de surveillance de la qualité de l'eau doivent être traitées et visualisées scientifiquement pour faciliter l'analyse et la prise de décision :

- Traitement des données : Utiliser l'analyse statistique (par exemple, moyenne, écart-type, analyse des tendances) ou des modèles de qualité de l'eau pour calculer les concentrations de polluants, les tendances et les charges.

- Formes de présentation :

  - Rapports de surveillance : Inclure les paramètres de qualité de l'eau, les données des sections, l'analyse des sources de pollution et les recommandations de gestion.

  - Graphiques et cartes : Utiliser des graphiques linéaires, des diagrammes à barres ou des cartes SIG pour afficher les variations spatiales et temporelles de la qualité de l'eau.

  - Plateformes en ligne : Affichage en temps réel des données de qualité de l'eau via des plateformes IoT pour l'accès public et la prise de décision réglementaire. 

 5.2 Assurance qualité

L'assurance qualité (AQ) est cruciale pour garantir l'exactitude et la fiabilité des données tout au long du processus de surveillance :

- Étalonnage des instruments : Étalonner régulièrement les capteurs et les instruments d'analyse à l'aide de solutions standard.

- Contrôle des échantillons : Utiliser des échantillons vierges, parallèles et standard pour garantir un échantillonnage et une analyse sans contamination.

- Validation des données : Confirmer la cohérence des données par des mesures en double, une validation croisée ou des audits tiers.

- Formation du personnel : S'assurer que le personnel d'échantillonnage et d'analyse est qualifié et familier avec les procédures opérationnelles standard (POS).

- Gestion des enregistrements : Maintenir des enregistrements complets des temps, lieux, méthodes et résultats d'échantillonnage pour la traçabilité. 

 5.3 Planification de la mise en œuvre

Le plan de mise en œuvre définit les arrangements spécifiques pour le programme de surveillance, garantissant la rigueur scientifique, la faisabilité et la coordination :

- Chronologie : Spécifier les nœuds temporels pour l'échantillonnage, l'analyse, le traitement des données et la soumission des rapports.

- Allocation des ressources : Allouer efficacement la main-d'œuvre, les équipements et les matériaux pour accomplir les tâches.

- Plans d'urgence : Développer des plans de réponse rapide et de surveillance pour les événements de pollution soudains (par exemple, fuites, débordements).

- Mécanismes de collaboration : Coordonner les ressources entre les institutions environnementales, hydrauliques et de recherche pour une surveillance efficace.

 6. Importance et défis de la surveillance de la qualité des eaux de surface

 6.1 Importance

- Protection de l'environnement : Fournit des données sur la qualité de l'eau pour identifier les sources de pollution et orienter les mesures de gestion.

- Sécurité de l'eau potable : Garantit la qualité de l'eau dans les zones de sources, protégeant la santé publique.

- Conservation écologique : Surveille la santé écologique des corps d'eau pour soutenir la protection de la biodiversité.

- Soutien aux politiques : Fournit des données pour le système des chefs de rivière, les systèmes d'eau intelligents et la gestion basée sur la grille, permettant une gouvernance précise. 

 6.2 Défis

- Représentativité des données : Les sections de surveillance et les points d'échantillonnage doivent être conçus scientifiquement pour éviter les biais localisés affectant les évaluations globales.

- Coûts de surveillance : Les instruments de haute précision et l'échantillonnage fréquent augmentent les charges financières, nécessitant une allocation optimisée des ressources.

- Corps d'eau complexes : Les rivières à marée, les lacs et les réservoirs sont influencés par de multiples facteurs, posant des défis de surveillance.

- Intégration des données : La standardisation et l'intégration des données multi-sources nécessitent des plateformes unifiées pour éviter les silos de données.

 7. Développements futurs

Les avancées technologiques entraînent les tendances suivantes dans la surveillance de la qualité des eaux de surface :

- Systèmes intelligents et IoT : Les capteurs multi-paramètres et l'IoT permettent une surveillance en temps réel basée sur la grille, améliorant l'efficacité de la collecte de données.

- Big Data et IA : L'apprentissage automatique pour l'analyse des tendances de la qualité de l'eau et la prédiction des risques de pollution afin d'optimiser les stratégies de gestion.

- Télédétection : Surveillance par satellite et drones pour les grands corps d'eau, améliorant la résolution spatiale.

- Surveillance verte : Développement de capteurs à faible consommation d'énergie et sans réactifs (par exemple, capteurs DCO basés sur UV) pour réduire l'impact environnemental. 

 Conclusion

La surveillance de la qualité des eaux de surface est fondamentale pour la gestion des ressources en eau et la protection de l'environnement, fournissant des données fiables pour l'évaluation et la gestion de la qualité de l'eau grâce à une collecte de données scientifique, la conception de sections, la fréquence d'échantillonnage et la sélection de technologies. Une présentation efficace des résultats et une assurance qualité rigoureuse garantissent l'exactitude et l'utilité des données. Avec l'avancement des systèmes d'eau intelligents et du système des chefs de rivière, la surveillance de la qualité des eaux de surface évolue vers l'intelligence, la précision et la durabilité, offrant un soutien robuste pour une gestion durable de l'environnement aquatique.