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Jun 08, 2023

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Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 10341 (2022) Citer cet article 5615 Accès 3 Citations 11 Détails Altmetric Metrics Le transport de sédiments fins dans les rivières est important pour le bassin versant

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10341 (2022) Citer cet article

5615 Accès

3 citations

11 Altmétrique

Détails des métriques

Le transport de sédiments fins dans les rivières est important pour les flux de nutriments des bassins versants, les cycles biogéochimiques mondiaux, la qualité de l'eau et la pollution des écosystèmes fluviaux, côtiers et marins. La surveillance des sédiments en suspension dans les rivières avec des capteurs de courant est difficile et coûteuse et la plupart des installations de surveillance sont limitées à quelques mesures sur un seul site. Pour mieux comprendre l'hétérogénéité spatiale des sources de sédiments fins et de leur transport dans les réseaux fluviaux, il est nécessaire de disposer d'une nouvelle détection intelligente de la turbidité de l'eau, multi-sites, précise et abordable. Dans ce travail, nous avons créé un tel capteur, qui détecte la lumière diffusée provenant d'une source LED à l'aide de deux détecteurs dans un volume de contrôle, et peut être placé dans une rivière. Nous comparons plusieurs répliques de notre capteur à différentes sondes de turbidité commerciales dans une expérience en cuve de mélange utilisant deux types de sédiments sur une large gamme de concentrations typiques observées dans les rivières. Nos résultats montrent que nous pouvons obtenir des mesures de turbidité précises et reproductibles dans la plage de 0 à 4 000 NTU ou de 0 à 16 g/L. Notre capteur peut également être utilisé directement comme capteur de sédiments en suspension et éviter un étalonnage inutile au formazine. Le capteur de turbidité développé est beaucoup moins cher que les options existantes de qualité comparable et est spécialement destiné à la détection distribuée sur les réseaux fluviaux.

La production et le transport de sédiments fins constituent un processus important à l’échelle mondiale, affectant les écosystèmes fluviaux, côtiers et marins1,2,3. L’exportation actuelle de sédiments fins de la surface terrestre vers les océans du monde par les grands fleuves est estimée à environ 15,5 à 18,5 Gt par an4,5, ce qui représente environ la moitié de l’érosion annuelle mondiale estimée des sols à partir de la surface terrestre6. Cependant, il reste très difficile d'estimer les rendements en sédiments en suspension dans les rivières en raison de la forte variabilité des concentrations de sédiments en suspension (SSC) le long des cours d'eau et d'un suivi inadéquat de celles-ci.

La principale méthode pour déterminer le SSC est l’analyse gravimétrique d’échantillons de bouteilles prélevés au niveau des sections transversales de rivières à intervalles réguliers ou irréguliers. Cette méthode est fiable mais présente de nombreux inconvénients tels qu'être discontinue (mauvaise résolution temporelle), inefficace et coûteuse (effort élevé de collecte/transport/analyse des échantillons, temps de traitement longs). Les bilans sédimentaires des bassins fluviaux sont généralement dérivés de ces mesures directes du SSC7,8. Des données SSC continues à haute résolution temporelle peuvent être obtenues par des capteurs in situ dédiés qui mesurent la turbidité (T) et en calibrant une relation entre SSC et T. Dans les coupes transversales de rivières où des mesures du débit d'eau (Q) sont également effectuées, le rendement en sédiments (QS) est ensuite calculé comme suit : QS = SSC*Q. Les estimations à haute résolution de la SSC peuvent être utilisées pour quantifier les effets humains sur la production de sédiments, par exemple les effets de la construction de barrages et du contrôle de l'érosion9,10, les gradients d'érosion naturelle sur des chaînes de montagnes entières11, le rôle de l'échantillonnage dans les taux d'érosion mondiaux12, et bien d'autres. . Les mesures de SSC à l’exutoire d’un bassin peuvent nous donner une image intégrée au bassin des sources possibles de sédiments d’origine hydroclimatique, comme l’érosion par les précipitations, l’érosion des pentes par la fonte des neiges, l’érosion par la fonte des glaces des glaciers, et même le stockage de l’hydroélectricité dans des barrages13. Ces mesures de SSC sont également importantes pour comprendre l’impact du forçage hydroclimatique sur l’activation des sources de sédiments et la dynamique de transport, ainsi que pour leur modélisation physique14,15,16,17,18.

La surveillance à haute résolution temporelle à l'aide de capteurs de turbidité in situ, par exemple dans les ruisseaux glaciaires, est utile pour identifier les taux d'exportation de sédiments en fonction du temps liés au développement et à l'évolution des canaux sous-glaciaires et aux contributions possibles des sources de sédiments proglaciaires19,20. Parallèlement aux mesures granulométriques, les données SSC hautement résolues peuvent être utilisées pour la modélisation hydraulique détaillée du transport de sédiments d'origine glaciaire par drainage des eaux de fonte dans les cours d'eau sous-glaciaires21. La connectivité des sources des pentes de colline au réseau fluvial dans les zones proglaciaires est également un modulateur important de la production de sédiments en fonction du temps14,22. Une telle compréhension des processus nécessite une perspective spatiale sur les voies de production et de stockage des sédiments dans le bassin versant, ce qui ne peut être obtenu par des mesures sur un seul site. De plus, la principale lacune des mesures ponctuelles des rivières par des capteurs dédiés à la surveillance des sédiments en suspension est qu'ils sont coûteux (par exemple, le capteur de turbidité de pointe de Campbell est d'environ 6 000, In-Situ est de 7 000), ce qui rend leur déploiement généralisé sur de nombreux sites. le long d’un système fluvial pour quantifier la variabilité spatiale presque impossible. Néanmoins, il s’agit actuellement de la mesure la plus avancée dans les petits et grands systèmes fluviaux.