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

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.