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Définition - Techniques de mesure de la turbidité

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Rappel sur la turbidité


La turbidité de l'eau vient de la présence de diverses matières en suspension telles que argiles, limon, matière organique et minérale en fines particules, plancton. Les matières en suspension sont définies comme étant l'ensemble du matériel particulaire entraîné passivement dans l'eau (vivant ou détritique, minérale ou organique). La turbidité correspond à la propriété optique de l'eau qui fait que la lumière incidente est diffusée ou absorbée. Il s'agit d'un paramètre dont la signification dépend de la technique de mesure utilisée. Plusieurs mesures optiques rendent compte de la turbidité.

 

Les  mesures optiques

Mesures au disque de Secchi :
Le disque de Secchi permet d'apprécier la transparence de l'eau vue par un œil humain. C'est la seule mesure dont on dispose actuellement pour prendre en compte à la fois les caractéristiques optiques de l'eau (teneur en particules), la pénétration de la lumière du jour, le contraste et la perception de l'œil. Cette transparence dépend de la coloration de l'eau (liée à la présence de substances dissoutes) et des teneurs en MES, provenant du lessivage des sols (particules terrigènes), de l'érosion des fonds marins et de l'activité biologique.


Mesures de transmissiométrie :
Les mesures de transmissiométrie sont des mesures optiques permettant de calculer le coefficient d'atténuation, c, lié aux teneurs en particules en suspension dans l'eau de mer. Cet appareil mesure la transmission de lumière à 660 nm à travers une trajectoire connue (10 cm). On en déduit un facteur de transmission par mètre : t.
  , or  , avec r = 1 mètre. On a donc 

Ce =    coefficient d'atténuation dans l'eau avec 
      coefficient d'atténuation de l'eau pure
      coefficient d'absorption de substances en solution
      coefficient d'absorption des particules
 b  =    coefficient de diffusion des particules


Si cette mesure n'est actuellement pas validée sur le plateau continental atlantique français en terme de charge en particules, elle demande à être sérieusement exploitée car elle fournit directement la valeur de c. L'autre intérêt de cette mesure, c'est qu'elle est acquise en temps réel avec les mesures bathysonde avec un profil continu.

Mesures NTU :
La mesure NTU est une méthode néphélométrique actuellement normalisée pour mesurer la turbidité de l'eau. Le turbidimètre néphélométrique mesure l'intensité de la lumière dispersée à un angle de 90 degrés par rapport au trajet de la lumière incidente.
Cette mesure détermine donc le coefficient angulaire de diffusion ß90. Dans le cas de petites particules, on calcule le coefficient de diffusion totale, b, à partir de ce paramètre ß90.
Cette diffusion est surtout liée aux matières en suspension et elle dépend de la taille, de la forme et de l'indice de réfraction des particules ainsi que de la longueur d'onde de la lumière incidente. Les substances dissoutes agissent très peu sur ce coefficient de diffusion (dans le cas d'une eau pure sans particules : ).


Pour déterminer la part de la diffusion liée aux MES, il faut soustraire de b la part liée à la diffusion moléculaire b0, caractéristique de l'eau pure. Toutefois, pour les eaux côtières, cette part est négligeable et même pour les eaux du large,

  (à condition d'effectuer la mesure de diffusion pour un angle  ).



Cette mesure consiste donc à déterminer la diffusion (réflexion + réfraction + diffraction) de la lumière, abstraction faite de l'eau pure. Il s'agit donc bien d'un paramètre lié à la présence des particules en suspension.

 

Les mesures de MES


Cette mesure permet de mesurer la quantité de particules en suspension. La méthode consiste à filtrer l'eau de mer sur une membrane filtrante afin de retenir toutes les particules de taille supérieure à 0,5µm. Le rapport entre la pesée du filtre (masse sèche totale de matières en suspension) et le volume filtré détermine la concentration de ces particules dans l'eau (exprimée généralement en mg/l).

 

Corrélation MES/NTU


La turbidité, telle qu'elle est définie dans la méthode néphélométrique correspond à une mesure non spécifique de la concentration des solides en suspension. Des particules, en concentrations très différentes, peuvent avoir les mêmes valeurs de turbidité si elles sont de types très différents. Car la mesure néphélométrique de turbidité est fonction de la concentration, de la taille, de la forme et des coefficients de réfraction des particules présentes.

La corrélation entre le coefficient de diffusion b et la masse totale des MES dépend donc de :

  • la répartition en taille des particules
  • la relation entre le volume total et la masse totale. Le coefficient de diffusion b dépend du volume de l'ensemble des particules rencontré mais pour obtenir la conversion en terme de masse, il faut connaître la valeur moyenne de la masse volumique du volume d'eau échantillonné.


Le coefficient de corrélation entre la mesure optique et la masse des particules est donc lié à la nature de ces particules. Ce facteur va ainsi avoir une composante géographique, selon que l'on sera plus ou moins éloigné d'une embouchure de fleuve, et une composante saisonnière importantes.
Seules les analyses complémentaires peuvent permettre de renseigner sur les différents types d' échantillons, selon qu'ils sont plus ou moins favorables à une dominante biogénique ou lithgénique.


D'une manière générale, la corrélation entre le coefficient de diffusion et la teneur en MES est tout à fait satisfaisante pour une région donnée. Pour obtenir une relation cohérente entre la turbidité et les matières en suspension, il faut se référer à un même milieu, et ce, à condition que toutes les mesures de turbidité aient été faites avec le même appareil, calibré avec les mêmes étalons.

 

Les mesures chimiques complémentaires MES/NTU


Etant donné que
1 - la production primaire dépend de la quantité de lumière et de la disponibilité en nutriments,
2 - la teneur en particules terrigènes dépend de la proximité, du débit et de la direction de l'écoulement des fleuves,
3 - l'ensemble du particulaire (biogène et terrigène) est soumis à la situation dynamique des masses d'eau (advection et mélange turbulent),

cette analyse ne peut se faire sans les informations complémentaires suivantes :

  •  distribution des salinités de surface (le sel est un élément conservatif qui délimite la zone d'impact des apports terrigènes) ;
  •  mesures de densité qui fournit un état sur la stabilité des masses d'eau ; une colonne d'eau déstratifiée, et donc fortement brassée, peut laisser penser que la remise en suspension du sédiment influence la turbidité. Cette remise en suspension du sédiment se traduit généralement par un néphéloïde de fond nettement mis en évidence par le profil de transmissiométrie.
  • distribution des sels nutritifs (si les fleuves sont majoritairement responsables de l'enrichissement en substances nutritives pour les algues, ces éléments ne sont pas conservatifs et ne peuvent pas se déduire directement de la répartition des salinités) ;
  • mesure de quantamètre. Le quantamètre mesure la quantité de lumière comprise entre 400 et 700 nm (rayonnement utile pour la croissance des algues). Le rapport entre les deux capteurs (capteur sur le pont et capteur immergé) détermine le pourcentage de la lumière du jour pénétrant à une profondeur donnée (CPAR). Ce paramètre permet de cartographier les épaisseurs d'eau potentiellement favorables au développement algal.
  • mesures des concentrations en pigments. Elles permettent de confirmer la présence d'une activité biologique significative mais surtout donne une indication sur les différentes classes de taille des algues présentes dans le milieu.


Ces interactions fortes entre les processus physiques, chimiques et biologiques dans la turbidité sont nécessairement prises en compte dans le modèle de turbidité MARS-T3D. Ces mesures complémentaires sont donc utiles à sa calibration et à sa validation. Pour la turbidité, il est actuellement prévu de calibrer le modèle grâce aux concentrations en matière en suspension. L'étude, permettra à terme, de définir la relation spécifique au plateau continental atlantique français entre les teneurs en particules et les propriétés optiques de l'eau de mer.

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