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Vue d'une grotte calcaire avec stalactites et lac souterrain (Hongrie). © Gudellaphoto - Fotolia

Méthodes de décomposition des chroniques d’évolution de la qualité des eaux souterraines : quelle utilisation pour améliorer l’efficacité des mesures de gestion

13.10.2017
Afin d’aider les gestionnaires de la qualité des eaux souterraines dans leurs travaux de surveillance, l’outil d’identification des tendances et des inversions de tendances, HYPE, a été développé conjointement avec l’Agence Française pour la Biodiversité (AFB) et mis à disposition des gestionnaires en 2013.

Exemple de sortie graphique fournie par le module « Caractérisation » de l’outil HYPE appliqué à une chronique d’évolution des nitrates dans les eaux souterraines. © BRGM

Exemple de sortie graphique fournie par le module « Caractérisation » de l’outil HYPE appliqué à une chronique d’évolution des nitrates dans les eaux souterraines. © BRGM

Contexte

En 2015, le BRGM a analysé d’autres méthodes qui permettent d’aller plus loin dans l’analyse des chroniques de la qualité des eaux souterraines isues des programmes de surveillance réglementaire. Les résultats de ces travaux s’adressent en priorité aux gestionnaires impliqués dans l’évaluation de la qualité de la ressource, notamment aux institutions en charge de la mise en œuvre et de la déclinaison sur le territoire national de la réglementation européenne (2000/60/CE, 2006/118/CE). Les méthodes présentées peuvent aussi être utilisées dans un cadre hors réglementaire, pour la gestion d’aquifères par les exploitants ou dans le domaine de la recherche associée à la connaissance du transfert des polluants.

Objectifs

L’objectif est d’aider à décomposer les séries temporelles afin d’identifier et extraire la part du signal correspondant à l’incertitude analytique et d’échantillonnage, celle attribuable aux variations environnementales et celle imputable à l’évolution des activités anthropogéniques.

Ces informations prennent une grande importance lors de la définition des plans de mesure car elles permettent d’estimer l’impact qui peut être espéré à court terme sur la qualité de la ressource en réponse à des actions menées sur les émissions de polluants en entrée des systèmes hydrogéologiques.

Programme des travaux

De nombreuses méthodes, aux caractéristiques différentes, permettent de décomposer des signaux temporels. Pour l’étude, des méthodes statistiques ont été recherchées dans le domaine de l’environnement en général. Elles ont été appliquées sur des données réelles de surveillance de la qualité des eaux souterraines afin d’en dégager les avantages et les inconvénients. Les méthodes pré-sélectionnées nécessitent en effet plus ou moins de prétraitements pour être appliquées et montrent des puissances variables. Ces critères de facilité d’utilisation et de puissance vis-à-vis des conditions initiales ont permis de recommander l’utilisation de certaines méthodes spécifiques. Ainsi, parmi le panel des méthodes possibles, peu apparaissent adaptées aux caractéristiques spécifiques des chroniques étudiées.

La mise en œuvre des tests d’application a permis d’orienter le choix des méthodes à utiliser en proposant un arbre de décision qui établit une procédure pas à pas pour décomposer des chroniques d’évolution des concentrations en éléments dans les eaux souterraines. Les méthodes sont triées en fonction de leur capacité et leur facilité à être appliquées sur les chroniques issues des programmes de suivi de la qualité des eaux souterraines aux caractéristiques spécifiques. Elles ont été classées en deux grandes catégories : les méthodes de régression et de stationnarisation des séries temporelles et les méthodes d’identification des variations cycliques.

Schéma décisionnel appliqué automatiquement par HYPE pour le traitement statistique des chroniques d’évolution de la qualité des eaux souterraines. © BRGM

Schéma décisionnel appliqué automatiquement par HYPE pour le traitement statistique des chroniques d’évolution de la qualité des eaux souterraines. © BRGM

 

La recherche de tendance, ou l’analyse de la stationnarité, est la première étape de l’analyse d’une chronique d’évolution de la qualité des eaux souterraines. Or, il existe de nombreux tests statistiques qui permettent d’étudier la stationnarité d’une chronique. Dans le cas où une évolution monotone est attendue, il est proposé d’appliquer une régression linéaire ou une régression de Sen, accompagnée d’un test de stationnarité de Mann-Kendall. Si les tendances d’évolution attendues sont plus complexes (non-monotones), il est proposé d’utiliser soit des méthodes non paramétriques comme les régressions locales ou les lissages selon les algorithmes de LOESS et LOWESS, soit des méthodes paramétriques comme le lissage par splines.

L’identification d’une composante cyclique, saisonnière ou pluri-annuelle est une deuxième étape nécessaire à la compréhension des phénomènes qui guident l’évolution temporelle des concentrations en polluants dans les eaux souterraines. Il s’agit notamment d’identifier la part de l’évolution vraisemblablement guidée par des phénomènes naturels, hydroclimatiques principalement, sur lesquels il n’est pas possible d’agir. Pour l’identification des variations cycliques, c’est le périodogramme de Lomb-Scargle qui est identifié comme la méthode la plus pertinente pour traiter les chroniques de concentrations car elle permet de prendre en compte des séries temporelles avec des pas de temps variables.

Résultats obtenus

Un arbre décisionnel précisant la ou les méthodes à appliquer en fonction de la composante à extraire a été construit afin d’aider les opérateurs à appliquer une procédure complète et robuste de décomposition des chroniques d’évolution de la qualité des eaux souterraines. Les formulations des méthodes recommandées dans l’arbre décisionnel sont détaillées dans le rapport ainsi que les avantages et les inconvénients de chacune.

Arbre décisionnel pour la décomposition des chroniques d’évolution de la qualité des eaux souterraines. © BRGM

Arbre décisionnel pour la décomposition des chroniques d’évolution de la qualité des eaux souterraines. © BRGM

La procédure complète de décomposition des chroniques nécessitant l’expertise de l’opérateur à différentes étapes de son application, il n’est pas possible de l’automatiser intégralement. Certaines méthodes intermédiaires, comme le lissage de LOWESS pour l’identification de tendances complexes, pourraient néanmoins être automatisées et intégrer des outils d’analyse des données sur l’eau déjà existants, comme l’outil HYPE, dédié à l’identification des tendances d’évolution de la qualité des eaux souterraines.

PARTENAIRE

Agence Française pour la Biodiversité (AFB)

RAPPORT PUBLIC

BRGM/RP-65479-FR

BRGM - 3 avenue Claude-Guillemin - BP 36009 45060 Orléans Cedex 2 - France Tél. : +33 (0)2 38 64 34 34