Un écosystème est un système formé par l'interaction d'une communauté d'organismes avec leur environnement physique, il se réfère à des éléments combinés physiques et biologiques de l'environnement. Les lacs d'eau douce avec de l'eau se déplaçant lentement, sont appelés écosystème lentique. Les écosystèmes d'eau douce contiennent 41% des espèces de poissons connues dans le monde.

Selon un auteur [1A], un écosystème peut être comparé à une usine de fabrication de voiture avec une ligne de production principale, la production de poissons dans notre cas, et plusieurs « chaînes d'approvisionnement» qui contribuent à l’activité principale (cycle du calcium, de l’azote, de la photosynthèse, chaîne alimentaire etc. .).

2. L'étude de cas

L'écosystème de notre étude est un canal de 1 km de long, âgé de 4 siècles, faisant partie d’un grand château construit par les rois de France ; ce canal était utilisé pour le divertissement et l’élevage des truites.

À cet endroit, une société de pêche a été créée en 1901 ; cette association a connue une période faste avec jusqu’à près d'un millier de membres et l'endroit était réputé pour sa grande population de gardons, carpes, brochets, tanches, perches etc.
Au cours des dernières années, nous avons constaté une diminution du nombre de poissons au sortir de l’hiver, malgré des rempoissonnements réguliers.

L'objectif de cette étude est donc de sélectionner les mesures capables d'analyser l'écosystème, d'expliquer la situation et proposer des actions correctives. Cet écosystème peut être considéré comme un cas simplifié car il a bien fonctionné pendant une longue période de temps et quelque chose a changé qui pourrait expliquer la situation actuelle, il est bien délimité, semblable à un aquarium géant en plein air vivant sur lui-même.

L'histoire récente indique que 300 kg de poissons sont ajoutés chaque année, beaucoup semblent disparaître pendant l'hiver. En 2006, le canal a été vidé de 6 mois pour l'entretien et des poissons transférés à un autre bassin du château. 2007 a été une année exceptionnelle avec un taux de reproduction élevé, facilité par un tapis végétal couvrant tout le fond. La situation s’est dégradée ensuite; la végétation est maintenant clairsemée et, par exemple, le rempoissonnement massifs de carpeaux n’a laissé aucun survivant au sortir de l’hiver. Deux épisodes de virémie printanière ont fait disparaitre une tonne de grosses carpes. Par contre, on a constaté que les très grosses truites passent très bien l’hiver bien qu’elles soient considérées comme les poissons les plus exigeants pour la qualité de l’eau.

L'opinion des pêcheurs pour expliquer la situation est principalement liée à des changements récents au sein de leur environnement:

- l’apparition de cormorans après la vidange du canal (qui ont fait complètement disparaitre un couple de grèbe, un héron et quelques martins-pêcheurs)

- un campement de gitans, qui a stationné longtemps à une centaine de mètre de là

- l'entretien du canal qui aurait détruit l'écosystème (empoisonnement par les résidus de ciment)

- le réchauffement climatique, la pollution, etc

Face à des diagnostics qui n’engagent que leurs auteurs, une évaluation scientifique est nécessaire et la mesure est la meilleure façon de confirmer les hypothèse.

3. Le plan de mesure

La stratégie consiste à effectuer une évaluation détaillée de la situation, un inventaire des paramètres et de spécifications, de définir un calendrier, sélectionner l'équipement et effectuer des mesures au cours des 4 saisons.

Lorsque les problèmes sont identifiés des actions correctives seront appliquées, un tableau de bord synthétique de suivi mis en place et les écarts seront surveillés pour s'assurer que la situation reste sous contrôle.
Notre budget de mesure sera de 5 à 10k Euro sur la période, incluant l'achat d'équipements et la sous-traitance de certaines analyses au sein de laboratoires compétents.

Champ de mesure
Tout propriétaire d'aquarium d'eau douce sait qu'il peut maintenir des poissons vivants en filtrant et en renouvelant l'eau, en ajoutant de l'oxygène, de la lumière, de la nourriture et, de temps en temps, ou après un incident, en contrôlant moins de 10 paramètres rendant compte de la qualité de l’eau. La NASA a popularisé une bouteille scellée avec une crevette pour démontrer qu'un écosystème bien équilibré peut survivre sans aucun composant externe, sinon la lumière [3A]. .
Dans un écosystème en plein air, la situation est plus compliquée parce que la nourriture provient du système lui-même, la météorologie et les plantes sont des sources d'oxygène et d'énergie. Quant à notre principal support, l'eau, selon la littérature sur la pêche, 23 paramètres doivent être surveillés pour une productivité optimale [1A]; environ 350 polluants industriels [3B] et 700 produits pharmaceutiques [3C] peuvent affecter l'équilibre du cycle de vie, agissant sur les poissons, le zooplancton, le phytoplancton et les bactéries chargées du recyclage; La Directive Cadre Européenne a identifié 33 substances prioritaires et 8 autres polluants à surveiller [3D]. Une organisation française, l'ANVAR a intégré les substances toxiques naturelles dans son inventaire [3E]

.

Face à ces défis, nous devons nous concentrer sur notre objectif principal qui est la production de poissons et d'identifier les substances et leurs quantités létales pour les espèces ou qui ralentissent leur développement; une description détaillée de l'écoulement de l'eau et de la topographie vont nous aider à réduire le nombre de substances suspectes. Par exemple, les nitrates et les pesticides sont plus susceptibles d'être présents si notre écosystème est alimenté en eau de surface provenant des activités agricoles à proximité. Nous devons prendre également en compte le fait que les poissons peuvent se déplacer vers des endroits plus favorables à leur survie. Les variations à court terme sont également importantes, ainsi que la dynamique de l'écosystème au cours des 4 saisons.

L’objet de notre étude se situe dans un parc historique, la réglementation ne permet pas l'installation d'un laboratoire permanent sur le site, ce qui va limiter nos mesures à des échantillons représentatifs ; comme la situation actuelle est issue d'un historique de plusieurs décades, nous avons aussi à recueillir des données provenant de toutes sources disponibles, telles que les stations météorologiques situées à proximité, afin d'identifier des situations climatiques anormales. Les pêcheurs constituent également une bonne source d'information car ils peuvent fournir l'histoire de l'écosystème et ce qu'ils ont observé, au cours des 30 dernières années pour certains d'entre eux.

En Septembre 2012, nous avons présenté au congrès de métrologie IMEKO,  dans le cadre du comité technique TC19 (Mesures environnementales)  une communication proposant une structure pour mettre en place un plan de mesures afin d’effectuer un diagnostic de bon fonctionnement d’un écosystème aquatique (que mesurer, quand et ou, quelles sont les limites d’acceptation [3F].

Le millier de paramètres et de substances susceptibles d'influencer l'écosystème peuvent faire l'objet du plan de mesure suivant.

 Dans l'analyse topographique il faut examiner l'environnement de l'écosystème. On en déduit les influences de la géologie du bassin versant donc les probables spécifications de l'eau. On doit aussi détecter la présence d'activités agricoles et industrielles sources de pollution potentielle ou d'augmentation de certains composants chimiques comme les nitrates et les phosphates.

Les mesures physiques permettent d'apprécier le degré d'eutrophisation (taux de renouvellement de l'eau), le débit et le débit laminaire donnent des informations sur l'évacuation des matières en suspension ou à leur décantation (augmentation du niveau des sédiments); les flux laminaires contribuent au développement des oeufs et des alevins .

Dans les mesures physiques, la conductivité est un paramètre fondamental pour la surveillance des changements dans la qualité de l'eau; le Redox permet, entre autre de surveiller le développement des bactéries; la température, son rythme de variation et sa répartition en fonction de la profondeur permettent d'identifier les conditions favorables à la reproduction et à la survie des espèces; la turbidité influence la photosynthèse et le développement des plantes aquatiques qui servent de nourriture ou de refuge aux poissons.

Dans les mesures chimiques on controle le pH (niveau d'acidité), le chlore, les paramètres liés à la présence de calcium et de magnésium, les substances liées au cycle des nitrates et des phosphates ainsi que quelques métaux nécessaires à l'équilibres biologique en très faibles quantités et nocifs en grande quantité (zinc, cuivre, fer..).

Les mesures biologiques comprennent  l'évaluation des quantités de macro invertébrés (indice biotique) nécessaires à la nourriture des espèces et en particulier des alevins et l'indice macrophyte qui répertorie et quantifie les plantes aquatiques  nécessaires au développement des espèces supérieures.

Dans les polluant naturels on prend principalement en considération les gaz provenant des bactéries anaérobies (méthane et sulfure d'hydrogène) ainsi que tous les poisons que produisent les arbres qui sont en bordure des plans d'eau (tanins, .....).

Dans les polluants anthropogéniques industriels, il existe un vaste choix de substances , les plus fréquentes sont le mercure, le plomb, les PCB les produits de l'agriculture ou du jardinage .

Dans les polluants anthropogéniques pharmacieutiques on citera les hormones et les psychotropes. On peut y ajouter les deux principales sources de contamination bactériennes pour l'homme que sont escherichia coli et fecal anterococcus.

Les paramètres historiques comprennent les phénomènes de bio accumulation et la sclérochronologie qui permettent d'identifier tout accident historique dont les traces ont disparu dans les analyses plus récente.

Dans l'analyse de l'écosystème on se concentrera en premier lieu sur la partie gauche du processus, en n'abordant la partie droite, beaucoup plus complexe à quantifier, que si le diagnostic ne fait ressortir aucune explication.

Quelles sont les "spécifications" d'un écosystème "normal" ? 

Il existe deux types de spécifications :

Les spécifications "idéales" ou de laboratoire ou tout est contrôlé c'est à dire les spécifications des aquarium d'eau douce.

Les spécifications liées aux bassins versants et à l'adaptation darwinienne des espèces; on doit à Nisbet et Verneaux une étude assez complète des rivières Françaises suivant 16 composantes chimiques (1200 analyses). Cette étude ne prétend pas donner la productivité piscicole d'une eau mais elle permet de repérer une mesure dans une échelle de productivité. Pour chaque paramètre renseigné, nous placerons en vert notre écosystèmes dans cette échelle.

 En cours de traduction

4. Simulation de la population des poissons dans des conditions idéales

Pour mieux comprendre le potentiel de productivité de notre écosystèmes, nous pouvons effectuer une simple simulation, basée sur les données d’une seule espèce, le gardon (rutilus-rutilus), en prenant l'hypothèse de conditions idéales (assez de nourriture, pas de maladie et pas de prédateur). Un couple de gardons adultes est introduit en 2010, leur croissance est de 20 g / an, ils produisent 10 000 œufs en mai, et si nous supposons la même quantité de mâle et femelle, la figure 4A montre que le point de saturation de notre écosystème (250 kg / ha) est obtenue dans les 4 ans.
Cela conduit à la conclusion que l'effet de l'écosystème est de limiter l'expansion naturelle de la population. Par exemple la réduction de la quantité de plantes aquatiques se traduira par un manque de refuges pour les œufs et les alevins, la diminution du zooplancton va détruire la quantité d’alevins par famine etc. Par conséquent notre rendement peut facilement passer de 100% à 1% ou moins. Cela signifie également que, si les paramètres critiques sont sous contrôle, le cycle de vie peut reprendre son niveau normal en un an.

Plusieurs auteurs ont proposé la modélisation des populations à l’aide d’équations générales en tenant compte du nombre d’œufs produits par les espèces, du taux de survie des œufs, de l'abondance de nourriture et du ratio proies / prédateurs [4A]. Une autre approche consiste à utiliser des coefficients empiriques pour estimer la richesse piscicole en fonction de l'observation externe ou à partir d’un échantillonnage [1A].
La réalité est plus complexe: les espèces sont en compétition pour la nourriture, elles se nourrissent de leurs propres œufs ou de ceux d’autres espèces ou sont parfois cannibales; les conditions de température peuvent conduire à sauter une année de production, a multiplier le nombre de fraies ou à décaler la séquence de fraie entre proies et prédateurs. Cela ressemble un chaos déterministe avec des conditions initiales rejouées au printemps de chaque année. Par conséquent, il est plus réaliste d’utiliser un modèle de productivité avec une fourchette comprise entre hypothèse haute et basse, et une marge d'erreur importante.

Mesure de la productivité
La productivité est mesurée en kg / ha (lac) ou kg / km (rivière); les plus hauts niveaux de productivité se situent entre 250 et 500 kg / ha.
La méthode standard pour évaluer le nombre de poissons dans un écosystème est la pêche électrique appliquée à un segment du canal. Cependant, l’utilisation d’une tension continue de 400 V sous 2 Ampères dans l'eau, est un processus réservé à un nombre limité de spécialistes formés et n’est pas adaptée à un canal de plus de 2 mètres de profondeur. De plus il ya une pente dans le canal de sorte que la population de poissons peut migrer en fonction du gradient de température de l'eau. De ce fait, nous avons choisi une façon la plus simple pour évaluer la situation en utilisant les données du volume des captures de la pêche pendant les compétitions annuelles, qui a lieu au même moment au même endroit et en utilisant des techniques similaires

5. Présentation systémique

Figure 5A: vue systémique simplifiée de l'écosystème aquatique

Description systémique globale
La figure 5A donne une vue d'ensemble systémique de l'écosystème. La lumière du soleil fournit de l'énergie pour le développement du phytoplancton (algues, plantes aquatiques), ce qui sert de nourriture au zooplancton consommé par les poissons. Les déchets des poissons nourrissent le phytoplancton, complétant le cycle de la vie. L'eau est fournie par un flux principal d’alimentation venant du château, de quelques autres sources et par la pluie. Le vent aide à diluer les gaz de l’air dans l’eau. Les sédiments sont source de gaz naturels via la fermentation. L'économie de cet écosystème repose aussi sur l'équilibre entre les composantes chimiques fournis par les sources d'eau et les ceux fixés par les organismes morts évacués par le déversoir.
Cette une vue est simplifiée car il existe de multiples sous systèmes chimiques et biologiques qui participent à la fabrication de nutriments.
La principale différence entre une pisciculture et un écosystème naturel est l'alimentation artificielle fournie dans le premier cas. Toutefois, la différence n'est pas si importante; Walter [5A] a montré que la productivité optimale pour les carpes et cyprinidés en général est obtenu avec 50% d'aliments naturels. Basées sur cette découverte de nombreuses études ont été menées pour identifier les caractéristiques du zooplancton et du phytoplancton, les nutriments dont ils ont besoin pour leur développement et leur contribution à la chaîne alimentaire (chimique et biologique).

Une question importante est de définir à quel niveau nous devons placer la limite inférieure de l'écosystème. La couche de sédiments est une partie intégrante de notre écosystème et pas seulement une limite physique de l'eau pour les raisons suivantes:
- Les poissons, comme des carpes, fouillent dans les sédiments pour s’alimenter (vers, coquillages, écrevisses..); plusieurs espèces de poissons ont une phase d'hibernation, où ils creusent un refuge dans les sédiments qui peuvent se révéler toxiques pour eux,
- Pendant l'hiver, l'eau de surface est plus froide que celle du fond, créant ainsi un courant ascendant qui rend l'eau boueuse, avec un mélange des composants chimiques provenant des sédiments. Le même mélange se produit quand il ya une tempête et que l’eau est agitée dans les zones de faible profondeur (moins d’un mètre).
- La surface des sédiments a un rôle important pour le développement des bactéries, agissant comme une usine de recyclage,
- Les sédiments du canal ne sont supprimés en moyenne que deux fois par siècle, les métaux lourds comme le plomb utilisé pour la pêche peuvent s'accumuler et influencer la chaîne alimentaire,
Les spécialistes de la pisciculture recommandent de considérer la limite physique du fond à 30 cm et d'effectuer l'échantillonnage en masse sur les 5 premiers cm où la partie la plus importante de ce qu'ils appellent le «précieux laboratoire" est active [5A]. L'argument est que les plantes aquatiques, par opposition à leurs équivalents terrestres, prennent leurs nutriments dans l'eau et non à partir de leurs racines.

Par conséquent nous pouvons planifier de fréquents échantillonnages sur les 5 premiers centimètres de profondeur, complétés de quelques sondages à 30 cm.

6. Analyse l'homogénéité de l'écosystème et échantillonnage

Calcul d'homogénéité à 95% de niveau de confiance

Tableau 6A Calcul d'homogénéité à 90% de niveau de confiance

Tableau 6B: test d'homogénéité des 20 segments pour l'oxygène dissous

Le tableau 6A donne un exemple de test d'homogénéité pour l'oxygène dissous: 20 séries de 5 mesures sont prises dans chaque segment du canal. L'écart-type et la DSR sont calculées pour la série, une analyse unifactorielle de la variance (ANOVA à un facteur) est calculée en utilisant la fonction MS Excel statistiques. Si F <F critique l'écosystème est considéré comme homogène, sinon, les valeurs aberrantes sont séparés [6A]. Cet exercice doit être répété au cours des 4 saisons et pour plusieurs paramètres critiques.

Dans notre exemple F est supérieur à F critique au niveau de confiance de 95% et inférieur pour un niveau de confiance de 90%; les valeurs aberrantes peuvent être séparées ; les variations du niveau d'oxygène dissous sont principalement créés par des sources actives dans les flancs du canal.. Toutefois un niveau de confiance de 90% est bien suffisant pour qualifier l’écosystème d’homogène. Nous pourrons par la suite effectuer la mesure d’oxygène dissous en n’importe quel endroit et qualifier les résultats de représentatifs.
L'utilisation d'un oxymètre électrique est adapté à l'échantillonnage en masse, ce n'est pas le cas pour tous les capteurs; les électrodes de la plupart des capteurs sont protégées contre le contact direct de l'eau à travers une membrane, un gel ou un mécanisme osmotique. Cette robustesse a un inconvénient qui est le temps de stabilisation, par exemple, nous avons expérimenté qu’une sonde Redox demandant 30 minutes pour la stabilisation, par rapport à 15-30 secondes pour l'oxygène; donc 200 échantillons ne peuvent pas être réalisés dans des conditions stables. Le temps de stabilisation est une spécification critique pour ce genre de test.
Nous avons également à mesurer l'homogénéité en fonction de la profondeur: la température peut varier (thermocline) ainsi que le niveau d'oxygène s’il y a des courants laminaires.
En France, les mesures de la pollution doivent être effectuées par des laboratoires d'étalonnage accrédités, y compris l'échantillonnage. Certains fabricants d'équipement affirment que l'échantillonnage dans les écosystèmes aquatique contribue à hauteur de 80% à l’exactitude de mesure [6B]; un spécialiste de la qualité estime que la variance est constituée de 30% pour l'échantillonnage et 30% pour le transport de l’échantillon [6C]. Une certification pour l'échantillonnage des écosystèmes aquatiques a été mise en place en France en 2010 dans le cadre de la certification du personnel par le COFRAC.

Pratique : Comment sélectionner les récipients qui vont contenir les échantillons d’eau ?
Nous avons commencé notre étude avec des récipients en plastiques transparents stérilisés de 1 litre. Par la suite il nous a semblé que des flacons opaques de 250 centilitres étaient bien suffisants pour les mesures courantes. Pour les paramètres comme la dureté, l’alcalinité, les taux de nitrate de chlore etc .. mesurés par colorimétrie, 5 centilitres par paramètre sont nécessaires. Pour les mesures électriques (pH, Redox, conductivité …) la contrainte provient du diamètre de la sonde qui doit être complètement immergée pour fonctionner. Il est recommandé de plonger les sondes dans des récipients séparés pour éviter les contaminations ou la diaphonie (crosstalk) entre les transducteurs qui utilisent des signaux électriques; avec la verrerie appropriée, 15 à 20 centilitres par paramètre s’avèrent suffisants. A quoi il faut ajouter une centaine de centilitres pour le rinçage des doseurs et récipients.
Nous avons aussi observé que les bouteilles de bière opaques à fermeture étanche sont très bien adaptées à la mesure des variations de l’oxygène dissous en fonction du temps (demande biologique ou chimique en oxygène) ; le clapet évite l’introduction de bulles d’air, l’opacité du verre prévient de l’influence de la lumière sur les micro-organismes de l’échantillon, enfin le goulot est adapté au diamètre de la sonde d’oxymètre. Les brasseurs ont développés ces types de bouteilles pour éviter l’oxydation de la bière et l’accélération de la fermentation par la lumière.

7. Mesures physiques de l'écosystème

Fig 7A Segmentation de l'écosystème et description topographique des arrivées d'eau
	Fig 7B: Mesure de la profondeur du canal en utilisant une règle terminée par un disque, complété par un sonar	Fig 7C: Estimation du cubage gràce à googlemap et Google Planimeter; pour une structure rectiligne de ce type il suffit de 4 points.
Exemple d'un étang a géométrie variable dont les berges ont tendance à s'affaisser par suite des galeries creusées par les écrevisses; en utilisant  un système d'acquisition  Vernier combiné à un logiciel Logger Pro ou autre application GIS on peut tracer les contours de l'étang ; l'ensemble relevé sur le terrain et traitement des données prend moins d'une heure.
Fig 7D: Débimètre à hélice Vernier	Fig 7E: Calcul du renouvellement de l'eau à partir d'une mesure de débimétrie appliquée au déversoir	Fig 7F: Pour les profils irréguliers on segmente l'écoulement et on utilise la fonction d'intégration du débimètre pour calculer la surface

Topographie
Le canal est le dernier bassin de rétention du château, pour remplir ce rôle il a un fond en pente et la profondeur varie de 80 cm côté château à 4 mètres côté exutoire. L'eau provient d'une source située à 2 km dans une colline de la forêt. Cette source d'eau très pure est captée et conduite par des tuyaux de pierre jusqu’au château, elle alimente les fontaines et les bassins décoratifs des jardins. De cette situation, nous pouvons en déduire que l'eau d'origine est directement issue de la pluie sur la forêt, c'est-à-dire une eau de source très pure avec des traces de silice. La proximité de jardins peut apporter plusieurs substances chimiques dégradés tels que les nitrates provenant des engrais, des fongicides ou des pesticides. On peut aussi en déduire que les bassins successifs agissent comme étapes de décantation des particules solides. Par contre, les végétaux aquatiques à feuilles caduques de ces différents bassins vont être entrainés en automne par le courant et le Grand Canal de par sa longueur de plus d’un kilomètre conservera une partie de ces débris végétaux.
Le canal est entouré par une forêt et un parc clos de grands murs; on peut considérer que l'environnement reste constant au fil du temps ; le canal lui-même a été construit avec la technologie du 17ème siècle en pierres jointives avec une double paroi comblée par de l’argile de Provins pour éviter les fuites d'eau. Le zinc, le cuivre et le plomb étaient d'usage courant à cette époque pour diriger les écoulements d'eau.
La variation de la profondeur a une importance pour notre analyse: les plantes qui prennent leurs racines dans les sédiments ont besoin de lumière pour leur photosynthèse, si l'eau est troublée (turbide), les plantes ne survivent pas dans les zones les plus profondes et notre écosystème peut être considéré comme non homogène avec des équilibres chimiques différents, créant des poches de vie et des zones désertiques.
Le bord du canal est proéminent, ce qui signifie que nous n'avons pas à prendre en compte les eaux de surface, un contributeur très complexe pour l’analyse d’un écosystème [7A]. Le canal est aussi le réceptacle de toutes les eaux du château, alimenté par un tuyau principal et environ 10 autres tuyaux de drainage. Cette présence d’autres bassins alimentés par la même eau et avec une situation écologique différente permet de faire des comparaisons.
Le canal a été conçu avec une orientation est-ouest suivant les vents dominants fournissant un haut niveau d’oxygène dissous par brassage. Avec cette bonne qualité de l'eau, les truites ont été introduits dès le début de l'histoire du canal; la truite est très sensible aux polluants de l'eau et pour cette raison encore utilisée comme détecteurs de pollution. Nous devons noter que, malgré la réduction drastique des populations de poissons, les truites survivent très bien dans le canal. Cependant les 500 kg de truites introduites lors de 7 lâchés, sont rapidement pêchées pendant la saison, quelques individus survivent à l'hiver et on ne constate aucune trace de reproduction.


Mesure du volume d'eau
L’intérêt de mesurer le volume d’eau (cubage) conjointement avec le débit, est de calculer le taux de renouvellement de l’eau. Pour un aquarium on estime suffisant un taux de renouvellement d'un volume complet par mois. Les mesures sur d’autres plans d’eau que nous avons analysé, vont de 5 jours à 1 an ; dans le premier cas il s’agit d’un étang à truites pour la pêche à la mouche qui fonctionne depuis une trentaine d'années, dans le second cas la conséquence est une eutrophisation et la transformation du plan d’eau en marécage. Il est aussi important d'évaluer le volume si nous voulons ajouter tout complément chimique ou biologique pour améliorer les équilibres de l’écosystème.
Le Grand Canal peut être considéré comme un récipient en forme de U, et avec un volume limité par les dimensions du canal, et le niveau des sédiments.
Comme expliqué précédemment, nous avons supprimé la contribution des écoulements de surface à notre modèle, pour prendre en compte la réflexion de la pluie nous ajouterons la moitié de la surface de la bordure (50 cm) pour la contribution pluviométrique.
Nous avons divisé le canal en zones de 20 mètres une distance suffisante pour identifier toute variation locale. La longueur a été mesurée en utilisant un mètre à ruban de 20 mètres; pour la profondeur et l'évaluation du profil des sédiments, nous avons utilisé deux techniques:

- une règle terminée par un disque de 10 cm de diamètre, assez léger pour rester sur la couche de sédiments et assez lourd pour maintenir la règle droite,

- un sonar câblés qui a l'avantage d'évaluer avec précision le niveau des sédiments, même avec une couche supérieure fragiles

Avec un sonar sans fil, il est possible de sonder sur de longues distances, mais le sonar utilise un cône d'émission de 20 ° ce qui ne convient pas pour des mesures à proximité du bord du canal; on constate aussi que la lectures du sonar est perturbée par la présence de la végétation; les sonars professionnels utilisent des fréquences variables (de 40 kHz à 400 kHz) pour adapter la mesure à la nature du fond. Les meilleurs systèmes de mesure sont les sonars à balayage latéral, d'un prix abordable mais d'un poids importants (quelques kg). Pour plus d'exactitude et surtout pour les grandes profondeurs, on utilise maintenant des sonars multifaisceaux couplés  
à des GPS corrigés par ondes hertzienne permettant une cartographie des fonds avec une exactitude de quelques millimètres.

Aspects pratiques:

Un bateau télécommandé est en cours de construction avec un sonar à sortie analogique pour effectuer des mesures géolocalisées. Après des essais du système de mesure Vernier sur le profil d'un étang nous nous sommes rendu compte que la précision d'un relevé GPS sur une surface plane, permettant de capturer les mêmes satellites, est bien meilleure que les spécifications GPS publiées (30 cm au lieu de 2 à 10m). Cela ouvre la voie à des relevés bathimétriques automatisés, permettant de mesurer l'évolution du niveau de la vase et du volume d'eau d'une année sur l'autre. Sur un canal on peut s'attendre à rencontrer un fond homogène; ce n'est pas le cas pour un lac ou les dépots de sédiments dépendent de la forme des rives.

Notre volume d'eau a été calculé en cumulant les segments trapézoïdaux. La couche de sédiments a été évaluée avec une règle rigide. Le plan de masse des archives du château devraient aussi nous donner les dimensions d'origine.
Pour le débit nous avons utilisé un débitmètre à hélice installé dans le circuit d’évacuation du déversoir. Un débitmètre à effet hall est en construction afin de détecter d’éventuels courants d'eau laminaires. Le taux de renouvellement d'eau et le volume d'écoulement laminaire sont tous deux importants pour la qualité de l’eau : si le renouvellement ne se fait qu’en surface, la stagnation dans le bas de la colonne d'eau réduit le niveau d’oxygène dilué et crée un environnement favorable au développement de gaz naturels (méthane et sulfure d’hydrogène) qui sont mortels pour la vie aquatique.

Aspects pratiques:

Le débitmètre à hélice Vernier FLO-BTA couplé à une station Labquest s’est avéré le plus adapté ; en effet, les tuyaux d’alimentation ont tous des diamètres différents, il faudrait donc un adaptateur spécifique pour chaque mesure. Il est beaucoup plus facile, en supposant l’absence de fuites, de travailler du côté de l’exutoire. Nous avons aussi rencontré des difficultés à évaluer les faibles débits ; bien que le débitmètre Vernier soit spécifié de 0 à 4m/s il faut une vitesse d’écoulement minimale pour entrainer l’hélice et donner des mesures stables. La vitesse dépendant de la section, nous avons choisi la première goulotte pour effectuer nos évaluations. Le débitmètre Vernier possède une fonction d’intégration qui permet de travailler avec des profils variés comme ceux d’une rivière; le constructeur conseille d’utiliser une règle pour mesurer la profondeur en 6 points. Dans notre cas, la section étant rectangulaire il suffit de multiplier la largeur par la hauteur.
Comme le canal est terminé par une vanne, le volume peut varier en fonction de l'ajustement, nous avons pris une valeur moyenne.
La mesure donne un volume d'eau de 57 000 m3 et 7 000m3 de sédiments; le taux de renouvellement de l'eau est de 26 jours, la pluie, évaluée à partir d'une station météorologique à proximité contribue au volume pour moins de 5%.
En 2006 le Grand Canal a été vidé pour maintenance, son remplissage a demandé 28 jours ; si l'on prend en compte les 5% d'apport pluvial, on peut donc considérer que notre méthode d’évaluation est fiable.

Notons que pour les lacs qui ont des formes biscornues, il est possible d'estimer la surface à partir de google map. et Google Planimeter

Mesure de la température
La plupart des organismes aquatiques sont à sang-froid, ils sont incapables de réguler leur température interne. Par conséquent, la température exerce une influence majeure sur l'activité biologique et la croissance des organismes aquatiques. Pour notre étude de cas, ce paramètre a une grande variation, environ 20 ° C au cours des 4 saisons.
La règle Q10 de Van Hoff dit que les activités biologiques et les taux de croissance doublent si la température augmente de 10 ° C dans la « zone optimale » de chaque espèce. Cependant, nous ne connaissons pas cette plage préférée pour toutes les espèces de phytoplancton, de zooplancton et des poissons qui vivent dans l'écosystème ; donc la meilleure tactique consiste à reconstruire la température sur une décennie ou plus, avant les problèmes de productivité, et de détecter toute déviation anormale, un hiver plus rigoureux, un été plus chaud qui ont eu lieu récemment et qui peuvent expliquer la situation. La valeur absolue ainsi que le rythme de changement sont importants, ce qui signifie que nous avons besoin d’un enregistrement quotidien.
Comme les poissons semblent disparaître pendant l'hiver, nous pouvons jeter un œil sur la courbe des degrés-jours de la figure 3. Les degrés-jours sont calculés en utilisant la formule:
HDD = 18 ° C - (Tmax-Tmin) / 2
où Tmax et Tmin représentent la valeur maximale et minimale de la température quotidienne.
Ce paramètre est utilisé pendant la saison froide pour gérer les stations de chauffage et de prévoir le budget annuel dont elles ont besoin pour l'approvisionnement énergétique. Nous avons trouvé une station représentative à moins de 1 km de notre écosystème et obtenu la courbe ci-dessous:

Figure 7G: 25 ans cumulés de degrés-jours de chauffage mesurés à une station de chauffage à proximité

La figure 7G montre le HDD (heating degree day) annuel cumulé sur plus de 25 ans et nous indique que 2006 a été un hiver exceptionnellement chaud (HDD plus bas), 2007 et 2008 ont été chauds, mais à un niveau déjà atteint dans le passé. Plus de granularité peut être obtenu pour évaluer les variations à court terme.
Les degrés jours dans l'eau peuvent également être utilisés pour prévoir la période de reproduction des poissons [7B] et la maturation des œufs [5A].
Pour reconstruire l'histoire de la température de l'eau que nous pouvons compter sur les stations météorologiques privées, donnant généralement des mesure maximale-valeur minimale par jour et complétés par la mesure de l'eau pour calculer une fonction de transfert.

Figure 7H: comparaison entre température maximum (violet) et minimum (vert) d'une station aérienne et deux thermomètres enregistreurs immergés à 1m (bleu) et 3m (rouge).

La figure 7H montre un exemple de ce type de mesure, où une station météorologique locale, située à 100 m du canal donne la température de l'air maximale et minimale alors que 2 enregistreurs de données immergés à 1 m et 3 m de profondeur fournissent l'impact sur l'eau . En supposant que nous puissions calculer ces données au cours des 20°C de variations, il est possible de construire une fonction d'ajustement de courbe (curve fitting) et reconstruire sur les derniers 10 ans l'histoire de la température de l'eau.
On remarquera la faible différence de température entre 1 et 3m de profondeur. Quand on examine les courbes de Harvey [7C] pour l'eau de mer, on se rend compte que les fortes variations (thermoclines) ne sont observées qu'à partir de 15m.

Aspects pratiques
Nous avons testé plusieurs techniques pour mesurer la température et conclu qu'un thermomètre à CTN étanche avec câble de 5m est le meilleur outil pour obtenir des mesures précises a condition de pouvoir identifier avec précision où se trouve la CTN car la sonde peut faire 30 cm de long. Pour les thermomètres immergés, on dispose d’un large choix d'enregistreurs de données des plus sophistiqués, étanches à 120 m de profondeur avec interface de communication optique, jusqu’aux enregistreurs USB économiques pour la température de l’air. Nous avons sélectionné la solution économique parce que la variation de température dans l'eau est lente, permettant de placer l'appareil dans un récipient étanche avec un faible impact sur la réactivité de la sonde ; l'autonomie est supérieure à un an et le faible coût permet de plonger plusieurs dispositifs pour faire face aux enregistreurs perdus, volés ou défectueux.

 

Figure 7I: thermomètre enregistreur utilisé pour la mesure de la température de l'eau; après programmation il est placé dans un tube métallique étanche. Les faibles variations journalières dues à l'inertie de la masse d'eau font que les valeurs reflètent bien les variations du milieu. Il est ajusté sur une mesure par heure. Avec une mémoire de 32000 enregistrements, il est capable de stocker un historique de 3 années. C'est la pile qui limite la durée d'utilisation.

Figure 7J: effet de l'écosystème sur le container lors d'un test en étang. Après 2 mois d'immersion, on constate que des moules d'eau douce se sont fixées sur le bouchon du tube en PVC et non sur le tube en cuivre car le cuivre est toxique pour les coquillages. La pression a été telle que de l'eau a pu s'infiltrer dans le dispositif, sans toutefois endommager l'électronique. On peut en conclure que le cuivre est un métal de choix à utiliser quand on veut immerger des sondes pendant une longue durée (container, filtre, crépine, électrodes etc..).

Une des conséquences des changements de température au sortir de l'hiver (ici début Mars 2012) : la couche supérieure des sédiments après contraction-dilatation se détache du fond (on dit que le fond "se décolle") car l'eau du fond est plus chaude que l'eau de surface; cela a pour conséquence de réduire la présence de bactéries anaérobies à l'origine des gaz naturels nocifs pour les poissons. Il ne s'agit pas d'une pollution mais au contraire d'une évacuation des polluants naturels. Ces débris doivent-etre retirés sinon ils vont à nouveau ensemencer les sédiments.

 

Turbidité et photosynthèse
La turbidité est définie comme une «expression de la propriété optique qui fait que la lumière peut être dispersée et absorbée plutôt que transmises en lignes droites à travers l'échantillon". Simplement dit, la turbidité est la mesure relative de la clarté de l'échantillon. Elle est différente de la couleur.
La turbidité est un paramètre très important pour l'eau potable parce que les consommateurs n'acceptent que de l'eau claire. Dans un écosystème, la faune peut survivre et proliférer dans de l'eau opaque, qui traduit la présence de nourriture en suspension (algues monocellulaires), le principal problème de la turbidité concerne l'effet sur la photosynthèse.
La turbidité est un paramètre complexe à mesurer avec précision, nécessitant une technique spécifique en fonction de la taille des particules en suspension. En dessous de 0,45 micron de diamètre nous avons affaire à des «particules diluées", la lumière sera dispersée différemment avec les algues monocellulaires, le zooplancton ou les végétaux aquatiques. Une estimation peut être obtenue en utilisant le disque de Secchi, un disque de porcelaine de 20 cm avec des segments en noir et blanc, attaché à un mètre à ruban. Plongé dans l'eau, ce disque va commencer à devenir invisible à une profondeur donnée, ce qui fournit une mesure relative de la turbidité.
Cependant il est assez difficile de relier cette mesure à la productivité de l'écosystème. Si nous voulons comprendre combien atténuation de la lumière peut expliquer l'absence de végétation à certains endroits, nous devons mesurer la quantité de lumière atteignant la surface de sédiments et d'identifier si le niveau de turbidité est assez élevé pour arrêter le processus de photosynthèse.
Pour contrôler la quantité de lumière reçue par les plantes terrestres, il existe des capteurs de photosynthèse avec une bande passante 400 à 800 nm. Malheureusement, aucune sont conçus pour fonctionner en dessous de 5m d'eau. Notre choix final a été de modifier un luxmètre pour effectuer nos mesures, un tel dispositif a une bande passante étroite centrée sur 550 nm. La littérature nous fournis les résultats de la croissance de plantes aquatiques en fonction de la valeur en lux [7C]. L'exemple ci-dessous donne le chiffre pour le développement des diatomées (végétaux marins).

Tableau 7A Nombre de cellules de diatomées, après une culture de 72h sous des niveaux de lumière différentes

Niveau de lumière (lux) 28 000 18 000 8000 4100 1400 Nombre de cellules après 72h 171 236 190 123 98

 
Si nous voulons mesurer avec précision le cycle de photosynthèse de la végétation locale, l'Université de Mexico a développé un dispositif de mesure spécifique [7D].

Figure 7K: plusieurs méthodes pour l'évaluation de la turbidité et de son effet sur la photosynthèse; un disque de Secchi, un photomètre large bande pour les plantes aériennes, un luxmètre

Oxygène dissous

L'oxygène dissous est un paramètre létal pour les poissons, ce qui peut être illustré par l’évènement suivant : en mai 1992, suite à un orage à Paris, l'oxygène dissous a été réduite à moins de 4 mg / L et tué 400 tonnes de poissons en quelques heures, car pour la plupart des espèces 5 mg / L est un niveau minimum. Cette valeur statique est réduite au fil du temps par deux paramètres dynamiques:
- Demande chimique en oxygène (DCO) correspondant à la consommation de l'oxygène par les processus de réduction chimique.
- Demande biologique en oxygène (DBO) correspond à la réduction due à la consommation des plantes
Du côté positif du bilan il existe un apport d’oxygène par le brassage de l’air, qui contient 21 mg/L d'oxygène, sous forme de vent ou de courant.
La température a une influence sur la quantité possible d'oxygène dissous dans l'eau comme le montre la figure 7L, mais il s’agit là d’une valeur théorique correspondant à un environnement de laboratoire. En raison de brassage avec l'air et des courants, cette valeur peut être "sursaturé", voir l'exemple ci-dessous.

Figure 7L: Oxygène dissous en fonction de la température de l'eau

Figure 7M: relevés sur une saison du niveau d'oxygène dissous à 30 cm de profondeur

La figure 7M représente une trentaine de mesures aléatoires effectuées lors de la saison 2010-2011; la courbe rouge donne la variation de température de l'eau, elle montre une grande amplitude, de 4°C en hiver (densité maximale de l'eau) à 23°C en été. La courbe verte représente la quantité d'oxygène dissous; la valeur reste élevée (> 10 mg/L) tout au long de l'année, confirmant l'aptitude de cet environnement à acceuillir des salmonidés. En violet nous avons représenté la valeur théorique de la saturation (formule simplifiée O2s = 468,41/(31,64+T°C) ); on constate que la valeur mesurée est presque toujours située au dessus de la valeur théorique (sursaturation), et ce à cause du vent et des courants. Nous prenons nos mesures par temps calme, à 30 cm de la surface; dans ces conditions nous avons observé qu'une saute de vent fait augmenter de 20% le niveau d'oxygène dissous, un remous de poisson, de 10% . Cela recoupe la connaissance empirique des pêcheurs à la mouche qui passe de la nymphe à la mouche sêche dès que le vent se lève car les poissons se déplacent vers les couches d'eau les plus riches en oxygène.

L'autre point que nous pouvons remarquer, c'est que l'ensemble des espèces qui constituent l'écosystème, sont soumises à une variation de 20°C de la température de l'eau; elles s'adaptent gràce à la lenteur de ces changements.

En raison de l'influence des transports sur l'échantillon, cette mesure doit être effectuée sur le site. Il existe de nombreux modèles d’oxymètres avec jusqu'à 5m de câble. Comme les sondes sont sensibles aux conditions de stockage (niveau d’humidité), un étalonnage de routine est nécessaire, il se fait en utilisant le niveau d'oxygène dissous dans l'air (20,9 mg/L). Quand l’ajustement n’est plus possible il faut remplacer l’électrolyte ou la membrane. Des modèles plus robustes, basés sur le principe de la phosphorescence sont sans entretien et peuvent opérer à de grandes profondeurs, mais leur prix est environ dix fois plus élevé.
Les mesures de la demande chimique en oxygène (DCO) et de la demande biologique en oxygène (DBO) nécessitent l'utilisation des flacons hermétiques opaques conservée à 25 ° C pendant 5 jours dans une étuve.

 

Figure 7N: cet oxymètre de terrain possède une position d'étalonnage (cal) qui permet d'ajuster le zéro et la valeur de pleine échelle en utilisant la valeur de l'oxygène dissous de l'air (20,9 mg/L), pour une pression théorique de 760 mm de mercure (niveau de la mer) . Cet étalonnage doit être appliqué avant toute série de mesures. On ajoute une marque sur le cable pour standardiser la profondeur d'échantillonnage. La sonde doit être maintenue humide pendant le stockage et nettoyée à l'eau douce après chaque usage.

 

Mesure du pH
Le pH est une mesure du degré d'acidité et l'alcalinité de l'eau, le ratio entre les ions hydrogène (H+) et les ions hydroxyde (OH-), exprimée par la formule simplifiée:
pH = -a log10 (H +) .
L'échelle, sans dimension, va de 0 à 14 avec un équilibre entre anions et cations à 7.
Un pH faible a une influence sur la résistance aux maladies des poissons, et libère les métaux lourds présents dans les sédiments et les tuyaux de transport de l'eau ; un pH élevé rend le calcium insolubles et augmente la quantité d'algues monocellulaires, ce qui accroit la turbidité et ralenti le processus de photosynthèse.
On estime qu’une valeur de pH entre 6,5 et 8,5 sera tolérée par toutes les espèces de la faune d'eau douce.
Les variations de pH à court terme doivent aussi être contrôlés, ils sont influencés par la température, la photosynthèse, et plus particulièrement par le niveau de carbonate de calcium (en dessous de 20 mg / L de CaCO3, le pH peut passer de 6 à 10 dans la même journée). Ces variations, ont un impact sur la faune, et favorisent la présence de l'ammoniac, un composant mortel. Par conséquent, d'autres paramètres, tels que l'alcalinité (KH) sont utilisés pour mesurer la façon dont le pH est stabilisé ("effet tampon").
Comme les autres paramètres de l'eau, de multiples techniques sont disponibles pour mesurer le pH, comme les bandelettes de test, la colorimétrie, la colorimétrie automatisées et les mesures électriques.
L'utilisation des bandelettes de test et de mesures colorimétriques est un processus très robuste et peut traiter l'eau polluée sans détruire la sonde de mesure; les bandes sont immergées, les gouttes d'eau ou de réactifs sont comptées et les changements de couleur sont évaluées par rapport à une échelle papier, généralement avec une graduation d’un pH, ce qui signifie un facteur de 10 pour la résolution. La colorimétrie automatisée permet d'augmenter cette résolution [7E].
Les mesures électriques peuvent être très précises car le pH est également utilisé en médecine, les meilleures possibilités de mesure (BMC) sont en dessous du seuil de 0,05 pH. Dans ce cas, les capteurs électriques doivent être étalonnés sur une base régulière (une fois par mois), en utilisant les solutions de référence à 25 ° C. Pour faire face à la résolution et les questions de fragilité, nous avons également acheté plusieurs modèles économiques de pHmètres électriques, compensé en température, avec une résolution de 0,1pH; ils sont considérés comme des appareils jetables lorsqu’ils nécessitent un étalonnage trop fréquent. C'est un problème typique lorsque l'on mesure les écosystème: en raison de la corruption des électrodes par l'environnement, un compromis doit être trouvé entre la précision et l'espérance de vie du dispositif de mesure.

Fig 70: Variation du pH au cours de la saison. La valeur assez élevée favorise la présence d'algues monocellulaires qui augmente la turbidité (eau moins transparente).

pH
pH	classes	acidité	alcalinité	Localisation
pH<5	1	forte		sources et ruisseaux supérieurs des régions granitiques, de tourbières ou forestières - cours d'eau à substrat acide
5<pH<6	2	moyenne
6<pH<7	3	faible
7<pH<7,5	4	neutralité approchée		majorité des eaux piscicoles - régions calcaires
7,5<pH<8	5		faible
8<pH<9	6		moyenne	zones inférieures des réseaux - eaux closes ou assimilées - concentrations végétales en faciès lénitique
pH>9	7		forte	eaux peu piscicoles ou valeurs passagères - concentrations végétales en facies lénitique

 

 

 

Figure 7P: quelques outils de mesure du pH Les mesureurs électriques sont souvent étalonnés à 25°C, c'est la raison pour laquelle les pH mètres sont souvent combinés avec un thermomètre et une compensation automatique de température. Les sondes doivent être stockées humides et nettoyées à l'eau claire après chaque usage.

 

La conductivité
Au début du 19ème siècle, pour identifier l’origine des eaux souterraines, les géologues ont conçu une simple mesure de résistivité avec un pont d’impédance (pont de Kohlrausch) relié à deux électrodes carré de 1 cm2 éloignées de 1cm qui sont plongées dans des sources naturelles ou les puits [7F]. Cette mesure de la résistance d'un centimètre cube d'eau donne une valeur infinie pour l'eau distillée, en passant sur les structures géologiques il y a un ajout de sels distillés (principalement le calcium et le magnésium) et quelques composants métalliques. La valeur des eaux de source se situe dans la plage 2KOhm - 5KOhm et elle est stable pour une source spécifique permettant de retracer l'origine de l'eau. Puis ce concept se transforme en conductivité (1 / R); finalement on introduit une nouvelle unité de conductivité capable aussi d'analyser les eaux polluées.
La conductivité permet d'évaluer le niveau d’impuretés présents dans l’eau (calcium, silice, magnésium, nitrates, etc..) et pour cette raison elle est considérée comme un bon détecteur des changements chimiques.
La conductivité est exprimée en Siemens / cm; l'échelle va de 0 (eau pure) à 200 mSiemens / cm avec un capteur dédié pour chaque gamme de mesure. Pour notre type d'écosystèmes aquatiques naturel, nous avons effectué cette mesure en utilisant un capteur électrique couvrant la gamme 1-10 mSiemens / cm avec une incertitude de 2%.
La conductivité a un impact sur la productivité et le métabolisme bactérien.

Figure 7Q: Variations de la valeur de la conductivité au cours d'une saison. Les pointes correspondent à la période du dégel.

 

conductivité électrique	classes	minéralisation	exemples de localisation
µmhos/cm/cm2
µSiemens/cm/cm2
C < 30	1	extrêmement faible	eaux extrêmement peu minéralisées - lacs de haute montagne - eaux périglaciaires - quelques sources
C < 00
30 < C < 50	2	très faible	sources et torrents de haute montagne - lacs oligotrophes - cours d'eau à substrat acide
0 < C < 0
50 < C < 100	3	faible	Vosges - Massif Central -ruisseaux et petites rivières
0 < C < 0
1 < C < 200	4	modérée	nombreuses rivières côtières bretonnes - Alpes et Pyrénées à moyenne altitude
0 < C < 0
200 < C < 300	5	assez forte	régions calcaires : zones supérieures et moyennes
0 < C < 0
300 < C < 400	6	forte	régions calcaires (Jura) : zones inférieures, rivières de plaines, fleuves
0 < C < 0
400 < C < 500	7	très forte	Normandie
500 < C	8	très forte à excessive	Var - quelques rivières lorraines - eaux séléniteuses - eaux polluées
0 < C

               La conductivité d'une eau est généralement mesurée en micro-Siemens par

Aspects pratiques : le transport d’échantillons d’eau ne perturbe pas la mesure de conductivité et la stabilité est obtenue après quelques secondes. Cependant, comme cette mesure résume les changements chimiques et biologiques, nous avons tenté de mettre en place un enregistreur permanent du même type que celui utilisé pour la température (faible coût, faible encombrement, faible consommation pour une autonomie de plusieurs mois, mémoire suffisante pour une mesure par heure). C’est la raison pour laquelle nous étudions actuellement un système de mesure fondé sur la première définition de résistivité car il existe de nombreux enregistreurs du même style que ceux utilisés pour la température, il suffit de les convertir en pont de Kohlrausch.

Le Redox
Le Redox (abréviation de réaction d'oxydo-réduction), parfois appelé ORP (potentiel d'oxydoréduction), est une mesure du degré de pureté de l'eau, via le potentiel de réaction d'oxydo-réduction. Il est exprimée en mV.
Selon le type d'eau, la plage de mesure est comprise entre -400mV à + 400 mV; Il y a des débats sur la valeur idéale Redox pour un écosystème aquatique; la littérature recommande habituellement une redox entre -200 et +125 mV.
Le Redox, décrit la capacité d'une molécule à perte des électrons. Pour faire simple, il décrit le potentiel favorables aux réactions chimiques comme l'oxydation du carbone pour produire du dioxyde de carbone (CO2). Sans cette capacité à gagner des électrons de nombreux minéraux ne peuvent pas être absorbés et correctement assimilés (osmorégulation).
Un haut niveau d'oxydoréduction agit comme un nettoyant bactériologique: l'augmentation du potentiel redox de 200 mV à 400 mV permet de réduire de 99% la concentration de bactéries coliformes (barrière Redox).
Les agents réducteurs, tels que les composés organiques (par exemple la nourriture, les excréments etc) diminuent le potentiel redox, indiquant la détérioration de la qualité de l'eau, car ils se décomposent rapidement en formant des composés toxiques comme l'ammoniac et les nitrites.
Le Redox est mesuré en utilisant une sonde électrique couvrant toute la gamme.

Figure 7R: Variations de la valeur du Redox au cours d'une saison.

Aspects pratiques : Nous avons constaté que le Redox est le paramètre qui réclame le plus de temps pour la stabilisation de la mesure. Pour améliorer la situation nous stockons la sonde dans une solution ayant un Redox proche de la valeur habituellement mesurée.

8. Mesures chimiques de l'eau

Le calcium et le cycle du carbone
Comme un élément fondamental de la construction du corps, le calcium est nécessaire pour la vie aquatique, agissant sur la formation osseuse, la coagulation du sang, le système nerveux, l'osmorégulation et d'autres réactions métaboliques. Il est une source importante d'énergie pour les bactéries nitrifiantes qui recyclent les déchets, éliminent l'ammoniac et les nitrites. Plusieurs plantes sont connues pour fixer le calcium, en compétition avec la faune pour cette composante importante.
Le dioxyde de carbone est nécessaire pour le développement du phytoplancton,
La quantité de calcium présente dans l'eau est généralement mesurée indirectement en utilisant la dureté générale (GH pour global hardness), paramètre représentant principalement la concentration de sels de calcium et de magnésium, et un très faible niveau de sels métalliques (Fe, Cu ..).
Dans un système d’unités international (SI) idéal, la dureté générale devrait être exprimée en parties par million (ppm) ou en milligramme par litre de calcium (Ca ++) et magnésium (Mg +) . Mais les chimistes préfèrent exprimer les composants sous une forme réutilisable par le cycle de l'écosystème. En pratique, il existe plusieurs unités dérivées utilisées pour refléter les composantes combinées telles que le GH allemand (GesamtHärte) basé sur la quantité de mono carbonate (CaO) en milligramme par litre, les français, les anglais et les américains utilisent la dureté générale à base de bicarbonate (CaCO3) et calculée en utilisant le litres, le gallon impérial ou le gallon américain. Pour cette raison, lors de l'utilisation de révélateur chimique, il est important d'identifier l'origine du fabricant et, si nécessaire, pour effectuer une conversion en utilisant la masse molaire et le volume.
Comme mentionné auparavant, un autre paramètre, la dureté carbonatée (KH) ou l'alcalinité, représente la concentration en bicarbonate (CaCO3), qui agit comme un tampon du pH et exprime la capacité de l'eau à neutraliser les acides.
La littérature allemande mentionne un autre paramètre, le SBV («Saürebindungsvermögen»). Une unité de S.B.V. correspond à 50 mg de CaCO3 par litre d'eau. Les expériences ont donné à la productivité des poissons en fonction du S.B.V. avec une décroissance exponentielle à 0 en dessous de 2 [5A].
Nisbet et Vernaux [8A] ont analysé 1200 lacs et rivières français en utilisant un laboratoire mobile et couvrant 16 paramètres, ils ont créé une typologie de la qualité de l'eau; concernant le calcium ils ont encore trouvé des espèces de poissons capables de survivre dans une eau contenant 5 mg / L de CaCO3 (zones granitiques ou volcaniques), mais la productivité y est très faible. La pratique courante consiste à considérer la meilleure gamme de dureté correspondant à des zones alluviales: entre 6 ° et 16 ° dH et un KH entre 3 ° et 10 ° dH.

Figure 8A Variation de la dureté totale sur une saison. Valeur et limites exprimés en degrés allemands correspondant aux ensembles de colorimétrie les plus répandus sur le marché, principalement pour la surveillances des aquariums.

 

Figure 8B: Dureté totale exprimée en degrés Français; on multiplie par 1,79 pour prendre en compte la différence de masse molaire entre CaO (référence Allemande) et CaCO3 (référence Française)

Dureté totale
Ca-Mg mg/L	classes	Exemples de localisation	Indication de trophie (minéralisa- tion) d'après HUET
D < 10	1	roches éruptives des massifs anciens (Massif Central, Vosges, Massif Armoricain) et quelques massifs pyrénéens (Ariège, Pyrénées orientales) - cours d'eau à substrat siliceux (rivières landaises, Corse)	eaux très pauvres peu piscicoles (oligotrophie)
10 < D < 20	2	bordures des zones précédentes et suite (les rivières de la classe 1 (exemples : la Vire et certaines rivières bretonnes, cours inférieurs des rivières vosgiennes, etc...)	productivité faible
20 < D < 40	3	zone intermédiaire assez peu représentée en France (ex. : Bassin de l'Adour et cours d'eau des classes 1 et 2 enrichis par (les apports latéraux comme l'Allier inférieur)	productivité médiocre
40 < D < 80	4	zones supérieures (le cours d'eau à substrat sédimentaire -régions calcaires (ex. : cours d'eau alpins et jurassiens, le Rhône et ses affluents alpins (Durance, Isère et ses affluents), bassin inférieur de la Garonne (Aveyron, Gers, Lot)	productivité moyenne
80 < D < 110	5	presque toutes les rivières du Bassin Parisien, de Normandie, de la Basse-Loire, de la bordure occidentale du Jura, des Préalpes et de la bordure des Pyrénées	eaux piscicoles typiques très productives (eutrophie)
110 < D < 150	6	zones inférieures des grandes rivières de plaines comme la Saône - certains cours d'eau des Charentes et du Nord	eaux dures
150 < D	7	cours d'eau enrichis par des apports latéraux ou la traversée (le couches salines; certains affluents de la Meuse et de la Moselle et cours d'eau (le la côte varoise -- eaux polluées	eaux très dures incrustantes (souvent magnésiennes)

 

Magnésium

Magnésium
[Mg] en               mg/L	Classes	Localisation (exemples)	Substrat
[Mg] <   1	1	massifs  anciens  : zones supérieures (les réseaux hydrographiques (sources et ruisseaux)	Roches éruptives
1 < [Mg] < 5	2	massifs anciens : zones inférieures – zones supérieures en régions calcaires  bassins de l'Adour et de la basse Garonne
5 < [Mg] < 10	3	la majorité des cours d'eau français	roches               sédimentaires calciques
10 <[Mg] < 20	4	bassin aquitain (Aveyron-Durance) — Haute-Saône, Ognon
20 < [Mg] < 30	5	Cours d'eau de la Côte varoise	roches               sédimentaires magnésiennes :               dolomies et calcaires dolomiques du Jurassique et du Trias moyen
30 < [Mg] < 50	6	Quelques cours  d'eau lorrains (affluents Meuse-Moselle)- quelques sources
[Mg] > 50	7	idem classe 6

 

 

 

Figure 8C: Variation de l'alkalinité sur une saison. Valeur et limites exprimés en degrés allemands

Alkalinité

Alcalinité mg/1 HCO3-	Teneurs des substances présentes dans l'eau			types d'eaux
	hydroxides	carbonates	bicarbonates
P=0	0	0	T	eaux normales, piscicoles
P<1/2 T	0	2P	T-2P	q.q. eaux d'étangs ou de canaux à forte activité photosynthétique
P=T/2	0	2P	0	eaux polluées
P>T/2	2P-T	2(T-P)	0
P=T	T	0	0

Interprétation.

La concentration en dioxyde de carbone (CO2) peut être déduite du KH / PH en utilisant la formule de Moore [8B].

Figure 8D: Calcul de la valeur du dioxyde de carbone (CO2) à partir de la valeur du pH et de l'alkalinité (degrés Allemands)

Figure 8E: Variation de la quantité de dioxyde de carbone (CO2) sur une saison. Ces faibles valeurs contribuent à la rareté de la végétation aquatique.

Dureté Général et dureté carbonatée sont facilement mesurées en utilisant des méthodes colorimétriques. Le calcium et le magnésium peuvent être évalués individuellement par une méthode électrique à l'aide et les électrodes sélectives d'ions (Ion Selective Electrode - ISE).

Le cycle de l'azote

Le cycle de l’azote correspond au recyclage des déchets de l’écosystème : débris des plantes aquatiques à tiges caduques, feuilles des arbres, déchets des poissons, cadavres des animaux morts, nourriture artificielle non consommée comme le pain donné aux carpes par les touristes etc…
Il est à noter que le canal, en tant que dernier bassin de rétention des eaux du château, de part sa longueur, se comporte comme un bassin de décantation, et seuls les objets qui flottent arrivent jusqu’au déversoir, les autres se déposent au fond.
La période d’évacuation des déchets atteint son pic en automne, si les eaux deviennent rapidement froides à ce moment, la multiplication des bactéries se ralenti et un dépôt de matière non recyclée se forme au fond du plan d’eau.
Sur le plan chimique, il est possible de résumer le recyclage par le schéma suivant.

Figure 8F: Schéma du cycle de traitement des déchets dans un écosystème

Les principales composantes du cycle sont, successivement, l’ammoniac (NH3), les nitrites (NO2), les nitrates (NO3).
Les acteurs de cette activité sont les bactéries nitrifiantes qui, pour fonctionner ont besoin d’oxygène.
L’ammoniac est une substance létale pour la vie aquatique ; on ne tolérera qu’une valeur très temporaire inférieure à 0,3 mg/L.

Figure 8G: Variation de la quantité de nitrates et de nitrite sur une saison. Pour les nitrites, la méthode colorimétrique nous limite à une valeur peu précise (<0,3 mg/L).

Autres composants communs (composants secondaires)
Pour les composants secondaires, nous envisagerons plusieurs substances chimiques qui ont été toujours présentes depuis l'époque historique. Par exemple on peut qualifier de zinc, de cuivre et de fer comme des polluants, mais ils sont nécessaires à la vie à un niveau très faible (traces ou oligo-éléments).
Les substances communes surveillées pour les piscicultures sont d'ammonium, le cuivre, le cyanure, le fer, le plomb, le magnésium, le manganèse, le phosphate, le sulfure de zinc, le chlore et le phosphore
Le cuivre, le fer et le zinc ont été d'usage courant dans la technologie de construction traditionnelle. Le plomb était un usage courant pour les tuyaux et les 50 ans des activités de pêche ont probablement entraîné une accumulation de plomb dans les sédiments; en théorie, un dépôt de carbonate protège de la dilution plomb dans l'eau, mais cela peut être modifié en fonction des variations de pH ou la présence de dioxyde de carbone .


9. Mesure de la végétation et des substances organiques

De manière classique on distingue :
- les macrophytes ou plantes aquatiques
- le phytoplancton
Les plantes aquatiques peuvent être a feuilles persistantes ou caduques (dans notre cas les myriophylle, les charas et les nénuphars) donc dont l’influence sur l’oxygénation ou la création de CO2 ne s’exerce que pendant la saison chaude et qui contribue fortement à la création de déchets à recycler, de vases ou de sédiments.
Le phytoplancton est constitué d’algues monocellulaires en suspension avec une croissance parfois explosive qui dépend principalement de la nature de l’eau, de sa température et du pH.
La croissance des algues augmente la turbidité, donnant une couleur verte à l’eau, ce qui a pour effet de priver les macrophytes de lumière et de réduire leur croissance. D’un autre côté une eau trouble protège les poissons des prédateurs externes comme les oiseaux pêcheurs.
Du point de vue fonctionnel, les plantes aquatiques agissent comme :
- nourriture pour les espèces herbivores (poissons et zooplancton)
- points de fixation pour les œufs (par exemple, les carpes déposent leurs œufs sur les feuilles flottantes des nénuphars)
- abris contre les prédateurs pour les alevins et les petits poissons

- source d'oxygène en particulier dans le bas de la colonne d'eau
On peut en déduire qu’un fond continuellement couvert de plantes est un accélérateur pour la productivité piscicole : meilleure survie des œufs et des alevins, nourriture en abondance pour toutes les espèces, oxygénation de l’eau en profondeur en période chaude etc... Ce fut le cas en 2007 ou, après un a-sec de plusieurs mois, on a constaté une couverture végétale généralisée, suivie d’une reproduction exceptionnelle de poissons.

Figure 9A: Plante aquatique la plus fréquente au Grand Canal : la Myriophille