Environmental monitoring

see also Freshwater environmental quality parameters

The range of chemical parameters that have the potential to affect any ecosystem is very large and in all monitoring programmes it is necessary to target a suite of parameters based on local knowledge and past practice for an initial review. The list can be expanded or reduced based on developing knowledge and the outcome of the initial surveys.

Les milieux d'eau douce font l'objet d'études approfondies depuis de nombreuses années et l'on dispose d'une solide compréhension des interactions entre la chimie et l'environnement dans une grande partie du monde. Cependant, le développement de nouveaux matériaux et l'apparition de nouvelles pressions nécessiteront des révisions des programmes de surveillance. Au cours des 20 dernières années , les pluies acides , les analogues d'hormones de synthèse , les hydrocarbures halogénés , les gaz à effet de serre et bien d'autres facteurs ont exigé des modifications des stratégies de surveillance.

En matière de suivi écologique, la stratégie et les efforts de suivi sont axés sur les plantes et les animaux de l'environnement étudié et sont spécifiques à chaque étude individuelle.

Cependant, dans le cadre d'une surveillance environnementale plus générale, de nombreux animaux constituent de précieux indicateurs de la qualité de l'environnement auquel ils sont exposés ou qu'ils ont été exposés récemment. L'un des exemples les plus connus est le suivi des populations de salmonidés , comme la truite fario ou le saumon atlantique, dans les cours d'eau et les lacs, afin de détecter les tendances lentes des effets néfastes sur l'environnement. Le déclin marqué des populations de salmonidés a été l'un des premiers signes du problème qui allait devenir le phénomène des pluies acides .

Ces dernières années, une attention beaucoup plus grande a été portée à une approche plus holistique dans laquelle la santé de l’écosystème est évaluée et utilisée comme outil de surveillance en soi. C’est cette approche qui sous-tend les protocoles de surveillance de la directive-cadre sur l’eau dans l’ Union européenne .

La surveillance des rayonnements consiste à mesurer la dose de rayonnement ou la contamination par des radionucléides à des fins d’évaluation ou de contrôle de l’exposition aux rayonnements ionisants ou aux substances radioactives, et à interpréter les résultats. La « mesure » ​​de la dose désigne souvent la mesure d’une grandeur équivalente à la dose, utilisée comme indicateur (ou substitut) d’une grandeur de dose qui ne peut être mesurée directement. Un échantillonnage peut également être réalisé comme étape préliminaire à la mesure de la teneur en radionucléides dans les milieux environnementaux. Les détails méthodologiques et techniques de la conception et du fonctionnement des programmes et systèmes de surveillance pour différents radionucléides, milieux environnementaux et types d’installations sont présentés dans le Guide de sûreté RS-G-1.8 de l’AIEA et dans le Rapport de sûreté n° 64 de l’AIEA

La surveillance des radiations est souvent réalisée à l'aide de réseaux de capteurs fixes et déployables, tels que Radnet de l' Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) et le réseau SPEEDI au Japon. Des relevés aéroportés sont également effectués par des organisations comme l' Équipe d'assistance en cas d'urgence nucléaire (Nuclear Emergency Support Team) .

Les bactéries et les virus sont les groupes d'organismes microbiologiques les plus fréquemment surveillés, et même ceux-ci ne présentent une grande importance que lorsque l'eau du milieu aquatique est ensuite utilisée comme eau potable ou lorsque des activités récréatives au contact de l'eau, telles que la natation ou le canoë, sont pratiquées.

Bien que les agents pathogènes soient au cœur des préoccupations, les efforts de surveillance se concentrent presque toujours sur des espèces indicatrices beaucoup plus courantes, telles qu'Escherichia 37 ], le dénombrement total des coliformes . Cette stratégie de surveillance repose sur le principe que la plupart des agents pathogènes humains proviennent d'autres humains via les eaux usées . De nombreuses stations d'épuration ne disposent pas d'une étape finale de stérilisation et rejettent donc un effluent qui, malgré une apparence propre, contient encore plusieurs millions de bactéries par litre, dont la majorité sont des coliformes relativement inoffensifs. Le dénombrement de ces bactéries inoffensives (ou peu nocives) permet d'évaluer la probabilité de la présence d'un nombre significatif de bactéries ou de virus pathogènes. Lorsque les concentrations d'E. coli ou de coliformes dépassent les seuils prédéfinis, une surveillance plus intensive, incluant la recherche spécifique d'espèces pathogènes, est alors mise en place.

Les stratégies de suivi peuvent donner des résultats trompeurs si elles se basent uniquement sur le nombre d'espèces ou sur la présence ou l'absence d'organismes particuliers, sans tenir compte de la taille de la population. Il est donc essentiel de comprendre la dynamique des populations de l'organisme suivi.

Par exemple, si la présence ou l'absence d'un organisme particulier dans un carré de 10 km est la mesure adoptée par une stratégie de surveillance, une réduction de la population de 10 000 par carré à 10 par carré peut passer inaperçue malgré l'impact très important subi par l'organisme.

Dans l’échantillonnage raisonné, la sélection des unités d’échantillonnage (c’est-à-dire le nombre, le lieu et/ou le moment du prélèvement des échantillons) repose sur la connaissance de la caractéristique ou de la condition étudiée et sur le jugement d’un expert. L’échantillonnage raisonné se distingue de l’échantillonnage probabiliste en ce que les inférences sont fondées sur le jugement d’un expert et non sur une théorie statistique. Par conséquent, les conclusions concernant la population cible sont limitées et dépendent entièrement de la validité et de l’exactitude du jugement d’un expert ; il est impossible de formuler des énoncés probabilistes sur les paramètres. Comme décrit dans les chapitres suivants, le jugement d’un expert peut également être utilisé conjointement avec d’autres méthodes d’échantillonnage afin de produire un échantillonnage efficace permettant de prendre des décisions justifiées.

Dans l'échantillonnage aléatoire simple, les unités d'échantillonnage (par exemple, les lieux et/ou les moments) sont sélectionnées à l'aide de nombres aléatoires, et toutes les sélections possibles d'un nombre donné d'unités sont équiprobables. Par exemple, un échantillon aléatoire simple d'un ensemble de fûts peut être prélevé en numérotant tous les fûts et en sélectionnant aléatoirement des numéros dans cette liste, ou en échantillonnant une zone à l'aide de paires de coordonnées aléatoires. Cette méthode est facile à comprendre et les équations permettant de déterminer la taille de l'échantillon sont relativement simples. L'échantillonnage aléatoire simple est particulièrement utile lorsque la population d'intérêt est relativement homogène, c'est-à-dire lorsqu'on ne s'attend pas à des schémas de contamination importants ou à des « points chauds ». Les principaux avantages de cette méthode sont :

1. Il fournit des estimations statistiquement non biaisées de la moyenne, des proportions et de la variabilité.
2. Il est facile à comprendre et facile à mettre en œuvre.
3. Le calcul de la taille de l'échantillon et l'analyse des données sont très simples.

Dans certains cas, la mise en œuvre d'un échantillonnage aléatoire simple peut s'avérer plus complexe que celle d'autres types d'échantillonnage (par exemple, les échantillonnages en grille) en raison de la difficulté à identifier précisément des emplacements géographiques aléatoires. De plus, l'échantillonnage aléatoire simple peut être plus coûteux que d'autres méthodes si les difficultés d'obtention d'échantillons liées à leur localisation entraînent des efforts supplémentaires.

Dans l'échantillonnage stratifié , la population cible est divisée en strates non chevauchantes, ou sous-populations connues ou supposées plus homogènes (par rapport au milieu environnemental ou au contaminant), de sorte que la variation entre les unités d'échantillonnage d'une même strate tend à être moindre qu'entre les unités d'échantillonnage de strates différentes. Les strates peuvent être choisies en fonction de la proximité spatiale ou temporelle des unités, ou encore en fonction d'informations préexistantes ou d'un avis d'expert concernant le site ou le processus. Ce type d'échantillonnage présente l'avantage d'offrir une plus grande précision dans les estimations de la moyenne et de la variance, et de permettre le calcul d'estimations fiables pour des sous-groupes de population d'intérêt particulier. Une plus grande précision peut être obtenue si la mesure d'intérêt est fortement corrélée à la variable utilisée pour constituer les strates.

Dans l'échantillonnage systématique et par grille, les échantillons sont prélevés à intervalles réguliers dans l'espace ou le temps. Un emplacement ou un instant initial est choisi aléatoirement, puis les emplacements d'échantillonnage restants sont définis de manière à ce que tous les emplacements soient à intervalles réguliers sur une zone (grille) ou dans le temps (échantillonnage systématique). Exemples : Échantillonnage systématique par grille – Grille carrée ; Échantillonnage systématique par grille – Grille triangulaire. Les grilles systématiques comprennent les grilles carrées, rectangulaires, triangulaires ou radiales (Cressie, 1993). Dans l'échantillonnage systématique aléatoire, un emplacement (ou un instant) d'échantillonnage initial est choisi aléatoirement et les emplacements d'échantillonnage restants sont spécifiés de manière à être situés selon un motif régulier. L'échantillonnage systématique aléatoire est utilisé pour rechercher des points chauds et pour inférer des moyennes, des percentiles ou d'autres paramètres. Il est également utile pour estimer les modèles spatiaux ou les tendances au fil du temps. Cette méthode offre une solution pratique et simple pour désigner les emplacements d'échantillonnage et assure une couverture uniforme d'un site, d'une unité ou d'un processus.

L'échantillonnage par ensembles ordonnés est une méthode innovante qui peut s'avérer très utile et rentable pour obtenir de meilleures estimations des concentrations moyennes dans les sols et autres milieux environnementaux. Elle intègre explicitement le jugement professionnel d'un enquêteur de terrain ou une méthode de mesure de criblage pour sélectionner des sites d'échantillonnage spécifiques. L'échantillonnage par ensembles ordonnés utilise un plan d'échantillonnage en deux phases : identification d'ensembles de sites, classement des sites au sein de chaque ensemble à l'aide de mesures peu coûteuses, puis sélection d'un site dans chaque ensemble pour l'échantillonnage. Dans cette méthode, m ensembles (de taille r chacun) de sites sont identifiés par échantillonnage aléatoire simple. Les sites sont classés indépendamment au sein de chaque ensemble, soit par jugement professionnel, soit à l'aide de mesures rapides, peu coûteuses ou indirectes. Une unité d'échantillonnage de chaque ensemble est ensuite sélectionnée (en fonction du classement observé) pour une mesure ultérieure, réalisée avec une méthode plus précise et fiable (donc plus coûteuse) pour le contaminant étudié. Par rapport à l'échantillonnage aléatoire simple, cette méthode produit des échantillons plus représentatifs et, par conséquent, des estimations plus précises des paramètres de la population. L'échantillonnage par ensembles ordonnés est particulièrement utile lorsque le coût de localisation et de classement des sites sur le terrain est faible comparé aux mesures en laboratoire. Il est également approprié, lorsqu'une variable auxiliaire peu coûteuse (fondée sur des connaissances d'experts ou sur des mesures), de classer les unités de population en fonction de la variable d'intérêt. Pour que ce dispositif soit efficace, il est important que la méthode de classement et la méthode d'analyse soient fortement corrélées.

Dans l'échantillonnage adaptatif par grappes , les échantillons sont prélevés par échantillonnage aléatoire simple, et des échantillons supplémentaires sont prélevés aux endroits où les mesures dépassent un certain seuil. Plusieurs cycles d'échantillonnage et d'analyse supplémentaires peuvent être nécessaires. L'échantillonnage adaptatif par grappes tient compte des probabilités de sélection pour les phases ultérieures d'échantillonnage, permettant ainsi de calculer une estimation non biaisée de la moyenne de la population malgré le suréchantillonnage de certaines zones. Un exemple d'application de l'échantillonnage adaptatif par grappes est la délimitation des frontières d'un panache de contamination. L'échantillonnage adaptatif est utile pour estimer ou rechercher des caractéristiques rares au sein d'une population et convient aux mesures rapides et peu coûteuses. Il permet de délimiter les zones critiques, tout en utilisant l'ensemble des données collectées avec une pondération appropriée pour fournir des estimations non biaisées de la moyenne de la population.

Grab samples are samples taken of a homogeneous material, usually water, in a single vessel. Filling a clean bottle with river water is a very common example. Grab samples provide a good snap-shot view of the quality of the sampled environment at the point of sampling and at the time of sampling. Without additional monitoring, the results cannot be extrapolated to other times or to other parts of the river, lake or ground-water.

In order to enable grab samples or rivers to be treated as representative, repeat transverse and longitudinal transect surveys taken at different times of day and times of year are required to establish that the grab-sample location is as representative as is reasonably possible. For large rivers such surveys should also have regard to the depth of the sample and how to best manage the sampling locations at times of flood and drought.

In lakes grab samples are relatively simple to take using depth samplers which can be lowered to a pre-determined depth and then closed trapping a fixed volume of water from the required depth. In all but the shallowest lakes, there are major changes in the chemical composition of lake water at different depths, especially during the summer months when many lakes stratify into a warm, well oxygenated upper layer (epilimnion) and a cool de-oxygenated lower layer (hypolimnion).

In the open seas marine environment grab samples can establish a wide range of base-line parameters such as salinity and a range of cation and anion concentrations. However, where changing conditions are an issue such as near river or sewage discharges, close to the effects of volcanism or close to areas of freshwater input from melting ice, a grab sample can only give a very partial answer when taken on its own.

Il existe une vaste gamme d'équipements d'échantillonnage spécialisés, programmables pour prélever des échantillons à intervalles fixes ou variables, ou en réponse à un déclencheur externe. Par exemple, un échantillonneur automatique peut être programmé pour prélever des échantillons d'une rivière toutes les 8 minutes lorsque l'intensité des précipitations dépasse 1 mm/h. Le déclencheur peut alors être un pluviomètre distant communiquant avec l'échantillonneur par téléphone portable ou par détection de sursaut météoritique . Les échantillonneurs peuvent également prélever des échantillons individuels à chaque prélèvement ou les regrouper en échantillons composites. Ainsi, au cours d'une même journée, un échantillonneur peut produire 12 échantillons composites, chacun composé de 6 sous-échantillons prélevés à 20 minutes d'intervalle.

La surveillance continue ou quasi continue repose sur la présence d'un système d'analyse automatisé à proximité du milieu surveillé, permettant ainsi la consultation des résultats en temps réel, si nécessaire. Ces systèmes sont souvent mis en place pour protéger les ressources en eau essentielles, comme dans le système de régulation de la rivière Dee, mais peuvent également s'inscrire dans une stratégie globale de surveillance des grands cours d'eau stratégiques où la détection précoce des problèmes potentiels est cruciale. Ces systèmes fournissent régulièrement des données sur des paramètres tels que le pH , l'oxygène dissous , la conductivité , la turbidité et l'ammoniac, grâce à des sondes . Il est également possible d'utiliser la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (CPG/SM) pour analyser un large éventail de polluants organiques potentiels . Dans tous les cas d'analyse automatisée en bordure de rivière, le pompage de l'eau est nécessaire pour acheminer l'eau du cours d'eau vers la station de surveillance. Le choix de l'emplacement de l'entrée de la pompe est tout aussi important que celui du point de prélèvement d'un échantillon d'eau. La conception de la pompe et de la tuyauterie doit également être réalisée avec soin afin d'éviter l'introduction de perturbations lors du pompage. Il est difficile de maintenir une concentration d'oxygène dissous dans un système pompé, et les installations GLC/MS peuvent détecter les contaminants micro-organiques provenant des canalisations et des raccords .

Bien que la collecte de données sur site à l'aide d'équipements de mesure électroniques soit courante, de nombreux programmes de surveillance utilisent également la télésurveillance et l'accès à distance aux données en temps réel. Cela nécessite que les équipements de surveillance sur site soient connectés à une station de base via un réseau de télémétrie, une ligne fixe, un réseau de téléphonie mobile ou un autre système de télémétrie tel que Meteorburs. L'avantage de la télésurveillance réside dans la possibilité de centraliser de nombreux flux de données vers une station de base unique pour leur stockage et leur analyse. Elle permet également de définir des seuils de déclenchement ou d'alerte pour chaque site de surveillance et/ou paramètre, afin de déclencher une action immédiate en cas de dépassement. La télésurveillance permet aussi l'installation d'équipements de surveillance très discrets, souvent enterrés, camouflés ou immergés en profondeur dans un lac ou une rivière, seule une courte antenne dépassant de la surface . L'utilisation de tels équipements tend à réduire le vandalisme et le vol dans les zones de surveillance facilement accessibles au public.

Ecological sampling requires careful planning to be representative and as noninvasive as possible. For grasslands and other low growing habitats the use of a quadrat – a 1-metre square frame – is often used with the numbers and types of organisms growing within each quadrat area counted

Sediments and soils require specialist sampling tools to ensure that the material recovered is representative. Such samplers are frequently designed to recover a specified volume of material and may also be designed to recover the sediment or soil living biota as well such as the Ekman grab sampler.