MAREL: Mesures Automatisées en réseau pour l'Environnement Littoral

La prise de conscience générale des problèmes d’environnement, notamment au niveau du littoral, conduit à renforcer la surveillance qui s’y exerce. Le littoral est en effet largement soumis aux apports terrigènes et constitue également la zone maritime la plus productive.

Le besoin

Par l’expérience acquise depuis de nombreuses années dans l’exploitation des réseaux de surveillance de l’environnement littoral, l’Ifremer a mis en évidence le besoin de développer un système de surveillance automatisée de l’environnement et des effets directs et indirects des activités humaines sur le milieu marin. Les développements technologiques concernant les capteurs physico-chimiques permettent dorénavant d’envisager la réalisation de réseaux de stations

instrumentées autonomes, effectuant des mesures à fréquence élevée par rapport aux techniques de prélèvements actuelles et rapidement disponibles pour les utilisateurs. Les réseaux sont composés de stations litto- rales (bouées, pylônes, pontons flottants ins- trumentés) de mesure des paramètres géné- raux de la qualité de l'eau. Ces stations litto- rales peuvent être adaptées aux différents sites à étudier (zones côtières, estuaires, plans d’eau, rivières, etc.). Les données acquises automatiquement au niveau des stations de surveillance sont transmises par VHF ou liaison téléphonique filaire ou télé- phonie mobile à une station de gestion régionale où elles sont validées, traitées, archivées et diffusées vers les utilisateurs.

Les spécifications principales sont :

• des mesures à fréquence élevée avec la   possibilité de les effectuer en plusieurs   niveaux de la tranche d’eau,
• un système d’assurance-qualité des   mesures avec un engagement sur le respect   des tolérances sur de longues périodes sans   étalonnage (supérieures à 2 mois),
• une disponibilité et une fiabilité des   mesures et des stations de surveillance,
• une architecture électronique évolutive à   noyau temps réel,
• un système de transmission standard basé   sur le protocole TCP/IP (compatible avec le   réseau Internet),
• mise à disposition rapide des données,
• étalonnage des capteurs à terre en labora-   toire.

Le réseau Baie de Seine

La Baie de Seine est un secteur important avec des activités économiques de diffé- rentes natures, telles que l'industrie, la pêche et le tourisme. Cette multiplicité des activités induit inévitablement des phéno- mènes de pollution et des conflits d’usage. La Baie de Seine suscite donc de nom- breuses préoccupations environnementales et scientifiques.

Afin de permettre une meilleure gestion de préservation du littoral, le CABP (Conseil d’Aménagement du Bassin Parisien), l’AESN (Agence de l’Eau Seine-Normandie) et l’Ifre- mer ont décidé et se sont entendus pour mettre en place un premier réseau de sur- veillance adapté aux contraintes de la Baie de Seine. Il servira de support aux pro- grammes scientifiques en cours et d’aide à la décision en matière de protection des acti- vités marines. L’Ifremer assure la maîtrise d’œuvre.

Description du Réseau Baie de Seine

Le réseau Baie de Seine est constitué de quatre stations de surveillance automatisées d’acquisition de données sur l’environne- ment et d’une station régionale de gestion située dans les locaux de la station Ifremer de Port-en-Bessin.

Une station estuarienne est implantée à Honfleur, au PK355 sur la passerelle située près du radar. Elle est installée sur une structure flottante coulissante dans un tube afin de suivre les variations de hauteurs d'eau liées à la marée et aux crues (le mar- nage atteint 9 m). Les conditions envi- ronnementales y sont très différentes de celles de la mer ouverte :

• fortes turbidités (de l’ordre de 100   grammes par litre de sédiments dans la   colonne d’eau),

Tableau 1 : Capteurs installés sur la station estuarienne à Honfleur

Tableau 2 : Capteurs physico-chimiques installés sur les stations marines

La profondeur du point de prélèvement intermédiaire est mesurée avec un capteur de pression.

Tableau 3 : Capteurs météorologiques installés sur les stations marines

* la mesure est associée à un compas

Tableau 4 : Capteurs océanographiques installés sur les stations marines

* la mesure est associée à un compas ** houle : ce module de mesure nécessite la mise au point d'algorithmes particuliers de traitement du signal

• - crème de vase et quelques grammes par litre (proche du fond),
• - forts courants (plus de 4 nœuds),
• - circulation intense des navires dans le chenal de navigation,
• - assèchement à marée basse lors de gros coefficients, au niveau de l'implantation de la station de surveillance. Les mesures ne peuvent donc pas être faites durant environ 10 % du temps.

Les mesures des paramètres physico-chimiques sont effectuées sur des échantillons d'eau prélevés à 1,5 mètre de la surface.

La prise de mesure est faite avec une périodicité de 10 minutes et respecte un horaire prédéfini. Cet horaire est toujours le même, même après une remise en route (voir tableau 1).

Trois stations marines identiques implantées en Baie de Seine :

• - Au Banc de Seine (49° 28’ 320 N - 0° 10' 620 W),
• - À La Carosse, à l'Ouest de la zone de dépose d'explosifs (49° 29’ 110 N - 0° 01' 600 E),
• - À La Grande Rade Sud, au Nord du chenal du Havre (49° 31’ 330 N - 0° 00' 600 W).

Les principales conditions environnementales sont :

• - marnage : environ 8 mètres,
• - courant : environ 3 nœuds,
• - houle : Hs de 3 à 4 mètres, période de 4 à 7 secondes,
• - vent : supérieur à 17 m/s pendant 1,5 % du temps,
• - fonds de sable et de vase.

Les mesures des paramètres physico-chimiques de l'eau sont effectuées sur des échantillons d’eau prélevés en trois points dans la tranche d'eau :

• - entre 1 et 1,5 mètre de la surface,
• - au fond,
• - au milieu de la colonne d'eau.

La prise de mesure respecte un horaire prédéfini (1 mesure par heure et par niveau). Cet horaire est toujours le même, même après une remise en route (voir tableaux 2, 3 et 4).

Architecture électronique des stations de surveillance

Le système électronique de mesure et de contrôle (SEMC) comprend une carte équipée d'un microprocesseur puissant de faible consommation à noyau temps réel multitâches. Il commande des cartes d'entrée/sortie numériques pour les capteurs de mesure des paramètres environnementaux et numériques ou analogiques pour les actionneurs et les capteurs de servitude.

L'effort a été axé sur la réduction de la consommation d'énergie en sélectionnant des composantes faibles consommations et en optimisant au strict minimum leurs durées de fonctionnement.

Le système électronique de mesure et de contrôle assure les fonctions suivantes :

• - le séquencement des différentes mesures environnementales et techniques,
• - le pilotage des différents actionneurs hydrauliques et capteurs,
• - la commande du module océano-météo et la récupération du résultat des mesures,
• - la surveillance du système de production d'énergie,
• - la surveillance du module signalisation,
• - la mémorisation des données,
• - la communication avec la station de gestion à terre par liaison bidirectionnelle GSM via un modem,
• - le test et la maintenance depuis la station de gestion à terre,
• - la remise en route de la station localement ou à distance.

Il est équipé d’une interface opérateur et se présente sous la forme d’un coffret étanche avec poignées de transport. Le SEMC peut fonctionner selon plusieurs modes :

• - Le mode nominal correspond à l’exécution de différents cycles de mesures tels que décrits dans le cahier des charges fonctionnel.

Pour la mise au point et les essais, le mode nominal possède une option « trace » permettant de connaître localement ou à distance les états/actions successifs de l’automate de contrôle.

• - Le mode test permet de façon interactive, localement ou à distance via le système de communication, d’évaluer et d’apprécier le bon état de fonctionnement des différents sous-ensembles de la station. Il autorise l’accès à un tableau contenant toutes les caractéristiques paramétrables de la station et leurs modifications.
• - Le mode maintenance permet à un opérateur technique d’intervenir sur la station afin de la relancer en mode nominal grâce à la possibilité de manœuvrer tous les actionneurs et capteurs à partir d'une interface simple.
• - Le mode dégradé est atteint lorsque les conditions atmosphériques sont extrêmes. Il se traduit par une baisse de l’activité de la bouée. Ce mode peut aboutir au mode défaut et à l’arrêt de la station.
• - Le mode défaut est atteint si le mode nominal (ou le mode dégradé) ne peut pas se poursuivre. Une alarme est alors générée vers la station de gestion au prochain créneau horaire.

La station de gestion à terre

La station de gestion du réseau MAREL en Baie de Seine est située dans les locaux de la station Ifremer à Port en Bessin. Elle a pour principales fonctions :

• - le transfert et le stockage des données acquises par les stations de surveillance,
• - la réception d’alarmes en provenance des stations de surveillance,
• - la consultation à distance des données,
• - la validation des données,
• - le rôle d'interface pour la télémaintenance,
• - le rôle d’interface pour le téléchargement d'un nouveau logiciel,
• - le rôle d’interface pour un reset d’une station de surveillance.

La station de gestion MAREL est articulée autour de deux serveurs Web. L’un est consultable sur Internet et présente des informations sur le projet ainsi que des courbes de données avec un échantillonnage étudié pour ne pas permettre une interprétation scientifique des données. L’autre n’est ouvert en consultation que sur le réseau Intranet de l’Ifremer et aux personnes en ayant fait la demande. Il permet entre autres un accès aux données en ligne en mode texte. Sur le serveur Intranet, certaines fonctions sont protégées par des mots de passe donnant accès à des privilèges de type “expert”, “technique” ou “maintenance”.

L’adresse du serveur Internet est :

http://www.ifremer.fr/marel/

Assurance qualité des mesures physico-chimiques

Un des principaux soucis de l’Ifremer est de garantir la qualité et la fiabilité des mesures sur de longues périodes sans maintenance. Des programmes lourds d’étude et de qualification de la mesure ont été menés afin de :

• - choisir les capteurs les mieux adaptés à nos besoins. Pour les paramètres physico-chimiques, nous avons retenu les capteurs Endress & Hauser (oxygène dissous - conductivité - pH - turbidité). Ce choix est motivé par l'aptitude de ces capteurs à fonctionner en milieu agressif sur de longues périodes sans subir de dérive importante et à l’option offerte de récupérer les données sur des liaisons série de type RS 232.
• - vérifier la qualité intrinsèque des capteurs retenus,
• - mettre au point des procédures d’étalonnage des capteurs en collaboration avec Endress & Hauser,
• - valider les mesures effectuées sur des échantillons d'eau prélevés par pompage à différents niveaux de la tranche d'eau,
• - vérifier l’efficacité de nos moyens de lutte contre les biosalissures sur les capteurs et dans le circuit hydraulique,
• - valider les mesures sur de longues durées en fonctionnement en mode nominal, sans

intervention sur le système de mesure en période de production biologique maximale. La qualité des mesures est vérifiée pour des périodes d'une durée d’au moins deux mois. Tous les deux mois, à l’issue d’une période de mesure, les capteurs physico-chimiques sont remplacés par un nouveau jeu étalonné en laboratoire selon les procédures mises au point. L’ancien jeu de capteurs est précieusement conservé et ramené au laboratoire d'étalonnage afin de vérifier la dérive de chacun. À Honfleur, où nous sommes exposés à des conditions d’environnement très dures, aucune dérive en dehors des tolérances n’a été constatée.

Maintenance

Maintenance prévisionnelle

La maintenance prévisionnelle est une opération légère et préventive effectuée systématiquement avec une périodicité prédéfinie. Cette période est d’au moins deux mois, un essai de trois mois a été réalisé avec succès en automne 97 sur la station estuarienne à Honfleur.

Afin de simplifier, de rationaliser et de fiabiliser les opérations de maintenance à la mer, il a été choisi de ne procéder à aucune intervention sur le matériel équipant les stations de surveillance. Les capteurs physico-chimiques sont remplacés systématiquement par un nouvel ensemble étalonné au préalable en laboratoire. Tout autre matériel (ou unité de maintenance) sur lequel une intervention est nécessaire est démonté, remplacé par le même matériel en état et ramené à terre. Le travail consiste donc en des opérations simples de démontage et remontage et ne nécessite pas de compétence en métrologie, en électronique ou en informatique.

Maintenance en cas de panne ou d’arrêt d'une station

Les pannes ou arrêt d'une station sont identifiés par des alarmes transmises vers la station de gestion. Au cas où la station ne pourrait être redémarrée par télémain­tenance, une intervention sur site est alors nécessaire. Ce travail est confié à une société de maintenance. Leur mission consiste à ne faire aucune réparation sur place mais à procéder uniquement au remplacement du matériel défectueux par unités de maintenance. Toutes les réparations sont ensuite effectuées à terre.

Premiers résultats obtenus sur la station estuarienne à Honfleur et la station marine Grande Rade Sud

La station à Honfleur a été mise en route début décembre 1996 avec succès. Aucun problème technique majeur n’a affecté son fonctionnement et le taux de disponibilité des mesures est supérieur à 90 % (arrêts pour maintenance compris). La qualité des mesures est très satisfaisante.

Les résultats acquis depuis la mise en marche de la station permettent d’ores et déjà de caractériser les variations des paramètres mesurés. Chacun des paramètres est affecté en premier lieu par la marée, avec deux maxima et deux minima quotidiens liés à l’alternance pleine mer – basse mer (cf. Annexe 1).

Le coefficient de marée affecte l'amplitude de la variation (cf. Annexe 2).

En troisième lieu, un effet saison est également déjà visible :

• en décembre, les courbes de conductivité et température sont en phase, la température baisse au jusant quand les eaux douces et froides de la Seine deviennent prépondérantes dans la masse d'eau ;
• en avril, les courbes conductivité et température sont en opposition, la température augmente au jusant sous l’influence prépon-

dérange des eaux douces réchauffées de la Seine.

D’autres phénomènes s’ajoutent à ces premières causes de variations, liés à des processus physiques plus complexes tels que le transport sédimentaire et la remise en suspension des sédiments, ou liés à des processus biologiques. Ainsi, deux maxima ont été atteints les 19 avril et 2 mai 1997, correspondant respectivement à 13,3 et 10,9 mg/L d’oxygène dissous (teneurs corrigées de la salinité), soit respectivement 125 % et 122 % de saturation en oxygène de l’eau. Les pics correspondent à l’étale de pleine mer. Ces résultats pourraient s’expliquer par une nappe de phytoplancton productive poussée par le flot vers l’intérieur de l’estuaire pendant quelques jours (pics observés sur 4 à 5 jours consécutifs) : l’activité chlorophyllienne enrichit l’eau en oxygène au-delà même de la saturation. À cet épisode de sursaturation en oxygène fait suite un épisode d’anoxie détecté à Honfleur le 23 mai 1997 avec des teneurs variant de 1,9 à 6,5 mg/L d’oxygène dissous, soit respectivement 19 % et 74 % de la saturation en oxygène. Ce phénomène d’anoxie est à lier à des épisodes pluvieux intenses (30 mm en 24 h) survenus sur la région à cette époque, pluies qui faisaient suite à une période sèche. Ces pluies ont provoqué du ruissellement sur le bassin versant, le débordement des systèmes d’assainissement et donc un afflux important de polluants, organiques notamment, consommateurs d’oxygène.

La biologie se répercute également sur le pH de l’eau puisqu’il a tendance à augmenter avec la consommation du CO₂ par l’activité chlorophyllienne. Les mesures de pH et de teneur en oxygène dissous varient de façon très similaire, du moins pour les séries enregistrées au printemps.

La première station marine a été mise en place sur le site de la Grande Rade Sud en juin 1998. Les mesures en 3 points de la tranche d’eau permettent de mettre en évidence les stratifications des masses d’eau qui varient en fonction des coefficients de marée, des courants, des vents et des saisons. Les stratifications sont notamment visibles sur les mesures d’oxygène dissous de turbidité, de température de l’eau et des conductivités. Des processus biologiques se sont produits à plusieurs reprises cet été en particulier entre le 20 et le 28 juillet 1998 où l’on observe des pics d’oxygène en surface, de jour, sans variation au fond. Certains jours des pics apparaissent au milieu de la tranche d’eau. Des pics d’oxygène dissous se sont également produits à Honfleur les 25, 26 et 27 juillet lors d’un changement de la direction des vents. Durant cette période, on observait la présence de phytoplancton toxique en baie de Seine remontant jusque dans l’estuaire (voir Annexe 4).

Les mesures océano-météo apporteront une aide importante à la compréhension des phénomènes observés. L’ensemble de ces mesures est également opérationnel.

Voici des phénomènes que l’on peut mettre en évidence et dater de façon précise grâce aux séries de mesures acquises à haute fréquence. Les modélisateurs de la DEL (Direction de l’Environnement Littoral à l’Ifremer) ont d’ores et déjà commencé à étudier les variations d’un certain nombre de paramètres, la turbidité notamment, pour caler leurs modèles de circulation des masses d’eau et de transports sédimentaires en estuaire et baie de Seine.

Perspectives

La mise en place de la première station marine sur le site de la Grande Rade Sud en juin 1998 et des deux autres stations marines en automne 1998 complètent le premier réseau MAREL implanté en Baie de Seine. Le besoin, d’effectuer des mesures de qualité, en continu dans des lieux plus ou moins hostiles se fait de plus en plus ressentir, en France, en Europe et à travers le monde. Les stations de surveillance peuvent également être adaptées pour fonctionner en stations d’alerte. Le marché visé est l’eau douce (plans d’eau, rivières, usines d’eau potables, rejets des stations d’épuration). Une première station d’alerte est en cours de réalisation avec le Pôle Analytique de l’Eau, la Communauté Urbaine de Brest et l’Ifremer pour la surveillance de la qualité de l’eau à l’entrée de la principale usine d’eau potable de la ville.