Développer, déployer et transformer : un cadre de surveillance complet et ouvert pour la dynamique des sédiments en suspension dans les cours d'eau périurbains

Develop, Deploy and Process : a Complete and Open Monitoring Framework for Suspended Sediment Dynamics in Peri-Urban Streams

• Auteur / Autrice : Maria Fernanda Sobierajski Gisi
• Direction : Étienne Cossart, Tim D. Fletcher
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géographie - Aménagement
• Date : Inscription en doctorat le 10/01/2022
• Etablissement(s) : Lyon 3 en cotutelle avec University of Melbourne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences sociales (Lyon ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Sédiments en suspension

Capteurs à bas coût

Bassins versants périurbains

Suivi de la turbidité

Traitement des données environnementales

Suspended sediments

Low-cost sensors

Peri-urban catchments

Turbidity monitoring

Environmental data processing

Résumé

Comprendre la dynamique des petits cours d’eau périurbains constitue un enjeu scientifique et opérationnel majeur, ces environnements étant en pleine expansion à l’échelle mondiale et en constante évolution sous l’effet de l’urbanisation. Les sédiments en suspension transportés par ces rivières représentent des indicateurs précieux de la qualité de l’eau et des impacts de l’occupation des sols sur les biocénoses. Toutefois, le suivi des concentrations et des flux de sédiments en suspension demeure difficile dans le vaste réseau de petits cours d’eau périurbains, souvent intermittents. Dans ces contextes, les événements de ruissellement sont très variables, allant de crues éclairs provoqués par des surfaces imperméables à des écoulements plus lents favorisant l’infiltration. S’adapter à cette variabilité nécessite des stratégies de suivi efficaces et flexibles. La turbidité est un proxy couramment utilisé pour estimer le transport de sédiments en suspension dans les rivières, mais les turbidimètres commerciaux restent onéreux, limitant les possibilités de suivi à grande échelle ou sur le long terme. De plus, l’interprétation des données est souvent compliquée par la nature propriétaire de ces capteurs, conçus comme des « boîtes noires » qui n’offrent ni transparence ni contrôle sur les processus de mesure. Les capteurs à bas coût constituent une alternative prometteuse, mais ils présentent des défis en matière de standardisation, de fiabilité et de développement de méthodologies robustes pour leur déploiement et l’analyse des données collectées. Cette thèse propose le développement, la validation et la mise en œuvre d’un capteur de turbidité à bas coût, accompagné d’une méthodologie systématique d’analyse. Conçu pour être open source, économique et adapté aux conditions de terrain, le capteur repose sur le principe d’atténuation optique, avec fabrication d’un boîtier imprimé en 3D et optimisation de l’électronique interne. Une attention particulière a été portée à la prévention du bio-encrassement et à la stabilité de la mesure. Le capteur a été testé lors d’une campagne de neuf mois dans le bassin versant de l’Yzeron, avec l’installation et l’entretien de trois capteurs et le développement d’un cadre analytique reproductible. La thèse est structurée en quatre parties : (1) contexte et enjeux du suivi sédimentaire; (2) développement du capteur, validation en laboratoire et amélioration technique; (3) présentation du site d’étude, définition des événements de crue et analyse des dynamiques sédimentaires; (4) synthèse, évaluation de la stratégie de suivi et ouverture sur des perspectives de recherche et d’amélioration technologique. L’ensemble de ces quatre parties constitue à la fois une contribution technique au développement de capteurs open source et un cadre méthodologique pour l’interprétation de données sédimentaires à haute fréquence dans des contextes complexes. Les résultats soulignent non seulement le potentiel des solutions à bas coût, mais également la nécessité urgente de réinvestir dans des campagnes de terrain à long terme, des approches interdisciplinaires et des pratiques de données transparentes, indispensables pour comprendre et gérer les transferts sédimentaires dans les bassins versants en voie d’urbanisation.

Understanding sediment dynamics in freshwater environments is a key scientific and operational challenge, as suspended sediments are valuable indicators of water quality and land use impacts. Small peri-urban rivers, which are rapidly expanding and transforming under urbanization, represent a critical application of this research, as these environments are rapidly expanding worldwide and continuously evolving due to urbanization. Suspended sediments transported by these rivers can serve as valuable indicators of water quality and the impact of land use changes on the biota. However, monitoring suspended sediment concentrations and yields remains a significant challenge in the vast network of small, often non-perennial peri-urban streams. Runoff events in such contexts can be highly variable, ranging from flash flood due to impermeable surfaces to more gradual flows where infiltration is possible. Adapting to these changes and variability requires effective and flexible suspended sediment monitoring strategies. Turbidity is a commonly used proxy for estimating suspended sediment transport in rivers, but commercial turbidimeters remain costly, restricting large-scale and long-term monitoring efforts. Moreover, data interpretation can be challenging due to the proprietary, ''black-box'' design of many sensors, which limits transparency in how measurements are collected and processed. Low-cost sensors offer a promising alternative, but they often face issues related to standardization, reliability, and the development of robust methodologies for deployment within sensor networks and data analysis frameworks. This thesis addresses these gaps by developing, validating, implementing, and processing data from a low-cost turbidity sensor. A custom low-cost turbidity sensor was designed and improved to address key limitations found in existing low-cost, low-tech and open-source alternatives. Field implementation strategies were developed to overcome practical challenges, and a systematic methodology was established for processing and analysing the collected data. During a nine-month field campaign in the Yzeron River basin (France), three sensors were installed, maintained, and tested for performance, using a reproducible data analysis framework. Practical insights from fieldwork are also presented, highlighting the sensor’s strengths, limitations, and key lessons learned. The thesis is structured into four main sections: (1) context and challenges of sediment monitoring in small peri-urban streams; (2) development and laboratory validation of the low-cost turbidity sensor; (3) presentation of the study catchment and methodological framework for data analysis; and (4) conclusions, evaluation of the monitoring strategy, and perspectives for improving sensor design, data handling, and field deployment. These four parts, taken together, provide both a technical contribution to open-source sensor development and a methodological framework for interpreting high-frequency sediment data in complex field conditions. These results highlight not only the potential of low-cost solutions but also the pressing need to reinvest in detailed, long-term field observation, integrated methodologies, and transparent data practices, essential tools for truly understanding and managing sediment transport in the increasingly complex landscapes of urbanizing and peri-urban watersheds. The insights gained may also inform our understanding of freshwater systems more broadly, where sediment dynamics influence both water quality and ecological balance.