Exploitation des spectres UV

Parmi les techniques utilisées pour évaluer la variabilité de la qualité de l eau, la spectrophotométrie UV est une technique simple, rapide et peu coûteuse largement utilisée dans les dernières décennies (Thomas and Theraulaz, 2007).

L'exploitation des spectres UV pour les eaux naturelles est basée sur deux domaines de longueur d onde : entre et nm et entre et nm. Le premier est lié à la présence de nitrates (pic centré sur 205 nm) contenus dans la majorité des eaux naturelles (Pouet et al., 2007). Le second domaine est lié à la présence de matière organique (MO) et de matières en suspension. La présence de MO est caractérisée par un léger épaulement vers 260-270 nm (Pouet et al., 2007). Le niveau d'absorption et la pente générale du spectre dans la région 250-350 nm peut varier selon la nature des matières en suspension et la présence de colloïdes en forte concentration (Vaillant et al., 2002).

Un exemple de spectre brut est présenté dans la Figure 19. Comme précisé dans la section 2.3.4, une cuve à trajet optique court est utilisée pour obtenir un spectre non saturé entre et nm, étant donné les fortes concentrations en nitrates susceptibles d être présentes dans les eaux étudiées. Une cuve à trajet optique long est utilisée pour « zoomer » sur la partie du spectre concernant la matière organique et les matières en suspension, pour une meilleure précision de la mesure.

Plusieurs techniques de traitement du signal permettent d estimer certains paramètres ex : nitrates et COD) à partir du spectre brut. Dans ce manuscrit, une régression linéaire multiple sur les données brutes a été utilisée pour l estimation du COT et la dérivée seconde du spectre a été calculée pour l estimation des nitrates et du COD. Les équations liées à ces estimations sont fournies dans la partie Résultats (cf. 3.3.1). Un facteur de normation a également été calculé pour chaque spectre.

Figure 19 Exemple de spectre brut (campagne du 21/04/14 sur le bassin versant du Frémur, station AG4)

2.5.1.1 Normation des spectres bruts

La méthode de normation consiste à imposer la même aire à un ensemble de spectres. La somme des valeurs d absorbance sur un intervalle de longueur d onde précis (200 – 350 nm) est ainsi généralement ramenée à une valeur arbitraire choisie (Thomas and Burgess, 2007).

L aire sous le spectre avant normation A)RE s écrit :

= ∑

�_�

� × ℎ ₍₄₎

où :

A(� : valeur d absorbance à une longueur d onde �avant normation.

ℎ: pas d acquisition 1 nm dans le cas du spectrophotomètre utilisé). L absorbance normée s écrit alors pour chaque longueur d onde :

∗ (� ) = � × (5)

où :

A*( � :valeur d absorbance à une longueur d onde � après normation. AN : aire relative de normation (valeur fixée généralement à 100).

Le facteur de normation (Fn) est le rapport de la somme des absorbances normalisées (AN) sur la somme des absorbances du spectre. Entre et nm, il s écrit donc :

=^∑ 5 ∗ (� )

=

∑ 5 �

= = (6)

Pour un échantillon donné j , on peut alors calculer la concentration normée d un soluté S via l équation :

= ∗ (7)

où :

Cnj : concentration normalisée Cj : concentration mesurée

Fn : facteur de normalisation du spectre j.

Cette méthode de normation permet, d une part, une comparaison qualitative des spectres de différentes origines et/ou conditions d échantillonnage prélèvements lors de saisons différentes, d un évènement exceptionnel, en différents points…. et, d autre part, de s affranchir des effets de dilution (Baurès et al., 2007; Thomas et al., 2014). De plus, cette méthode est utilisée ici afin de révéler la présence d un point isobestique latent (Figure 20) qui mettrait en évidence une conservation qualitative de la composition de l eau, au cours du temps et dans l espace (Pouët et al., 2004).

Figure 20 Exemple de spectres normés (campagne du 21/04/14 sur le bassin versant du Frémur, toutes les stations)

2.5.1.2 Dérivée seconde

Le calcul de la dérivée seconde d un spectre permet d identifier la position exacte dépaulements sur un spectre brut parfois très difficiles à repérer dans le cas de légers épaulements comme pour l examen de la matière organique entre 250 et 350 nm. Un épaulement correspond à un changement de pente sur le spectre brut et se traduit par un minima ou un maxima sur la dérivée seconde. Le calcul de la dérivée seconde en une longueur d onde se fait via l équation suivante (Thomas and Burgess, 2007) :

² �² ^�=

�+ℎ + _�−ℎ − ∗ _�

ℎ² ⁽⁸⁾

où :

A_λ : Absorbance à une longueur d onde λ h : pas de la dérivée

Le pas de la dérivée influe fortement sur les informations tirées du spectre. Dans cette étude, un pas intermédiaire de 10 nm a été choisi après plusieurs tests, ce qui permet à la fois un premier lissage de la courbe et limite la perte d informations. Dans le cas d un pas plus faible (ex : 5 nm), les variations sont difficilement interprétables.

Pour un rendu graphique amélioré, un lissage après dérivation est effectué via la méthode des moyennes mobiles et le résultat est multiplié par 1000 (équation (10) . Comme pour le calcul de la dérivée seconde, un pas de 10 nm a été déterminé empiriquement pour le lissage, après des tests sur les spectres issus de toutes les stations.

� _� é = ∑ _�

�+

�− _� ∗ � (9)

où :

x : pas de lissage (le pas de lissage utilisé est systématiquement de 10 nm)

Sur la Figure 21, un exemple de dérivée seconde de spectres est présenté (même exemple que la Figure 19). On observe que le rapport signal/bruit est important pour la dérivée seconde calculée sur le trajet optique court. Le lissage permet de supprimer une partie de ce bruit, mais la précision est bien plus faible que pour la dérivée seconde calculée sur le trajet

optique long. Cette dernière ne subit quasiment pas de transformation par le lissage sur cet exemple. Celui-ci est cependant nécessaire sur certains échantillons.

Figure 21 Exemple de dérivée seconde d’un spectre campagne du / / sur le bassin versant du Frémur,

station AG4)

2.5.1.3 Estimation des paramètres

La dérivée seconde du spectre autour de 230 nm est utilisée par plusieurs auteurs dans la littérature pour l estimation des nitrates dans les eaux douces (Etheridge, Birgand, Osborne, et al., 2014; Ferree and Shannon, 2001; Gentle et al., 2011). Dans son manuscrit de thèse, (Delpla, 2011) montrait déjà la forte corrélation entre les valeurs d absorbances dérivées à 300 nm et le COD. Cette méthode a donc été testée et utilisée dans ce mémoire9. Enfin, la régression linéaire multiple a été appliquée sur les données brutes des spectres acquis lors des campagnes afin d estimer les concentrations en COT. La sélection des longueurs d ondes a été réalisée suivant une procédure descendante (élimination pas à pas des variables non significatives à l aide du logiciel Tanagra (Rakotomalala, 2003). Les équations liées à l estimation de ces paramètres sont présentées dans la section Resultats (cf. section 3.3.1)