Contexte

Le suivi environnemental est un prérequis pour mieux comprendre et anticiper les conséquences locales et globales des changements climatiques. Ainsi, les sciences environnementales ont besoin d’une récolte de données en continu afin de caractériser l’évolution spatio-temporelle d’écosystèmes très diversifiés et contrastés (p. ex., plantes invasives dans le désert d’Arizona, phytoplancton dans l’océan Antarctique, qualité de l’eau dans le lac Memphrémagog, libération de gaz à effet de serre en réponse au dégel du pergélisol). Ces écosystèmes peuvent réagir très rapidement face aux variations du climat. Leur suivi à haute résolution spatiale et temporelle peut donc permettre de suivre leur évolution, de mieux les comprendre et d’anticiper la survenue de points de bascule à l’échelle locale et régionale. À ce titre, les milieux aquatiques terrestres (p. ex., les lacs, les rivières et les tourbières) jouent un rôle de premier plan. Dans cet article, nous montrons comment des capteurs autonomes peuvent aider à relever un double défi en ce qui concerne le suivi environnemental des plans d’eau : premièrement, surveiller des milieux éloignés et difficiles d’accès – la contrainte spatiale ; deuxièmement, acquérir des données en continu, à longueur d’année, afin d’intégrer les cycles saisonniers et les événements extrêmes – la contrainte temporelle.

Surveiller nos milieux aquatiques : peu importe où, peu importe quand

Les écosystèmes aquatiques continentaux (lacs, rivières, tourbières) sont extrêmement abondants en Amérique du Nord et tout particulièrement au Canada (Figure 1) (Messager et al., 2016). Ils occupent une place centrale dans les paysages naturels et urbains, et leur stabilité est menacée à plusieurs égards, notamment par la pollution ou par des événements météorologiques extrêmes de plus en plus fréquents (p. ex., inondations, feux de forêt, glissements de terrain). Dans de nombreux cas, les paramètres physico-chimiques (température, pH, turbidité…) varient grandement en fonction des saisons et nécessitent un suivi sur plusieurs années pour comprendre leur évolution. Or, la récolte d’informations ne se fait généralement que lors de missions ponctuelles (quelques jours à quelques semaines) et souvent lorsque les conditions d’accès sont les plus favorables. Par exemple, l’accès aux lacs, aux rivières et aux tourbières de l’Arctique circumpolaire est principalement possible durant l’été, pour des raisons logistiques évidentes. Les données récoltées ne permettent donc d’obtenir qu’un portrait partiel de la qualité de l’eau, en ignorant une bonne partie de l’année. En témoignent les émissions de gaz à effet de serre, comme le méthane, produites en raison de la transformation, par les microorganismes, de la matière organique (débris végétaux et animaux) présente dans la colonne d’eau et dans le pergélisol (sol gelé des régions froides), qui dégèle avec le réchauffement climatique. Ces émissions peuvent se produire toute l’année, mais elles sont souvent plus marquées au printemps, lorsque la fonte du couvert de glace libère les bulles de gaz, et à l’automne, lorsque le brassage de l’eau fait remonter les gaz des profondeurs pauvres en oxygène (Bouchard et al., 2022; Hughes-Allen et al., 2021 ; Prėskienis et al., 2021). Il est donc important de prendre en compte les périodes traditionnellement peu étudiées (de l’automne au printemps) dans les programmes de surveillance de la qualité de l’eau.

Par ailleurs, le suivi en continu des environnements aquatiques à l’année, comprenant les régions éloignées, requiert des systèmes de capteurs toujours plus performants et de plus en plus frugaux en énergie et en matériaux. Ces besoins nécessitent une approche interdisciplinaire pour encourager l’innovation. Il est important, par exemple, que des spécialistes des écosystèmes aquatiques puissent collaborer avec des ingénieurs en mécanique, en électronique et en informatique pour concevoir des systèmes de surveillance en continu robustes et fiables.

Des capteurs bien adaptés pour le suivi des milieux éloignés

Au sein de la Faculté de génie de l’Université de Sherbrooke (UdeS) et en collaboration avec le laboratoire international de recherche LN2 (Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes), une initiative est menée afin d’améliorer les capteurs existants (meilleure autonomie, plus petite taille, performances accrues, moindre impact environnemental, etc.) et d’en développer de nouveaux pour répondre aux besoins croissants de la recherche en environnement. Par exemple, il est devenu nécessaire de disposer de stations autonomes pouvant être laissées sur place à l’année et transmettant régulièrement les données recueillies (p. ex., une fois par mois). Dans le cadre des Projets majeurs de conception (PMC) du baccalauréat en génie de l’Université de Sherbrooke, une station autonome a été conçue pour des environnements extrêmes ou isolés (Figure 2). La base submergée contient les capteurs, qui sont choisis en fonction des paramètres physico-chimiques d’intérêt (p. ex. température, pH, conductivité, oxygène dissous). Elle se situe à une profondeur suffisante afin d’éviter la prise dans la glace, ce qui détériorerait le matériel. La base extérieure, fixée près de la rive du lac, permet de traiter et d’envoyer les données vers le laboratoire tout au long de l’année. Cette station, équipée d’une connexion ponctuelle à distance, permet le branchement de divers capteurs pour assurer le suivi environnemental. Grâce à son aspect compact, léger et simple d’utilisation, cette station peut donc être aisément déployée dans des environnements difficiles d’accès, comme le Grand Nord canadien, qui subit déjà les conséquences des changements climatiques. Elle permet de collecter de précieuses données in situ en continu sur la qualité de l’eau, ce qui était très difficile, voire impossible, avec des capteurs classiques.

Mesures à haute fréquence : des données essentielles au suivi de la qualité de l’eau

Dans les régions urbaines, la surveillance de la qualité de l’eau est primordiale, notamment pour s’assurer du respect des normes environnementales, évaluer la santé environnementale, mais aussi pour obtenir des données à long terme indispensables à notre compréhension des conséquences des changements climatiques. Jusqu’à présent, ces données essentielles étaient très souvent collectées directement depuis la rive ou depuis une embarcation, lorsque les conditions climatiques étaient favorables et/ou sécuritaires. Ainsi, peu de données sont disponibles pour les événements climatiques extrêmes (inondations, vagues de chaleur, tempêtes de pluie ou de neige) ou pendant des conditions nocturnes. La surveillance manuelle de la qualité des eaux est guidée, on le comprend aisément, par le bien-être et la sécurité du personnel impliqué. Cependant, cela peut créer un biais considérable dans les données récoltées. En effet, Rand et al. (2022) ont montré que l’échantillonnage manuel non continu dans une série de lacs du Maine (États-Unis) induit entre autres des températures plus élevées de 1 °C et des niveaux d’oxygène plus faibles (une différence de 0,4-0,8 mg/L) par rapport à une surveillance basée sur des bouées équipées de capteurs automatiques. Ce décalage est important, car il est comparable à l’incertitude des modèles numériques utilisés pour simuler les lacs et réservoirs à l’échelle planétaire. L’exemple suivant démontre bien l’importance du suivi continu et automatisé. En juillet 2023, la région du lac Memphrémagog et de la ville de Magog a reçu un total de 281 millimètres de pluie, soit près de deux fois et demie la moyenne (119 mm) enregistrée en juillet de 1991 à 2020 (Environnement Canada, 2024). Pendant la seule journée du 10 juillet 2023, un total d’environ 75 mm de pluie a été mesuré à Magog. En raison de ces conditions climatiques exceptionnelles, le plan d’eau est demeuré inaccessible pendant plusieurs semaines, rendant impossible l’acquisition de données ponctuelles sur la santé du lac à partir d’une embarcation. L’Observatoire interdisciplinaire sur les plans d’eau de l’Université de Sherbrooke avait déployé un mouillage équipé de bouées et de capteurs automatiques pour la température, la conductivité et l’oxygène dissous, afin de mesurer la qualité de l’eau en continu de janvier à décembre. Grâce à ce mouillage, il a été possible de mesurer la qualité de l’eau pendant les fortes précipitations de juillet 2023, en toute sécurité pour le personnel. La Figure 3 montre les variations de température et de conductivité de l’eau ainsi que la concentration en oxygène dissous, respectivement à un mètre (fond) et six mètres (surface) au-dessus des sédiments du fond de la baie de Magog (lac Memphrémagog). Les teneurs en oxygène dissous ont fortement diminué à la suite des fortes pluies de juillet 2023, ce qui peut avoir des effets néfastes notables sur les organismes aquatiques, comme les poissons (Figure 3). Cela est dû au fait que les inondations ont apporté de grandes quantités de sédiments et de matière organique dans le lac, ce qui a augmenté la conductivité et réduit la concentration en oxygène dissous.

Conclusion et perspectives

La surveillance continue des milieux aquatiques représente un levier essentiel pour mieux comprendre les effets des changements climatiques. Pour l’instant, les mesures environnementales quantitatives in situ de ces écosystèmes concernent des paramètres physicochimiques simples. Les exemples présentés dans cet article — qu’il s’agisse des environnements nordiques éloignés concernés par le dégel du pergélisol, ou du lac Memphrémagog soumis à des précipitations exceptionnelles — illustrent la pertinence d’un suivi en continu. Ces dispositifs permettent non seulement de combler les lacunes des méthodes traditionnelles, mais aussi de détecter plus rapidement les indicateurs de dégradation environnementale.

Bien que les capteurs automatiques disponibles commercialement permettent la surveillance continue de la qualité de l’eau, y compris lors d’événements climatiques extrêmes, il serait souhaitable de poursuivre leur développement afin qu’ils puissent mesurer un plus grand nombre de paramètres, notamment les contaminants organiques et inorganiques, tout au long de l’année et partout au pays. En effet, les propriétés plus complexes, telles que la composition de l’eau en composés carbonés ou en chlorophylle, bien qu’elles puissent maintenant être évaluées par imagerie satellitaire, nécessitent des prélèvements, qui sont ensuite analysés en laboratoire. La prochaine étape consistera à concevoir de nouveaux capteurs pour permettre la mesure de contaminants organiques et inorganiques et intégrer des échantillonneurs d’eau à des équipements d’analyse miniaturisés pour les contaminants nécessitant actuellement une analyse en laboratoire. L’accès rapide et à distance aux données permettrait de surveiller continuellement la qualité de l’eau et de réagir plus rapidement en cas de contamination ou de dégradation du milieu.

À terme, ces innovations pourraient transformer la manière dont nous surveillons et protégeons nos milieux aquatiques, en fournissant des données fiables, accessibles à distance, et directement exploitables pour orienter les décisions en matière de gestion environnementale et d’adaptation aux changements climatiques.

Remerciements

Nous remercions chaleureusement tous les membres des équipes des Projets majeurs de conception (PMC) du baccalauréat en génie de l’Université de Sherbrooke : SAUM (Station d’accueil universelle multicapteurs ; promotion 2024), M. Marcotte, A. Fontau, Z. Gagnon, J. Rousseau, N. Laroche-Latulippe, S. Leroux, D. Blanchette, ainsi qu’ECOCAPTEURS (promotion 2022), S. Cloutier, M. Giroux, J.P. Perreault, A. Plourde et Z. Servant-Joncas. Nous remercions également la Ville de Sherbrooke et la Ville de Magog pour leurs contributions financières et logistiques, respectivement.