Comprendre les défis de l'échantillonnage d'eau froide

La collecte d'échantillons d'eau à des températures inférieures à zéro ou dans des plans d'eau recouverts de glace nécessite des approches spécialisées qui vont bien au-delà des protocoles d'échantillonnage standard sur le terrain. Les conditions de congélation peuvent modifier la chimie des échantillons, le matériel de dommages et créer de graves risques pour la sécurité.

L'échantillonnage de l'eau dans les climats froids est essentiel pour les évaluations des répercussions environnementales, la surveillance de la qualité de l'eau potable et la recherche sur les changements climatiques. La présence de glace, de neige et de froid extrême peut introduire des artéfacts tels que le gel-concentration des solides dissous, les changements de pH et la perte de composés volatils.

Ce guide s'étend sur les techniques fondamentales, en traitant de la sélection de l'équipement, des méthodes de pénétration de la glace, de la conservation des échantillons, de la documentation sur le terrain, des protocoles de sécurité et de la manipulation après collecte.Pour plus de renseignements sur les procédures d'échantillonnage standard, consulter le guide de l'EPA sur l'échantillonnage de l'eau[ et le manuel de l'USGS sur les techniques d'échantillonnage de l'eau.

Préparation et planification préalable au terrain

La préparation approfondie est le fondement d'un échantillonnage réussi du climat froid. Les efforts accélérés dans des conditions extrêmes entraînent souvent des ensembles de données incomplets, des défaillances d'équipement ou des incidents de sécurité.

Inventaire et conditionnement du matériel

Tous les équipements d'échantillonnage doivent fonctionner de façon fiable à des températures inférieures à zéro. Les batteries perdent rapidement leur capacité au froid; elles apportent des pièces de rechange et les maintiennent au chaud dans des sachets isolés.

  • Contenants d'échantillons isolés:[ Utiliser des bouteilles en polyéthylène haute densité (HDPE) ou en verre avec bouchons en polypropylène.
  • Les outils de pénétration de glace :[ Les augures à gaz, les barres de ciseau et les pics de glace sont essentiels pour la glace épaisse (de plus de 30 cm).
  • Les dispositifs de chauffage: Les chauffe-eau, les bouteilles d'eau chaude ou les chauffe-mains chimiques peuvent dégeler les ports d'échantillonnage ou les fils de bouteille. N'utilisez jamais de flammes ouvertes près des échantillonneurs de composés organiques volatils (COV).[
  • Équipement de protection individuelle (EPI):[ Gants isolés à -30°C, bottes étanches avec doublures en feutre, couvertures thermiques et masques pour le visage.
  • Fournitures de documentation sur le terrain: Utiliser du papier et des crayons tout-temps (les gels d'encre et les stylos peuvent échouer).

Information sur la reconnaissance et la sécurité du site

Consultez le site d'échantillonnage si possible. Évaluer l'épaisseur de la glace, les tendances du courant et les dangers tels que les crêtes de pression ou les canaux d'écoulement. Établir un système de jumelage, convenir des signaux d'urgence et identifier le refuge le plus proche.

Pénétration des glaces et accès à l'échantillonnage

L'accès à l'eau libre par la glace nécessite une approche systématique pour éviter la contamination et les blessures. La technique dépend de l'épaisseur de la glace, du type (glace bleue claire par rapport à la neige blanche) et de la profondeur de la colonne d'eau.

Évaluation de l'épaisseur de la glace

Mesurer l'épaisseur de la glace à l'endroit de l'échantillonnage en utilisant une auge de glace ou un ciseau. La glace bleue est plus claire et plus solide que la glace blanche, la glace de bulle ou la glace de neige. En règle générale, la glace fine (moins de 10 cm) est dangereuse pour la circulation des pieds.

Forage et enlèvement du trou

Pour la glace plus épaisse que 15 cm, une augure à gaz de 20 à 25 cm de diamètre est la plus efficace. Pour la glace plus mince, une barre manuelle de givre fonctionne. Après le forage, retirer la glace avec une boule à fentes pour éviter le gel. Travailler rapidement mais avec précaution—l'eau exposée commence à geler en quelques minutes dans des températures de l'air inférieures à -10°C. Si l'échantillonnage nécessite plusieurs profondeurs, abaisser l'échantillonneur à travers le trou immédiatement après le défrichement.

Lorsque vous utilisez des méthodes de chauffage pour faire fondre un trou (p. ex. dans de la glace très épaisse ou pour un accès de petit diamètre), évitez d'appliquer de la chaleur près de l'apport d'échantillon.

Échantillonnage des flux sous-icés

Dans les rivières ou les cours d'eau à couverture de glace, l'eau peut couler sous une surface gelée. Percez des trous à plusieurs points de transect pour assurer un mélange latéral représentatif. Ne pas prélever immédiatement après le forage; laissez l'eau se stabiliser pendant 30 secondes pour permettre à toute puce de glace ou à tout sédiment perturbé de se déposer.

Pour les lacs, placez le trou d'échantillonnage loin de la rive (au moins 10 mètres) pour éviter les eaux peu profondes et proches de la côte qui peuvent être chimiquement distinctes ou affectées par les effets de la glace.

Techniques de collecte d'échantillons

Une fois l'accès établi, la collecte d'échantillons doit réduire au minimum les altérations de la chimie de l'eau. Les températures froides peuvent supprimer l'activité biologique mais aussi augmenter la solubilité des gaz comme l'oxygène et le dioxyde de carbone.

Échantillonnage de la profondeur spécifique ou de la prise

  • Échantillonnage intégré de la septicémie: Utiliser un échantillonneur de Kemmerer ou Van Dorn avec un déclencheur de style Niskin. Abaisser lentement l'échantillonneur pour éviter une stratification thermique perturbatrice. Isoler le corps de l'échantillonneur avec une mousse à cellules fermées pour empêcher la congélation et le givrage du mécanisme de déclenchement.
  • Echantillonnage de la couche d'eau : Pour les eaux peu profondes (<3 m), utilisez un échantillonneur à pôles étendus ou un poivrier attaché à une poignée isolée.
  • Échantillons en blanc et en double : Recueillir toujours au moins un blanc en utilisant de l'eau désionisée exposée aux mêmes conditions de froid.

Préservation et mesures sur le terrain

Dans les climats froids, la conservation de l'acide (p. ex. acide nitrique pour les métaux) peut être effectuée à l'intérieur d'un véhicule ou d'un abri chauffé, car la réaction acide peut ralentir à basse température.

Les mesures sur le terrain doivent être effectuées dès que possible après la collecte. Utilisez un sonde multiparamètre qui peut supporter des températures jusqu'à -2°C. Calibrez le sonde à une température à moins de 5°C de l'échantillon. Paramètres à enregistrer : température, pH, conductivité, oxygène dissous (titrage ou capteur) et turbidité. Notez tout cristal de glace ou glace frazile dans l'échantillon car cela affecte les résultats.

Pour les métaux traces, les échantillons de filtre sur le terrain à l'aide d'un filtre de 0,45 μm. Prérincer l'unité de filtration avec de l'eau de prélèvement. Dans des conditions de congélation, le filtrage peut prendre plus de temps.

Manipulation, transport et préservation des échantillons

Les températures froides peuvent préserver certains constituants (p. ex., les nutriments) mais en dégrader d'autres (p. ex., les composés fragiles). L'objectif est de conserver les échantillons à 4°C ± 2°C pendant le transport, mais de ne pas les laisser congeler solides, ce qui peut concentrer les analytes, briser les cellules et endommager les contenants en verre.

Stockage et isolement sur le terrain

  • Utilisez des refroidisseurs isolés avec des paquets de glace (pas de glace humide) pour maintenir une température froide stable sans gel. Dans le froid extrême, les paquets de glace peuvent geler trop dur—utiliser des paquets de gel avec des matériaux de changement de phase conçus pour des conditions subzéro.
  • Placer une couche de mousse isolante entre les bouteilles d'échantillon et les parois de refroidissement. Ne pas remplir trop; laisser de l'espace pour le tampon de température.
  • Si vous utilisez de la glace carbonique pour les envois congelés (obligatoire pour certains composés organiques), emballez les échantillons dans un contenant en liserie à l'intérieur du refroidisseur pour éviter que l'absorption du CO2 ne modifie le pH.
  • Conserver les flacons de composés organiques volatils (COV) complètement remplis d'espace de tête zéro et les envelopper de ruban isolant pour ralentir la diffusion.

Chaîne de garde et de documentation

Les conditions froides entraînent souvent des périodes d'attention raccourcies et des formalités précipitées. Utilisez un formulaire de chaîne de sécurité préimprimé (COC) avec des couvercles étanches aux intempéries. Consignez toutes les conditions pertinentes sur le terrain : température de l'air, température de l'eau, épaisseur de la glace, vitesse du vent, couverture nuageuse, présence de neige sur la glace, et toute observation de glace ou de louche dans l'échantillon.

Si les échantillons doivent être conservés plus de 48 heures avant l'analyse, geler les échantillons d'eau pour certains paramètres (p. ex. nitrate, phosphate) mais noter que les cycles de gel-dégel peuvent modifier les concentrations de particules.

Assurer la qualité des données dans les environnements subzero

L'assurance de la qualité (AQ) dans l'échantillonnage du climat froid exige des étapes supplémentaires au-delà des protocoles standard. Le risque de contamination par la fonte de la glace, la condensation et le gel de l'équipement est élevé.

Duplicats aveugles et couvertures de champ

Recueillir un blanc de champ à chaque site, de préférence en utilisant de l'eau désionisée qui a été exposée aux mêmes conditions de manipulation et d'air froid que les échantillons. Ce blanc indique si la contamination provient du punch, de la mise à l'eau ou des bouteilles d'échantillons.

Utilisation des couvertures de vérification de préservation

Les conservateurs eux-mêmes peuvent congeler ou précipiter à basse température. Pour les échantillons de métaux conservés à l'acide, inclure un blanc conservé --qui ne contient que de l'eau acide et désionisée, entreposé et transporté dans les mêmes conditions froides.

Dépollution de l'équipement sur le terrain

Entre les sites d'échantillonnage, les échantillonneurs décontaminent en utilisant un triple rinçage avec de l'eau de site (ou avec de l'eau désionisée si la contamination croisée est préoccupante).

Protocoles de sécurité pour le travail sur glace et le froid extrême

L'échantillonnage dans la glace exige une atténuation précise des risques; même les équipes expérimentées ont subi une hypothermie et des accidents liés à la glace.

Liste de contrôle de la sécurité des glaces

  • Toujours tester l'épaisseur de la glace à plusieurs points avant de marcher sur la glace. Utilisez une barre de glace ou de la boue.
  • Portez un dispositif de flottaison personnel (PFD) avec un crochet de sauvetage et portez des pics à glace (deux pics portatifs) pour vous arracher si vous tombez à travers.
  • Ne jamais échantillonner seul – toujours avoir un ami à terre qui peut appeler à l'aide. Établir un contact visuel en tout temps.
  • Utiliser un système de corde : une extrémité attachée à un arbre ou à une ancre fixe, l'autre au harnais échantillonneur.
  • Conserver un changement de vêtements secs dans un sac étanche dans le véhicule ou le traîneau.

Surveillance de la santé en temps froid

Faites attention aux signes d'hypothermie (causée, confusion, mauvaise coordination) et d'engelures (nombre, taches blanches sur la peau). Faites tourner les membres de l'équipe dans un véhicule chauffé toutes les 45 minutes dans un froid extrême (< -20°C). Assurez-vous que les mains et les pieds restent chauds – l'engourdissement provoqué par le froid peut entraîner la chute d'outils et la perte d'échantillons.

Portez une trousse de premiers soins prête à l'emploi avec des couvertures thermiques supplémentaires, des chauffe-mains et une thermos à boisson chaude. Ne pas ignorer les premiers signes de stress à froid; les décisions réactives sont plus lentes dans les environnements froids.

Considérations en matière de réglementation et de rapports

De nombreux permis environnementaux et programmes de surveillance exigent que des échantillons d'eau soient prélevés et analysés selon des protocoles précis. Les conditions climatiques froides peuvent justifier des écarts, mais ces écarts doivent être documentés et justifiés dans le rapport final.

Conformité aux méthodes normalisées

Adhérez à la série Méthodes standard pour l'examen des eaux et des eaux usées (23e édition ou plus tard) ou à la série ISO 5667, le cas échéant. Pour les plans d'eau recouverts de glace, le manuel de campagne national de l'USGS recommande une clause ="de glace mince" qui permet d'autres méthodes d'accès si l'échantillonnage standard en eau libre est impossible.

Déclaration des données sur la glace de glace

Dans le rapport de terrain, veuillez inclure les détails suivants : date, heure, emplacement exact (coordonnées GPS), épaisseur de la glace, profondeur de neige sur la glace, température de l'air et de l'eau, que la colonne d'eau soit isotherme ou stratifiée, et méthode de pénétration de la glace.

Exemple : Échantillonnage hivernal dans les étangs de la toundra de l'Alaska

Une étude de 2022 sur la chimie du dégel des lacs dans le nord de l'Alaska a démontré que les échantillons prélevés par la glace à l'aide d'une pompe péristaltique chauffée produisaient du carbone organique dissous (COD) de 15 % de plus que ceux prélevés avec un échantillonneur Van Dorn standard, probablement en raison d'une réduction du dégazage.

Conclusion

L'échantillonnage de l'eau dans les climats froids exige une planification rigoureuse, un équipement spécialisé et une forte importance pour la sécurité.De la perçage à la glace épaisse à la préservation des composés volatils à des températures inférieures à zéro, chaque étape comporte des risques qui peuvent compromettre la qualité des données.En suivant les pratiques exemplaires décrites ici – déployer des contenants isolés, évaluer soigneusement l'épaisseur de la glace, utiliser des échantillonneurs adaptés à la profondeur, maintenir un programme solide d'AQ/CQ et établir des priorités en matière de sécurité du personnel – les équipes de terrain peuvent recueillir des échantillons d'eau fiables qui appuient des évaluations environnementales précises et la conformité réglementaire.

Comme le changement climatique modifie les conditions hivernales à l'échelle mondiale, la demande de données sur les eaux froides de haute qualité ne fera qu'augmenter. L'investissement dans la formation, l'équipement et les protocoles appropriés garantit aujourd'hui que cette information critique demeure digne de confiance pendant des décennies. Pour plus de détails sur les techniques connexes, consultez la norme de l'ASTM D4447 pour l'échantillonnage de l'eau dans les eaux couvertes de glace et le manuel de l'UNESCO/OMS sur l'évaluation de la qualité de l'eau.