Riverine fluxes of pollutants: Towards predictions of uncertainties by flux duration indicators

Discrete river water quality surveys (sampling frequencies from 2, 3, …, 30 days) are simulated using a Monte Carlo technique on a set of four French stations (Seine, Marne, Oise, Loire Rivers) and two Lake Erie's tributaries (Grand, Cuyahoga Rivers) surveyed daily during at least 10 years, for various riverborne materials (Total Dissolved Solids–TDS, Cl−, NO3−, NH4+, PO43−, total N, total P and Suspended Particulate Matter–SPM), corresponding to 300 years of daily records. Related interannual and annual fluxes are then calculated using the discharge-weighted concentration method. The comparison between sorted fluxes and reference fluxes, as determined from daily records, gives the errors distribution: imprecisions (ranges between upper and lower deciles of errors) and biases (median of errors). For a given sampling frequency, both errors can be predicted from a single indicator, the percentage of riverine long-term flux transported in 2% of the time (M2). The nomograph linking imprecisions and biases to M2, for a given frequency, has been established and validated previously for SPM. We demonstrate here that the M2 nomograph is applicable to all other types of river material (major ions, dissolved and total nutrients). Flux errors are also determined on an annual basis and compared to annual flux duration indicators (m2): the same M2 – error nomograph is still applicable. Station comparison suggests a possible regionalisation of M2 indicators – for a given class of river material and for similar stations – and, therefore, of flux errors and/or a possible optimization of river surveys for a given targeted error.

RésuméDes échantillonnages discrets de la qualité des eaux (fréquences 2, 3, …, 30 jours) sont simulés par la technique de Monte Carlo sur un ensemble de quatre stations françaises (Seine, Oise, Marne, Loire) et deux stations situées sur des affluents du lac Érié (Grand, Cuyahoga) suivies journellement pendant 10 ans au moins pour divers matériaux fluviaux (sels dissous totaux, Cl−, NO3−, NH4+, PO43−, azote total, phosphore total et MES), soit 300 années de suivis journaliers au total. Les flux interannuels et annuels correspondants sont simulés avec la méthode des concentrations moyennes pondérées par les débits. La comparaison des flux simulés et des flux réels permet d’établir la distribution des erreurs : imprécisions (écarts des déciles inférieurs et supérieurs des erreurs) et biais (médianes) par un indicateur unique, le pourcentage du flux transporté à long terme en 2 % du temps (M2). L’abaque reliant les imprécisions et les biais à M2, sur des fréquences données, a été établi et validé précédemment. Nous démontrons qu’il est aussi applicable aux autres types de matériaux (ions majeurs, nutriments dissous et totaux). Les erreurs sur les flux sont aussi déterminées et comparées aux indicateurs de durée des flux pour 2 % du temps (m2), au pas de temps annuel : l’abaque erreur–M2 reste applicable. La comparaison des stations suggère une possible régionalisation de l’indicateur M2 – pour un même type de matériau fluvial et pour des bassins semblables –, et donc des erreurs commises sur les flux, et/ou une optimisation des surveillances en fonction d’une erreur préciblée.