RIBEIRO MARQUES DA SILVA Paulo

La production de sédiments s’intensifie souvent dans les zones périurbaines en raison de la transition de paysages ruraux vers des milieux urbanisés. Bien que la dynamique des sédiments dans ces contextes reste complexe et mal comprise, le développement urbain peut générer d’importantes quantités de sédiments fins, ce qui souligne l’importance de surveiller les impacts de chaque phase d’urbanisation. Cependant, le suivi des matières en suspension à haute résolution spatio-temporelle demeure un défi, limitant notre capacité à analyser les effets de l’urbanisation sur la dynamique sédimentaire. La turbidité est fréquemment utilisée comme indicateur indirect des matières en suspension. Toutefois, les capteurs de turbidité commerciaux présentent des contraintes majeures pour une surveillance continue à grande échelle, en raison de leur coût élevé. Dans ce contexte, les technologies à bas coût offrent une alternative prometteuse pour mieux comprendre la dynamique des sédiments en suspension dans des milieux complexes tels que les bassins versants périurbains. Leur accessibilité permet une couverture spatiale élargie et une fréquence d’acquisition accrue, rendant possible une surveillance à haute résolution. Malgré ce potentiel, l’utilisation in situ de capteurs à bas coût reste difficile, en raison de la fragilité des composants électroniques et des interférences environnementales (lumière ambiante, variations de température, bioencrassement). Pour répondre à ces défis, nous avons développé une station de mesure de la turbidité automatisée et économique, basée sur un système à cellule d’écoulement, où l’eau est pompée à travers un capteur pour analyse. À notre connaissance, cette station mobile représente le premier dispositif de ce type à bas coût testé in situ sur une longue période. Grâce à un design innovant, elle permet de mesurer la température de l’eau, la turbidité, la concentration en matières en suspension et le niveau d’eau dans divers milieux : lacs, rivières, réseaux d’eaux pluviales. Les performances de la station ont été évaluées par comparaison avec des sondes commerciales haut de gamme. Les tests ont été menés dans des canaux naturels et artificiels aux caractéristiques variées (climat, usage des sols, échelle des bassins) sur des sites d’étude à Lyon (France) et Melbourne (Australie). Grâce à cette station, nous avons étudié l’impact des différentes phases d’urbanisation sur la dynamique des sédiments. Nous avons surveillé les concentrations et les flux de matières en suspension dans six réseaux de drainage pluvial associés à de petits bassins versants (0,05 à 0,3 ha), sur six mois, dans une zone périurbaine en urbanisation active au sud-est de l’Australie. Ces sites couvraient un éventail de stades de développement, allant des travaux de terrassement à des zones totalement urbanisées. Les résultats montrent que les premières phases de développement urbain sont les plus productrices de sédiments fins, représentant un risque élevé pour les milieux aquatiques en aval. Cette étude démontre l’intérêt de combiner des technologies de surveillance innovantes, basées sur l’Internet des objets (IoT), à des analyses spatio-temporelles, pour mieux comprendre la dynamique des sédiments dans des milieux en transformation rapide. Elle souligne aussi l’importance des mesures de contrôle de l’érosion et des sédiments dès les premières phases de développement. Une mise en œuvre préventive de ces mesures est essentielle pour limiter les impacts et protéger les milieux aquatiques. Ce travail contribue à la démocratisation de la surveillance environnementale à bas coût et ouvre la voie à de futures innovations en recherche hydrologique et en gestion de la qualité de l’eau.

Mots-clés : Zones périurbaines ; Low-cost ; Surveillance ; Eaux pluviales ; Turbidité ; Rendements en matières en suspension

Sediment production is often intensified in peri-urban areas due to the transition from predominantly rural to urbanized landscapes. Although sediment dynamics in urbanizing environments remain complex and poorly understood, urban development can generate substantial quantities of fine sediment, underscoring the importance of monitoring the impacts of each stage of urbanization. However, monitoring suspended solids dynamics at high spatial and temporal resolutions continues to present a significant challenge, limiting our ability to elucidate the impacts of urbanization processes on sediment dynamics. Turbidity is commonly used as a proxy for assessing suspended solids dynamics. However, commercial turbidity sensors can pose considerable limitations for studies requiring continuous monitoring across multiple locations within stream networks, primarily due to their high associated costs. In this context, low-cost technologies offer a promising alternative to improve our understanding of suspended sediment dynamics in complex environments such as peri-urban catchments. Their affordability enables broader spatial coverage and more frequent data collection, making high-resolution monitoring both feasible and scalable. Despite this potential, in-situ monitoring using low-cost sensors remains challenging due to limitations in sensor and electronics robustness, along with environmental interferences such as ambient light variability, temperature fluctuations, and biofouling. To address these challenges, we developed an automated, low-cost turbidity monitoring station based on a flow-cell design, in which water samples are pumped through the turbidity sensor for measurement. To the best of our knowledge, this mobile station represents the first low-cost, flow-cell-type system developed and tested in situ over an extended period. With an innovative design, the station is capable of monitoring water temperature, turbidity, suspended solids concentration, and water level across a variety of settings, including lakes, rivers, and stormwater systems. We assessed the performance of the monitoring station by comparing its measurements against those from high-cost commercial turbidity probes. Performance evaluations were conducted in both natural and artificial channels exhibiting diverse characteristics, including variations in climate, land use, and catchment scale, across study sites in Lyon, France, and Melbourne, Australia. Using this low-cost monitoring station, we set out to better understand the impacts of the various stages of urbanization on sediment dynamics. To do so, we monitored suspended solids concentrations and loads in six stormwater drainage systems with small, street-scale catchments (catchment areas ranging from 5*10-2 to 3*10-1 ha) over a six-month period in southeastern Australia. The study was conducted in a peri-urban area undergoing active urbanization, encompassing a range of development stages, from bulk earthworks and road construction to fully urbanized sites. The results highlighted that early stages of urban development are major contributors to fine sediment production, presenting a high risk to sensitive downstream water bodies. The findings of this thesis underscore the value of integrating innovative Internet of Things (IoT)-based monitoring technologies with geospatial and time-series analysis to better understand sediment dynamics in complex, rapidly urbanizing landscapes. Furthermore, the results highlight the critical importance of erosion and sediment control measures, particularly during the initial stages of development. These controls require proactive implementation to mitigate fine sediment impacts and protect downstream waterbodies. Ultimately, this work contributes not only to the advancement of low-cost environmental monitoring but also provides a foundation for future innovations in hydrological research and water quality management.

Keywords: Peri-urban areas ; Low-cost ; Monitoring ; Stormwater ; Turbidity ; Suspended solids yield


Membres du jury : 
- M. Etienne COSSART, Professeur des universités, Université Jean Moulin Lyon 3, Co-directeur de thèse
- M. Tim FLETCHER, Professeur, Université de Melbourne, Co-directeur de thèse
- M. Ryan WINSTON, Professeur associé, Université d'état de l'Ohio, Rapporteur
- Mme Anne JEFFERSON, Professeure, Université du Vermont, Rapporteure
- Mme Yang LIU, Professeure, Université de technologie du Queensland, Examinatrice
- Mme Hélène CASTEBRUNET, Maîtresse de conférences, Université Grenoble Alpes, Examinatrice
- Mme Kathryn RUSSELL, Chercheuse, Université de Melbourne, Examinatrice
- M. Frederic CHERQUI, Maître de conférences, Institut national des sciences appliquées de Lyon, Examinateur

Présidence du jury : Mme Yang LIU