Back to Search Start Over

Quantifying suspended sediment sources during runoff events in headwater catchments using spectrocolorimetry

Authors :
Jérôme Poulenard
Olivier Evrard
Thomas Grangeon
Michel Esteves
Cédric Legout
Oldrich Navratil
Julien Némery
Laboratoire d'étude des transferts en hydrologie et environnement (LTHE)
Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG)
Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Environnements, Dynamiques et Territoires de la Montagne (EDYTEM)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])
Environnement Ville Société (EVS)
École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-École des Mines de Saint-Étienne (Mines Saint-Étienne MSE)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-Université Jean Moulin - Lyon 3 (UJML)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE)-École nationale supérieure d'architecture de Lyon (ENSAL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [Gif-sur-Yvette] (LSCE)
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)
Géochimie Des Impacts (GEDI)
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)
Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG)
Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Environnements, Dynamiques et Territoires de Montagne (EDYTEM)
Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Environnement, Ville, Société (EVS)
École normale supérieure de Lyon (ENS de Lyon)-École des Mines de Saint-Étienne (Mines Saint-Étienne MSE)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE)-École nationale supérieure d'architecture de Lyon (ENSAL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG)
Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)
École normale supérieure - Lyon (ENS Lyon)-Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-Université Jean Moulin - Lyon 3 (UJML)
Université de Lyon-Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-École Nationale des Travaux Publics de l'État (ENTPE)-École des Mines de Saint-Étienne (Mines Saint-Étienne MSE)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École nationale supérieure d'architecture de Lyon (ENSAL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Journal of Soils and Sediments, Journal of Soils and Sediments, Springer Verlag, 2013, p. 1478-1492. ⟨10.1007/s11368-013-0728-9⟩, Journal of Soils and Sediments, 2013, 13, p. 1478-1492. ⟨10.1007/s11368-013-0728-9⟩
Publication Year :
2013
Publisher :
HAL CCSD, 2013.

Abstract

International audience; Purpose Understanding hydro-sedimentary dynamics at the catchment scale requires high temporal resolution data on suspended sediments such as their origin, in addition to the common measurements of sediment concentrations and discharges. Some rapid and low-cost fingerprinting methods based on spectroscopy have recently been developed. We investigated how visible spectra could be used to predict the proportion of various source materials in suspended sediment samples, paying particular attention to the potential alteration of spectrocolorimetric signatures between soils and suspended sediments during transport. Materials and methods The 22-km2 Galabre catchment, France, is composed of black marls, limestones, molasses, undifferentiated deposits and gypsum. Forty-eight source materials were sampled and 328 suspended sediment samples were collected at the outlet during 23 runoff events. Measurements were taken with a diffuse reflectance spectrophotometer on dried samples. As the erosion processes are particle size selective, five particle size fractions of source material were measured in order to assess the potential alteration of the fingerprint signatures. As the biogeochemical processes occurring in the river could also affect the signatures, source materials were immersed in the river for durations ranging from 1 to 63 days and subsequently measured. Finally, partial least-squares regression models were constructed on 81 artificial laboratory mixtures to predict the proportions of source materials. Results and discussion The spectrocolorimetric me asurements discriminated the primary source materials but not the Quaternary deposits. As the gypsum was not conservative, only the black marls, molasses and limestones were used in the fingerprinting procedure. The construction of the partial least-squares regression models led to a median absolute error of 1.1%. This error increased to 3.9% when the models were applied to source samples with: (1) different particle sizes; (2) different durations spent in the river; or (3) different origins than those used for their construction. The effect of particle size on the fingerprinting procedure was larger than the effect of biogeochemical reactions or the spatial variability of the spectrocolorimetric signatures. Half of the 23 runoff events analysed exhibited huge variations in the source proportions from one sediment sample to another. Conclusions The spectrocolorimetric fingerprinting approach was able to quantify routinely the proportion of primary source materials in all suspended sediment samples collected during runoff events. The high temporal resolution of the predicted proportions revealed that only analysing three or four suspended sediment samples during a runoff event could lead to a misunderstanding of the hydrosedimentary processes for more than half of the investigated runoff events.

Details

Language :
English
ISSN :
14390108 and 16147480
Database :
OpenAIRE
Journal :
Journal of Soils and Sediments, Journal of Soils and Sediments, Springer Verlag, 2013, p. 1478-1492. ⟨10.1007/s11368-013-0728-9⟩, Journal of Soils and Sediments, 2013, 13, p. 1478-1492. ⟨10.1007/s11368-013-0728-9⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....9f3e41364b917800a3dfafa181cb0452
Full Text :
https://doi.org/10.1007/s11368-013-0728-9⟩