Estimation de l’état hydrique des sols en afrique de l’ouest par télédétection spatiale

L’humidité du sol et sa mesure 

L’eau est une ressource vitale à la fois pour l’agriculture, pour l’approvisionnement en eau potable, pour la santé des populations et toute vie sur Terre en dépend. L’eau est toujours en mouvement et change continuellement d’état, entre le liquide (la pluie, la rosée, le brouillard), le gaz (vapeur), le solide (la glace, la neige). Le cycle de l’eau décrit l’existence et le mouvement de l’eau sur, dans et au-dessus de la Terre et son impact sur la circulation entre les océans, l’atmosphère et les surfaces terrestres. L’eau de la zone non saturée du sol de la surface continentale est appelée humidité du sol. Bien que l’humidité du sol corresponde à 0.005 % de l’eau sur la Terre, elle joue cependant un rôle important dans le cycle de l’eau.

Le cycle de l’eau 

Le cycle de l’eau  est une composante essentielle du système climatique de notre planète. La plus grande partie des précipitations atteint les océans ou s’infiltre dans le sol, le reste est immédiatement évaporé dans l’atmosphère non-saturée. Certaines précipitations tombent sous forme de neige et peuvent s’accumuler en tant que calottes glaciales et glaciers. Une petite fraction des pluies peut être interceptée par la végétation. Une pellicule d’eau s’accumule sur la surface continentale et s’écoule selon la pente: c’est le ruissellement. L’écoulement de surface, la neige fondante et le suintement souterrain s’accumulent en tant qu’eau douce dans les lacs et rivières. Tous les ruissellements n’atteignent pas les rivières et les océans. Une grande partie s’infiltre dans le sol.

Près de la surface du sol (la zone non-saturée du sol), où les pores du sol contiennent de l’eau et de l’air, une partie de cette eau peut retourner vers la surface. La transpiration de la végétation extrait l’eau de cette zone, et l’énergie fournie par le rayonnement du soleil provoque l’évaporation des particules liquides des surfaces continentales.

A partir d’une certaine profondeur, la quantité d’eau n’augmente plus car le sol est saturé et tous les pores sont remplis d’eau. Cette zone forme donc une nappe. L’eau souterraine ne représente que 0.59 % de l’eau douce totale. Les racines des plantes peuvent extraire l’eau souterraine et une partie de cette eau va transiter dans l’atmosphère à travers les stomates des plantes. L’eau dans l’atmosphère est souvent stockée en tant que vapeur, nuages et humidité; et elle se déplace avec la circulation des masses d’air.

Une quantité d’eau peut pénétrer encore plus profondément et atteindre des couches aquifères (roches souterraines saturées) qui contiennent d’importantes teneurs en eau douce et les maintiennent durant de longues périodes. Avec des vitesses très lentes, cette eau continue d’être en mouvement et une partie arrive aux océans. Dans l’atmosphère, les nuages sont formés par le processus de transformation de la vapeur en eau liquide (appelé la condensation). La plupart de l’eau dans les nuages provoque des précipitations basées sur la condensation et l’accumulation des gouttelettes d’eau. De cette manière l’eau retourne sur Terre et le cycle de l’eau recommence.

L’humidité du sol 

L’humidité du sol est un terme qu’il convient de définir. La quantité d’eau contenue entre les particules du sol dans la zone non saturée des surfaces continentales est appelée l’humidité du sol. Une autre définition, la plus commune, est le rapport entre le volume total d’eau présent dans la zone non saturée du sol et le volume total de sol. En général, l’humidité du sol s’exprime en unités gravimétriques (g/cm3) ou unités volumétriques (m3/m3) ou (% vol.). Dans cette Thèse, l’humidité du sol sera souvent distinguée en deux termes, l’humidité de surface du sol qui correspond aux premiers centimètres de sol (0 – 5 cm en général), et l’humidité du sol de la zone racinaire qui correspond au compartiment de sol dont l’eau peut être extraite par la végétation. La profondeur racinaire dépend fortement du type de végétation et varie généralement entre 0.5 et 8 mètres. On présente dans ce qui suit une revue des termes concernant strictement l’humidité du sol ainsi que les notions pour mieux comprendre l’humidité du sol.

La mobilité de l’eau dans le sol

La différence d’énergie potentielle de l’eau entre deux points, est la possibilité de déplacement de l’eau dans le sol. Les mouvements d’eau dans le sol permettent de rétablir l’équilibre d’énergie potentielle de l’eau entre ces deux points.

La mobilité de l’eau dans le sol change en fonction de plusieurs composants:
– L’humidité rencontrée dans le sol: l’eau est fortement retenue par les particules de sol lorsque le sol est sec. Au delà, dans la zone plus humide, l’eau se déplace vers la zone plus sèche dans toutes les directions par l’action de la tension superficielle (la succion de l’eau par les particules de sol) qui est prépondérant sur celui de la gravité (l’écoulement de l’eau en profondeur). Cela explique le phénomène de mouvement, de diffusion et de capillarité entre l’horizon profond plus humide et le horizon de surface plus sec. Par contre, dans la zone saturée, l’écoulement gravitaire domine.
– La texture du sol: l’argile et l’humus retiennent fortement l’eau du fait de la finesse des particules, de leur polarité et de leurs grandes surfaces d’échange.
– Le tassement du sol et sa porosité: l’eau est d’avantage retenue et circule lentement en sol tassé, ou faiblement poreux. Cependant, en conditions sèches, il arrive souvent que les sols tassés soit plus conducteurs.
– L’humidité à la capacité au champ: il s’agit du taux d’humidité d’un sol réessuyé dans des conditions où le drainage est assuré librement. En fait, elle constitue le volume d’eau qu’une colonne de sol peut retenir.
– L’humidité au point de flétrissement: elle correspond au taux d’humidité d’un sol pour lequel l’eau est retenue avec une intensité supérieure aux forces d’extraction des racines.
– La réserve utile du sol : Les plantes extraient l’eau du sol. Cette succion est possible jusqu’à une certaine valeur limite du volume en eau du sol. Les racines doivent vaincre le potentiel matriciel qui retient l’eau et qui augmente avec le départ de l’eau; au delà d’une certaine valeur, la plante ne peut plus vaincre la tension et satisfaire son besoin, elle flétrit. La réserve utile (RU) en eau d’un sol, exprimée en millimètre d’eau, correspond à la quantité d’eau que le sol peut absorber et restituer à la plante.

L’assèchement du sol

Le sol s’assèche plus rapidement dans les horizons de surface du fait de l’évaporation naturelle au sol et de la forte densité de racines. L’extraction des racines et les différences d’humidité entre la surface et les horizons plus profonds provoquent des remontées d’eau par capillarité. Ces remontées diffèrent selon la texture du sol et sa porosité :
– En sols sableux, les remontées sont plus rapides mais elles interviennent seulement sur de faibles profondeurs (20 à 30 cm de sol).
– En sols argileux et/ou compacts, les remontées sont bien plus lentes, mais elles interviennent sur des profondeurs plus importantes (80 à 100 cm).

Les échanges Sol – Végétation – Atmosphère

L’évaporation et la transpiration constituent deux variables importantes dans les processus d’échanges d’eau et d’énergie à l’interface entre les surfaces continentales et l’atmosphère . Une fraction de l’eau qui s’infiltre dans le sol est évaporée dans l’atmosphère non saturée, soit directement, soit par l’intermédiaire des plantes: toutes ces pertes en eau, sont appelées évapotranspiration.

L’évaporation est le processus qui permet à l’eau liquide de se transformer en vapeur. Elle est la principale façon par laquelle l’eau liquide se transforme en vapeur d’eau dans l’atmosphère. Le rayonnement solaire incident est la chaleur fournie par le soleil, il est nécessaire à l’évaporation. Cette énergie permet d’extraire les molécules d’eau, ce qui provoque l’évaporation. Sur les surfaces continentales, les conditions climatiques et de surface (le rayonnement solaire, la température de l’air, la température du sol, le vent, les précipitations, l’humidité du sol, le type de sol, la rugosité de la canopée, la surface foliaire et l’espèce de la plante) sont des facteurs à fort impact sur le processus d’évapotranspiration. Ce processus a une influence importante sur le cycle de l’énergie ainsi que sur le cycle de l’eau continentale.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 L’humidité du sol et sa mesure
1.1 Introduction
1.2 Le cycle de l’eau
1.3 L’humidité du sol
1.3.1 La mobilité de l’eau dans le sol
1.3.2 L’assèchement du sol
1.3.3 Les échanges Sol – Végétation – Atmosphère
1.3.4 Les enjeux d’une connaissance de l’humidité du sol
1.4 La mesure de l’humidité du sol
1.4.1 Mesures in-situ
1.4.2 La mesure de l’humidité du sol par télédétection
1.5 Conclusions
Chapitre 2 Zone d’étude et données expérimentales
2.1 Introduction
2.2 Le Sahel et l’Afrique de l’ouest
2.3 Le programme AMMA
2.4 Les sites d’études
2.4.1 Le site du Niger
2.4.2 Le site du Bénin
2.4.3 Le site du Mali
2.5 Les données expérimentales
2.5.1 Les mesures in-situ
2.5.2 Les mesures satellites utilisées
2.6 Conclusion
Chapitre 3 Estimation de l’humidité du sol à partir de la température du sol
3.1 Introduction
3.2 Les quatre méthodologies
3.2.1 La première méthodologie
3.2.2 La deuxième méthodologie
3.2.3 La troisième méthodologie
3.2.4 La quatrième méthodologie
3.3 Résultats à l’échelle locale
3.3.1 Utilisation de mesures in-situ de températures du sol
3.3.2 Utilisation de estimations satellites de température du sol
3.4 Résultats à l’échelle régionale
3.5 Conclusions
Chapitre 4 Vers une nouvelle méthode d’estimation de l’humidité du sol à haute résolution temporelle
4.1 Introduction
4.2 Méthodologie
4.3 Données utilisées
4.4 Simulations
4.4.1 Simulation des humidités de surface du sol
4.4.2 Simulation de la température de brillance micro-onde
4.5 Technique d’assimilation
4.6 Résultats à l’échelle locale
4.6.1 Résultats sans assimilation
4.6.2 Résultats avec assimilation
4.7 Résultats à l’échelle régionale
4.71 Résultats sans assimilation
4.7.2 Résultats avec assimilation
4.8 Les modifications du taux de précipitations
4.9 Conclusion
Conclusion générale

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