Hydrologie spatiale

Les réservoirs hydrologiques continentaux ne représentent qu’une fraction de l’eau sur Terre (de l’ordre de 0,025 %), mais ont cependant un rôle primordial pour la vie sur Terre et dans la dynamique du climat, en raison de leur situation à l’interface des continents et de l’atmosphère. Si l’on exclut les calottes polaires, l’eau douce est stockée dans les différents réservoirs que sont le manteau neigeux, les glaciers, les aquifères, la zone racinaire, qui se situe dans les premiers mètres du sol, et les eaux de surface qui comprennent fleuves et rivières, lacs, retenues d’eau dues à l’activité humaine (lacs de barrage, réservoirs pour l’irrigation,…) et zones humides. Les eaux continentales participent aux échanges avec l’atmosphère et les océans au travers des flux de masse horizontaux et verticaux (évaporation, transpiration, ruissellement).

La pression anthropique et les besoins humains en alimentation conduisent l’homme à mobiliser la majeure partie de l’eau disponible pour ses besoins et activités, et principalement pour la pratique d’une agriculture irriguée. Néanmoins, cette ressource, nécessaire à toute vie, est bien souvent rare dans de vastes zones de la biosphère continentale et soumise aux changements climatiques pouvant conduire soit à l’aridification et à la désertification, soit à un fort développement du couvert végétal. Le cycle hydrologique continental demeure, malgré tout, l’une des composantes les moins bien connues du système climatique. De nombreux processus restent, en effet, difficilement modélisables en raison de leur complexité. En outre, les réseaux hydrologiques nationaux, en charge du suivi continu des fluctuations du niveau des fleuves ont vu leur nombre fortement diminuer ces dernières années dans certains pays en voie de développement et dans les pays de l’ex-URSS, en raison du coût nécessaire à leur entretien.

L’eau continentale 

Le cycle hydrologique global

Bien que de formule chimique relativement simple – 2 atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène -, l’eau occupe une place centrale dans le fonctionnement de la biosphère, car elle est indispensable à toute vie. Le cycle hydrologique  représente les échanges incessants de masse d’eau entre les 3 réservoirs de l’hydrosphère que sont l’océan, les continents et l’atmosphère [Perrier et Tuzet, 2005]. Ses interactions avec le climat revêtent une importance primordiale dans le contexte du réchauffement climatique [Chahine, 1992 ; Douville et al., 2002 ; de Marsily, 2005 ; Planton et al., 2005]. Elle représente un volume de l’ordre de 1350 millions de km 3 dans la biosphère. Sa répartition à la surface de la Terre est très inégale : la majeure partie se trouve dans l’océan (97,5%), une infime partie dans l’atmosphère (0,001 %) sous forme de vapeur d’eau, et le reste dans la biosphère continentale sous forme de neige, de glace, d’eau courante ou souterraine (2,5 %). Sur les 2,5 % d’eau douce disponible, plus de 99% sont retenus, soit de façon diffuse dans les roches, soit concentrés en glace [Cosandey et Robinson, 2000 ; Perrier et Tuzet, 2005]. Il reste finalement 0,3 million de km 3 d’eau douce dans la biosphère continentale, dont 95% concentrés dans des zones très limitées comme les lacs ou les mers intérieures (réserves d’eau douce ou saumâtre) ou inaccessibles comme les aquifères profonds qui représentent un stock de 285 000 km 3 [Perrier et Tuzet, 2005]. La disponibilité en eau douce liquide pour la biosphère continentale représente, en définitive, moins de 1%. Cette eau utile représente, pour les deux tiers, le stock d’eau courante (soit 1300 km 3 ou 0,007% de l’ensemble des ressources en eau présentes sur la Terre) : neige, fleuves, rivières, cours d’eau, et, pour le tiers, l’eau constituant les systèmes biologiques ou biota (soit 700 km 3) .

Les eaux continentales 

De manière schématique, les eaux continentales peuvent être réparties en 5 catégories : les rivières et les fleuves, les zones humides, les lacs, l’humidité des sols et les aquifères.

Rivières et fleuves 

Les rivières et les fleuves représentent moins de 0,1 % de la surface de la Terre pour environ 0,0001 % de son volume d’eau. Le ruissellement de l’eau à la surface des continents conduit à la formation de réseaux hydrographiques de dimension fractale et drainant des surfaces aux limites géographiques précises, les bassins versants, définis par les lignes de partage des eaux. Le régime et le débit des cours d’eau dépendent de leurs caractéristiques géomorphologiques (profil, largeur, profondeur du lit…), de la nature des sols et des sous-sols, du couvert végétal et des conditions climatiques (précipitations, évapotranspiration, température). Le coefficient de ruissellement, qui caractérise l’efficacité du transport de l’eau, est défini par le rapport entre le volume des eaux en sortie du réseau hydrographique (les réseaux hydrographiques aboutissent le plus généralement dans les océans ou dans un lac terminal en cas d’écoulement endoréique) et les précipitations tombées sur le bassin versant. Cette efficacité est fonction du niveau de saturation des sols et de la nature du couvert végétal sur le bassin versant.

Les zones humides 

Les zones d’inondation, marécages, zones humides, qui occupent une faible portion de la surface terrestre, entre 2 et 6%, sont les milieux où l’eau est la clé de la vie animale et végétale. D’un point de vue hydrologique, les zones humides permettent de maintenir le niveau des nappes souterraines, de lutter contre les crues, de piéger les sédiments, de stabiliser le littoral, de purifier l’eau, de recycler les nutriments et de réguler le microclimat. Les vastes zones humides alimentent des aquifères pendant la saison sèche et jouent un rôle capital dans le maintien des réseaux hydrologiques. En outre, elles neutralisent les eaux usées en absorbant leurs contaminants. Elles jouent un rôle écologique majeur car elles abritent une multitude d’espèces animales et végétales et constituent un important réservoir de carbone dans les sols [Whitting et Chanton, 2001]. Ces zones, caractérisées par des taux élevés d’émission de gaz à effets de serre (CO2, CH4, …), ont un fort impact sur les changements climatiques [Matthews et Fung, 1987 ; Whitting et Chanton, 2001 ; Richey et al., 2002 ; Friborg et al., 2003 ; Shindell et al., 2004].

Les lacs 

Les lacs couvrent environ 1 % de la surface de la Terre pour moins de 0,01% de son volume d’eau. Ils ont néanmoins un rôle fondamental de régulateur des flux au sein des réseaux hydrographiques. Il est par ailleurs fréquent que les lacs suffisamment étendus interviennent dans la régulation climatique, en adoucissant le climat à l’échelle régionale.

L’humidité des sols 

La partie des sols incluant la zone racinaire (quelques mètres au plus) contient environ cinq fois plus d’eau que l’atmosphère et 40 fois plus que l’ensemble des rivières. La variabilité spatio-temporelle de l’humidité des sols dépend de la température du couvert végétal, du type de sol et de sa structure, et de la quantité de précipitations. L’amplitude des variations saisonnières représente jusqu’à 15 ou 20 cm de hauteur équivalente d’eau [Dunne et Leopold, 1978]. Ce réservoir n’est pas directement mobilisable par l’homme qui ne peut y puiser l’eau qui lui est nécessaire.

Les aquifères

Les eaux souterraines occupent le 2ème rang des réserves mondiales en eau douce après les eaux contenues dans les glaciers. Elles devancent largement les eaux continentales de surface. Leur apport est d’autant plus important que, dans certaines parties du globe, les populations s’alimentent presque exclusivement en eau souterraine par l’intermédiaire de puits, comme c’est le cas dans la majorité des zones semi-arides et arides. On doit cependant garder à l’esprit que plus de la moitié de l’eau souterraine se trouve à plus de 800 mètres de profondeur et que son captage demeure, en conséquence, difficile. En outre, son exploitation abusive entraîne souvent un abaissement irréversible des nappes phréatiques et parfois leur remplacement graduel par de l’eau salée (problème rencontré en zone côtière comme en Libye, Sénégal, Egypte, …).

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Le cycle de l’eau
1. L’eau continentale
1.1 Le cycle hydrologique global
1.2 Les eaux continentales
2. Contraintes observationnelles d’un milieu complexe
3. Apport de la télédétection spatiale
4. Le suivi des eaux continentales par altimétrie satellitaire
Chapitre 2 : L’altimétrie satellitaire
1. L’altimétrie satellitaire
1.1 L’altimètre radar
1.2 Le principe de l’altimétrie satellitaire
2. L’altimétrie satellitaire
2.1 Principe de la mesure radar
2.2 Effet géométrique et échantillonnage géographique
2.2 Résolution au nadir et échantillonnage temporel
3. Estimation de la hauteur altimétrique
3.1 Principe
3.2 L’orbite des satellites
3.3 Les corrections géophysiques et environnementales à appliquer à la mesure
altimétrique
3.4 La correction de marée solide
3.5 La correction de marée polaire
4. Les différentes missions d’altimétrie satellitaire
4.1 La mission altimétrique Topex/Poséidon
4.2 La mission altimétrique Jason-1
4.3 Les missions altimétriques ERS-1&2
4.4 La mission altimétrique ENVISAT
Chapitre 3 : Le traitement des échos radar – Cas des surfaces continentales
1. Introduction
2. Traitement des échos radar
2.1 Principe
2.2 Traitement des échos océaniques
3. Les formes d’onde altimétriques sur les eaux continentales
4. Les principaux algorithmes développés pour l’étude des terres émergées
4.1 Les méthodes de seuillage
4.2 Les algorithmes analytiques : l’exemple d’Ice-2
4.3 Les méthodes de reconnaissance des formes
5. Les limitations de l’altimétrie sur les eaux continentales
5.1 Décrochage de l’altimètre
5.2 Accrochage de l’altimètre
5.3 Erreurs dues à la pente
6. Conclusion
Chapitre 4 : De la mesure altimétrique aux niveaux d’eau sur les continents
1. Introduction
2. Les produits altimétriques
3. Construction des séries temporelles de hauteur d’eau
3.1 Sélection géographique
3.2 Sélection des mesures valides
3.3 Séries temporelles de hauteur d’eau
4. Application à la validation des hauteurs d’eau déduites des mesures
d’ENVISAT
4.1 Choix de la zone d’étude
4.2 Comparaison avec les mesures in-situ
4.3 L’exemple de la várzea de Curuai
5. Conclusion
Chapitre 5 : Estimation des profils hydrologiques des fleuves au moyen de l’altimétrie satellitaire
1. Introduction
2. Intérêt de l’estimation des profils hydrologiques
3. Profil hydrologique du Rio Negro et de ses affluents
3.1 Données utilisées
3.2 Profils longitudinaux
4. Comparaison avec d’autres sources de données
4.1 Comparaison avec des mesures GPS
4.2 Comparaison avec les sorties du modèle Muskingum-Cunge
5. Conclusion
Conclusion

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