Suivi et simulation de la qualité de l’eau en milieu littoral

Caractérisation des eaux côtières

   La gestion intégrée de l’espace côtier est par défmition une mission pluridisciplinaire incluant des composantes écologiques et environnementales, législatives, industrielles ou plus généralement liées à l’activité anthropique. L’aspect fondamental de  l’eau d’un point de vue écologique est évident en tant que milieu essentiel permettant les processus de la vie, ainsi que comme milieu privilégié d’un grand nombre de processus physiques environnementaux. En termes de législation et d’activités anthropiques, les eaux côtières sont étroitement liées avec les activités du tourisme, la pêche commerciale et de plaisance, le commerce, le transport, la production de l’électricité, et les activités industrielles qui exigent des approvisionnements en eau importants. Les eaux côtières sont également liées à un certain nombre d’autres processus tels que le rejet des eaux usées, la pollution, les inondations, et la dissémination et propagation de maladies bactériennes et virales. L’urbanisation, le transport, les activités industrielles telles que l’exploitation pétrolière, et la production d’énergie nucléaire, tous dépendent, d’une certaine façon, des eaux côtières. En raison du rôle essentiel de l’eau dans tous ces processus, certains scientifiques croient que l’élément moteur dans les futures discussions sur l’utilisation et le changement des ressources globales, sera l’eau (Luterbacher et Serdar, 1996). Les eaux côtières sont caractérisées par des processus et des phénomènes à petite échelle, une variabilité spatiale et temporelle élevée des principales propriétés physiques et biogéochimiques, des risques et des événements accidentels à caractère imprévisibles. Ces derniers ont été en particulier appréhendés dans le cadre de grands projets internationaux tels que LOICZ (interaction terre -mer dans la zone côtière) et ELOISE (European Land-Ocean Interaction Studies). Les secteurs principaux consommateurs de données sur l’environnement côtier, y compris les données d’observation de la Terre (OT) sont (Durand et al., 1999):
• La protection de la santé publique,
• Les zones touristiques,
• La protection de 1′ espace côtier (élévation du niveau de la mer, érosion),
• Les pêcheries, incluant la gestion des stocks et la gestion de la flotte,
• Le secteur aquacole,
• La gestion intégrée de la zone côtière (planification/prise de décision, gestion des zones portuaires, gestion environnementale),
• Le suivi de la qualité de 1′ eau et des pollutions,
• La gestion des déchets, y compris ceux de l’industrie pétrolière,
• La météorologie, prévision des tempêtes avec ces implications sur l’élévation extrême du niveau de la mer, l’érosion, l’évaluation des risques naturels,
• La cartographie, incluant la bathymétrie pour la mise à jour des cartes marines,
• Le contrôle maritime (routage des navires et gestion du trafic)
• Engineering (planification et construction)
Les acteurs de ces divers secteurs d’activité représentent la communauté opérationnelle de la zone côtière

Paramètres environnementaux et de la qualité de l’eau

   La communauté opérationnelle de la zone côtière inclut notamment des politiques, des industriels et des gestionnaires de l’environnement. Le besoin en information est généralement exprimé, par cette communauté, de façon très générale, sans référence précise aux paramètres devant être mesurés. Une synthèse de ce besoin permet de dégager quatre sujets d’intérêt principaux: Les risques anthropogéniques & les pollutions qui regroupent des thèmes tels que l’eutrophisation (incluant les floraisons phytoplanctoniques), les processus de contamination (toxique, organique, pathogène, radioactive ou par les hydrocarbures), le transport sédimentaire, l’aspect de l’eau (odeur, goût, couleur, turbidité) et les processus de pollution trans-nationale. Les risques naturels & les processus hydrodynamiques incluent les notions de variations rapides du niveau de la mer, les changements climatiques, les risques dus aux marées, les modifications de la bathymétrie et de la topographie du fond marin, les vagues et les courants et les modifications du trait de côte. Les bilans écologiques font appel aux notions de statut des écosystèmes, à la biodiversité et à la caractérisation des habitats aquatiques (environnements de loisir, benthos, zone intertidale, herbiers, etc.). Enfin, les ressources naturelles & gestion de l’environnement regroupent les activités concernant les pêcheries et à l’aquaculture, aux études d’impact et au développement durable. Cependant une analyse à ce niveau d’interprétation n’est pas optimale pour conclure sur l’ intérêt éventuel des données et techniques de télédétection pour la communauté opérationnelle définie. Une recherche plus précise des paramètres requis pour la caractérisation de ces sujets d’intérêt a donc été menée. Les résultats de cette recherche sont présentés dans le Tableau 2.1. Une référence aux possibilités offertes par les techniques de télédétection concernant la détermination de ces paramètres est mentionnée et sera discutée en plus amples détails dans les sections suivantes. Les paramètres sont regroupés selon leur nature : paramètres physiques, chimiques, biologiques, écologiques, sanitaires et géomorphologiques. Une codification est utilisée dans ce tableau afin de caractériser la capacité des techniques de télédétection à déterminer les différents paramètres :
• Le terme « futur » fait référence aux performances des futurs capteurs et algorithmes de traitement de données, pouvant être supposées dans l’état actuelle des connaissances.
• L’indication «oui» signifie que des capteurs, données et/ou algorithmes existent permettant de dériver le paramètre considéré.
• Le terme « partiel » indique que les techniques de télédétection actuelles donnent accès à une partie du paramètre (e.g. la quantité de substances jaunes (colored dissolved organic matter – CDOM) dans la colonne d’eau peut être déterminée par télédétection de la couleur de l’eau et peut être considéré comme une portion de la quantité de carbone organique dissous total). Ceci peut se révéler intéressant si le paramètre dérivé permet d’estimer par extrapolation le paramètre d’intérêt.
• «non» signifie qu’il n’y a pas de possibilité de dériver ce paramètre dans l’état actuel des connaissances et des techniques d’observation de la Terre.
• Enfin, le terme « potentiel » indique que la possibilité de déterminer ce paramètre reste à confirmer, les connaissances actuelles laissant présager que le paramètre puisse être déterminé. Cependant aucune solution n’a encore été proposée. Les processus et phénomènes biologiques et écologiques sont souvent cités en termes de sujets d’intérêt, mais sont que rarement traduits en termes de paramètres utiles. Les possibilités de la télédétection sont limitées à quelques paramètres. Ces paramètres, tels que la concentration en pigments chlorophylliens (CHL), la production primaire, les substances jaunes (CDOM), le sédiment en suspension (SM), la bathymétrie, l’étendue des nappes d’hydrocarbures sont cependant jugés importants par la communauté des opérateurs en milieu côtier. Ces constatations permettent de cerner le besoin qualitatif. Cependant, une appréciation réaliste des besoins de la communauté opérationnelle ne peut être obtenue que par une analyse de la demande, en terme quantitatif.

Adéquation de la réponse par télédétection au besoin exprimé

   La capacité des données d’observation de la Terre à répondre aux besoins pour la gestion des eaux côtières, dépend, d’une part, des caractéristiques d’échantillonnage spatio-temporel du système satellite/capteur utilisé pour la mesure du paramètre géophysique initial, et d’autre part, des performances des algorithmes de traitement en termes d’intervalle de valeur restitué et de précision sur le paramètre. La demande concernant les caractéristiques d’échantillonnage spatio temporelle est résumée dans le Tableau 2.2. Cette demande est synthétisée de façon graphique dans la Figure 2.2 ci-dessous. Dans cette figure est également représentée la capacité d’échantillonnage spatio-temporel d’un survol unique d’un seul capteur. Les principaux capteurs actuels, utilisés pour dériver des paramètres environnementaux dans les eaux côtières, sont indiqués. Les limites inférieure et supérieure de l’échelle spatiale représentent respectivement la résolution de l’instrument (e.g., 20 rn pour SPOT) et le champ de visée (largeur de la trace) (e.g., 60 km pour SPOT). La limites inférieure de l’échelle temporelle correspond à la répétitivité nominale (e.g., 3 jours pour SPOT avec visées obliques). La Figure 2.2 révèle clairement le degré d’inadéquation entre le besoin et les performances d’échantillonnage des capteurs actuels. Dans le cas des risques naturels (crise) et des risques anthropogéniques, ni 1′ échantillonnage spatial, ni celui temporel ne répondent aux besoins exprimés. Dans le cas de l’étude des phénomènes d’eutrophication et floraisons phytoplanctoniques, les performances sont plus proche du besoin, bien qu’aucun des besoins exprimés ne soient réellement comblés. Pour des sujets d’intérêts tels que le suivi écologique et les processus à la côte, on observe une adéquation partielle entre le besoin et les performances offertes par la télédétection, bien que ne provenant pas forcement du capteur optimal pour l’étude des paramètres considérés. e.g., SeaWiFS vs. SPOT. D’une part, les limitations des systèmes actuels apparaissent très clairement, surtout si on considère que le taux d’échantillonnage effectif est encore réduit par les périodes de couverture nuageuse, communes au-dessus des régions maritimes européennes.D’autre part, il faut considérer tout d’abord, le fait que le besoin exprimé représente les caractéristiques optimales souhaitées par les utilisateurs, qui ne sont, dans certains cas, pas obtenues par des méthodes conventionnelles de mesures in situ. De plus, si l’on ne considère pas les problème de couverture nuageuse, l’échantillonnage spatio-temporel aux hautes latitudes est plus fréquent et donc potentiellement plus efficace que les valeurs nominales, à l’équateur, présenté dans la Figure 2.2. Enfin, la combinaison de données satellitaires de même nature et acquises par différentes plates-formes (e.g., SeaWiFS et MODIS) peut conduire à une amélioration significative de l’échantillonnage temporel.

Théorie des deux flux

   L’un des premiers modèles décrivant les conditions de lumière dans l’eau de mer utilise l’approximation «des deux flux» ou « two-flow approximation» basé sur le bilan des éclairements descendants et ascendants. Il fut décrit en premier lieu par l’astrophysicien Schuster (1905), et plus tard développé par Duntley (1942) et Preisendorfer (1961). Les équations du modèle des deux flux sont obtenues en intégrant les équations du transfert radiatif sur les hémisphères supérieur et inférieur.

Table des matières

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
CHAPITRE 1 – INTRODUCTION
1.1 Présentation de la thèse
1.2 Objectifs et structure de la thèse
1.3 Conseil de lecture
CHAPITRE 2- LES EAUX DU LITTORAL EUROPÉEN : ANALYSE DU BESOIN EN PARAMÈTRES BIOGÉOPHYSIQUES ET RÉPONSE DE LA TÉLÉDÉTECTION 
2.1 Caractérisation des eaux côtières
2.2 Analyse du besoin en information sur la qualité de l’eau
2.2.1 Paramètres environnementaux et de la qualité de l’eau
2.2.2 Besoins quantitatifs
2.2.3 Conclusions
2.3 Performances des techniques de télédétection
2.3.1 Considérations générales
2.3.2 Echantillonnage spatial et temporel
2.3.3 Performance de la télédétection paramètre par paramètre
2.3.4 Adéquation de la réponse par télédétection au besoin exprimé
2.4 Conclusions
2.4.1 Constituants de la colonne d’eau
2.4.2 Bathymétrie
2.4.3 Géomorphologie
2.4.4 Considérations finales
CHAPITRE 3- THÉORIE ET APPLICATIONS DES MODÈLES DE TRANSFERT RADIATIF
3.1 Introduction
3.2 Transfert radiatif dans l’eau de mer
3 .2.1 Théorie des deux flux
3.2.2 Solution des équations« des deux flux»
3 .2.3 Réflectance marine
3.2.4 Coefficient d’atténuation diffuse, Kd
3.2.5 Modèle de réflectance en eaux peu profondes
3.3 Transfert radiatif dans l’atmosphère et à l’interface air-mer
3.3.1 Défmition et équations fondamentales
3.3.2 Réflectance de l’atmosphère
3.3 .3 Transmittance atmosphérique
3.3.4 Réflexion spéculaire à l’interface air- mer
3.3.5 Réflectance de l’écume
3.4 Conclusions
CHAPITRE 4- MÉTHODES D’ANALYSE DES EAUX CÔTIÈRES PAR TÉLÉDÉTECTION ET MODÉLISATION
4.1 Combinaisons spectrales, indices et décorrélation
4 .1.1 Intérêts de ce type d’approche
4.1.2 Limites de ce type d’approche
4.2 Analyse bidimensionnelle avec hypothèse de stationnarité
4.2.1 Considérations d’ordre général
4.2.2 L’approche en eaux claires
4.2.3 Extension de la méthode
4.2.4 Intérêts et limites de la méthode
4.3 Le problème inverse en optique hydrologique
4.3.1 Introduction aux problèmes inverses
4.3 .2 Le problème inverse optique hydrologique
4.3.3 Méthodes linéaires d’inversion
4.3.4 Méthodes non linéaires par optimisation itérative
4.3 .5 Autres méthodes
4.3 .6 Résumé des méthodes présentées
4.4 Conclusions
CHAPITRE 5- MODÉLISATION DE LA RÉFLECTANCE MARINE ET INVERSION DE LA COULEUR DE L’EAU EN MILIEU PEU PROFOND
5.1 Etalonnage instrumental
5.2 Prise en compte de l’atmosphère
5.2.1 Aspects généraux
5.2.2 Méthode de de-Haan & Kokke
5.3 Modélisation de l’interface air- mer
5.3.1 Prise en compte de l’état de surface
5.3.2 Transmission à travers l’interface
5.4 Modélisation de la réflectance marine
5.4.1 Introduction à Hydrolight
5.4.2 SWRM et modèles dérivés
5.4.3 Un modèle semi-analytique de réflectance en eaux peu profondes
5.5 Inversion de la couleur de l’eau
5.5.1 Méthode à données synthétiques
5.5.2 Méthode itérative: analyse multi-variée sur modèle semi-analytique
5.6 Conclusions
CHAPITRE 6- LE PROTOTYPE SWIM : FONCTIONNALITES ET EXEMPLES D’UTILISATION
6.1 Les composants de SWIM
6.2 Utilitaires
6.2.1 Utilitaires de lecture et écriture
6.2.2 Initialisation des traitements
6.3 Module d’étalonnage
6.3.1 Les composants
6.3.2 Prise en compte de mesures in situ
6.4 Module de simulation 
6.4.1 Application des modèles de réflectances
6.4.2 Elaboration d’une base de données synthétiques
6.5 Module d’optimisation
6.5.1 Exemples de produits dérivés par la méthode ADS
6.5.2 Méthode itérative: analyse multi-variée sur modèle semi-analytique
6.6 Module d’analyse a posteriori
6.7 Conclusions
CHAPITRE 7- GUIDE POUR L’UTILISATION DES MÉTHODES POUR LE SUIVI DE LA QUALITÉ DE L’EAU EN MILIEU LITTORAL
7.1 Impact de la sensibilité sur les limitations des outils
7 .1.1 Méthode inverse à données synthétiques
7 .1.2 Méthode inverse par itération
7.2 Choix de la méthode en fonction des données disponibles
7 .2.1 Intégration des données
7.2.2 Quelques conseils pour la planification de mission et campagne de mesure
7.3 Conclusions
CHAPITRE 8- CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
8.1 Les principaux résultats
8.2 Les perspectives de recherche
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE A- ETAT DE L’ART CONCERNANT L’INTERPRÉTATION DES DONNÉES SATELLITAIRES DE LA COULEUR DE LA MER
ANNEXE B- RADIATIVE TRANSFER IN TURBID SHALLOW-WATERS: VOLUME REFLECTANCE AND DIFFUSE ATTENUATION
ANNEXE C- OPTICAL REMOTE SENSING OF SHALLOW-WATER ENVIRONMENTAL PARAMETERS: A FEASIBILITY STUDY
ANNEXE D- CARACTÉRISTIQUES DE L’INSTRUMENT GER
ANNEXEE – LE MODÈLE GC (GREGG & CARDER, 1990)
ANNEXE F- LISTES DES INSTRUMENTS SPATIO-PORTÉS ET AÉROPORTÉS
GLOSSAIRE

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