Introduction : Voir les systèmes fluviaux d'en haut

Bien que ces structures fournissent des services essentiels tels que la production d'énergie renouvelable, la maîtrise des inondations et le stockage de l'eau, leur construction et leur exploitation entraînent des transformations environnementales et hydrologiques importantes. Les méthodes traditionnelles de surveillance au sol manquent souvent de l'espace et de la durée nécessaires pour bien comprendre ces impacts. En revanche, la télédétection par satellite offre un point de vue inégalé, permettant aux scientifiques d'observer et de quantifier les changements dans les vastes bassins hydrographiques et sur plusieurs décennies.

En tirant parti des données provenant de plates-formes telles que Landsat, Sentinel-2 et MODIS[, les chercheurs peuvent suivre les modifications des régimes d'écoulement des rivières, le transport des sédiments, la santé des écosystèmes et les émissions de gaz à effet de serre en faisant des observations cohérentes et répétables.

Surveillance du débit et des modifications hydrologiques

La télédétection par satellite permet aux chercheurs de détecter ces changements hydrologiques en mesurant l'étendue de la surface de l'eau, la largeur de la rivière et les variations saisonnières du débit au fil du temps. Archives des terres, qui s'étendent sur près de cinq décennies, permet de comparer les conditions d'avant et d'après-danger, facilitant l'évaluation des impacts de la régulation du débit, comme la réduction des crues de pointe, l'augmentation des débits de base et l'atténuation de la variabilité saisonnière.

Une étude de cas importante est le Digue de trois gorges sur le fleuve Yangtze, en Chine. Des missions altimétriques satellitaires comme Jason-3 et Sentinel-3 ont documenté une réduction marquée des fluctuations du niveau d'eau en aval après la fermeture du barrage.

De même, dans le bassin de la rivière Mekong, une cascade de barrages hydroélectriques a modifié le moment et l'ampleur des impulsions d'inondations critiques pour l'agriculture et la pêche.Les observations par satellite révèlent que ces projets ont pour effet d'atténuer le régime d'inondation naturelle, qui menace la productivité des écosystèmes en aval et les moyens de subsistance humains.

Suivi de la dynamique du stockage et du réservoir de l'eau

Les missions GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) et son successeur GRACE-FO[ mesurent les variations du stockage total de l'eau – y compris les eaux de surface, les eaux souterraines et l'humidité du sol – sur les grands bassins hydrographiques.

Par exemple, on a utilisé des données GRACE pour évaluer les changements dans le stockage de l'eau dans le bassin de La Plata[ de l'Amérique du Sud, où un réseau de barrages influence les zones humides et les estuaires en aval. Ces données révèlent des changements saisonniers importants dans le bilan hydrique, qui ont des répercussions importantes sur l'atténuation des inondations et la santé des écosystèmes.

Traçage des sédiments et transformation géomorphique

Les barrages agissent comme des pièges à sédiments efficaces, interceptant le sable, le limon et l'argile qui se réapprovisionnent naturellement en aval des plaines inondables, des deltas et des milieux côtiers. Cette interruption du flux de sédiments entraîne des transformations géomorphiques, y compris l'incision des lits de rivière, le rétrécissement des canaux, l'érosion des rives et le retrait du delta.

Les analyses multitemporelles de Landsat[ et Sentinel permettent aux scientifiques de cartographier les changements de cours d'eau, de surveiller les changements de rivage et de détecter la perte de terres deltaïques. Le Nile Delta illustre ces impacts, où la construction du Aswan High Dam a considérablement réduit la distribution de sédiments sur la côte méditerranéenne.

Dans le Delta de Mekong, la famine causée par les barrages en amont s'associe à l'extraction des eaux souterraines pour exacerber la subsidence des terres et l'érosion côtière.Des techniques de télédétection avancées telles que le radar d'ouverture synthétique interférométrique (InSAR) provenant de satellites comme Sentinel-1 permettent de détecter la déformation du sol à l'échelle millimétrique, de mettre en garde précoce contre la vulnérabilité du delta et d'éclairer les stratégies d'atténuation.

Sédimentation du réservoir et perte de capacité

La sédimentation du réservoir réduit la capacité de stockage efficace des barrages au fil du temps, compromettant leur utilité pour l'approvisionnement en eau et la production d'hydroélectricité.

Par exemple, les indices de turbidité dérivés de Landsatdes images multispectrales suivent les panaches de sédiments derrière le Kariba Dam[ sur la rivière Zambezi.Ces données aident à prédire la durée de vie des réservoirs et à éclairer les pratiques de gestion telles que le rinçage ou le dragage des sédiments.

Conséquences écologiques et incidences sur la biodiversité

Les barrages fragmentent les corridors fluviaux, perturbent les migrations de poissons et modifient les habitats riverains. L'imagerie satellitaire fournit des renseignements à l'échelle du paysage sur ces changements écologiques, contribuant à la conservation de la biodiversité et à la gestion des écosystèmes.

Végétation riveraine et en plaine inondable

Les indices de végétation tels que l'indice de végétation de différence normalisée (NDVI[) et l'indice de végétation améliorée ([EVI[), dérivés de capteurs comme MODIS[ et Sentinel-2, permettent de surveiller la santé et la productivité de la végétation le long des zones riveraines.

Des études menées le long du fleuve Paraná en Argentine illustrent la diminution de la santé de la végétation des plaines inondables en aval du barrage Itaipu, lié à des régimes d'inondation modifiés. De même, l'imagerie satellitaire a documenté la déforestation et la fragmentation de l'habitat dans le bassin Amazon associé à la construction de barrages, mettant en évidence les impacts sur les points chauds de la biodiversité et les stocks de carbone.

Obstacles à la migration du poisson et connectivité de la rivière

Bien que les satellites ne puissent pas observer directement les populations de poissons, ils sont précieux pour cartographier les réseaux fluviaux et identifier les obstacles.

La base de données sur l'obstruction de la rivière Global tire largement parti de l'imagerie satellitaire pour cataloguer les barrages, les barrages et autres obstacles dans le monde entier. Dans le Bassin de la rivière Colombia, où les prises de saumons migrateurs sont importantes sur le plan économique et culturel, la surveillance par satellite de la température et du débit de l'eau complète les études biologiques évaluant l'efficacité des installations de passage des poissons.

Qualité de l'eau et pollution thermique

Les activités de barrage modifient souvent la qualité de l'eau en aval en modifiant la température, la turbidité et la dynamique des nutriments.

  • Température de l'eau:Les bandes infrarouges thermiques disponibles sur des satellites tels que Paysat[ (Band 10) et MODIS[ permettent de détecter les rejets d'eau froide provenant de réservoirs profonds.Ces rejets peuvent perturber les communautés aquatiques indigènes en abaissant les températures en aval.Par exemple, des études sur la rivière Colorado relient les altérations thermiques induites par le barrage à des changements dans l'émergence d'insectes aquatiques, qui s'affaissent dans le réseau alimentaire.
  • Les bandes optiques de satellites fournissent des proxies pour la clarté de l'eau et les concentrations de sédiments. Sous les barrages, la turbidité diminue souvent fortement, touchant les organismes qui nourrissent les filtres et modifiant les cycles des nutriments.
  • Centines de Chlorophylle-a: Les proliférations d'algues indiquant des risques d'eutrophisation dans les réservoirs peuvent être surveillées à l'aide de capteurs de couleur océanique comme le Sentinel-3 OLCI.

Ces produits de qualité de l'eau dérivés de satellites appuient des stratégies de gestion adaptative telles que des systèmes de prélèvement sélectif, qui régulent la profondeur des rejets d'eau pour minimiser les perturbations écologiques.

Émissions de gaz à effet de serre provenant des réservoirs

Bien que l'hydroélectricité soit largement considérée comme une source d'énergie propre, les réservoirs peuvent émettre des quantités importantes de gaz à effet de serre, en particulier de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2), en raison de la décomposition anaérobie de la matière organique inondée.

Les spectromètres à base de satellites tels que le Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) et l'instrument de surveillance de la troposphérique[ (TROPOMI[) détectent les concentrations atmosphériques de méthane sur de grands réservoirs. En intégrant ces mesures atmosphériques aux données sur l'étendue de l'eau de surface provenant de Landsat, les chercheurs peuvent estimer les flux d'émissions de méthane.

Les données satellitaires jouent ainsi un rôle croissant dans le raffinage des inventaires de gaz à effet de serre et l'information sur les décisions concernant l'emplacement, la conception et l'exploitation des barrages afin de minimiser les impacts environnementaux.

Observations socio-économiques et infrastructurales

Outre les effets environnementaux, l'imagerie satellitaire révèle des transformations socio-économiques liées à la construction de barrages, comme les changements d'utilisation des terres, les déplacements de population et le développement des infrastructures, qui complètent la surveillance de l'environnement et appuient des études d'impact exhaustives.

  • L'irrigation et l'expansion des terres agricoles:[ Les barrages permettent une irrigation élargie, qui peut augmenter la production agricole en aval.Les indices de végétation et de couverture des terres provenant de satellites aident à suivre les changements dans l'étendue des terres cultivées et l'intensité de l'irrigation, comme le font observer le bassin de l'Indus et Nile Valley. Ces données aident à évaluer la durabilité de l'intensification agricole et l'efficacité de l'utilisation de l'eau.
  • Déplacement et développement urbain: Des images satellite à haute résolution documentent l'émergence de villes de réinstallation et de nouvelles infrastructures à proximité des sites de barrages. L'imagerie historique accessible par des plates-formes comme Google Earth Engine permet de comparer la couverture terrestre avant et après l'arrêt de la construction, révélant l'étendue de l'expansion de l'empreinte humaine et aidant à des études d'impact social.
  • Infrastructure énergétique:[ La construction de lignes de transmission, de sous-stations et de routes d'accès associées à des projets hydroélectriques peut être cartographiée à partir de données satellitaires, ce qui permet de connaître les réseaux de distribution d'énergie et les schémas d'accès.

Avantages et limites de la surveillance par satellite

La télédétection par satellite offre de nombreux avantages pour évaluer les impacts des barrages :

  • Couverture synoptique: Les images satellitaires uniques peuvent couvrir des milliers de kilomètres carrés, permettant des analyses à l'échelle du bassin et transfrontières.
  • Consistance des séries horaires:[ Des missions à long terme comme Landsat fournissent des enregistrements couvrant plus de 50 ans, facilitant des études d'impact avant et après.
  • Coût-efficacité:[ Une fois que des systèmes d'acquisition et de traitement de données sont établis, la surveillance des grandes et des régions éloignées est plus économique que les campagnes de terrain.
  • Non-invasif: Les observations satellitaires ne causent aucune perturbation aux écosystèmes sensibles, ce qui les rend idéales pour les régions protégées et inaccessibles.

Toutefois, plusieurs limitations subsistent:

  • Constrictions de résolution spatiale:[ De nombreux ensembles de données librement disponibles, tels que MODIS[ à 250 m de résolution, ne peuvent pas résoudre les rivières étroites ou les petites zones riveraines.
  • La résolution temporelle et la couverture nuageuse: La couverture nuageuse fréquente, surtout dans les régions tropicales, entrave les observations optiques.
  • Mesures écologiques indirectes: De nombreux paramètres écologiques critiques – comme l'abondance des poissons, la chimie de l'eau et la qualité de l'habitat benthique – ne peuvent être mesurés directement depuis l'espace et nécessitent une validation au sol.
  • Interactions atmosphériques: Les aérosols et la vapeur d'eau affectent la qualité des données optiques et thermiques, nécessitant des corrections atmosphériques sophistiquées pour des extractions précises.

Malgré ces difficultés, les données satellitaires demeurent indispensables lorsqu'elles sont intégrées aux observations in situ et à la modélisation hydrologique-écologique, formant ainsi un cadre complet de surveillance et de gestion des impacts des barrages.

Orientations futures de la surveillance par satellite des barrages

La prochaine décennie promet des progrès importants dans l'observation des impacts des barrages depuis l'espace, grâce aux nouvelles technologies satellitaires et aux approches d'intégration des données :

  • Nouvelles constellations et capteurs satellites: La mission NASA-ISRO NISAR fournira des données radar à haute résolution sur la bande L, permettant une surveillance détaillée de la dynamique des eaux de surface, des fluctuations des réservoirs et de la déformation du sol liée aux opérations de barrages.
  • Résolution spatiale et temporelle plus élevée : Les constellations commerciales telles que Planet , CubeSats offrent une couverture mondiale quasi quotidienne à la résolution de sous-mètre à mètre, permettant un suivi sans précédent des changements rapides dans la morphologie des rivières, les niveaux des réservoirs et le développement des infrastructures.
  • L'intégration de données multicapteurs : La combinaison de capteurs optiques, radars, thermiques et atmosphériques permettra d'améliorer la détection de processus complexes tels que le transport des sédiments, les changements de qualité de l'eau et les émissions de gaz à effet de serre.
  • Intelligence artificielle et apprentissage automatique: Les algorithmes avancés automatiseront l'extraction des caractéristiques et la détection des changements, améliorant la vitesse et la précision des évaluations d'impact des barrages.
  • Les plateformes scientifiques et de données ouvertes :[ Accroître l'accessibilité des données satellitaires et des plateformes conviviales permettra aux collectivités locales, aux décideurs et aux chercheurs de surveiller les impacts des barrages en collaboration et en temps quasi réel.

Ces innovations nous permettront de mieux comprendre les conséquences environnementales, hydrologiques et socio-économiques des barrages, en appuyant la mise en valeur durable des ressources en eau et l'intendance des écosystèmes.