Présentation

L'eau douce est l'une des ressources les plus importantes de notre planète, servant de fondement à la survie humaine, à l'agriculture, à l'industrie et à la santé des écosystèmes. Cependant, la gestion de cette ressource inestimable est devenue de plus en plus complexe, alors que les défis croissants tels que le changement climatique, la croissance démographique rapide, l'urbanisation et les demandes concurrentes en eau sont de plus en plus nombreux.

Ces dernières décennies, l'imagerie satellitaire est devenue un outil indispensable pour les gestionnaires des ressources en eau dans le monde entier. Contrairement aux réseaux terrestres traditionnels qui sont souvent limités dans la couverture spatiale et l'accessibilité, les satellites fournissent des observations synoptiques, répétitives et rentables à l'échelle régionale et mondiale, ce qui permet de surveiller les plans d'eau qui sont autrement difficiles à accéder, en fournissant des informations essentielles pour la prise de décisions et l'élaboration de politiques.

Cet article traite des applications multiformes de la télédétection par satellite dans la gestion des ressources en eau, de la manière dont les données satellitaires aident à surveiller les niveaux d'eau, à détecter les schémas de sédimentation, à évaluer la qualité de l'eau et à appuyer la planification intégrée des ressources, et de la manière dont les technologies sont actuellement confrontées aux défis et aux orientations prometteuses qui pourraient améliorer la gestion mondiale de l'eau.

Le rôle de l'imagerie satellitaire dans la gestion des ressources en eau

Les satellites d'observation de la Terre sont équipés de diverses technologies de détection qui captent les rayonnements électromagnétiques réfléchis ou émis par la surface de la Terre. Ces capteurs fonctionnent sur différentes gammes spectrales, y compris les bandes visibles, quasi infrarouges (NIR), infrarouges à ondes courtes (SWIR), infrarouges thermiques (TIR) et micro-ondes, chacun fournissant des indications uniques sur les caractéristiques des masses d'eau.

Parmi les missions satellitaires les plus utilisées pour la surveillance des ressources en eau, on peut citer la série Landsat de la NASA, les missions Sentinel-2 et Sentinel-3 de l'Agence spatiale européenne, ainsi que les missions GRACE (Experiment for thegravity Gravity Recovery and Climate Experiment) de la NASA et de l'Allemagne. Landsat et Sentinel-2 offrent des images multispectrales haute résolution (10 à 30 mètres), idéales pour cartographier l'étendue des eaux de surface et détecter les changements dans le temps.

Comment les capteurs satellites captent les données sur l'eau

Les plans d'eau présentent des signatures spectrales distinctes qui permettent aux satellites de les différencier des terres environnantes. Par exemple, l'eau absorbe fortement les rayonnements NIR et SWIR, ce qui les rend sombres dans ces bandes, tandis que la terre et la végétation reflètent fortement. Ce contraste permet de délimiter clairement les limites de l'eau.

Les capteurs infrarouges thermiques mesurent la température de surface de l'eau, un paramètre vital pour comprendre les taux d'évaporation, la pollution thermique et l'habitat convenant aux espèces aquatiques. Les satellites à bord des altimètres radar comme Jason-3 et Sentinel-3 utilisent des impulsions à micro-ondes pour mesurer précisément l'élévation de la surface de l'eau, indépendamment des conditions météorologiques ou de la lumière du jour.

Surveillance des niveaux d'eau avec altimétrie par satellite

L'altimétrie par satellite a révolutionné la surveillance hydrologique en fournissant des mesures cohérentes et de haute précision des élévations de surface de l'eau dans des milliers de lacs, de réservoirs et de rivières du monde entier. En émettant des impulsions à micro-ondes vers la Terre et en enregistrant le temps nécessaire pour que les impulsions réfléchissent en arrière, les altimètres calculent la distance jusqu'à la surface de l'eau avec une précision de centimètre.

Depuis le lancement de missions pionnières telles que TOPEX/Poseidon en 1992, suivie de Jason-1, Jason-2, Jason-3 et Sentinel-3, un registre continu des changements du niveau de l'eau intérieure a été établi, qui sont accessibles par le biais de plateformes telles que la base de données pour les séries chronologiques hydrologiques des eaux intérieures (DAHITI) et le Global Réservoir and Lake Monitor, qui fournissent un accès libre aux registres du niveau de l'eau qui appuient la recherche, la gestion et l'élaboration des politiques.

Les gestionnaires des ressources en eau utilisent les données altimétriques pour surveiller les variations saisonnières et interannuelles des niveaux des réservoirs, évaluer les effets des sécheresses et des inondations et évaluer les activités des barrages. Par exemple, pendant la sécheresse prolongée dans le sud-ouest des États-Unis, l'altimétrie satellite a capté les déclins spectaculaires du lac Mead et du lac Powell, les deux plus grands réservoirs du fleuve Colorado, ce qui a été crucial pour éclairer les décisions d'allocation de l'eau entre les États et la planification des mesures d'urgence en cas de sécheresse.

En outre, les données altimétriques sont précieuses pour la surveillance des plans d'eau transfrontières où les contraintes politiques ou logistiques limitent les mesures in situ. La capacité d'obtenir des données sur le niveau d'eau en temps quasi réel dans des zones éloignées ou politiquement sensibles renforce la transparence et appuie les efforts de gestion coopérative de l'eau.

Détection des changements et des sédimentations dans les réservoirs

Les rivières transportent des sédiments – tels que le limon, le sable et la matière organique – qui s'accumulent dans les réservoirs, réduisent progressivement leur volume effectif et augmentent le risque d'inondation. Les méthodes traditionnelles de surveillance de la sédimentation nécessitent des relevés bathymétriques coûteux et à forte intensité de main-d'oeuvre, qui sont souvent peu fréquents et limités dans l'espace.

Les images multispectrales, en particulier dans les bandes visibles et proches de l'infrarouge, peuvent révéler des panaches de sédiments, des niveaux de turbidité et des zones de dépôt, en particulier pendant les périodes de basse eau où l'exposition aux sédiments est plus visible. En analysant les séries chronologiques d'images satellitaires, les gestionnaires de l'eau peuvent quantifier les taux d'accumulation des sédiments et la répartition spatiale, ce qui permet de mieux planifier les opérations de dragage et les interventions dans les bassins versants.

Sédimentation et perte de capacité de réservoir

Les recherches utilisant les données des séries chronologiques Landsat ont montré que les réservoirs des régions semi-arides et arides peuvent perdre entre 1 et 3 % de leur capacité de stockage par an en raison de la sédimentation. Cette perte de capacité peut avoir une incidence significative sur la disponibilité de l'eau pour l'agriculture, l'eau potable et la production d'hydroélectricité.

La détection précoce des points chauds de la sédimentation par l'imagerie satellitaire permet aux gestionnaires de l'eau de mettre en œuvre des mesures d'entretien en temps opportun, comme le dragage ciblé ou des mesures de conservation des sols en amont.

Évaluation de la qualité de l'eau par télédétection

La télédétection par satellite est un moyen puissant d'évaluer les paramètres clés de la qualité de l'eau à de vastes échelles spatiales et au fil du temps. Les paramètres couramment surveillés par satellite comprennent la concentration de chlorophylle-a (indicateur de biomasse des algues), la turbidité, les solides en suspension totaux (STS) et la matière organique dissoute colorée (CDOM).

La mission Sentinel-3 de l'Agence spatiale européenne, équipée de l'Ocean and Land Colour Instrument (OLCI), est particulièrement bien adaptée aux applications aquatiques en raison de sa haute sensibilité radiométrique et de ses bandes spectrales optimisées pour détecter les constituants de la qualité de l'eau.

Blooms algales et surveillance de l'eutrophisation

Les proliférations d'algues nuisibles, en particulier les proliférations de cyanobactéries, constituent de graves menaces pour la sécurité de l'eau potable, les activités récréatives et la vie aquatique.Ces proliférations peuvent produire des toxines qui contaminent les réserves d'eau, ce qui entraîne des avis de santé publique et des exigences de traitement coûteuses.

Par exemple, le Cyanobactéria Assessment Network (CyAN) utilise les données Sentinel-3 pour émettre des alertes précoces de proliférations de cyanobactéries dans les lacs et les réservoirs des États-Unis. Les capteurs infrarouges thermiques peuvent également détecter des anomalies de température de surface qui précèdent souvent la formation de la floraison, ce qui fournit une capacité prédictive supplémentaire.

La surveillance de la turbidité par l'imagerie satellitaire permet de suivre le ruissellement des sédiments résultant de l'érosion des sols, des pratiques agricoles, des activités de construction et du déboisement.Après des précipitations intenses, on peut visualiser les panaches de sédiments entrant dans les réservoirs, en mettant en évidence les zones où la conservation des sols et les meilleures pratiques de gestion sont nécessaires d'urgence.

Planification des ressources et gestion intégrée de l'eau

En intégrant les observations satellitaires des niveaux d'eau, des volumes de stockage, des entrées et des précipitations aux modèles hydrologiques, les gestionnaires de l'eau peuvent optimiser les opérations des réservoirs pour répondre à de multiples objectifs, notamment la demande d'irrigation, la production d'énergie hydroélectrique, la maîtrise des inondations et l'entretien des flux environnementaux.

Les produits de précipitation par satellite, comme ceux de la mission de mesure des précipitations mondiales (GPM) de la NASA, fournissent des estimations des précipitations en temps quasi réel qui sont inestimables pour prévoir les entrées et ajuster les rejets de réservoirs de façon proactive, ce qui améliore la préparation aux phénomènes météorologiques extrêmes et réduit les risques d'inondation ou de pénurie d'eau.

Pendant les périodes de sécheresse, les données satellitaires aident à quantifier le taux d'épuisement des réservoirs et à identifier d'autres sources d'eau, y compris les eaux souterraines. Les missions GRACE et GRACE-FO mesurent les changements dans le stockage de l'eau terrestre, y compris les eaux de surface, l'humidité du sol et les eaux souterraines, à l'échelle spatiale.

Dans le domaine de la gestion des inondations, l'imagerie satellitaire en temps quasi réel permet de cartographier rapidement les zones d'inondation, d'aider à la réaction d'urgence, de planifier les évacuations et d'évaluer les dommages. Les satellites de radar d'ouverture synthétique (SAR), comme ESA , Sentinel-1, peuvent pénétrer dans le nuage et fonctionner jour ou nuit, ce qui les rend indispensables pendant les crises d'inondation.

Applications et études de cas dans le monde réel

Plusieurs initiatives et projets de recherche mondiaux mettent en évidence la valeur opérationnelle de l'imagerie satellitaire dans la gestion des ressources en eau.Le Global Réservoir and Lake Monitor (GRLM), géré par l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), utilise l'altimétrie satellitaire pour suivre le niveau de l'eau dans plus de 2 000 réservoirs dans le monde.

Étude de cas : Lac Mead et bassin du Colorado

Les données satellitaires ont révélé une baisse importante de la capacité de stockage, soit environ 60 % de la perte entre 2000 et 2015, principalement en raison de la sécheresse prolongée et de la surallocation des droits d'eau dans le bassin du Colorado.

Ce dossier satellite complet a contribué à faciliter la toute première déclaration fédérale de pénurie sur le fleuve Colorado en 2021, qui a prescrit des réductions de l'utilisation de l'eau pour les États dont l'Arizona, le Nevada et le Mexique.

Étude de cas: développement du lac Turkana et de l'hydroélectricité en Afrique de l'Est

En Afrique de l'Est, les niveaux d'eau du lac Turkana ont été étroitement surveillés en utilisant l'altimétrie satellitaire pour évaluer les impacts en aval de la construction de barrages en amont et de la mise en valeur de l'hydroélectricité.

Les observations par satellite ont permis aux autorités locales et aux parties prenantes de mieux comprendre les compromis entre la production d'énergie hydroélectrique et les besoins écologiques et socioéconomiques, ce qui a permis d'élaborer des politiques de rejets d'eau plus équilibrées visant à réduire au minimum les effets néfastes sur les collectivités en aval et à maintenir l'intégrité écologique.

Défis et limites de la surveillance de l'eau par satellite

Malgré son potentiel de transformation, la télédétection par satellite est confrontée à plusieurs défis et limitations inhérents à la gestion des ressources en eau. L'une des principales contraintes est la couverture nuageuse, qui entrave l'acquisition d'images optiques dans les régions tropicales, moussonnées et souvent nuageuses.

La résolution spatiale est un autre défi : de nombreux capteurs satellites couramment utilisés, comme Landsat avec des pixels de 30 mètres, peuvent ne pas capturer adéquatement les petits plans d'eau, les cours d'eau étroits ou les canaux d'irrigation.

Par exemple, Landsat revoit le même endroit tous les 16 jours, ce qui peut ne pas suffire à capter les événements hydrologiques rapides comme les inondations éclairs, les rejets de barrages ou les flambées soudaines de prolifération d'algues. Sentinel-2 améliore ce phénomène avec un cycle de revisite de 5 jours, mais des lacunes subsistent, surtout pour les plans d'eau plus petits ou qui changent fréquemment.

Les données brutes recueillies par satellite doivent être corrigées de l'atmosphère, calibrées par les capteurs et alignées géométriques avant utilisation. De plus, les observations par satellite sont des mesures indirectes; la conversion des données spectrales en paramètres quantitatifs comme le niveau d'eau, la concentration de sédiments ou la chlorophylle-a nécessite des algorithmes empiriques ou des modèles de transfert radiatif.

Bien que de nombreux ensembles de données satellitaires soient libres et ouverts, y compris les images Landsat et Sentinel, la capacité de télécharger, traiter, analyser et interpréter ces données varie considérablement. L'accès aux plateformes de traitement en nuage comme Google Earth Engine a démocratisé l'utilisation des données, mais la formation et l'infrastructure demeurent des obstacles critiques, en particulier dans les pays en développement.

Orientations futures et progrès technologiques

La prochaine génération de missions satellitaires et d'innovations technologiques promet d'améliorer considérablement les capacités de surveillance des ressources en eau. Les missions à venir visent à fournir une résolution spatiale et temporelle plus élevée, une sensibilité spectrale améliorée et de nouvelles techniques de mesure qui approfondiront notre compréhension de la dynamique de l'eau.

Par exemple, la mission de la NASA sur les eaux de surface et la topographie océanique (SWOT), qui devrait être lancée prochainement, utilisera l'interférométrie radar avancée pour mesurer l'altitude de surface de l'eau avec des détails spatiaux sans précédent sur les lacs, les rivières et les réservoirs dans le monde entier.

Les progrès réalisés dans l'imagerie hyperspectrale permettront d'identifier plus précisément les indicateurs de qualité de l'eau, y compris les espèces d'algues et les polluants, d'améliorer la détection précoce des événements de contamination.

Les plateformes de calcul en nuage et les politiques de données ouvertes continueront d'élargir l'accès et la facilité d'utilisation des données satellitaires, favorisant ainsi la collaboration mondiale sur les défis liés à l'eau.

En fin de compte, ces progrès technologiques, combinés à des observations terrestres améliorées et à un engagement communautaire, permettront une gestion plus adaptative, équitable et durable des ressources en eau dans le monde entier, ce qui contribuera à assurer l'approvisionnement en eau douce des générations futures.