XtremQuality

Le projet porte sur le suivi de la qualité des eaux des petites retenues d’eau par télédétection. Avec la mise en place d'indicateurs sur la trajectoire de ces surfaces en agrégeant des données multi sources, il a pour but d’améliorer notre connaissance et de sensibiliser les acteurs sur les impacts du changement climatiques sur ces retenues d'eau essentielles pour nombre d'usages.

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Présentation

Contexte

La création de retenues d’eau est l’une des principales réponses locales pour tenter de réduire l’impact des changements climatiques en stockant une partie du ruissellement durant la période humide afin d’affronter la saison sèche. Ces pratiques sont courantes dans les environnements semi-arides et méditerranéens, habitués à des sécheresses de plusieurs mois, et notamment pour des problématiques agricoles (irrigation et alimentation du bétail). Les retenues peuvent également jouer un rôle essentiel lors d’étiages sévères en maintenant les débits écologiques et en préservant ainsi un rôle de refuge pour la biodiversité des milieux aquatiques.

Ces retenues sont également utilisées dans des régions présentant des aquifères étendus afin d’accroître la recharge des nappes. Les lacs de barrages sont appelés à augmenter dans les régions qui vont souffrir de l’intensification des sécheresses, comme en France, afin de maintenir les différents usages de l’eau durant les étiages. Pourtant, l’installation d’ouvrages hydrauliques, de toutes tailles, rencontre dans le monde des difficultés croissantes d’acceptabilité au sein de la société vis-à-vis de leurs impacts sur le fonctionnement des milieux aquatiques et de la biodiversité qu’ils abritent, appelant à une gestion intégrée de ces ouvrages pour une mitigation de leurs effets négatifs : modification des processus de transferts amont-aval des flux d’eaux, de sédiments, nutriments et polluants.

L’étude des impacts du changement climatique sur le cycle de l’eau est menée en large partie du point de vue de la quantité d’eau disponible pour les écosystèmes et les sociétés. Cependant, il est désormais acquis que la seule question des volumes d’eaux disponibles n’est pas suffisante pour appréhender globalement l’impact du changement climatique. La question de la qualité des eaux disponibles est aussi fondamentale que sa quantité, car ce sont les caractéristiques biophysiques de l’eau qui conditionnent ses usages et le maintien des services écosystémiques des eaux continentales.

Dans ce contexte, il est urgent de mieux caractériser les trajectoires de qualité des eaux des retenues à diverses échelles afin d’anticiper leurs réponses face au changement climatique. Les modifications hydrologiques et thermiques attendues vont contribuer à une dégradation directe de la qualité des eaux induite par l’accélération des évènements extrêmes (crues et étiages) et par un réchauffement global qui va favoriser les processus d’eutrophisation (pollution des écosystèmes aquatiques lorsqu’ils reçoivent trop de nutriments assimilables par les algues et que celles-ci prolifèrent sans contrôle).

Objectif

XtremQuality vise l’étude des dizaines de milliers de lacs artificiels non suivis par les pouvoirs publics et dont l’évolution et l’impact sur les milieux aquatiques sont encore mal connus. Les lacs et réservoirs qui sont considérés dans ce projet, à partir de 1 ha, constituent en effet un élément fondamental du cycle des eaux de surface de par leur rôle pour les écosystèmes (maintien des débits écologiques et de la biodiversité, stockage des nutriments, polluants et sédiments) et pour la société (irrigation, récréation etc...). En France, le suivi légal de la qualité des eaux (encadré par la Directive Cadre sur l’Eau - DCE) ne concerne que 482 lacs et réservoirs supérieurs à 50 ha) sur plus de 100 000 estimés pour tout le territoire français.

Le service facilitera l'élaboration de politiques pour la gestion durable des ressources en eau, et pour la mise en œuvre des Objectifs de développement durable (ODD), notamment des ODD 6 (eau propre et assainissement) et 15 sur les écosystèmes et la biodiversité.

Méthodologie

Nous proposons ainsi d’étudier une part importante des 99,6 % de lacs actuellement non suivis par les pouvoirs publics afin de fournir des informations inédites sur l’état de ces masses d’eaux face au changement climatique. Ce service est désormais possible grâce à l’arrivée de la constellation Sentinel-2, qui permet d’accéder à des performances inédites en termes de résolutions spatiales (jusqu’à 10 mètres), spectrales (12 bandes) et temporelles (tous les 5 jours). Avec une couverture globale et gratuite, le flux de données Sentinel-2 est sans précèdent et le rend compatible avec un suivi de paramètres robustes de qualité des eaux pour des retenues de petite taille.

Le projet bénéficie en outre de développements méthodologiques récents spécifiques à la qualité des eaux continentales qui permettent d’aborder la création d’un nouveau service dédié aux petits objets hydrologiques.

A partir du suivi de paramètres clés de la qualité des eaux des retenues individuelles, il est proposé de fournir des indicateurs spatialisés d’évolution de ces masses d’eaux en exploitant des techniques de type big data (machine learning, deep learning), afin de classer les retenues dans des grands types de masses d’eaux en fonction de leur évolution à court et moyen terme mais aussi vis-à-vis de leur sensibilité aux évènements critiques, particulièrement lors d’épisodes de sécheresses sévères. Une originalité importante du projet sera ainsi la production d’indicateurs sur la trajectoire des masses d’eaux et qui agrégeront des données de modélisation hydrologique, climatiques et socio-économiques.

Ce projet bénéficiera de différents flux de données tels que ceux issus du pôle THEIA et du programme SWOT-Aval qui fourniront des estimations de volumes et débits d’eaux, ou sur la température avec le service produit par le pôle ECLA, partenaire du projet, dans la perspective de la future mission Trishna.

◀︎Carte de concentration en matières en suspension des eaux d'un lac de Barrage de Capivara (Brésil) obtenue à partir du traitement d'une image satellite Sentinel-2/MSI. © World Water Quality Portal - UNESCO

Site(s) d’application

Territoire 1 : France, Sud-Ouest (Tarn, Charentes, Tarn-et-Garonne, Garonne et Lot-et-Garonne prioritairement)
Territoire 2 : Brésil, sous-bassin du bassin du Parana au Brésil

Données

Satellite

Sentinel-2

Données in situ

Les produits satellites seront validés avec des données issues des observations sur certains bassins du Sud-Ouest de la France, dont notamment celui de la Save qui est étudié par le laboratoire LEFE depuis de nombreuses années. D’autre part, le projet bénéficiera de sorties de modèles également produites pas le laboratoire LEFE et qui ont été calibrées sur différentes bassins versants du Sud Ouest et dans le monde.

Résultats – Produits finaux

Le service proposé doit permettre à l’utilisateur d’identifier la trajectoire de retenues d’eaux individuelles comme de groupes de retenues. Le service web sera diffusé au travers de la plateforme de données nationale du pôle ECLA (écosystèmes lacustres) et une interface de type « tableau de bord » sera proposée pour améliorer l’accès aux contenus (statistiques) et la visualisation (dataviz) de ces informations aux différentes échelles du fonctionnement des écosystèmes aquatiques (masse d’eau, bassin versant, secteur hydrologique...) et aux échelons administratifs (commune, département, région...).

Ce service apportera trois grandes nouveautés :

Avoir accès à des variables descriptives instantanées pour une retenue individuelle ou pour une agrégation de retenues, pour lesquelles dans l’immense majorité des cas, il n’existe aucune information : surface, température, niveau de turbidité et de transparence, niveau d’eutrophisation ;
Consulter la trajectoire temporelle de cette retenue ou de ces retenues catégorisées en grandes classes définies à partir de l’évolution de toutes les retenues de la région;
Identifier leur vulnérabilité aux aléas de sécheresse grâce à un indicateur prenant en compte leur évolution durant des épisodes climatiques récents.

Le service fournira une vue globale des bassins versants et chaque retenue sera traitée comme une station dont les statistiques et indicateurs seront disponibles en un clic. Ce service permettra ainsi d’analyser les dépendances spatiales des groupes de retenues et de réaliser une analyse « macro » de l’évolution de retenues individuelles ou d’un sous-bassin versant.

Références

Mauricio Cezar Rebello Cordeiro : Application de la science des données en tant qu'outil de contrôle de la qualité de l'eau dans les réservoirs par l'image de satellite haute résolution - Thèse de l’école doctorale Sciences de l’Univers, de l’Espace et de l’Environnement – Université de Toulouse

Tavares, M. H., Lins, R. C., Harmel, T., Fragoso Jr, C. R., Martínez, J. M., & Motta-Marques, D. (2021). Atmospheric and sunglint correction for retrieving chlorophyll-a in a productive tropical estuarine-lagoon system using Sentinel-2 MSI imagery. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 174, 215-236

Ventura, D. L. T., Martinez, J. M., de Attayde, J. L., Martins, E. S. P. R., Brandini, N., & Moreira, L. S. (2022). Long-term series of chlorophyll-a concentration in Brazilian semiarid lakes from Modis imagery. Water, 14(3), 400.

Aranha, T. R. B. T., Martinez, J. M., Souza, E. P., Barros, M. U., & Martins, E. S. P. (2022). Remote analysis of the chlorophyll-a concentration using Sentinel-2 MSI images in a semiarid environment in Northeastern Brazil. Water, 14(3), 451.

Cordeiro, M. C., Martinez, J. M., & Peña-Luque, S. (2021). Automatic water detection from multidimensional hierarchical clustering for Sentinel-2 images and a comparison with Level 2A processors. Remote Sensing of Environment, 253, 112209.

Projets liés

Ces travaux sont étroitement liés aux travaux portés par le Centre d’Expertise Scientifique THEIA « Couleur des Eaux continentales ». D’autre part, certaines méthodes exploitées pour ce projet sont également valorisée avec l’UNESCO dans le cadre de l’initiative « World Water Quality Portal » .