Cycle de l’eau – hydrologie continentale

Cycle de l’eau – hydrologie continentale

Comprendre le cycle de l’eau

Sans eau, il n’y a pas de vie. L’eau sert à boire, irriguer, nettoyer, produire, transporter, … Nos sociétés de consommation ont parfois oublié à quel point cette ressource était essentielle et fragile.

Les eaux de surface, directement utilisables pour de nombreuses activités humaines, ne représentent que 0.3% de l’eau douce sur terre. Cette ressource est renouvelée par les précipitations. Néanmoins, les évolutions climatiques, en relation avec les émissions de gaz à effet de serre émis par les activités humaines en modifient fortement la répartition géographique et temporelle. Nous faisons ainsi face de plus en plus à des excès d’eau, engendrant des inondations catastrophiques, comme à des manques d’eau, induisant des sécheresses aux conséquences toutes aussi importantes.

L’eau représente un enjeu sociétal et géopolitique capital. À l’horizon 2050, la demande va fortement augmenter, et ce, dans un environnement dégradé. On estime ainsi que 20% de la population mondiale sera exposée au risque d’inondation et 50% à une pénurie d’eau. En France la situation est légèrement différente, mais les risques naturels sont principalement en relation avec des excès d’eau comme les crues ou des submersions côtières dans certaines régions, ou avec des manques d’eau qui mènent à des sols très secs provoquant des mouvements de terrain dans d’autres régions.

Nous nous devons de mieux gérer cette ressource et, pour la gérer, il faut pouvoir la mesurer et anticiper ses évolutions temporellement et spatialement.

Le cycle de l’eau sur les surfaces continentales

L’hydrologie est la science de la terre qui s’intéresse au cycle de l’eau, c’est-à-dire aux échanges d’eau, sous toutes ses formes (liquide, glace, vapeur) entre l’atmosphère, la surface terrestre et son sous-sol.

En ce qui concerne les échanges avec l’atmosphère, l’hydrologie s’intéresse à l’eau qui tombe de l’atmosphère vers la surface (c’est-à-dire la pluie, la neige, la glace), et aussi à l’eau qui repart de la surface vers l’atmosphère (par évaporation de l’eau présente en surface à l’air libre, par évapotranspiration des végétaux).

A la surface, l’hydrologie continentale étudie le ruissellement, les phénomènes d’érosion, les écoulements des cours d’eau et les inondations.

Juste en dessous de la surface, dans les premiers centimètres se situe la subsurface, aussi appelée zone non saturée. Ici l’hydrologie étudie les processus d’infiltration dans le sol, de transfert d’eau et de transport de polluants. Cette zone a une importance fondamentale car elle constitue l’interface entre les eaux de surface et de profondeur, et c’est aussi le lieu où les plantes viennent puiser les ressources nécessaires à leur croissance.

L’hydrologie souterraine, aussi appelée hydrogéologie, porte sur les ressources du sous-sol (où se situe les nappes phréatiques), leur captage, leur protection et leur renouvellement.

L’hydrologie urbaine constitue un « sous-cycle » de l’eau lié à l’activité humaine : production et distribution de l’eau potable, collecte et épuration des eaux usées et pluviales.

L’hydrologie spatiale

Pour observer, alerter et comprendre le cycle de l’eau, il existe des réseaux mondiaux de stations qui mesurent directement sur le terrain l’état de nos ressources en eau. Le réseau GRDC comporte plus de 10.000 stations qui ont mesuré les écoulements d’eau à travers le monde. Mais ces réseaux, s’ils sont essentiels, ont leurs limites. Par exemple en France, seulement 200 lacs sont régulièrement suivis, soit moins de 1% des lacs. La situation est encore plus critique dans les pays en voie de développement, où peu de mesures sont à ce jour disponibles. De plus les informations ne sont souvent pas partagées de part et d’autres des frontières, et ces stations de mesure sont difficiles à maintenir dans les endroits les plus reculés.

L’hydrologie spatiale, qui est l’observation du cycle de l’eau par les satellites, joue donc un rôle majeur dans la surveillance de la quantité et qualité de l’eau sur l’ensemble de la planète. Grâce à leur vision globale, les satellites sont devenus indispensables pour compléter ces réseaux de mesures dits in situ. Les satellites nous permettent également de nous affranchir des frontières et d’observer l’ensemble d’un bassin versant et les usages de l’eau qui sont faits par les pays voisins. Le spatial peut ainsi aider à dénouer des crises géopolitiques.

Les enjeux scientifiques et observations possibles depuis l’espace

De nombreux satellites ont ainsi été lancés pour observer le cycle de l’eau. Décortiquons ensemble leurs capacités d’observations pour étudier ses variations.

Cette première partie représente les entrées et les sorties du cycle de l’eau. L’eau arrive sur les surfaces continentales au travers de précipitations. Une partie repart dans l’atmosphère par évaporation et transpiration des sols et des plantes appelée évapotranspiration. Enfin, une autre partie repart vers l’océan par écoulement. Ces 3 grands paramètres sont observés par de nombreux satellites qui embarquent plusieurs types de technologies spécialement conçues pour leurs observations.

Cette simple soustraction détermine la variation du stock d’eau total présent sur les surfaces continentales qui peuvent se décomposer en 3 éléments : les eaux de surfaces (comme les lacs, les rivières, le manteau neigeux, les glaciers), l’eau contenue dans les 1ers cm du sol (aussi appelée humidité du sol qui permet aux plantes de grandir), et enfin les eaux souterraines qui ne peuvent pas être immédiatement observées par satellite mais qui forment des masses d’eau tellement conséquentes qu’elles influent sur le champs de gravité terrestre, qui lui, est mesuré par satellite.

On voit ainsi que tous les paramètres du cycle de l’eau sont observés par satellite.

Bien évidemment, les satellites ont aussi leurs limites comme les conditions nuageuses pour ceux qui observent dans le visible, ou qu’un même point ne soit observé que tous les quelques jours suivant l’orbite, ou encore une faible résolution spatiale due à des limitations technologiques. Ils fournissent néanmoins de précieuses informations de très haute qualité en tout point du globe qui nous permettent de mieux comprendre le cycle de l’eau et d’adapter nos usages.

Les satellites ont révolutionné l’océanographie, ils bouleversent aujourd’hui l’hydrologie. La mission franco-américaine SWOT en est la pierre angulaire.

Grâce à 2 antennes radars situées aux extrémités d’un mât de 10 m, l’instrument KaRIn effectue des mesures le long d’une fauchée large de 120 km. Cette large trace au sol permet d’accéder aux informations des niveaux d’eau des fleuves, ainsi que des lacs et des zones d’inondation avec une précision de l’ordre de 10 cm et de quantifier les pentes avec une précision inférieure à 2 cm par km.

Les données de la mission SWOT permettent d’estimer les débits des grands fleuves, de déterminer les variations au cours du temps des lacs, réservoirs et zones humides, qui stockent l’eau en surface. Le nombre de lacs d’une superficie supérieure à 1 ha observés par SWOT est estimé à 30 millions.

Sur la région toulousaine, nous reconnaissons très bien les rivières importantes de la zone, mais également le canal du midi qui possède une largeur d’environ 15 à 20 mètres. Nous voyons très nettement les lacs et les gravières ainsi que certaines petites retenues collinaires.

La capacité d’observation de la mission est donc largement meilleure aux attentes définies avant son lancement ouvrant la voie à de nombreuses applications sur ces petites surfaces d’eau qui jouent un rôle si important à l’échelle de ce bassin.

Le satellite SWOT surveille les fleuves, de largeur supérieure à 100 mètres, voire moins.

Trois produits sont délivrés aux utilisateurs. Ils ne sont calculés que pour les fleuves répertoriés dans une base de données préexistante. L’enregistrement y est fait par segment de 10 km de long.

Premier produit : le produit par segment. Lors du passage de SWOT sur un fleuve, les observations sont rattachées aux différents segments prédéfinis dans la base de données. Le produit contient la valeur moyenne de la hauteur, de la largeur, de la pente et du débit du fleuve pour chaque segment.

Deuxième produit : le produit par point. Le long de la ligne centrale du fleuve, un point est défini tous les 200 m. Le produit contient la hauteur et la largeur du fleuve au niveau de chaque point.

Enfin, le produit par cycle. Un fleuve peut être observé, 1, 2,3 4 fois et même jusqu’à 12 fois aux hautes latitudes, par cycle de 21 jours. Pour chaque segment, le produit compile les informations disponibles obtenues durant l’ensemble du cycle.

Le nombre de segments de fleuves observés par SWOT est de plus de 210,000 sur l’ensemble des continents.

Le satellite SWOT surveille également la hauteur, la superficie et l’évolution du stock d’eau dans le temps pour des lacs de taille supérieure à 6 ha, voire moins. Plusieurs millions de lacs sont ainsi observés chaque cycle.

Les produits fournis aux utilisateurs sont de 2 types.

Le produit Single Pass, lors d’un passage sur un lac, contient la superficie, la hauteur d’eau, et l’évolution du stock d’eau. Si on dispose de la bathymétrie, c’est-à-dire le relief du fond du lac, on peut alors disposer de la valeur absolue du stock d’eau.

Le produit Moyenne par Cycle contient la hauteur et la superficie moyenne d’un lac par cycle de 21 jours. Au cours de ce cycle, un lac peut être observé 1 fois à l’équateur jusqu’à 12 fois aux hautes latitudes. Dans certains cas, un lac est observé partiellement sur un passage, le complément est obtenu lors du passage suivant. Dans ce cas, le produit permet une combinaison de la superficie.

Ces 2 produits permettent le suivi d’un lac au cours du temps. Par exemple ici, le lac Issyk-Koul au Kirghizistan. Il mesure 180 km de long par 60km de large et il est possible de surveiller l’évolution de sa hauteur et de sa superficie tout au long de l’année.

Dans le cadre de la mission SWOT et de THEIA, le pôle surfaces continentales de Data Terra, le CNES a développé un centre de production hydrologique et un hub thématique de distribution, hydroweb.next, afin de promouvoir un large accès aux données hydrologiques issues des observations satellites.

Ces solutions répondent aux besoins des utilisateurs de la communauté hydrologique : laboratoires de recherche, agences de l’eau, ONG, secteur privé, etc.

Le centre de production exploite régulièrement des algorithmes innovants pour la détection de l’eau, sa hauteur, sa qualité et la détermination de la couverture neigeuse fractionnée sur la base des observations de Sentinel-1 et Sentinel-2. D’autres variables seront ajoutées, tels que la température de l’eau et l’étendue et l’évolution de volume des réservoirs.

hydroweb.next est une plateforme de distribution destinée aux hydrologues. Elle offre un accès gratuit aux données et à des services (recherche avancée de produits, visualisation sur une carte ou d’une série temporelle, téléchargement, analyses, etc.). Le catalogue de données comprend non seulement les produits exploités dans le centre de production, mais aussi des produits provenant d’autres portails THEIA, les produits SWOT et d’autres produits externes. Ces produits externes peuvent provenir de n’importe quelle source pour autant qu’ils présentent un intérêt pour les utilisateurs et qu’ils soient accessibles au public. Ils peuvent être dérivés non seulement d’observations par satellite, mais aussi de mesures in situ, de modèles physiques ou encore de données aériennes.

Une nouvelle révolution se prépare aujourd’hui, avec la mission de démonstration TRISHNA en coopération avec l’agence spatiale indienne, l’ISRO. Cette mission dont le lancement est prévu pour 2026 embarquera à son bord un instrument thermique en plus d’un instrument optique, ce qui nous permettra d’avoir simultanément accès à des informations de température en plus d’une image dans le visible. Ces informations fusionnées permettront d’estimer le stress hydrique des plantes, avec une revisite inédite tous les 3 jours et à une résolution de 60 mètres ! Cette mission est précurseur de la mission Copernicus LSTM qui, elle, sera opérationnelle avec 2 satellites prévue pour 2028 et 2030. Un nouveau pan pour les applications, notamment dans le domaine de l’agriculture, va s’ouvrir grâce à ces nouvelles observations, et permettra à la science d’améliorer nos connaissances pour une meilleure gestion de nos ressources en eau !

Parmi les autres missions spatiales préparées au CNES, il y a la mission AOS en coopération avec la NASA et l’agence spatiale japonaise la JAXA, qui étudiera les processus atmosphériques grâce à une constellation de 2 satellites, ce qui permettra d’améliorer nos connaissances sur les précipitations qui sont l’entrée principale de notre cycle de l’eau terrestre.

Il y a également la mission NGGM/MAGIC de l’ESA et de la NASA pour améliorer nos connaissances du champ de gravité terrestre et de ses variations qui nous permettent de déduire les masses d’eau souterraine.

La mission Sentinel-3 nouvelle génération topographie, reprend le concept de SWOT avec une altimétrie nadir couplée à une large fauchée afin de mesurer les hauteurs d’eau de manière opérationnelle.

Le CNES travaille également sur une constellation de plusieurs nano satellites embarquant des altimètres nadir afin d’assurer une revisite quasi journalière sur certains lacs et rivières.

Les satellites sont de formidables outils pour acquérir des observations en tout point du globe. Cependant, ce ne sont pas des mesures directes et ils requièrent des réglages très fins de leurs instruments à bord et des modèles qui permettent de transformer les observations en une information intelligible et utile.

Afin de calibrer au mieux et de valider les produits de ces satellites, il est indispensable de disposer de mesures directes sur le terrain. Ces mesures permettent ainsi d’étudier les processus de manière détaillée à un endroit donné, et de pouvoir ainsi qualifier et valider les informations du satellite qui sont ensuite distribuées au public.

Ces données peuvent être récoltées manuellement lors de campagne terrain ou via des dispositifs installés et laissés sur place au bord de rivière, de lacs, de terrains agricoles, etc. Elles peuvent être mises à disposition ensuite sur les portails de données tels qu’hydroweb.next ou Data Terra.

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