Caractérisation de la dynamique hydro-sédimentaire du bassin de l'Ucayali (Pérou), par une approche intégrant réseau de mesures, télédétection et modélisation hydrologique

Characterization of the hydro-sedimentary dynamics of the Ucayali basin (Peru), through an approach integrating measurement network, remote sensing and hydrological modelling

• Auteur / Autrice : William Santini
• Direction : Jean-Michel Martinez, Jean Loup Guyot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces et interfaces continentales, hydrologie
• Date : Soutenance le 04/02/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Rodrigues, Cédric Legout, Benoît Camenen, Sabine Simeoni-Sauvage, Bruno Lartiges, Naziano Filizola
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Rodrigues, Cédric Legout

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection en sciences de la Terre

Sédiments (géologie) -- Transport

Ucayali (Pérou ; cours d'eau)

Dynamique hydro-sédimentaire

Mots clés libres

Bassin Amazonien

Ucayali

Transport sédimentaire

Routage des débits

Hydrologie

Modélisation hydrologique

SWAT

MODIS

Télédétection

HYBAM

Amazon basin

Ucayali

Sediment transport

Flow routing

Hydrology

Hydrological modelling

SWAT

MODIS

Remote sensing

HYBAM

Résumé

Dans un contexte d’intensification de la variabilité climatique et de la pression anthropique sur les bassins de l’avant pays du bassin Amazonien, la compréhension des dynamiques hydro-sédimentaires devient plus que jamais un enjeu crucial pour garantir un développement durable dans cette région. La taille considérable de ce bassin impose une approche intégrée pour effectuer un suivi dynamique des flux particulaires, couplant données in-situ, télédétection (couleur de l’eau et altimétrie spatiale), campagnes de mesures de calibration/validation, et la modélisation hydrologique. C’est pourquoi ce problème a été approché en identifiant deux modes granulométriques dominant le cortège d’alluvions transportées par les grandes rivières du bassin Amazonien. D’une part, les silts et les petits agrégats, qui peuvent être suivis en surface par satellite, et d’autre part les sables fins en suspension graduée, invisibles pour les satellites, mais dont le transport peut être modélisé par des équations issues de l’hydraulique. Afin de relier la concentration en matières en suspension en surface, mesurée par satellite, et la concentration moyenne dans une section de mesure, une formulation physique est proposé (Santini et al., 2019) et validée à partir d’un jeu de données hydro-sédimentaires exceptionnel, collecté en Amazonie péruvienne dans le cadre des activités du SO HyBAm. Ce modèle est également un outil puissant pour optimiser l’échantillonnage dans la colonne d’eau et le suivi in situ de concentration dans les grands fleuves. Les paramètres hydrauliques nécessaires à son application, mais également aux lois de capacité de transport utilisées pour simuler les flux de sables, sont obtenus à partir du modèle hydrologique semi-distribué SWAT. Ce dernier a été utilisé pour simuler le cycle hydrologique dans un bassin test de 350 000 km², l’Ucayali. Ce bassin, qui est la branche mère du fleuve l’Amazone, roule 12 000 m3 s-1 et exporte à l’Amazone 293 106 t an-1 de sédiments. Les dynamiques hydro-sédimentaires intra-annuelles complexes ont mis en échec les approches de routage de l’eau et des sédiments implantées dans le modèle SWAT. En particulier, les effets d’épanchement des crues dans le lit majeur et de remous, qui contrôlent à l’échelle saisonnière les processus de sédimentation et de recyclage sédimentaire dans le bassin. De nouveaux modules de routage hydraulique et sédimentaire ont donc été implantés, en prenant en compte les effets précités. Le modèle SWAT ainsi modifié permet une excellente simulation des débits journaliers à l’exutoire de l’Ucayali (Nasch de 0.94), des vitesses moyennes et des hauteurs d’eau. Ces paramètres hydrauliques sont ensuite utilisés pour l’application de lois de capacité de transport afin de calculer un flux sables, et pour l’utilisation du modèle physique permettant de relier la concentration satellite en particules fines à une concentration moyenne. Cette approche permet ainsi, en s’appuyant sur le réseau conventionnel in-situ et sur des stations « virtuelles » où les flux sont suivis par simulation et par satellite, de proposer un bilan dynamique détaillé et étendu pour le bassin de l’Ucayali.

Because increasing climatic variability and anthropic pressures have affected the sediment dynamics of large tropical rivers, long-term sediment concentration series have become crucial for understanding the related socio-economic and environmental impacts. The large size of this basin requires an integrated approach to dynamically monitor sediment flows, by coupling in-situ data, remote sensing (water colour and spatial altimetry), calibration/validation measurement campaigns, and hydrological modelling. This is why this problem has been approached by identifying two grain size modes that dominate the process of sediment transport in the major rivers of the Amazon basin. On the one hand, the silts and small aggregates, which can be monitored at the water surface by satellite, and on the other hand, the fine sands in graded suspension, invisible to satellites, but whose transport can be modelled by equations derived from hydraulics.In order to link the surface suspended sediment concentration, measured by satellite, and the average concentration in a river reach, a physical formulation is proposed (Santini et al., 2019) and validated from an exceptional hydro-sedimentary dataset collected in the Peruvian Amazon as part of the SO HyBAm activities. This model is also a powerful tool for optimizing water column sampling and in situ concentration monitoring in large rivers. The hydraulic parameters required for its application, but also for the laws of transport capacity used to simulate sand flows, are derived from the semi-distributed SWAT hydrological model. The latter was used to simulate the hydrological cycle in a 350,000 km² test basin, the Ucayali. This basin, which is the main branch of the Amazon River, discharges 12,000 m3 s-1 of water and exports 293 106 t year-1 of sediment to the Amazon River. Complex intra-annual hydro-sedimentary dynamics have thwarted the water and sediment routing approaches implemented in the SWAT model. In particular, the effectsof flooding on the river flood wave propagation, which seasonally control sedimentation and sediment recycling processes in the basin. New hydraulic and sedimentary routing modules have therefore been implemented into the model, taking into account the above-mentioned effects.The modified SWAT model allows an excellent simulation of daily flows at the Ucayali outlet (Nasch of 0.94), average velocity, and water levels. These hydraulic parameters are then used for the application of transport capacity laws to calculate a sand flow, and for the use of the physical model to link the satellite fine particle concentration to an average concentration. This approach thus makes it possible, based on the conventional in situ network and on “virtual” stations where flows are monitored by simulation and satellite, to propose a detailed and extended dynamic assessment for the Ucayali basin.