Utilisation des techniques de télédétection et de modélisation pour surveiller, comprendre et gérer les efflorescences algales nuisibles. Application au Réservoir de Karaoun (Liban) et au Lac de Créteil (France).

par Najwa Sharaf

Projet de thèse en Sciences et Techniques de l'Environnement

Sous la direction de Brigitte Vinçon-Leite.

Thèses en préparation à Paris Est en cotutelle avec l'Université libanaise , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains (laboratoire) et de Equipe SIE (equipe de recherche) depuis le 01-01-2017 .


  • Résumé

    L'eutrophisation menace les plans d'eau douce, en favorisant le développement et la persistance d'algues nuisibles, surtout les cyanobactéries. Ces espèces photosynthétiques nuisibles réduisent la biodiversité des écosystèmes et peuvent produire des toxines. Ces toxines peuvent provoquer des irritations de la peau lors d'un contact, des maladies, des intoxications et la mort pour le bétail, les animaux domestiques et la faune qui ingèrent l'eau contaminée par les cellules toxiques des cyanobactéries ou les toxines libérées par décomposition des cellules de cyanobactéries. En plus, les cyanobactéries peuvent s'agréger et former des couches de surface sur l'eau, ceci réduit la pénétration de la lumière disponible pour les autres organismes vivants à l'intérieur de la colonne d'eau, ce qui pourrait endommager le fonctionnement des écosystèmes naturels et réduire sa biodiversité. Dans l'Union européenne, la communauté de phytoplancton est utilisée comme un indicateur biologique de l'état écologique des cours d'eau surveillés conformément à la directive du cadre de l'eau (Water Framework Directive). En outre, l'Organisation Mondiale de la Santé (WHO) a établi des valeurs de référence pour l'approvisionnement en eau potable et les eaux récréatives qui peuvent contenir des efflorescences algales nuisibles. La télédétection est une technique utile pour estimer la distribution spatiale des propriétés de qualité de l'eau dans les lacs, car la totalité de la surface du lac est couvert, donc les limitations associées à l'échantillonnage sur le terrain seront évitées. La variété des satellites optiques et de capteurs fonctionnant de nos jours est une source d'information extraordinaire qui peut convenir aux différentes caractéristiques des sites d'étude. Les capteurs de nouvelle génération (par exemple Landsat-OLI et Sentinel2-MSI) fournissent des images optiques de haute qualité et résolution appropriées pour surveiller les concentrations de chlorophylle-a et de phycocyanine, les pigments de phytoplanctons et cyanobactéries. Bien que la télédétection peut être la technique idéale pour la détermination de la distribution spatiale de la chlorophylle-a, la valeur d'utilisation des techniques de télédétection sur les lac peut être considérablement augmentée lorsqu'elle est soutenue par des techniques de modélisation. Bien que la télédétection peut montrer des distributions spatiales, elle manque la capacité d'expliquer les causes de ces distributions:les courants, la stratification thermique, l'apport d'éléments nutritifs provenant du bassin du lac. En plus, les données fournies par les satellites sont discontinuues. Sentinel2-MSI et Landsat-OLI, fournissent des images satellites à haute résolution de 30 m, tous les 10 à 16 jours, respectivement. Et la télédétection ne donne une bonne évaluation que pour la couche superficielle. Lorsqu'un événement du vent se produit, la biomasse est mélangée tout au long de la colonne d'eau et la biomasse totale peut être sous-estimée par télédétection. Un modèle hydrodynamique-écologique tridimensionnel peut compléter les techniques de télédétection en fournissant des informations sur la dynamique du phytoplancton pendant le passage des satellites, sa distribution verticale et fournir des informations sur les facteurs controlant la dynamique spatio-temporelle de la prolifération d'algues. Le défi scientifique de la thèse est de mieux comprendre le développement des algues nuisibles. Pour cela, un premier objectif du projet est donc de déterminer l'association adéquate entre la télédétection, les mesures sur terrain et la modélisation hydrodynamique-écologique pour surveiller et décrire la dynamique des efflorescences de phytoplancton. Les questions suivantes adressent le niveau de détail du modèle biologique doit être, si l'utilisation d'un modèle permet d'alléger l'enquête sur le terrain, la représentativité des points de surveillance habituels. Un second objectif, plus pratique est de construire un système d'alerte de la prolifération d'algues, basé sur les données de télédétection et du modèle, et de l'appliquer. Très peu d'articles traitent la combinaison de la télédétection et la modélisation prédictive des proliférations d'algues d'eau douce, dont la plupart parlant de la dynamique d'algues côtière ou océanique à des échelles spatiales et temporelles plus grandes.

  • Titre traduit

    Using remote sensing techniques and modelling to monitor, understand and manage harmful algal blooms. Application to Karaoun reservoir (Lebanon) and Lake Créteil (France).


  • Résumé

    Eutrophication threatens freshwater bodies as it promotes the development and the persistence of harmful algal blooms, mostly cyanobacteria. These harmful photosynthetic species reduce ecosystem biodiversity and can produce toxins. Some of these toxins cause skin irritation upon contact, illness, intoxication and death to livestock, pets, and wildlife that ingest water contaminated with toxic cyanobacterial cells or toxins released from decaying of cyanobacterial cells. In addition to this, cyanobacteria can aggregate and form surface layers on the water, reducing the penetration of light available for other organisms living inside the water column, which will damage the natural ecosystem functioning and reduce its biodiversity. In the European Union, the phytoplankton community is used as a biological indicator of the ecological status of water bodies monitored in accordance with the Water Framework Directive. In addition, the World Health Organization (WHO) has established guideline values for drinking-water supplies and recreational waters which may contain harmful algal blooms. Remote sensing is a useful technique to estimate spatial distributions of water quality properties within lakes because the whole lake surface is covered, so limitations associated with field sampling are avoided. The variety of optical satellite and airborne sensors operating nowadays is an extraordinary source of information that can fit different study sites characteristics. New generation sensors (e.g. Landsat-OLI and Sentinel2-MSI) provide high quality optical images suitable to monitor chlorophyll-a and phycocyanin concentrations, pigments of phytoplankton and cyanobacteria. While remote sensing may be the ideal technique for determining chlorophyll-a spatial distributions at the lake surface, the value of using remotely sensed studies of lakes may be greatly increased when supported by modelling techniques. Although remote sensing may show spatial distributions, it lacks ability to explain the causes of spatial distributions: currents, thermic stratification, inflows of nutrients from the lake catchment, flushing into the downstream river. Moreover, data provided by satellites are uncontinuous. Sentinel2-MSI and Landsat-OLI, provide high resolution satellite images of 30 m, every 10 to 16 days, respectively. And remote sensing only gives a good assessment of the surface layer biomass. When a windy event occurs, the biomass is mixed over the water column and the total biomass can be underestimated by remote sensing. A 3D hydrodynamic-ecological model can complete remote sensing techniques by providing information on the dynamics of the phytoplankton biomass between the satellite overpasses, its vertical distribution and providing information on the controlling factors of the spatio-temporal dynamics of algal blooms. The thesis scientific challenge is to better understand the development of harmful algal. For this, a first project goal is thus to determine the adequate association between remote sensing, field measurement and hydrodynamic-ecological modeling to monitor and describe the dynamics of phytoplankton blooms. Subsequent questions are how detailed the biological model needs to be, whether using a model makes it possible to lighten the field survey, how representative are usual monitoring points. A second, more practical goal is to build a warning system of algal blooms, based on remote sensing data and the model, and to apply it to Karaoun Reservoir. Very few articles address the issue of combining remote sensing and predictive modelling of freshwater algal blooms, most articles dealing with coastal or ocean algal dynamics at larger space and time scales.