Hydrologie spatiale : développement d'applications pour l'utilisation de la télédétection sur les grands bassins fluviaux

par Frédéric Frappart

Thèse de doctorat en Géophysique et télédétection spatiale

Sous la direction de Frédérique Seyler et de Anny Cazenave.

Soutenue en 2006

à Toulouse 3 .

mots clés

• Télédétection spatiale
• Altimétrie satellitaire
• Imagerie spatiale
• Gravimétrie Spatiale
• Cycle de l'eau
• Hydrologie continentale
• Hydrologie fluviale
• Radioaltimètres
• Satellites artificiels en géodésie
• Gravimétrie (géophysique)

Résumé

Les techniques de télédétection spatiale constituent un apport majeur pour l'étude des variations de masses d'eau dans les grands bassins fluviaux, en permettant un suivi homogène de ces fluctuations dans l'espace et dans le temps. L'objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles applications hydrologiques au moyen des mesures spatiales acquises par différents types de mission satellitaire : altimétrie radar, imagerie satellitaire, gravimétrie spatiale. L'altimétrie spatiale offre la possibilité d'étudier les variations de niveau d'eau des grands fleuves, des lacs et des zones d'inondation, garantissant ainsi une surveillance continue et globale des eaux de surface. Elle donne aussi accès à des produits hydrologiques nouveaux comme le profil hydrologique ou la pente des fleuves. Elle permet en outre de définir des réseaux limnimétriques nivelés, dont les stations peuvent être définis tant sur les fleuves que sur les zones d'inondation, complémentaires des réseaux in-situ. Combinée à l'imagerie spatiale, l'altimétrie satellitaire a été utilisée pour déterminer les variations de volume d'eau dans les grands bassins fluviaux. Ces paramètres revêtent, en effet, une importance fondamentale pour les hydrologues car le premier est à la base des études hydrodynamiques et le second apporte des contraintes sur la répartition des masses d'eau entre zones inondées et réseau hydrographique, avec des applications au transport des sédiments et à la disponibilité des ressources en eau à l'échelle régionale. Des exemples d'utilisation de ces techniques sont présentés pour les bassins amazoniens et du Mékong. La mission de gravimétrie spatiale GRACE, lancée en mars 2002, fournit, quant à elle, les variations spatio-temporelles des stocks d'eaux continentales (eau des sols et manteau neigeux) et de paramètres hydrologiques dérivés comme l'évapotranspiration. Une analyse de l'évolution des stocks d'eau et de neige est présentée à partir des premiers géoïdes mensuels issus de la mission GRACE, aux échelles globale et régionale, ainsi que le calcul du paramètre d'évapotranspiration, à l'échelle du bassin versant. Ces résultats sont comparés à la variation des volumes d'eau de surface obtenue précédemment pour le bassin du Mékong.

Titre traduit

Hydrology from space : applications of remote sensing for hydrological studies in the great river basins

Résumé

Remote sensing can be considered as an important tool for studying the variations of water masses in large river basins due to a homogeneous sampling both in space and time. The objective of this PhD thesis was to develop new hydrological applications using measurements acquired by various types of satellite mission: radar altimetry, satellite imagery, gravimetry from space. Space altimetry is commonly used to study time variations of water level of large rivers, lakes and flooded zones. New hydrological products such as hydrological profiles or river slopes. Levelled limnimetric networks can thus be defined, with gauge stations on the rivers as well as on the flooded zones. Used in combination with imagery from space, satellite altimetry can be used to determine surface water volume variations in large river basins. These parameters are fundamental for hydrologists because hydrological profiles are necessary for hydrodynamic studies and distribution of water volume variations constrains the distribution of water masses between flooded zones and hydrographic network. Examples of use of these techniques are presented for the Amazon and the Mekong basins. In March 2002, a new generation of gravity missions was launched: the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) space mission. The objective of GRACE is to measure spatio-temporal variations of the gravity field with an unprecedented resolution and precision, over time scales ranging from a few months to several years. As gravity is an integral of mass, these spatio-temporal gravity variations represent horizontal mass redistributions only to the extent they are assumed to be caused by surface water changes. On time scales from months to decades, mass redistribution mainly occurs inside the surface fluid envelopes (oceans, atmosphere, ice caps, continental reservoirs) and is related to climate variability. An analysis of the evolution of water and snow mass is presented using the first monthly geoids from the GRACE mission, at global and regional scales, as well as the estimation of evapotranspiration rate at basin scale. These results are compared with surface water volume variations previously obtained for the Mekong basin.