La télédétection au service des études sur les eaux souterraines

Shusen Wang, Richard Fernandes, Rasim Latifovic, Francois Charbonneau, Jianliang Huang, Francis Canisius, Matthew Maloley, Darren Pouliot, Sylvain Leblanc, Jixin Wang, Stéphane Chalifoux

Centre canadien de télédétection, Ressources naturelles Canada

Les eaux souterraines fournissent l’eau potable à environ un tiers de tous les Canadiens et jusqu’à 80 % de la population rurale. La protection des réserves d’eau salubre a été déclarée priorité nationale. Ce projet porte sur la nécessité, pour le gouvernement, de mieux comprendre la dynamique et la vulnérabilité des ressources en eaux souterraines des principaux aquifères régionaux.

Objectifs

Le principal objectif de ce projet consiste à soutenir le programme géoscientifique des eaux souterraines du SST, qui vise à cartographier les ressources en eau souterraine, à évaluer les principaux aquifères régionaux au Canada, ainsi qu’à gérer et diffuser les données sur les eaux souterraines. Plus précisément, le projet est axé sur :

  1. la caractérisation des aquifères, incluant la cartographie des caractéristiques biophysiques en surface, la cartographie des propriétés hydrauliques et de l’humidité du sol, ainsi que la cartographie du rendement spécifique des aquifères;
  2. la dynamique des eaux souterraines et les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines, notamment la cartographie et l’évaluation de l’alimentation des nappes souterraines, la quantification du bilan hydrique et des variations saisonnières, ainsi que les répercussions et les réactions entre les écosystèmes et le changement climatique;
  3. l’élaboration et l’étalonnage/validation de modèles dans le but d’évaluer la dynamique de l’eau des aquifères à l’aide de données de télédétection.

Méthodes

Nos méthodes sont axées sur l’élaboration d’outils utilisant la télédétection pour cartographier les paramètres de surface de la végétation et du sol reliés à l’hydrologie, ainsi que des modèles permettant de simuler les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface dans des conditions environnementales en évolution. Des mesures in situ de la gravité et des données des satellites GRACE sont également utilisées pour détecter les changements relatifs à la capacité totale d’emmagasinement de l’eau. Le modèle EALCO (Ecological Assimilation of Land and Climate Observations), élaboré au Centre canadien de télédétection, sert à intégrer les produits de télédétection mentionnés précédemment afin d’évaluer la dynamique des eaux souterraines dans les aquifères.

Résultats

Les membres de l’équipe et les partenaires du projet poursuivent la recherche et développement sur des méthodes et des prototypes de produits dans trois domaines:

  1. Détection et validation des paramètres de surface. Une gamme étendue de capteurs à bord de satellites sont utilisés pour détecter les paramètres hydrologiques de la végétation et du sol à différentes échelles, notamment les capteurs Landsat-TM, AVHRR, MODIS, VEGETATION, ENVISAT-ASAR et MERIS, RADARSAT-1 et -2. Les paramètres détectés relatifs à la végétation comprennent la couverture des terres, l’utilisation des terres et l’indice foliaire (LAI). La figure 1 représente le LAI détecté d’après les observations du spectromètre imageur MERIS au-dessus du sud de l’Ontario (Canisius et coll., 2010). Les paramètres relatifs au sol ont été déterminés notamment pour la texture du sol, la perméabilité et l’hydratation du sol, à la fois par des capteurs satellitaires optiques et radar. La figure 2 illustre un exemple d’un produit sur l’humidité du sol estimée d’après des données à polarimétrie intégrale et à double polarisation acquises par RADARSAT-2 au-dessus de Châteauguay (Québec). Les validations et le contrôle de la qualité des produits sont effectués lors d’une campagne sur le terrain pour chacun des aquifères. Ces paramètres contribuent à la modélisation de l’eau et à l’évaluation des aquifères.
  2. Quantification des changements de la capacité totale d’emmagasinement de l’eau au moyen de mesures de la gravité in situ et par satellite. Les changements de la capacité totale d’emmagasinement de l’eau sont étudiés à l’échelle locale au moyen de mesures de microgravité utilisant des densimètres pour déterminer la densité absolue et relative d’aquifères choisis. Les changements de la capacité totale d’emmagasinement de l’eau à l’échelle nationale est analysée d’après des mesures obtenues au moyen des satellites GRACE. La figure 3 illustre les changements de la capacité totale d’emmagasinement de l’eau en Amérique du Nord pour l’année 2007. Ces études, intégrées aux études sur l’eau dans le sol, contribuent à l’analyse des réserves souterraines en utilisant à la fois des observations sur le terrain et des simulations à l’aide de modèles dans le cadre du projet.
  3. Élaboration de modèles et d’algorithmes pour l’évaluation des eaux souterraines par l’intégration des produits de télédétection ci-haut mentionnés et d’autres données complémentaires. Le modèle EALCO élaboré au CCT intègre les produits d’observation de la Terre (OT) mentionnés précédemment afin de simuler le cycle de l’eau et évaluer la recharge des aquifères (figure 4). Le modèle EALCO comprend le couplage dynamique des cycles du rayonnement de surface, de l’énergie, de l’eau, du carbone et de l’azote. Sa représentation mécaniste des processus physiques, physiologiques et biogéochimiques en surface permettent aux utilisateurs d’examiner les nombreuses incidences et réactions entre le climat et la gestion des écosystèmes et les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines. Des recherches sont en cours dans le but d’améliorer la capacité du modèle à intégrer de nouveaux produits de télédétection et à étalonner/valider le modèle au moyen de paramètres d’aquifères locaux (Wang, 2008; 2009; Fernandes et coll., 2007), améliorant ainsi l’exactitude des estimations de la recharge des nappes souterraines à l’échelle régionale. Le modèle EALCO simule les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines pour soutenir les évaluations de la disponibilité en eau, du rendement soutenable et de la vulnérabilité des aquifères régionaux, selon des scénarios projetés de changements climatiques et d’utilisation des terres. Actuellement, les travaux de modélisation sont axés sur la Moraine de Waterloo, dans le sud de l’Ontario.

De plus amples renseignements sur les données et les produits de modèles disponibles peuvent être obtenus auprès de Shusen Wang.

Figure 1 : Le but de cette figure est de présenter une carte d'indice foliaire permettant une discrimination débutant avec les sols nus (faible Indice foliaire) et s'étendant jusqu'à la forêt dense (indice foliaire élevé).

Figure 1 : Indice de surface foliaire (LAI) extrait d’une image MERIS au-dessus du sud de l’Ontario (3 juillet 2006).

Image agrandie

Cette image montre le taux d’humidité du sol estimé à l’aide de données Radarsat. La gradation de l’humidité varie selon une échelle de 0.1 à 0.5.

Figure 2 : Humidité du sol estimée à l’aide de données entièrement polarimétriques et à double polarisation RADARSAT-2 au-dessus de Châteauguay (Québec). L’approche est basée sur la solution convergente du modèle d’équation intégré (IEM), dans lequel la solution pour une rugosité commun est extrapolée. L’effet de la végétation sur les estimations d’humidité du sol est évident en raison de la multidiffusion et de l’atténuation du signal diffusé. Avec l’aide des données polarimétriques et de la technique de décomposition des signaux, il est possible de quantifier l’énergie rétrodiffusée générée par la couche de végétation. En réduisant l’intensité totale rétrodiffusée par cette contribution volumétrique, on obtient de l’information qui est étroitement liée à la surface du sol. Avec cette méthode, il a été possible de générer des cartes d’humidité absolue de la surface du sol pour chaque ensemble de données RADARSAT-2 entièrement polarimétriques.

Cette carte thématique montre l’écart-type des changements dans le stockage de l‘eau. L’échelle est graduée entre 0 et 150 mm d’équivalent d’épaisseur d’eau.

Figure 3 : Carte des valeurs efficaces des changements dans le stockage d’eau total en équivalent d’épaisseur d’eau (mm) par rapport aux valeurs moyennes annuelles sur le terrain dérivées de GRACE pour la période de 12 mois en 2007.

Cette carte thématique montre la recharge diffuse annuelle simulée dans le bassin de l’Okanagan. L’échelle est graduée entre -500 mm et + 400 mm de recharge.

Figure 4 : Recharge diffuse annuelle simulée dans le bassin de l’Okanagan avec le modèle EALCO. Note : l’effet de l’évapotranspiration relié aux eaux souterraines est exclu de cette simulation.

Image agrandie

 

Remerciements :

Le projet se poursuit avec la collaboration d’Agriculture et Agroalimentaire Canada, de la Commission géologique de l’Ontario, de la Grand River Conservation Authority et de l’Université de Waterloo. Nous soulignons également le soutien financier du Programme d'initiatives gouvernementales en observation de la Terre (IGOT) de l’Agence spatiale canadienne.

Références

Canisius, F., Fernandes, R. and Chen, J., 2010. Comparison and evaluation of MERIS FR LAI products over mixed land use regions, Remote Sensing of Environment, doi:10.10 16/j.rse.2009.12.010.

Fernandes, R.A., Korolevich, V. and Wang, S. 2007, Trends in land evapotranspiration over Canada for the period 1960-2000 based on in situ climate observations and a land surface model , Journal of Hydrometeorology 8 (5), pp. 1016-1030.

Wang, S., 2008. Simulation of evapotranspiration and its response to plant water and CO2 transfer dynamics. Journal of Hydrometeorology, 9: 426-443, doi: 10.1175/2007JHM918.1.

Wang, S., Yang, Y., Trishchenko, A. P., Barr, A. G., Black, T. A., and McCaughey, H., 2009. Modelling the response of canopy stomatal conductance to humidity. Journal of Hydrometeorology, 10, 521–532, doi: 10.1175/2008JHM1050.1.