Les pressions anthropiques ont un impact de plus en plus significatif sur le climat à l'échelle de la planète venant accentuer encore les problématiques de la gestion de la ressource en eau ; tant au niveau de la quantité, que de la qualité. Le bassin versant de l'Amazone constitue un véritable laboratoire à ciel ouvert de ces perturbations liées aux activités humaines. D'une surface de plus de six millions km², ce géant impose alors une approche intégrée afin de suivre de manière dynamique les flux d'eau et de matière en suspension échangés entre le cours d'eau et sa plaine d'inondation, en couplant la modélisation hydrologique et sédimentaire avec les données issues de la télédétection. Afin d'adresser ces questionnements, le modèle agro-hydro-environnemental à base physique SWAT a été modifié afin de prendre en compte l'effet de l'épanchement des crues et des remous hydrauliques. Celui-ci intègre dans un premier temps, des observations issues de la mission SMOS, offrant ainsi une délimitation plus réaliste des plaines d'inondation. Une revisite des modules hydrauliques présent dans les cours d'eau précédemment développée, et des formalismes de transports sédimentaires implémentés par défaut, ont été couplés avec un module de plaine d'inondation développé afin de modéliser une continuité des flux d'eau et de matière dans le réseau alluviale. Afin de calibrer et de valider le modèle développé, SWAT-FloodPlain, les données issues de l'altimétrie spatiale ont été utilisées et une méthodologie a été créée afin de spécifiquement valider les simulations dans les plaines d'inondation. Dans la rivière, c'est ainsi plus de 1100/3800 stations virtuelles qui ont été implantées avec un R² moyen de 0,62 pour les stations Jason-2 et Jason-3 et un R² moyen de 0,75 pour les stations Sentinel-3A. En ce qui concerne les stations virtuelles pour la validation du module de plaine d'inondation, on dénombrera 840 stations Jason avec un R² moyen de 0,61 et 2570 stations Sentinel-3A dont le R² moyen et de 0,75. Ainsi, le stock en eau libre dans les plaines d'inondation du système amazonien s'élève en moyenne à 1800 km3 par an, soit un tier du débit moyen à l'exutoire du bassin. Les bassins versants du Negro/Branco et du Madeira sont les principaux acteurs du stockage en eaux libres, avec respectivement 480 km3 et 312 km3 d'eau stockés chaque année. La partie sédimentaire du modèle a été calibrée à l'aide des stations de mesure sur réseau SO-HyBAM sur une grande partie du bassin. De plus, la validation de la concentration en matières en suspension fines, retrouvée grâce à l'exploitation des images satellitaires MODIS, a été effectuée en plusieurs points clefs du bassin versant. Le module sédimentaire renvoie ainsi des résultats satisfaisants à la fois pour les stations de jaugeage in-situ, que pour les stations virtuelles de qualité de l’eau : R² = 0,42, NSE = -0,73, pbiais = 55,44, RMSE = 762,21, KGE = 0,28 et RSR = 1,23. Ceci a permis en outre de réactualiser les flux sédimentaires de l'ensemble du bassin versant, dont l'export à l'Océan s'élève à 624 Mt de matière fine par an. En parallèle, cet exercice a également été conduit au niveau des zones ripariennes où 8700 Mt de sédiments transitent chaque année par les plaines du bassin. Celles-ci sont en outre une source de MES de l'ordre de 17Mt/an, soit 3% du flux total. |
Anthropogenic pressures have been having an increasingly significant impact on climate for the last decades, further exacerbating issues related to water resource management, both in terms of quantity and quality. The Amazon basin represents a fantastic case for observing these disturbances caused by human activities. With an area of over six million km², an integrated approach is required to dynamically monitor water and suspended sediment fluxes exchanged between the river channel and its floodplain, by coupling hydrological and sedimentary modelling with remote sensing observations. To address these issues, the physically-based agro-hydro-environmental model SWAT was adapted to account for the effect of flooding and floodplain dynamics. To begin with, it integrates observations from the SMOS mission, thus offering a more realistic delineation of the floodplains. Previous hydraulic modules present in the rivers, as well as the sediment transport formalisms implemented by default, were redesigned and coupled with a floodplain module developed in order to model a continuity of water and sediment fluxes alongside the alluvial network. To calibrate and to validate the developed model, SWAT-FloodPlain, altimetry data were used and a new methodology was created to specifically validate the simulations in the floodplain. In the river, more than 1100/3800 virtual stations were implemented with an average R² of 0.62 for the Jason-2 and Jason-3 stations and an average R² of 0.75 for the Sentinel-3A stations. Concerning the virtual stations located in floodplains, there are 840 Jason stations with a mean R² of 0.61 and 2570 Sentinel-3A stations with a mean R² of 0.75. As so, surface water storage in the floodplains of the Amazon basin is about 1800 km3 per year, or one third of the average discharge at the basin outlet. The Negro/Branco and Madeira River basins are the main contributors in terms of water storage, with respectively 480 km3 and 312 km3 of water stored each year during the 2000-2018 period. Seasonal flood dynamics are in opposition between the Northern and Southern hemispheres of the basin.
The sediment module was calibrated with the help of gauging stations on the SO-HyBAM network over a large part of the basin. In addition, validation of the concentration of fine suspended sediment, retrieved with the use of MODIS satellite images, was carried out at several key points in the catchment area. The sediment module returns satisfactory results for both the in situ gauging stations and the virtual water quality stations, with average indexes: R² = 0.42, NSE = -0.73, pbiais = 55.44, RMSE = 762.21, KGE = 0.28 et RSR = 1.23. This also allowed the updating of the sedimentary fluxes of the whole basin, with an export to the Ocean amounts to 624 Mt of fine material per year. This exercise was also carried out in the floodplains of the basin, where 8700 Mt of fine suspended sediment pass through the floodplains of the basin every year. These floodplains are also a source of about 17 Mt/year of fines suspended sediment, i.e. 3% of the total flow. |