L’objectif de la thèse est de caractériser la composition des eaux de surface à partir d'analyses biogéochimiques et de mesures radiométriques in situ et satellitaires sur un site d’étude aquatique, le lac de Hatillo (République Dominicaine), marqué par une forte pression d’activités minières. Un total de 48 campagnes de prélèvements d'échantillons d'eau pour analyses biogéochimiques et 23 campagnes de mesures optiques in situ ont été réalisées sur cinq stations réparties à travers le lac pour caractériser les propriétés des eaux de notre site d'étude. Les mesures optiques in situ ont été réalisées par spectrophotométrie pour obtenir 86 mesures du coefficient d´absorption des matières dissoutes aCDOM et 39 mesures du coefficient d'atténuation c, ainsi que par spectroradiométrie pour obtenir 63 mesures de réflectance hyperspectrale. Un total de 219 images multispectrales Sentinel-2 et 24 images hyperspectrales des capteurs DESIS et EnMAP a été traité pour déterminer la réflectance de surface par satellite. Les relations entre les propriétés biogéochimiques et les mesures optiques in situ (coefficients d'absorption, atténuation et réflectance) ont été analysées pour identifier des signatures spectrales spécifiques aux polluants chimiques. Dans ce but, les propriétés optiques ont été analysées à travers leurs dérivées spectrales premières et secondes. Nous avons montré dans cette étude que les eaux provenant de la concession minière sont fortement concentrées en matières dissoutes libérées lors de l'extraction des minerais, notamment des sulfures, dont les concentrations sont 1.5 fois supérieures aux valeurs des normes environnementales, et des métaux tels que Mn, Cd et Li (entre 2 et 12 fois supérieurs aux valeurs des normes environnementales). L'assainissement des eaux sur la concession minière, réalisée principalement par l'introduction de chaux destinée à neutraliser le pH et à favoriser la précipitation des métaux lourds, conduit à un changement de phase des polluants chimiques ; ceux-ci se retrouvent fortement concentrés en phase particulaire dans les eaux situées en contrebas de la mine, tels que Fe, Zn et As (entre 2 et 3 fois supérieurs aux valeurs des normes environnementales). Dans ce contexte, des corrélations ont été identifiées entre le coefficient d´absorption de la lumière par les matières en phase dissoute à 535 nm (aCDOM(535)) ainsi que la dérivée première du aCDOM à 490 nm et les éléments chimiques les plus concentrés en phase dissoute (Ca, K et sulfures). Ces éléments provoquent une saturation des eaux qui induit une variation de la spéciation et un changement de phase de métaux lourds (notamment Fe) capable de modifier les propriétés optiques des eaux de surface. De même, nous avons identifié un lien probable entre le coefficient aCDOM(436) et la présence de nitrates liés aux activités agricoles conduisant à la photosensibilisation des matières dissoutes. L'influence des nitrates sur les propriétés optiques a également été identifiée sur les données de réflectance in situ à travers un minimum observé à 436 nm. Les données satellitaires de haute résolution spatiale des capteurs DESIS et EnMAP ont permis d’évaluer la faisabilité de la caractérisation des eaux affectées par des polluants chimiques par télédétection spatiale. Les propriétés optiques spécifiques aux polluants miniers et agricoles n'ont pas pu être identifiées sur les données satellitaires hyperspectrales analysées. L'approche expérimentale menée dans cette étude ouvre la voie au développement d'algorithmes d'inversion des mesures optiques pour l'estimation des concentrations des polluants chimiques d'origine minière dans les eaux intérieures. Les travaux réalisés pendant cette thèse démontrent le besoin crucial d'identification des polluants des eaux intérieures par télédétection à partir d'algorithmes d'inversion à développer et à consolider dans le futur pour faciliter la gestion des eaux intérieures soumises à des rejets industriels. |
The objective of the thesis is to characterize the composition of surface waters based on biogeochemical analyzes and in situ and satellite radiometric measurements on an aquatic study site, Lake Hatillo (Dominican Republic), characterized by a strong pressure from mining activities. A total of 48 water sampling campaigns for biogeochemical analyzes and 23 in situ optical measurement campaigns were carried out at five stations distributed across the lake to characterize the water properties of our study site. The in situ optical measurements were carried out by spectrophotometry to obtain 86 measurements of the absorption coefficient of dissolved materials aCDOM and 39 measurements of the attenuation coefficient c, as well as by spectroradiometry to obtain 63 measurements of hyperspectral reflectance. A total of 219 Sentinel-2 multispectral images and 24 hyperspectral images from DESIS and EnMAP sensors were processed to determine satellite surface reflectance. The relationships between biogeochemical properties and in situ optical measurements (absorption and attenuation coefficients and reflectance) were analyzed to identify spectral signatures specific to chemical pollutants. The optical properties were analyzed for this purpose through their first and second spectral derivatives. We have shown in this study that the waters coming from the mining concession are highly concentrated in dissolved materials released during the extraction of ores, in particular sulphides, which are 1.5 times higher than the values of environmental standards, and metals such as Mn, Cd and Li (between 2 and 12 times higher than the values of environmental standards). Water purification on the mining concession, carried out mainly by the introduction of lime intended to neutralize the pH and promote the precipitation of heavy metals, leads to a phase change in chemical pollutants; these are found highly concentrated in the particulate phase in the waters located below the mine, such as Fe, Zn and As (between 2 and 3 times higher than the values of environmental standards). In this context, correlations were identified between the coefficient of absorption of light by materials in the dissolved phase at 535 nm (aCDOM(535)) as well as the first derivative of the aCDOM at 490 nm and the most concentrated chemical elements in the dissolved phase (Ca, K and sulphides). These elements cause water saturation which induces a variation in speciation and a change of phase for heavy metals (notably Fe) capable of modifying the optical properties of surface water. Likewise, we identified a probable link between aCDOM(436) and the presence of nitrates linked to agricultural activities leading to the photosensitization of dissolved materials. The influence of nitrates on optical properties was also identified on in situ reflectance data through a minimum observed at 436 nm. High spatial resolution satellite data from DESIS and EnMAP sensors made it possible to assess the feasibility of characterizing water affected by chemical pollutants through spatial remote sensing. Optical properties specific to mining and agricultural pollutants could not be identified on the hyperspectral satellite data. The experimental approach carried out in this study paves the way for the development of optical measurement inversion algorithms for the estimation of concentrations of chemical pollutants of mining origin in inland waters. The work carried out during this thesis demonstrates the crucial need for the identification of pollutants in inland waters by remote sensing using inversion algorithms to be developed and consolidated in the future to facilitate the management of inland waters subject to industrial discharges. |