La surveillance hydrosédimentaire du bassin de l'Orénoque est actuellement très limitée, en raison de sa grande superficie d'environ 1x106 km2. La collecte de données sur site est basée sur des capteurs qui ne permettent qu'une mesure précise des paramètres de qualité de l'eau dans un espace-temps particulier. De telles informations ne peuvent pas être considérées comme représentatives pour de vastes zones, puisque les processus hydrologiques existent sur une échelle spatio-temporelle plus large. Dans de telles situations, les capteurs satellitaires à distance sont devenus un excellent outil pour surveiller et analyser les paramètres biophysiques associés à la qualité de l'eau, ainsi que leurs variations spatio-temporelles. Cependant, l'une des principales limites de ce type de méthode, basée sur des capteurs optiques satellitaires, est la distorsion atmosphérique associée aux régions tropicales humides, comme c'est le cas dans notre zone d'étude. Avec la manipulation de séries temporelles d'images satellitaires optiques, cette limitation est surmontée en augmentant la résolution temporelle des données utilisées pour la surveillance.
Les données utilisées dans cette étude comprennent des séries chronologiques de nouveaux satellites tels que Landsat-8 OLI et Sentinel-1. La caractérisation des sédiments en suspension in situ provient de l'Agence hydrologique vénézuélienne INAMEH et du réseau SO-HYBAM (depuis 2003), également issue de 10 campagnes de terrain réalisées à différentes étapes du régime hydrologique annuel. Au cours de ces campagnes de terrain, des mesures importantes ont été effectuées sur des échantillons in situ d'eau et de matière en suspension (MES), comme la collection de signatures spectrales (Réflectance) qui permet d'obtenir les propriétés optiques de MES dans les eaux de surface de l'Orénoque et mettre en œuvre l'évaluation de la correction atmosphérique sur les scènes Landsat-8. De plus, ont été réalisées: la collection de échantillons de MES associée aux flux solides à différentes profondeurs, la collecte d'échantillons de sables du lit (granulométrie), les mesures de débit liquide en utilisant des sections efficaces ADCP (Acoustic Doppler Current Profile), ainsi que l'acquisition de topo-batimétries combinant les techniques DGPS-RTK (Real-Time Kinematic et Differential GPS) et des transects répétés ADCP.
L'objectif principal de cette thèse était d'étudier la dynamique des flux hydrosédimentaires dans le bas Orénoque à partir de la mise en œuvre de diverses techniques qui combinent directement la mesure des données in situ et la modélisation par séries chronologiques d'images satellites. Cette thèse porte sur trois domaines de recherche principaux:
Cette thèse aborde pour la première fois trois méthodologies complémentaires pour analyser les flux hydrosédimentaires dans les grands fleuves. Un algorithme d'inversion robuste pour l'estimation de MES à l'aide de données Landsat-8 permet de suivre de façon systématique et fiable les changements spatio-temporels des flux hydrosédimentaires de surface. De même, il a été montré qu'il existe une forte relation entre le coefficient de rétrodiffusion du radar (à l'aide d'images radar) associé aux segments fluviaux d'écoulement turbulent. Cela nous a permis de mieux comprendre les processus de mélange de sédiments dans la section. Enfin, une méthodologie a été développée permettant d'obtenir des séries topo-bathymétriques pour calculer les changements géomorphologiques (volume) associés à la charge de fond en mouvement sur une île semi-submergée au centre du canal principal. Ceci permettra une analyse future de l'équilibre sédimentaire, ainsi que l'estimation avec une grande précision du taux de déplacement du fonds mobiles. Ce type d'études appuiera des projets de dragage menés annuellement dans le fleuve pour maintenir la navigabilité, ce qui contribuera à la gestion de cet important réseau fluvial. |
Hydro-sedimentary monitoring of the Orinoco basin is currently very limited, due to the large size and area of its basin, which is about 1x106 km2. In-situ data collection relies on sensors that can only accurately measure water quality parameters in a particular space-time. Such information cannot be assumed to be representative for large areas, since hydrological processes exist over a range of larger space-time scales. In such situations, satellite remote sensing has emerged as an excellent tool for monitoring and analyzing the biophysical parameters associated with water quality, as well as its spatial-temporal variations. However, one of the main limitations of this type of method, based on optical satellite sensors, is the atmospheric distortion associated with humid tropical regions, as is the case in our study area. With the management of time series of optical satellite images, this limitation is overcome by increasing the temporal resolution of the data used for monitoring.
The data used in this study includes time series of new satellites such as Landsat-8 OLI and SENTINEL-1. The characterization of in situ suspended sediments comes from data from the Venezuelan water agency INAMEH and the SO-HYBAM network (since 2003), as well as from data from 10 field campaigns conducted at different stages of the annual hydrological regime. During these field campaigns, important measurements were made of water and suspended sediment concentration (SSC) sampling in situ, as well as spectral signatures of Reflectance that allowed the optical properties of the SSC to be obtained on the surface waters of the Orinoco, and to evaluate different methods of atmospheric correction on Landsat-8 scenes. In addition, they were carried out: SSC point surveys associated with solid discharge at different depths, collection of sand samples from the bed (granulometry), measurements of flow rates using cross sections ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), as well as the acquisition of top-bathymetries combining DGPS-RTK (Real-Time Kinematic and Differential GPS) techniques and repeated ADCP transects.
The objective of this thesis has been to study the dynamics of hydro-sedimentary flows in the lower Orinoco River, based on the implementation of various techniques that directly combine in situ data measurement with satellite image time series modelling.
This thesis deals for the first time with three complementary methodologies for analyzing hydro-sedimentary flows in large rivers. A robust inversion algorithm for the estimation of MES using Landsat-8 data allows the monitoring of spatial-temporal changes in surface sediment flows in a systematic and reliable manner. It was also demonstrated that there is a strong relationship between the radar backscatter coefficient (using radar images) associated with river segments with turbulent flow, which allowed understanding of the sediment mixing processes in the section. Finally, a methodology was developed to obtain topo-bathymetric series to calculate the morphological changes (volume) associated with the moving bedload on a semi-submerged island in the centre of the main channel. In the future, sediment balance analyses will be possible, as well as very accurate estimates of the rates of displacement velocity of the moving bed. This type of study will support the dredging projects carried out annually by the river to maintain navigability, which will contribute to the management of this important river network. |