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Contexte géologique
La superficie du bassin versant de l’Orénoque est couverte sur environ 35%, par le Bouclier Guyanais, 15% par les Cordillères des montagnes de la Côte et des Andes, et 50% des Llanos (Figure 9). Le Bouclier Guyanais est composé principalement de roches plutoniques intermédiaires à felsiques, généralement recouvertes de quartzites massifs (CVG, 1991; Gibbs and Barron, 1983). Les lithologies prédominantes exposées dans les glissements de terrain et plissements sont: les schistes, les calcaires, les grès et les conglomérats (et leurs équivalents métamorphiques), ainsi que les roches plutoniques mafiques et felsiques (Figure 9). Des pentes abruptes et des pics acérés avec un relief dépassant parfois 5000 m, et une glaciation alpine active aux plus hautes altitudes, caractérisent ces jeunes terrains montagneux. L’orogenèse andine, qui a débuté à la fin de l’Oligocène et a atteint son maximum au Pliocène, a une grande influence sur le développement des systèmes fluviaux des bassins de l’Orénoque, du Magdalena et de l’Amazone.
Origine des sédiments en suspension
L’Orénoque traverse le Venezuela en décrivant un arc à son embouchure, séparant deux rives très différentes (Figure 13). Les rivières de la rive gauche, qui proviennent des Andes colombiennes et vénézuéliennes, sont appelées rivières « blanches », selon la classification générale de (Sioli, 1984), et sont caractérisés par des conductivités élevées et des concentrations importantes en cations majeurs (Na, K, Ca y Mg) ), produit de l’altération des évaporites, des silicates et des roches carbonatées (Edmond et al., 1996; Mora, 2011; Saunders and Lewis, 1989). En raison des taux élevés d’érosion physique dans les zones andines (régime d’altération limité par l’érosion chimique), ces rivières « blanches » ont une grande quantité de matériel en suspension composé d’argiles 2:1 et des restes de minéraux primaires qui n’ont pas été complètement altérés en kaolinite et/ou gibbsite (Mora, 2011; Stallard et al., 1991; Viers et al., 2009). Récemment, Mora et al., 2017, rapportent que la matière suspendue dans l’Orénoque inférieur est présentée principalement sous forme de limons et d’argiles à faible teneur en sable (12%), D50 étant égal à 0,02 mm.
Dans la Figure 13, on peut voir que les rivières andines dominent (entre 85-90%) pour les flux de sédiments en suspension du fleuve Orénoque (Meade et al., 1990).
Les rivières qui s’écoulent de la rive droite du Bouclier Guyanais ont de faibles concentrations en sédiments en suspension, mais contribuent à de grands débits et d’importantes quantités de charriages de fond (Nordin and Perez-Hernandez, 1989). Les silicates sont la lithologie prédominante dans le Bouclier Guyanais, l’altération du plagioclase et des feldspaths est la principale source d’éléments majeurs et de traces dans les rivières qui drainent cette géologie (Mora, 2011). De faibles taux d’érosion physique dominent cette région, ce qui permet la formation d’une épaisse couche de sol qui limite le transport de l’eau vers la roche, réduisant les interactions eau-roche (Edmond et al., 1995; Oliva et al., 2003). Pour cette raison, le matériel en suspension dans les rivières provenant du Bouclier est pauvre en cations majeurs (Na, K, Ca, Mg) et riche en éléments peu solubles, tels que Fe, Al et Si (Lewis et al., 1987). Les rivières qui drainent le Bouclier ont une faible concentration de solides en suspension (Figura 13), en raison des faibles taux d’érosion physique. Ces rivières ne représentent que 5% de la charge totale de matières en suspension transportées par le fleuve Orénoque (Meade et al., 1990).
Les flux hydrosédimentaires des principaux fleuves du monde
Globalement, environ 40×103 km3 .an-1 d’eau douce sont drainées par les fleuves, des continents vers les océans, ce qui correspond a environ un tiers des précipitations pluvialestotales sur Terre (Trenberth et al., 2007). Les 25 plus grands fleuves (Figure 15) contribuent à peu près à 50% de l’eau douce fluviale mondiale et à 40% du débit global des sédiments fluviaux (Hetland and Hsu, 2013; Meade, 1996; Milliman and Meade, 1983), sachant que les trois premiers (Amazone, Congo et Orénoque) représentent près de 25% du débit total global (Filizola, 2003; Molinier et al., 1995). De nombreux petits fleuves côtiers et insulaires peuvent présenter des flux sédimentaires très importants durant les crues, mais souvent ils ne sont pas contrôlées par un système de mesure adéquat, aussi il est difficile d’estimer leurs contributions nettes vers l’océan. Mais, selon Syvitski et al., 2005, les fleuves fournissent annuellement environ 12,6 milliards de tonnes annuelles de sédiments à l’océan mondial.
La disponibilité des données hydrologiques est essentielle pour la planification et la gestion des ressources en eau, ainsi que la collecte d’informations, telles que la concentration de matières en suspension (MES), dans les grands cours d’eau et les estuaires (Mobasheri and Mousavi, 2004). Avec l’augmentation de la pression anthropique sur les ressources en eau, une connaissance adéquate de la dynamique de ces ressources est requise. Cependant, les coûts élevés associés à l’infrastructure et à la maintenance des systèmes de mesure, ainsi que le contrôle des zones d’accès difficile pour la récupération et la gestion de l’information, entre autres, sont les raisons qui réduisent la disponibilité des données pour le développement de modèles hydrologiques pour représenter de façon réelle la dynamique des bassins versants (León et al., 2009).
Estimations du transport de sédiments dans le bassin de l’Orénoque
Actuellement, le fleuve Orénoque draine un grand bassin versant, encore peu perturbé. Ce type d’opportunité disparaît rapidement avec le développement hydroélectrique des principales rivières et la déforestation dans le monde (Lewis and Saunders, 1989). Les premières observations du fleuve Orénoque ont été faites par Alexander Von Humboldt en l’an 1799, lors de son voyage en Amérique (Humboldt, 2006). Postérieurement, à partir de la seconde moitié années soixante du XX siècle, certaines des premières études dans ce système fluvial commencent à être développées, parmi lesquelles on peut citer les travaux de Edwards and Thornes, (1970); Gessner, (1960); Gessner, (1965); Livingstone, (1963) et Meybeck, (1979).
De 1970 au début du 21ème siècle, l’hydrologie et la dynamique des sédiments en suspension dans l’Orénoque ont été étudiées et explorées par de nombreuses investigations par exemple, Eisma et al., (1978); Lewis and Saunders, (1989); Meade et al., (1983); Meade, (1994); Meade et al., (1979); Meade et al., (1990); Nordin and Meade, (1985); Nordin et al., (1994); Paolini et al., (1983); Paolini et al., (1987); Pérez Hernández and López, (1998); Stallard and Edmond, (1983); Stallard, (1985); Stallard et al., (1991); Warne et al., (2002), puis plus récemment par Laraque et al., (2013a), selon ce dernier, la plupart de ces études précédentes ont utilisé, complété ou mis à jour les premières données sur le transport de matières dissoutes et en suspension dans l’Orénoque, obtenue au cours de la période 1982-1985 dans le cadre du programme CAMREX (Carbon in the Amazon River Experiment) – un programme américain qui a également étudié l’Orénoque, tel est le cas du travail de Meade, (2007), qui est souvent cité.
Cependant, il est important de noter que dans ces travaux, les flux de sédiments en suspension dans le bas Orénoque à Ciudad Bolívar, en général, ils ont été étudiés seulement pour une ou deux années hydrologiques, en utilisant un échantillonnage irrégulier et à basse fréquence. Le chiffre de référence pour l’exportation des sédiments par l’Orénoque vers son delta est de 150 x 106 t.an-1, soit 180 t.km-2.an-1 pour un débit annuel moyen de 31 000 m3.s-1 (Meade et al., 1990). Cependant, en raison des données hydrologiques et MES très limitées qui ont été utilisées pour obtenir une telle estimation, les auteurs rapportent qu’il peut y avoir une marge d’erreur entre 30-50% pour leurs estimations.
Cela a été mis en évidence dans le travail de Laraque et al., 2013a, quand ils ont utilisé les estimations MES du projet SNO-Hybam entre 2005 et 2010, avec une fréquence d’échantillonnage plus élevée et continue (tous les 10 jours). Les résultats obtenus pour les flux de sédiments à la station Ciudad Bolívar ont été de 74 x 106 t.an-1 (Tableau 2). Cette valeur est inférieure à celle présentée par Lewis and Saunders, 1989, et correspond à environ 50% des valeurs rapportées par Meade et al., 1983; Meade et al., 1990 et Nordin and Meade, 1985, qui ont estimé une charge de sédiments en suspension, d’après des données plus ponctuelles et discontinues obtenues lors de campagnes fluviales entre 1973 et 1983.
Tableau 2 présente un résumé de l’évolution des études qui ont tenté d’estimer les flux sédimentaires à Ciudad Bolívar apportés par le fleuve Orénoque vers l’océan Atlantique.
Dans la littérature, le travail de Sanchez, 1950 est présenté comme une première intention d’estimer les flux sédimentaires. Cette étude a montré une valeur de 86×106 t.an-1, sur la base d’un débit entre 11 000 et 23 000 m3.s-1. Cependant, le débit mensuel moyen à Ciudad Bolívar dépasse cette valeur maximale, de sorte que Sanchez, 1950, sous-estime clairement la valeur réelle des flux de sédiments à Ciudad Bolívar (Eisma et al., 1978).
La télédétection pour surveiller les eaux continentales.
La compilation de données hydrologiques est cruciale pour évaluer la quantité et la qualité des ressources en eau dans un bassin versant. Les données hydrologiques contribuent à la gestion durable des ressources en eau, de plus en plus affectée par l’homme et le changement climatique. Pour la plupart des observations actuellement disponibles, l’adéquation des réseaux d’observation varie considérablement d’une région à l’autre.
Dans le cas particulier du bassin de l’Orénoque, où notre étude est développée, les deux agences de l’eau : IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia) dans le bassin supérieur de l’Orénoque du côté colombien, et du côté vénézuélien INAMEH (Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología), présentent d’importantes déficiences dans la surveillance, en relation avec la disponibilité de données spatio-temporelles sur la qualité de l’eau (León et al., 2009).
La télédétection permet désormais d’accéder à des paramètres utiles pour surveiller la surface de la Terre. L’assimilation des mesures satellitaires et des produits dans les modèles décrivant le fonctionnement des processus hydrologiques et les procédures de gestion de l’eau, facilite la compréhension du cycle continental de l’eau (Baghdadi and Zribi, 2016).
Actuellement, il est nécessaire de mettre en oeuvre des systèmes d’observation intégrés qui utilisent les données terrestres et satellitaires dans la gestion des processus hydrologiques. L’utilisation de la combinaison d’observations multiplateformes conduira à de meilleurs produits et services, au moins en ce qui concerne la couverture spatiale. En effet, les données spatiales sont les seules qui permettent une mesure continue à l’échelle du bassin.
Cependant, l’importance des observations in situ des variables hydrologiques ne peut être sous-estimée, notamment pour le calibrage de modèles d’inversion utilisant des techniques de télédétection.
Celle-ci s’approche plus en plus de la surveillance complète de la surface de la Terre, y compris les flux d’eau et les variables hydrologiques (p. Ex. Eutrophisation, niveaux d’eau, matières en suspension, chlorophylle, etc.). Au cours des années, l’utilité des données de télédétection par satellite pour fournir des informations sur les ressources en eau a été démontrée dans de nombreuses études : Froidefond et al., (1991); Calmant et al., (2008; 2017); Frappart et al., (2010; 2013); Espinoza Villar et al., (2013); Park and Latrubesse, (2014); Martinez et al., (2015); Watanabe et al., (2015); Zheng et al., (2015); Gensac et al., (2016); Lins et al., (2017) et Robert et al., (2016). De même, le traitement des données satellitaires de Radar de type SAR (Synthetic Aperture Radar) a permis d’étudier la dynamique des inondations dans les grands cours d’eau ou la caractérisation de l’humidité des sols (Bjerklie et al., 2005; Martinez and Le Toan, 2007; O’Grady et al., 2014), et quelques premiers tests pour détecter les flux d’un fleuve à partir des techniques d’interférométrie radar (Romeiser, 2015).
Les études réalisées dans les eaux du fleuve Orénoque en utilisant la télédétection, sont peu nombreuses dans la littérature, cependant, il y a quelques premières expériences qui commencent à se développer, liées à la surveillance des eaux dans ce fleuve (Artigas and Lopez, 2016; Frappart et al., 2014; Hamilton et al., 2004; León et al., 2009; López et al., 2013; Odriozola et al., 2007). Récemment, une première étude a été publiée dans le cadre de cette thèse, qui sert de base à l’étude des variations spatio-temporelles des sédiments en suspension dans le bassin inférieur de l’Orénoque (Yepez et al., 2018), ce travail sera présenté dans le chapitre 4. Cependant, de nombreux aspects devront être abordés à l’avenir, pour mieux comprendre les variations spatio-temporelles des flux hydrosédimentaires au niveau de l’ensemble du bassin.
Transport de sédiments avec des techniques hydroacoustiques dans les grands fleuves
La première tentative d’utiliser un ADCP pour mesurer le courant des grand fleuves a été faite en 1982 sur le fleuve Mississippi par Christensen and Herrick, 1982, dans le cadre du travail effectué pour l’USGS (US Geological Survey). La seconde a été réalisé sur l’amazone en 1994 par une équipe IRD-DNAEE. Par la suite, les ADCP ont démontré être des outils utiles pour mesurer le débit. L’ADCP a été testé dans diverses conditions de mesure, montrant de meilleurs résultats dans la mesure des flux (spatialement), comparé aux mesures des compteurs de courant mécaniques traditionnels, fournissant ainsi des informations de flux plus détaillées (Gotvald and Oberg, 2009). Les techniques hydroacoustiques, en particulier profils de courants acoustiques Doppler (ADCP), ils ont acquis une large utilisation dans les rivières pour mesurer la vitesse, la profondeur et les flux. Les mesures de vitesse avec l’ADCP sont dérivées des changements de fréquence de l’énergie renvoyée par les particules en suspension (déplacement Doppler).
Il a été reconnu depuis longtemps que la quantité d’énergie restituée, ou « rétrodiffusée » par des particules en suspension, est indicatif du nombre de particules en suspension, ainsi que de leur taille. Les relations entre la rétrodiffusion, la concentration des sédiments en suspension et la taille des particules ont fait l’objet d’une série de développements théoriques, d’expériences de laboratoire et d’applications sur le terrain (Baranya and Józsa, 2013; Dwinovantyo et al., 2017; González-Castro and Muste, 2007; Le Coz et al., 2007; Parsons et al., 2013; Wright et al., 2010). Actuellement, les ACDP ne mesurent pas seulement les paramètres hydrodynamiques dans les rivières. Maintenant, il est possible d’effectuer des études associées aux processus fluvio-géomorphologiques dans les courbes de méandres ou d’îles fluviales, lors de la détermination des changements morphologiques à une petite échelle spatiale. Les bathymétries de haute précision, acquises à partir d’un ADCP (couplé à son propre GPS différentiel – DGPS) et connectées à un bateau habité ou mini-bateau piloté à distance, permettent d’analyser les changements spatio-temporels associés à ces processus fluviaux (Dinehart and Burau, 2005; Guerrero and Lamberti, 2011; Kasvi et al., 2017).
Le développement des mesures avec ADCP dans les méga-fleuves comme l’Amazone a connu des avancées importantes grâce au groupe de recherche du projet SNO-Hybam impliquant des chercheurs français et brésiliens (Guyot et al., 1998 ; Filizola et al., 2009; Molinier et al., 1995). Cela a marqué le début d’un programme de mesure de débit liquide continu utilisant des dispositifs Doppler. Aujourd’hui, non seulement les mesures ADCP sont effectuées de manière routinière sur le fleuve Amazone, mais aussi sur l’Orénoque et récemment sur le fleuve Congo, produit de cette alliance entre des chercheurs français de l’IRD et des agences locales de l’eau.
Zone d’étude et descriptions des travaux sur le terrain
Notre zone d’étude est située dans le bassin inférieur de l’Orénoque, plus précisément à proximité de la principale station hydrologique du fleuve Orénoque, à Ciudad Bolívar (8° 9’1.79″ N, 63° 32’25.26″ W, 8 m ASL). Diverses campagnes de terrain ont été menées à différents moments du régime hydrologique, entre 2014 et 2017. Toutes les activités fluviales ont été développées entre Ciudad Bolívar et Ciudad Guayana (~100 kilomètres en aval) dans l’état de Bolívar – Venezuela. Le projet de recherche bilatéral France – Venezuela ECOS-Nord (V14U01), a facilité et financé le transfert de chercheurs français et vénézuéliens pour chacune des campagnes de terrain, permettant la récupération des données et les analyses nécessaires, qui ont ensuite alimenté les différentes recherches dans le cadre de cette initiative.
Comme décrit dans l’introduction, les mesures effectuées par l’observatoire SNO-Hybam sur le fleuve Orénoque sont soutenues, en collaboration, avec différents instituts de recherche vénézuéliens: FMI-UCV, COEA-IVIC et CPDI-FIIIDT. La marine de la République Bolivarienne du Venezuela a également fourni un appui logistique et la navigation motorisée pour les campagnes de terrain afin d’accéder aux tronçons du fleuve Orénoque où les enquêtes ont été menées. Dix campagnes de terrain ont été nécessaires au cours de cette étude, elles sont présentées dans le Tableau 4.
Analyse des sédiments en suspension et flux sédimentaires
Échantillons de MES in situ
De 2005 à la mi-2013, des mesures ont été effectuées tous les 10 jours de MES à la station Ciudad Bolívar. Après cette date, les mesures sont passées à une fréquence d’échantillonnage mensuelle, jusqu’en décembre 2015. Finalement, une fréquence d’échantillonnage bi-mensuelle a été établie, coïncidant avec les passages en orbite du satellite Landsat-8 sur la station de mesure. Au total, 316 échantillons de MES ont été prélevés entre janvier 2007 et décembre 2017.
En addition, des campagnes ponctuelles sur le terrain ont été organisées, avec des jaugeages solides dans la section Ciudad Bolívar couvrant l’ensemble du régime hydrologique (voir tableau 4). La méthodologie d’échantillonnage suit les indications de l’Observatoire SNOHybam, sur la base des travaux effectués par (Guyot et al.,1998; 1999).
Profils ADCP et représentativité des matières en suspension
Profils ADCP
L’ADCP (Acoustic Doppler Current profiler) utilise le son pour mesurer la vitesse de l’eau. Le son transmis par l’ADCP est dans le domaine ultrasonique (au-dessus de la gamme entendue par l’oreille humaine). Les fréquences les plus basses utilisées par les ADCP commerciaux sont d’environ 30 kilohertz (kHz) et la gamme commune pour les mesures fluviales se situe entre 75 et 3 000 kHz. L’ADCP mesure la vitesse de l’eau à l’aide d’un principe de physique découvert par Doppler,1842. Le principe Doppler met en relation le changement de fréquence d’une source aux vitesses relatives entre la source et l’observateur.
Un ADCP applique le principe Doppler, qui réfléchit le signal acoustique de petites particules de sédiments et d’autres matériaux (collectivement appelés dispersants) présents dans l’eau (Boldt & Oberg, 2015). Cela se fait en transmettant un signal acoustique, à une fréquence connue dans la colonne d’eau et en enregistrant la rétrodiffusion acoustique sur les particules en suspension, transportées dans le champ de flux, qui sont supposées se déplacer à la même vitesse que l’eau (Parsons et al., 2013) (Figure 24).
Les ADCP typiques montés sur un bateau ont trois ou quatre faisceaux orientés entre 20° et 30° par rapport à la verticale. Trois faisceaux sont nécessaires pour obtenir une mesure de vitesse tridimensionnelle. Si un quatrième faisceau est présent, un contrôle de qualité supplémentaire peut être mesuré. (Boldt & Oberg, 2015).
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Table des matières
Introduction
Contexte et motivations
Objet d’étude
Problématique scientifique et objectifs
Organisation de l’étude
Références Bibliographiques
Chapitre 1 – Etat de l’art
1. Le bassin versant du fleuve Orénoque
1.1. Géographie
1.2. Climat
1.3. Hydrologie
1.4. Sols
1.5. Contexte géologique
1.6. Géomorphologie Fluviale
1.7. Origine des sédiments en suspension
2. Revue de la littérature
2.1. Les flux hydrosédimentaires des principaux fleuves du monde
2.2. Estimations du transport de sédiments dans le bassin de l’Orénoque
2.3. La télédétection pour surveiller les eaux continentales
2.4. Transport de sédiments avec des techniques hydroacoustiques dans les grands fleuves
Chapitre 2 – Données et Méthodes
2. Données et méthodes
2.1. Zone d’étude et descriptions des travaux sur le terrain
2.2. Hydrologie
2.2.1 Niveau des eaux et débit liquide à Ciudad Bolivar
2.3. Analyse des sédiments en suspension et flux sédimentaires
2.3.1 Échantillons de MES in situ
2.3.2 Calcul de la concentration de sédiments en suspension
2.3.3 Flux de sédiments
2.4. Techniques optiques
2.4.1. Granulométrie
2.4.2. Turbidité
2.5. Profils ADCP et représentativité des matières en suspension
2.5.1. Profils ADCP
2.5.2. Répartition des sédiments en suspension dans la colonne d’eau
2.5.3. Inversion du signal ADCP : application à la détermination des concentrations des matières en suspension
2.5.4. L’hydrodynamique et le transport des sédiments
2.6. Images satellites optiques
2.6.1. Images satellites Landsat-8 OLI
2.6.2. Acquisition d’images Landsat-8 OLI
2.6.3. Propriétés optiques des eaux
2.6.4. Correction atmosphérique pour les eaux continentales
2.6.5. Spectrométrie de terrain et signatures spectrales
2.6.6. Analyse spectrale et démixage spectral linéaire
2.6.7. Extraction de Réflectance à base de masque aérosol
2.6.8. Sélection d’endmembers
2.6.9. Démixage spectral linéaire
2.6.10. Estimation de la concentration de matiére en suspension (MES)
2.6.11. Validation statistique des estimations
2.7. Images satellites Radar
2.7.1. Images satellites Sentinel-1
2.7.2. Acquisition et étalonnage
2.7.3. Données du vent
2.8. Analyse du changement morphodynamique dans les grands fleuves
2.8.1. Données bathymétriques utilisant des transects répétitifs d’ADCP
2.8.2. Données topographiques par DGPS-RTK
2.8.3. Construction de modèles numériques de terrain
2.8.4. Différence de DEMs
2.8.5. Évaluation de l’exactitude des résultats
Chapitre 3 – Publication I 125
3.1 Résumé – Estimations des concentrations de sédiments en suspension transitant dans le bas cours d’Orénoque, à partir de mesures in-situ et d’images satellites Landsat-8 (OLI)
3.2 Article – Retrieval of Suspended Sediment Concentrations using Landsat-8 OLI Satellite Images in the Orinoco River (Venezuela)
Chapitre 4 – Publication II
4.1 Résumé – L’utilisation de l’imagerie Sentinel-1 et des données ADCP pour étudier les effets des zones d’expansion/contraction sur l’hydrodynamique et les flux hydro-sédimentaires du cours inférieur de l’Orénoque
4.2 Article – The use of Sentinel-1 imagery and ADCP data to study the effects of expansion/contraction zones on hydrodynamics and hydro-sedimentary fluxes in the Lower Orinoco
Chapitre 5 – Publication III
5.1 Résumé – Quantification des changements géomorphologiques d’une île fluvial du fleuve Orénoque par combinaison de mesures ADCP et DGPS-RTK
5.2 Article – Morphodynamic Change Analysis of Bedforms In The Lower Orinoco River, Venezuela
Chapitre 6 – Conclusions générales e Perspectives
6.1 Conclusions générales
6.2 Perspectives
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