Cartographie multi-échelle des ressources en eau sur les régions irriguées : une approche par télédétection multi-capteurs - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Multi-scale mapping of water resources over irrigated areas : a multi-sensor remote sensing approach

Cartographie multi-échelle des ressources en eau sur les régions irriguées : une approche par télédétection multi-capteurs

Claire Pascal
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1264499
  • IdRef : 270671269

Résumé

Sustainable water resources management is a major issue on a global scale in a context of over-exploitation due in particular to a growing population. It is also a crucial lever to cope with the consequences of global warming which leads to an increase in climatic, hydrological and agricultural droughts, particularly in arid and semi-arid regions. A current difficulty lies in the lack of knowledge of the resources available in the different hydrological compartments (surface water, unsaturated soil zone and groundwater), and this at multiple scales (surface reservoirs, irrigated areas, aquifer, region). The objective of the thesis is to develop innovative methods to better quantify water resources from multi-sensor remote sensing. This work focuses on the state of Telangana (114,800 km2) in India, characterized by a granitic aquifer with low storage capacity, whose recharge during the monsoons is as variable as the annual pumping for irrigation. In this region, 70% of irrigation comes from groundwater (GWS). The remaining 30% comes from 1) a monsoon runoff (RHS) harvesting system in upstream areas, made up of thousands of small reservoirs (called "tanks") and 2) large dams, canals and perennial rivers in downstream areas. We propose to make better use of multi-sensor/multi-resolution remote sensing to ensure multi-scale monitoring of the RHS and GWS and thus assess the impact of irrigation on the resource. A first axis of this thesis evaluates the potential of GRACE gravity and SMOS soil moisture data for the qualitative monitoring of the evolution of resources in Telangana. GRACE has provided since 2002 maps of monthly total water stock anomalies at a resolution of 300 km. The groundwater stock (GWS) obtained by subtracting the contributions of surface and soil reservoirs is well correlated with aggregated piezometric measurements at the Telangana scale (R2=0.70). Concerning SMOS data, the observation of a humidity peak in the dry season reveals the impact of irrigation and its amplitude even constitutes an early indicator of the quantity of rice cultivated (R=0.81). The second axis concerns the spatial downscaling of GRACE data for monitoring the GWS at a scale (50 km) more relevant for the management of territories. Several statistical and semi-empirical methods are proposed based on two hypotheses (GWS variations with or without interannual trend). In order to evaluate these methods, a new performance metric for downscaled products is developed. This validation approach estimates the spatial gain compared to non-downscaled data and here highlights the interest of empirical methods calibrated from GRACE data and auxiliary data (NDVI, soil moisture, precipitation). The third and last axis of the thesis exploits the capabilities of high-resolution images for RHS monitoring through two applications: 1) RHS volume monitoring in near-real-time with Pléiades digital elevation models (DEM) at a 50 cm resolution and water maps derived from Sentinel-2 at 10 m, and 2) the quantification of the capacity of the RHS at large-scale and the assessment of its contribution to the total surface water stock. These applications demonstrate the interest of finely resolved DEM for the establishment of drought warning systems and a better understanding of the impact of the RHS on recharge.
Une gestion durable des ressources en eau est un enjeu majeur à l'échelle mondiale dans un contexte de surexploitation liée notamment à une population croissante. C'est aussi un levier crucial pour faire face aux conséquences du réchauffement global qui entraîne une multiplication des sécheresses climatiques, hydrologiques et agricoles, particulièrement dans les régions arides et semi-arides. Une difficulté réside actuellement dans le manque de connaissance des ressources disponibles dans les différents compartiments hydrologiques (eaux de surface, zone du sol non saturée et eaux souterraines), et ceci à des échelles multiples (réservoirs de surface, périmètres irrigués, aquifère, région). L'objectif de la thèse est de développer des méthodes innovantes permettant de mieux quantifier la ressource en eau à partir de la télédétection multi-capteurs. Ces travaux se focalisent sur l'État du Telangana (114 800 km2) en Inde, caractérisé par un aquifère granitique de faible capacité de stockage, dont la recharge lors des moussons est aussi variable que le pompage annuel pour l'irrigation. Dans cette région, l'irrigation provient à 70% de l'eau souterraine (GWS). Les 30% restants proviennent 1) en amont d'un système de récupération des eaux de ruissellement de la mousson (RHS), composé de milliers de petits réservoirs (appelés "tanks") et 2) en aval de grands barrages, des canaux et rivières pérennes. Nous nous proposons de tirer un meilleur parti de la télédétection multi-capteurs/multi-résolutions pour assurer un suivi multi-échelle du RHS et du GWS et ainsi évaluer l'impact de l'irrigation sur la ressource. Un premier axe de cette thèse évalue le potentiel des données gravimétriques GRACE et d'humidité du sol SMOS pour le suivi qualitatif de l'évolution des ressources sur le Telangana. GRACE fournit depuis 2002 des cartes d'anomalies mensuelles de stock d'eau total à une résolution de 300 km. Le stock d'eau souterraine (GWS) obtenu en soustrayant les contributions des réservoirs de surface et du sol est bien corrélé avec les mesures piézométriques agrégées à l'échelle du Telangana (R2=0.70). Concernant les données SMOS, l'observation d'un pic d'humidité en saison sèche révèle l'impact de l'irrigation et son amplitude constitue même un indicateur précoce de la quantité de riz cultivé (R=0.81). Le deuxième axe porte sur la désagrégation spatiale des données GRACE pour le suivi du GWS à une échelle (50 km) plus pertinente pour la gestion des territoires. Plusieurs méthodes statistiques et semi-empiriques sont proposées à partir de deux hypothèses (variations du GWS avec ou sans tendance interannuelle). Dans l'objectif d'évaluer ces méthodes, une nouvelle métrique de performance des produits désagrégés est développée. Cette approche de validation estime le gain spatial par rapport aux données non-désagrégées et met ici en évidence l'intérêt des méthodes empiriques calibrées à partir des données GRACE et de données auxiliaires (NDVI, humidité du sol, précipitations). Le troisième et dernier axe de la thèse exploite la capacités des images haute résolution pour le suivi du RHS à travers deux applications : 1) le suivi volumétrique en quasi-temps réel du RHS avec des modèles numériques de terrain (MNT) Pléiades à 50 cm de résolution et des cartes en eau dérivées de Sentinel-2 à 10 m, et 2) la quantification de la capacité du RHS à large échelle et l'estimation de sa contribution au stock total d'eau de surface. Ces applications démontrent l'intérêt des MNT finement résolus pour la mise en place de systèmes d'alerte de sécheresse et une meilleure compréhension de l'impact du RHS sur la recharge.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04139330 , version 1 (23-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04139330 , version 1

Citer

Claire Pascal. Cartographie multi-échelle des ressources en eau sur les régions irriguées : une approche par télédétection multi-capteurs. Hydrologie. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2022. Français. ⟨NNT : 2022TOU30277⟩. ⟨tel-04139330⟩
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