Abdou Ousmane, Ministère de l'hydraulique et de l'environnement,
Direction des ressources en eau, Niamey, Niger
Les images satellite SPOT sont utilisées pour la caractérisation des plans d'eau sahéliens en zones de mauvaise connaissance cartographique. Une première partie montre comment générer une information sur la cubature des plans d'eau par mélange d'informations de télédétection (surfaces en eau), climatologie (évaporation) et connaissance du relief de la zone (forme régionale pour les courbes de cubature). La méthode proposée est simple et opérationelle. Elle devient économiquement intéressante lorsque plusieurs plans d'eau sont présents dans la même image. Une deuxième partie utilise cette information de cubature pour définir le volume stocké à un instant donné à partir de toute image d'archives. Les particularités hydrologiques des plans d'eau sahéliens permettent d'en déduire des chroniques annuelles sur les apports. Une application concrète est montrée au Niger.
SPOT images are used to characterize small Sahelian lakes, in areas with bad cartographic data. In the first part, the volumetric curves representing lakes are generated through a method that mixes remote sensing images (water areas), climatological data (evaporation) and relief information (regional adjustments for the volumetric curves). This method is simple and operational and becomes economically useful when various lakes are within the same SPOT image frame. In a second part, the volumetric curves are used to get daily volume information from every archival image. Due to the Sahelian hydrological specificities, these volumes can be transformed into chronicles of yearly amounts of water. The application concerns Niger.
Depuis bientôt trois décennies, le changement climatique associé à la croissance démographique et à la dégradation des terres ont profondément altéré les conditions de vie au Sahel.
De nombreuses organisations internationales, nationales ou régionales (CIEH, CILSS, ORSTOM) ont étudié le problème de la sécheresse au Sahel pour décider d'actions propres à en atténuer les conséquences. Une difficulté rencontrée est l'insuffisance, voire le manque, de données sur les ressources naturelles de cette région, et plus spécialement sur les ressources en eau.
Les futurs plans impliquant l'utilisation des ressources en eaux de surface, en particulier pour l'irrigation, devraient accorder une place de choix aux nombreuses mares et bas-fonds actuellement peu ou mal exploités.
Axes de convergence préférentiels des eaux de ruissellement et des écoulements hypodermiques, les bas-fonds représentent aux yeux des paysans sahéliens une ressource économique grandissante. En effet, ces populations peuvent y développer une production de sécurité pendant la saison sèche ; cependant une gestion optimale des ressources requiert la connaissance des potentialités hydriques des différents sites.
Face aux difficultés d'investigation liées à la collecte des données (lenteur, éloignement des sites) la télédétection associée à des données exogènes peut constituer une alternative viable. Dans cette optique, l'objectif de cette étude est d'utiliser les connaissances acquises en matière de gestion de l'environnement sahélien grâce à la télédétection pour construire les courbes de fonctionnement des mares et reconstituer des chroniques de données hydrologiques anciennes, notamment sur des mares du Niger n'appartenant pas au réseau national d'observation hydrologique.
Cet article met en évidence les deux étapes de cette détermination à partir de la télédétection : d'une part il montre la détermination de la courbe hauteur-volume et sa précision, déjà l'objet d'une étude précédente (Piaton et Puech, 1992), d'autre part il présente un aspect nouveau portant sur l'utilisation combinée de cette courbe et des images satellite pour reconstituer des chroniques anciennes.
Nous espérons ainsi contribuer à consolider les acquis de la banque de données hydrologiques en vue d'une meilleure maîtrise des eaux de surface dans ce Sahel déjà fortement éprouvé.
La particularité hydrologique des plans d'eau sahéliens est de présenter, pendant la saison sèche, une baisse régulière du niveau d'eau qui a des conséquences intéressantes pour sa gestion.
En l'absence de tout apport et de tout écoulement aval, la mare constitue en effet un système hydrique isolé, les éléments principaux de son bilan étant l'évaporation, l'infiltration et éventuellement l'utilisation à des fins pastorales, agricoles ou humaines. Pendant les neuf mois de saison sèche où la mare est isolée, son évolution est conditionnée par les termes du bilan et par la forme de la cuvette, généralement présentée sous forme de courbe hauteur-surface (ou hauteur volume). Cette courbe est alors l'instrument obligé pour la gestion des mares, et sa connaissance est primordiale : elle permet de prévoir le devenir du plan d'eau au cours des mois à venir (gestion de la mare pour la saison en cours). Elle permet aussi de définir toute valeur de volume, cote ou surface du plan d'eau à partir de celle d'un jour quelconque de la saison : dès lors toute image ancienne (photo, satellite) définissant la surface en eau à une date précise est porteuse d'une information hydrologique sur la saison correspondante, ce qui autorise la reconstitution de chroniques.
L'équation du bilan hydrique d'un plan d'eau peut être la suivante :
DW = EC + P - EV ± K -C (1)
où DW est la variation de volume, P la pluie, EC l'écoulement à l'aval, EV l'évaporation, K l'infiltration et les échanges avec la nappe phréatique, C les consommations diverses.
Au cours de la saison sèche (octobre à mai), les termes P et EC sont nuls. Pour une mare non aménagée, C est nul. Par ailleurs, le terme K infiltration est souvent négligeable devant l'évaporation qui atteint facilement plusieurs millimètres par jour. L'équation de bilan se réduit alors pendant la saison sèche à :
DW = - EV (2)
La baisse du niveau n'est donc sujette qu'à l'évaporation. C'est bien ce que l'on observe sur les plans d'eau qui présentent, au cours des neuf mois de saison sèche, une évolution de niveau régulière et parallèle d'une année à l'autre sur toute la zone sahélienne (Grésillon, 1976 ; Chevallier, 1985 ; Pouyaud, 1989 ; Piaton et Puech, 1992).
Cette particularité permet de relier facilement d'une part date et niveau (équation de bilan), d'autre part date et surface (données de télédétection). Ainsi, à partir de trois images de la même saison sèche aux dates T1, T2 et T3 on calcule les surfaces S1, S2 et S3 tandis que les baisses de niveau correspondantes H1-H2 et H2-H3 sont estimées d'après les données locales d'évaporation (et éventuellement d'hypothèses sur l'infiltration)
Les images satellite nous servent dans cette phase à définir des surfaces en eau. La précision de cette détermination conditionne son utilité.
L'eau pure présente une grande facilité de séparation des autres corps du fait de sa faible réflectance dans le canal proche infrarouge. Toutefois, dans le Sahel, l'utilisation d'indices de végétation permet de lever les incertitudes. Le repérage d'un plan d'eau devient alors aisé dès que sa taille dépasse plusieurs pixels contigus.
La détermination de sa surface se heurte à plusieurs types d'erreur :
· erreurs liées à l'utilisation de la télédétection elle-même :
* du fait de l'angle de prise de vue du satellite (en visée oblique) qui introduit un effet de déformation de la taille du pixel en fonction des conditions de prise de vue. Cet effet a été corrigé sur les images utilisées (correction de niveau 1B des images SPOT);
* du fait de la présentation en mode "raster". L'identification d'une surface par des pixels introduit une erreur d'autant plus appréciable que la taille du pixel est grande par rapport à la taille du plan d'eau. Joannès et al. ont trouvé une erreur de 10% pour un carré d'un hectare délimité sur image SPOT (Joannès et al. 1986);
· erreurs liées au milieu physique :
* la présence au Sahel d'herbes aquatiques de bord de mare peut cacher les limites du plan d'eau et rend impossible la détermination précise des contours (Joannès et al. 1986). Toutefois, une étude du Cemagref a noté la faible présence de telles herbes sur le site qui nous intéresse (Piaton et Puech, 1992).
Parmi les nombreuses méthodes applicables pour déterminer une surface, nous avons utilisé la fenêtre polynomiale (Piaton et Puech, 1992), méthode simple et précise. Cette méthode propose de minimiser l'incertitude de localisation d'un contour par équilibrage statistique des pixels mal classés. En effet, l'examen des histogrammes des radiométries pour les thèmes eau et terre révèle, pour les mares sahéliennes, des allures gaussiennes. Si l'on extrait des fenêtres polygonales autour de chaque plan d'eau telles que les populations eau/ terre soient sensiblement de même importance, l'histogramme de répartition des radiométries devient bimodal et symétrique. La radiométrie du minimum est alors un bon choix pour la séparation eau/terre.
L'incertitude de localisation d'un contour peut être exprimée à travers une bande d'incertitude équivalente, de largeur l, courant tout autour de l'objet "plan d'eau". L'erreur relative affectant la surface est alors exprimable par l*P/S, où P est le périmètre et S la surface du plan d'eau. La comparaison avec les mesures de terrain permet de chiffrer cette erreur : par la méthode proposée, la largeur de la bande d'incertitude l est de l'ordre du demi pixel, ce qui conduit à une erreur relative inférieure à 5% pour un plan d'eau compact (quasi circulaire) de 10 hectares (Piaton et Puech, 1992).
L'erreur diminue ensuite, de façon inversement proportionnelle à la surface.
Pour le calcul de ces courbes à partir d'informations satellitaires, la grande difficulté est la détermination du niveau absolu du plan d'eau. Cette difficulté peut être contournée en remarquant que, pour les plans d'eau sahéliens, le relief est très plat. Les cuvettes présentent alors une grande stabilité de forme. Grésillon (1976) et d'At de Saint Foulc (1986) ont analysé un grand nombre de ces plans d'eau et proposent d'exprimer la courbe moyenne reliant hauteur et surface sous la forme :
S = So*(H-Ho)a (3)
S étant la surface du plan d'eau (ha), So la surface du plan d'eau à 1 mètre de profondeur (ha), H le niveau d'eau et Ho le niveau d'assèchement. a représente un paramètre de forme, lié au relief local. Il oscille entre 1.1 et 1.3.
Le choix d'une valeur moyenne pour a (a=1.2) est alors totalement légitime dans le contexte. Il constitue une équation supplémentaire qui permet de résoudre complètement le système (Piaton et Puech, 1992) en donnant les deux inconnues So et Ho.
Enfin, l'intégration de l'équation (3) donne la courbe hauteur-volume :
V = So/(a+1)*(H-Ho) a+1 (4)
L'incertitude sur la surface est inférieure à 5% pour des plans d'eau de taille supérieure à 10 ha soit 30% pour les volumes correspondants. Cette incertitude correspond à des mesures beaucoup plus grossières que celles effectuées par voie bathymétrique. Mais, si d'une part elle est suffisante pour tester des scénarios de gestion des plans d'eau dans le cadre d'un schéma directeur, d'autre part l'approche par télédétection fournit rapidement cette estimation pour tous les plans d'eau présents sur les images. La solution par télédétection devient alors économiquement justifiable du fait de sa rapidité et de son systématisme pour toute une région. Elle est beaucoup plus difficile à justifier pour l'étude d'un seul plan d'eau.
La reconstitution de chroniques hydrologiques se base sur les constatations faites sur la gestion d'un plan d'eau. Dans le système isolé que constitue le plan d'eau sahélien au cours de la saison sèche, la connaissance de son état à une date quelconque permet de définir cet état pendant toute la saison depuis le 1er octobre (date moyenne de début de saison) jusqu'à fin mai, (date moyenne de fin de saison).
Pour cela il faut deux types d'informations :
· la courbe hauteur-surface quelle que soit son origine : elle peut être obtenue comme indiqué au paragraphe précédent ou venir de mesures bathymétriques au sol;
· une image du plan d'eau pendant la saison sèche à une date quelconque et sur quelque support que ce soit : photographies aériennes anciennes ou images satellitaires.
Partant d'une image quelconque à la date T, l'estimation de la surface S(T) du plan d'eau permet d'abord de définir la hauteur H(T) et le volume V(T) correspondants. Puis, par sommation des évaporations journalières depuis octobre E(10,T) et jusqu'en mai E(T,6) on en déduit ce qui suit :
· au 1er octobre précédent
niveau en octobre H10= H(T) + E(10,T)
volume en octobre V10 = So/(a+1)*(H10-Ho) a+1
· au 31 mai suivant
niveau en mai H6= H(t) - E(T,6)
volume en mai V6 = So/(a+1)*(H6-Ho) a+1
Remarquons que l'on peut introduire dans le calcul de l'évaporation des correctifs tenant compte d'infiltrations dans le cas où celles-ci seraient considérées comme non négligeables.
On peut considérer que le volume estimé au 1er octobre V10 est représentatif de l'apport de la saison des pluies à condition que le plan d'eau n'ait pas débordé, sinon V10 sera une estimation par défaut. La liste de ces V10 constitue déjà une chronique utile du remplissage du plan d'eau.
L'estimation rigoureuse de l'apport volumétrique au cours de la saison des pluies n'est pas possible car il manque beaucoup d'informations :
· sur les déversements éventuels (dates et volumes déversés),
· sur l'évolution temporelle du plan d'eau, nécessaire pour un calcul correct de l'évaporation en cours de saison,
· sur les dates du minimum et maximum (qui ne sont pas les 31 mai et 1er octobre) ainsi que les volumes correspondants.
En première approximation, en supposant à la fois l'absence de déversement et un remplissage régulier du plan d'eau en mai et septembre la valeur d'apport serait :
Vi= V10i+1 - V6i + E(6,10)
où V10i+1 est le volume au 1er octobre, V6i le volume au 31 mai précédent, et E(6.10) la somme des évaporations journalières au cours de la saison des pluies.
TABLEAU 1
Surfaces estimées sur images SPOT
| n° 6bis | N° 6ter | N° 17 | N° 22 | |
29.10.1988 |
169.8 |
143.7 |
146 |
43.3 |
04.01.1989 |
132.2 |
107.9 |
111.9 |
27.3 |
13.03.1989 |
113.8 |
86.4 |
85.9 |
13.6 |
Nous avons appliqué cette méthode aux quatre plans d'eau principaux de la zone d'étude. En un premier temps nous avons défini les courbes hauteur-surface-volume à partir de trois images de la saison sèche 1988-89.
Les résultats bruts (dates et surfaces en eau) sont donnés dans le tableau 1. L'ajustement au modèles (3) et (4) conduit aux paramètres du tableau 2.
TABLEAU 2
Coefficients des courbes hauteur-surface-volume
| n° 6bis | N° 6ter | N° 17 | N° 22 | |
S0 (ha) |
40 |
39 |
42 |
28 |
V0 (103m3) |
181 |
173 |
187 |
126 |
L'analyse de sept images du satellite SPOT recueillies entre 1988 et 1992, nous a permis ensuite de repérer pour chacun de ces plans d'eau sa surface à la date considérée d'où l'on déduit h et V (profondeur et volume à cette date), puis les volumes au 1er octobre et au 31 mai encadrant cette date.
La figure 1 montre l'exploitation de l'image du 13.11.1990 pour trois plans d'eau (N°6bis, 6ter et 17).
1. On définit sur l'image les surfaces des plans d'eau, respectivement 149.2, 116.7, et 116.3 ha;
2. Les courbes caractéristiques de ces plans d'eau fournissent alors les hauteurs d'eau (2,97 m, 2,39 m, 2,25 m,) et les volumes (2 003, 1 232 et 1 154 103m3) à la date de l'image.
3. L'évaporation utilisée est donnée par la formule de Penman pour l'eau libre (albédo 0.10) avec les données climatologiques du poste le plus proche : Tillabéry. Une étude préalable (Monier, 1991) a précisé la nécessité d'emploi d'un coefficient correctif égal à 1.18 pour obtenir de façon cohérente les évaporations sur plans d'eau dans la zone d'étude. Ainsi, entre le 1er octobre et le 13 novembre 1990, on estime que le plan d'eau a baissé de 27 cm. D'où l'on déduit h10, respectivement (3,24, 2,66 et 2,52 m)
4. Il ne reste plus qu'à transformer la cote h10 en volume à la même date soit (2 430, 1 570 et 1 500 103m3)
TABLEAU 3
Volumes estimés dans les plans d'eau en début et fin de saison sèche (103m3)
| N°/date | n° 6bis | N° 6ter | N° 17 | N° 22 |
| 1/10/87 1/06/88 |
sec | sec | 960 25 |
sec |
| 1/10/88 1/06/89 |
2870 720 |
2070 360 |
2030 310 |
370 sec |
| 1/10/89 1/06/90 |
2700 640 |
1750 250 |
1920 275 |
270 sec |
| 1/10/90 1/06/91 |
2430 555 |
1570 200 |
1500 160 |
340 sec |
| 1/10/91 1/06/92 |
4050 1320 |
2360 470 |
1980 300 |
230 sec |
TABLEAU 4
Ordre de grandeur des volumes d'apports au cours de la saison des pluies (103m3)
| N°/date | n° 6bis | N° 6ter | N° 17 | N° 22 |
| 1988 1989 1990 1991 |
3085 2835 4735 |
2240 2090 3050 |
3165 2505 2020 450 |
450 540 395 |
L'exploitation pour définir le volume au 31 mai est semblable. Le tableau 3 montre les divers résultats pour chaque année étudiée, ce qui permet d'avoir des estimations hydrologiques sur cinq années successives.
Dans l'hypothèse que le plan d'eau n'ait pas débordé pendant la saison des pluies, on en déduit un ordre de grandeur du volume des apports de la saison en rajoutant la part évaporée à la différence entre les volumes estimés en fin et début de saison des pluies (tableau 4).
Nous avons montré ici les possibilités d'apport de l'imagerie par satellite pour la gestion et la reconstitution de chroniques de plans d'eau en zone sahélienne. La forme surfacique des informations internes aux images constitue une mémoire très riche des événements qu'il convient d'exploiter au mieux et qui peut prendre tout son intérêt dans le contexte sahélien où les données cartographiques et hydrologiques sont peu nombreuses.
La reconstitution de chroniques hydrologiques fournit des ordres de grandeur des volumes et il ne faut pas exiger une précision extrême : les valeurs obtenues dépendent d'une série de calculs, approximations et hypothèses, qui ne permettent pas une exploitation précise. Elles peuvent toutefois être très précieuses comme complément aux données déjà acquises sur le terrain. Dans le cas particulier des plans d'eau qui nous intéressent, l'utilisation de ces informations de volumes écoulés peut permettre un meilleur lien avec les caractéristiques physiques et climatologiques des bassins versants étudiés.
Chevallier, P., Claude, J, Pouyaud G. et Bernard, A. 1985. Pluie et crues au Sahel. Hydrologie de la mare d'Oursi. ORSTOM. 251 p
D'At de Saint Foulc, J.; Gilard, O. et Piaton, H. 1996. Petits barrages en terre au Burkina Faso. Bilan et analyse critique. CIEH Ouagadougou, Série hydraulique agricole. 180p
Grésillon, J.M. 1976. Petits barrages en terre en Afrique occidentale. EIER. Ouagadougou. 120p
Joannès, H., Parnot, J., Rantua, F. et Sow, N.A. 1986. Possibilité d'utilisation de la télédétection dans le domaine de l'eau en Afrique . CRTO - CIEH Ouagadougou, Série hydrologie. 141p
Monier, T. 1991 Méthode d'utilisation des images satellitaires SPOT pour le suivi et la gestion des plans d'eau au Sahel. Rapport de spécialisation en gestion des eaux . EPFL. Lausanne Montpellier. 74 p.
Piaton, J. et Puech, C. Apport de la télédétection pour l'évaluation des ressources en eau d'irrigation pour la mise en valeur des plans d'eau à caractère permanent au Niger. LCT/ CIEH. 80 p
Pouyaud, G. 1989. Contribution à l'évaporation de nappes d'eau libre en climat tropical sec. ORSTOM. Coll. Etudes et Thèses. 254 p.
