Exploiter la télédétection, les enquêtes de terrain et la modélisation numérique pour comprendre le système Prek du delta du Mékong cambodgien - des processus hydrologiques aux services écosystémiques

Leveraging Remote Sensing, Field Surveys, and Numerical Modelling to Understand the Prek System of the Cambodian Mekong Delta - From Hydrological Processes to Ecosystem Services

• Auteur / Autrice : Christina Orieschnig
• Direction : Gilles Belaud, Jean-Philippe Venot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Eau
• Date : Soutenance le 07/07/2022
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR G-eau (Gestion de l'eau, acteurs et usages, Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Courault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charlotte De Fraiture, Hélène Roux, Karsten Schulz, Carole Delenne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Charlotte De Fraiture, Hélène Roux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écohydrologie

Inondations

Télédétection

Services écosystémiques

Hydrodynamique

Mékong, Delta du

Bilan hydrologique

Mots clés libres

Mekong

Télédétection

Modélisation hydrologique

Inondations

Services écosystémiques

Mekong

Remote sensing

Hydrological modeling

Inundations

Ecosystem services

Résumé

Cette thèse fournit des informations sur les processus hydrologiques dans le delta du Mékong cambodgien, ainsi que sur leur relation avec les services écosystémiques dont bénéficie la population locale. En particulier, le rôle des canaux de Prek est examiné. Construits à l'époque du protectorat français, au début du 20e siècle, ces canaux divergent perpendiculairement du Mékong et de son distributaire, le Bassac, et assurent une connexion entre le cours principal du fleuve et ses plaines inondables. L'objectif de cette thèse est d'évaluer comment les changements à grande échelle dans le bassin du Mékong, tels que le changement climatique et l'utilisation des terres, ainsi que le développement de l'hydroélectricité, se reflètent à une échelle locale dans son delta. Elle vise également à élucider comment les infrastructures locales catalysent ces processus et pourraient contribuer à atténuer les effets négatifs des scénarios futurs.Pour répondre à toutes ces questions de recherche, une approche multi-méthodes a été choisie. Tout d'abord, une analyse documentaire approfondie des défis complexes auxquels sont confrontés le bassin du Mékong et son delta a été réalisée. Ensuite, une analyse des tendances à long terme des niveaux d'eau, des modèles de précipitations, de l'étendue et de la dynamique des inondations à l'échelle du delta du Mékong cambodgien est fournie. Les séries chronologiques des niveaux d'eau de quatre stations hydrologiques sont soumises à une analyse des tendances et des points de rupture. De plus, les données de précipitation de trois stations, ainsi que les données de télédétection CHIRPS sont comparées. L'étendue des inondations est évaluée sur la base d'un nouveau modèle: WAFL - Water Level Flood Link. WAFL établit un lien corrélatif entre des séries temporelles de niveaux d'eau et des cartes d'inondation dérivées d'images Sentinel, en tenant compte des délais de propagation et de l'atténuation des inondations. Elle peut ensuite être utilisée pour reconstruire les étendues d'inondation passées sur la base des niveaux d'eau, avec une bonne précision, en comparaison avec les cartes historiques.En outre, le travail de terrain a été réalisé dans une zone d'étude de cas sur les rives du fleuve Bassac, qui englobe dix Preks. Les parties prenantes locales, telles que les agriculteurs et les chefs de village, ont été interrogées afin de mieux comprendre les services écosystémiques liés aux processus hydrologiques locaux et la capacité des Preks à catalyser ces processus. Les entretiens ont également servi de base pour caractériser les modèles et pratiques culturales typiques, de l'irrigation au rendement moyen et maximal. Afin d'améliorer la compréhension du rôle des Preks pour les communautés locales et les pratiques agricoles, des recherches archivistiques ont été entreprises. En outre, l'utilisation locale des terres et ses variations en fonction de la configuration spatiale des processus hydrologiques et des Preks ont été analysées à l'aide d'une classification de l'utilisation des terres et de la couverture des terres (LULC) basée sur l'imagerie Sentinel et une approche de type Gradient Tree Boosting.Enfin, pour formaliser la compréhension du rôle des Preks pour les processus hydrologiques locaux et les services écosystémiques dans le delta du Mékong cambodgien, et pour simuler des scénarios futurs, un modèle numérique a été construit en Python. Il utilise les données générées par les entretiens, la recherche documentaire et les analyses de télédétection comme données d'entrée et simule quatre scénarios futurs en ce qui concerne les variables climatiques locales, la configuration des canaux Prek et les niveaux d'eau du fleuve, ces derniers dépendant du changement climatique à l'échelle du bassin et du développement de l'hydroélectricité. Les services écosystémiques liés et non liés aux inondations ont été simulés séparément, en tenant compte du rôle central des inondations annuelles dues à la mousson.

This thesis provides insights into the hydrological processes in the Cambodian Mekong delta, and their relationship to ecosystem services from which the local population benefits. In particular, the role of Prek channels is examined. First constructed during the period of the French protectorate in the early 20th century, Preks diverge perpendicularly from the Mekong and its deltaic distributary, the Bassac. They provide a connection between the river mainstream and its floodplains by breaching the elevated river banks. The aim of this thesis is to assess how large-scale changes in the Mekong basin, such as climate and land use change, as well as hydropower development, are reflected at a local scale in its delta. It also aims to elucidate how local infrastructure such as Preks catalyzes these processes and could help mitigate negative effects of future scenarios.To address all of these questions, a multi-method approach was chosen. First, a thorough literature review of the challenges facing the Mekong basin and its delta was carried out. Then, an analysis of long-term trends in water levels, precipitation patterns, and inundation extents and dynamics at the scale of the Cambodian Mekong delta was provided. Water level time series at four hydrological stations maintained by the Mekong River Commission (MRC) were subjected to a trend and break point analysis. Furthermore, precipitation data from three in-situ stations, as well as remotely sensed CHIRPS data were compared. Inundation extents were assessed on the basis of a new model developed in the course of this thesis: WAFL - Water Level Flood Link. WAFL establishes a correlative link between in-situ water level time series and inundation maps derived from Sentinel-1 and -2 images (2017 - 2020), accounting for flood propagation delays and attenuation. It can then be used to reconstruct past inundation extents to overcome spatial data sparsity, with good accuracy compared to historical Landsat-derived maps.Furthermore, fieldwork was carried out in a case study area on the banks of the Bassac, which encompasses ten Preks. Local stakeholders, such as farmers and village chiefs, were interviewed to gain a better understanding of the ecosystem services linked to local hydrological processes, and the capacity in which the Preks catalyze these processes. The interviews also served as a basis to characterize typical cropping patterns and practices, from irrigation to average and maximum yield. To further enhance the understanding of the role of the Preks for local communities and agricultural practices, archival research was undertaken. In addition, local land use and its variations depending on the spatial configuration of hydrological processes and Preks was analyzed using a land use - land cover (LULC) classification based on Sentinel imagery and a supervised Gradient Tree Boosting approach.Finally, to formalize the understanding of the role of Preks for local hydrological processes and ecosystem services in the Cambodian Mekong delta, and to simulate future scenarios, a numerical model was constructed in Python. It uses the data generated through interviews, literature research, and remote sensing analyses as input and simulates four future scenarios with respect to local climate variables, the configuration of Prek channels and river water levels, the latter depending on basin-wide climate change and hydropower development. Flood-related and non-flood related ecosystem services were simulated separately, to central role of annual monsoon inundations. The results show that under likely future precipitation, temperature, and water level patterns, agricultural production is set to decrease, but that this decrease could be compensated by Prek rehabilitation.