Circulation 2D des écoulements dans les plaines inondables amazoniennes et devenir sous contraintes climatiques

2D flow circulation in Amazonian floodplains and evolution under climatic constraints

• Auteur / Autrice : Pauline Enguehard
• Direction : Marie-Paule Bonnet, Frédéric Frappart
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Eau
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ESPACE DEV - Observation Spatiale, Modèles et Science Impliquée
• Jury : Président / Présidente : Jhan Carlo Espinoza
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Paule Bonnet, Fabrice Papa, Nicolas Flipo, Frédéric Frappart, Valérie Borrell
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Papa, Nicolas Flipo

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation

Hydrologie spatiale

Changement climatique

Télédétection

Modelling

Spatial hydrology

Climate change

Remote sensing

Résumé

L’accès à l’eau et la préservation des écosystèmes aquatiques font partie des défis les plus importants du 21e siècle. Les zones humides sont des écosystèmes aquatiques vitaux pour la biodiversité et pour la régulation de l’eau. Dans le contexte du changement climatique, la préservation et la gestion durable de l’eau dans ces biomes sont cruciales, en particulier dans le bassin de l’Amazone où les populations dépendent largement des ressources aquatiques. Ce défi repose en partie sur une représentation précise des processus et dynamiques régionaux en cours et sur l’identification du rôle de la variabilité climatique pour les vingt prochaines années. Pour y répondre, la modélisation des crues est une excellente solution pour calculer la vitesse et la dynamique de l’eau auxquelles les ressources aquatiques sont sensibles. Cependant, pour atteindre cet objectif et apporter suffisamment d’informations aux modèles, les observations in situ sont souvent insuffisantes. L’utilisation et l’intégration d’observations satellitaires multi-capteurs dans la modélisation des systèmes hydrodynamiques semblent prometteuses. Dans ce contexte, la thèse a contribué à d’importants objectifs. Premièrement, une nouvelle méthodologie a été développée pour densifier les observations in situ de niveau d’eau dans les plaines d’inondations à partir de l’altimétrie radar, basée sur une classification non supervisée des échos radar ENVISAT et SARAL. Grâce à cette méthode, le nombre de niveaux d’eau du réseau a pu être multiplié par 15. Les résultats montrent que l’altimétrie radar est un outil de télédétection efficace pour surveiller les niveaux d’eau des hydrosystèmes continentaux, y compris les plaines d’inondation, et apporte des informations cruciales sur la dynamique de connectivité entre les lacs et les rivières. Deuxièmement, j’ai évalué l’évolution potentielle de la circulation de l’eau dans la plaine inondable en fonction des changements hydroclimatiques. La première étape a consisté à mettre en place un modèle hydraulique bidimensionnel (2D) HEC-RAS de la région de la plaine d’inondation de Curuai (13 000 km²) en Amazonie centrale. Afin de reproduire fidèlement les flux d’eau locaux, une analyse de sensibilité à la taille des mailles, aux conditions aux limites et aux coefficients de friction a été réalisée et évaluée en termes de précision des niveaux et des étendues d’eau et du temps de calcul. Le meilleur compromis entre la précision des facteurs et le temps de calcul a été déterminé en évaluant le modèle hydraulique avec des observations in situ et des niveaux d’eau obtenus par altimétrie radar. J’ai constaté que le facteur de taille de mailles de 200 m représentait le mieux la dynamique des inondations, avec une précision de 73% à 83% des niveaux d’eau et des étendues observés pendant les périodes de hautes et basses eaux. Ensuite, pour étudier l’impact du changement climatique sur les schémas de circulation de l’eau dans la plaine inondable, un modèle HEC-RAS a été construit et utilisé à l’aide de différents scénarios climatiques. J’ai sélectionné cinq modèles climatiques (MIROC6, GFDL-CM4-gr1, CNRM-CM6-1, MPI-ESM1-2-LR et UKESM1-0-LL) en utilisant le scénario d’émissions intermédiaires (SSP2-4.5) de CMIP6 pour générer les conditions limites du modèle HEC-RAS. Les résultats montrent que des changements majeurs sont attendus dans les 20 prochaines années. La dynamique, le niveau et l’étendue de l’eau dans la plaine inondable auront un impact significatif sur les écosystèmes et les populations.

Access to water and preservation of aquatic ecosystems are among the most important challenges of the 21st century. Wetlands are vital aquatic ecosystems for biodiversity and water regulation. In the climate change context, preservation and sustainable water management in these biomes are crucial, especially in the Amazon basin where populations largely depend on aquatic resources. This challenge partly relies on accurate representation of outgoing regional processes and dynamics and on the identification of the climate variability role for the next twenty years. To address this, flood modeling is a great solution to calculate velocity and dynamic water to which aquatic resources are sensitive. However, to reach this objective and bring enough information to models, in situ observations are often insufficient. The use and integration of multi-sensor satellite observations in the modeling of hydrodynamic systems appears promising. In this context, the thesis contributed to main objectives. First, a new methodology was developed to densify in situ water level observation in the floodplain from radar altimetry based on unsupervised classification of ENVISAT and SARAL radar echoes. Thanks to this method, the number of water levels in the network has been multiplied by 15. Results show that radar altimetry is an effective remote sensing tool for monitoring water levels of continental hydrosystems, including floodplains, and bring crucial information about the connectivity dynamic between lakes and rivers. Second, I evaluated the potential evolution of water circulation in the floodplain under hydroclimatic changes. A first step was to set up a 2-dimensional (2D) HEC-RAS hydraulic model of the Curuai floodplain region (13,000km²) in Central Amazon. In order to faithfully reproduce local water fluxes, a comprehensive sensitivity analysis to mesh size, boundary conditions and friction coefficients was performed and evaluated in terms of water level/extent accuracies and time calculation. The best compromise between accurate factors and computation time was determined by validating the hydraulic model with in situ observations and radar altimetry water levels. I found that the 200 m cell size factor best represents flood dynamics, matching observed water levels and extents with 73% to 83% of threat score during high and low water periods. Then, to investigate how climate change will impact the water circulation patterns in the floodplain, a model was run using different climate scenarios. I selected five climate models (MIROC6, GFDL-CM4-gr1, CNRM-CM6-1, MPI-ESM1-2-LR and UKESM1-0-LL) using the intermediate emissions scenario (SSP2-4.5) of CMIP6 to generate the HEC-RAS model boundary conditions. The results show that major changes are expected in the next 20 years. Dynamic, level and extent of water in the floodplain will have a significant impact on ecosystems and populations.