Characterization of karst/river exchanges with airborne Thermal InfraRed (TIR) imagery. Example of Cèze river canyon in the karstic hydrosystem of Méjannes-le-Clap (Gard, France)
Caractérisation des échanges entre karst et rivière par imagerie infrarouge thermique (IRT) aéroportée. La rivière Cèze et ses émergences karstiques au niveau du plateau de Méjannes-le-Clap (Gard, France)
Résumé
Contexte et enjeux :
Une des priorités de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) porte sur l’amélioration des connaissances sur les relations entre eaux superficielles et eaux souterraines et définit un principe de non dégradation qualitative et quantitative des composantes de l’hydrosystème. Ainsi, la localisation et la quantification des échanges rivières - nappes apparaissent comme indispensables pour la gestion durable des cours d'eau et des masses d’eaux associées. Pour les rivières bordées d’une nappe alluviale, de nombreuses méthodes pluridisciplinaires de caractérisation des échanges existent déjà [Lalot, 2014] ; [Graillot et al., 2014] ; [Marmonier, 2000] ; [Négrel et al., 2003] ; [Fette et al., 2005] et ont été regroupées pour constituer un guide méthodologique [Paran et al., 2015] à l’usage des gestionnaires ou des techniciens. Pour les rivières traversant un domaine karstique, la caractérisation de ces échanges est plus complexe et nécessite une adaptation des méthodes appliquées en milieu poreux.
Présents sur de vastes territoires, les aquifères karstiques présentent un double intérêt, d’une part, comme contributeurs importants au débit des cours d’eau (principalement en étiage) et d’autre part, comme ressource principale, complémentaire ou alternative pour la satisfaction des différents usages.
Toutefois, la gestion de ces hydrosystèmes doit souvent se confronter à : (i) un manque d’eau en situation d’étiage entraînant des conflits d’usages, (ii) un manque de cohérence entre les politiques territoriales de développement (SCOT/PLU) et la disponibilité géographique de la ressource et (iii) un manque d’informations pour satisfaire à la fois les usages (prélèvements AEP et irrigation) et respecter les débits réservés dans le cours d’eau (débits minimum biologiques et loisirs).
Site d’étude :
Avant de traverser d’Ouest en Est le domaine karstique, la Cèze draine un bassin versant d’environ 730 km², composé essentiellement de terrains cristallins (massif des Cévennes) assez peu perméables. Le domaine karstique d’une surface d’environ 300 km² est constitué de formations carbonatées du Crétacé inférieur et moyen à faciès Urgonien. Le long du canyon, la rivière présente plusieurs zones de pertes importantes et collecte les eaux d’une quinzaine d’émergences karstiques identifiées. Les eaux des émergences peuvent avoir une origine autochtone via l’infiltration des eaux de précipitations sur le plateau karstique ou une origine allochtone via les zones de pertes de la rivière ou encore un mélange des deux contributions. Le climat de la zone d’étude est de type méditerranéen, il se distingue par des étés chauds et secs et des hivers frais et humides. Le bassin versant amont de la Cèze est également soumis aux épisodes cévenols, de forts orages de début d’automne (jusqu’à 200 mm en une journée) qui provoquent des crues subites dans la région.
Objectif et principe de la méthode :
Un inventaire des émergences karstiques avait été réalisé par Pouzancre [1971]. Afin de s’assurer de l’exhaustivité de cet inventaire, des prospections complémentaires ont été conduites.
Ces prospections consistent en l’acquisition d’images dans l’InfraRouge Thermique (IRT) associées à des images dans le visible (RVB) de la rivière. Ces clichés de tronçons de rivière sont réalisés depuis un ULM grâce à une caméra thermique (VarioCAM® hr research Infratec). Ce couple d’images (IRT et RVB) permet une mise en relation des objets géographiques (rivières, ponts, arbres, bâtiments, etc.) avec leurs signatures thermiques. Des sondes de température sont disposées in-situ de manière régulière le long de la rivière (6 sondes pour 34 km de linéaire). Ces sondes servent à ajuster la température des images IRT lors de la phase de traitement [Wawrzyniak, 2012].
Le principe repose sur le contraste de température qui existe entre les eaux superficielles (Cèze) et les eaux souterraines (émergences karstiques). Ce contraste permet d’identifier distinctement les eaux souterraines lorsqu’elles émergent au niveau de la rivière. La température des eaux superficielles est très sensible aux conditions météorologiques (température de l’air, ensoleillement, etc.) et l’amplitude thermique entre la saison hivernale (eaux superficielles pouvant être inférieure à 5°C) et la saison estivale (eaux superficielles pouvant dépasser les 28°C) est très importante. En revanche, la variabilité de température des eaux souterraines est beaucoup plus faible et progressive. Les amplitudes thermiques enregistrées entre la saison hivernale et estivale sont très faibles (moins de 2°C). La température des eaux souterraines correspond approximativement à la moyenne des températures annuelles locales, c'est-à-dire entre 13,5 et 14,5°C pour les émergences recensées.
Pour obtenir un maximum de contraste sur les images IRT, il est nécessaire que les différences de températures entre eaux souterraines et eaux superficielles soient maximisées tandis que les différences de débits doivent être minimisées. Les périodes propices pour visualiser de manière optimisée les contrastes thermiques sont donc :
•La saison hivernale, pendant une décrue, lorsque la température de la rivière est suffisamment basse (~ 5°C). La température des eaux souterraines (entre 13,5 et 14,5°C) apparaît comme chaude.
•La saison estivale, durant une décrue, lorsque la température de la rivière est suffisamment importante (> 27°C). La température des eaux souterraines (entre 13,5 et 14,5°C) apparaît comme froide.
Exemples de résultats :
Cette communication présente les principaux résultats des images IRT sur la caractérisation des apports karstiques à destination de la rivière.
Deux campagnes d’acquisition ont été réalisées, toutes deux en période estivale (juillet 2013 et septembre 2014). La première campagne (Figure ci-après) n’a pas pu être assurée sur l’intégralité de la Cèze au niveau du domaine karstique en raison des mauvaises conditions météorologiques (vent fort) lors de l’acquisition. La seconde campagne a pu être assurée sur l’ensemble du linéaire. En parallèle de l’acquisition des images IRT, les émergences karstiques, dont le débit est jugé significatif, ont été jaugées (courantomètre EM), ainsi que 6 tronçons de rivière.
L’analyse de l’ensemble de ces images thermiques a permis notamment de mettre en évidence : (i) les émergences déjà connues ainsi qu’une nouvelle source inédite dont la présence a pu être confirmée par une reconnaissance sur le terrain (mesure de conductivité et analyses ions majeurs et isotopes), (ii) le caractère ponctuel ou diffus des apports souterrains vers la rivière et (iii) la distance d’homogénéisation par mélanges des eaux superficielles et souterraines, qui a permis d’optimiser l’échantillonnage en rivière pour les campagnes hydrogéochimiques.
Par ailleurs, un profil de température amont/aval a été extrait de ces images IRT. Ce profil thermique a permis, dans une certaine mesure, d’estimer les débits de certaines émergences par effet de mélange (principe de conservation de la masse et de la quantité de chaleur). Ces débits estimés par mélange (diminution de la température au niveau de la rivière) ont été comparés à ceux mesurés au courantomètre et donnent des résultats cohérents.
Cette méthode permet de travailler sur de grandes étendues spatiales et de manière quasi synchrone. Elle s’est révélée intéressante pour la reconnaissance initiale à l’échelle d’un vaste terrain d’étude. Cependant, cette méthode ne permet qu’une caractérisation des apports seulement dans le sens karst vers rivière et n’est pas suffisante pour appréhender les phénomènes de pertes ou encore l’origine des eaux.