Les réserves mondiales d'eau souterraine 

Les eaux souterraines représentent 30 % des ressources en eau douce de la planète (Shiklomanov 1993) (figure 1) et fournissent au niveau mondial 36 % de l'eau potable, 42 % de l'eau d'irrigation et 24 % de l'eau industrielle, témoignant de leur valeur considérable (Global Environment Facility 2021). Les eaux souterraines offrent de nombreux avantages, notamment une meilleure protection contre la sécheresse et la contamination microbiologique que les eaux de surface, ainsi qu'un coût généralement faible et l'accès à de nombreux utilisateurs. 

Cependant, la distribution des eaux souterraines a travers le monde est inégale. Un travail approfondi a été effectué afin de cartographier les réserves en eaux souterraines dans le but d’améliorer leur gestion et utilisation durable. Le programme hydrologique international de cartographie et d’évaluation (WHYMAP pour Worldwide Hydrological Mapping and Assessment Programme en anglais) lancé en 2002 a pour but de collecter, rassembler et visualiser les donnees sur leaux souterraines (figure 2). Cette carte informe sur la quantité, qualité et vulnérabilité des ressources d’eaux souterraines pour améliorer la prise de décision.

Les informations sur la localisation et la distribution des eaux souterraines proviennent traditionnellement de la prospection géophysique au sol et de la technologie de forage, ainsi que d'indices dans le paysage tels que la géomorphologie et la végétation. Depuis les années 1970, les technologies spatiales jouent un rôle croissant dans la surveillance de ces ressources.  

Malgré leur potentiel, les ressources mondiales en eaux souterraines sont confrontées à des défis majeurs. Alors que les nappes phréatiques modernes sont reconstituées par les précipitations. Ce n'est pas le cas des aquifères fossiles, profonds et déconnectés de notre cycle hydrologique contemporain, d'où proviennent la plupart des réserves d'eau souterraine de la planète. Nos ressources s'épuisent et se dégradent quand les taux d'extraction dépassent la recharge sur des périodes prolongées. Un épuisement global des eaux souterraines de 4 500 km3 a été estimé entre 1990 et 2008, menaçant la sécurité de l'eau, l'agriculture, la production d'énergie et la paix dans le monde (Frappart et Ramillien 2018).  Selon Shah et al. (2001), l'empreinte mondiale des eaux souterraines est 3,5 fois supérieure à la superficie réelle des aquifères, et 1,7 milliard de personnes vivent dans des zones où les ressources en eaux souterraines sont menacées (figure 3). Avec l'augmentation de la population, l'urbanisation, le changement climatique et la mauvaise gouvernance, ces défis ne feront que s'accroître dans les années à venir. Il est primordial d'améliorer la durabilité de l'utilisation de cette précieuse ressource. Les décisions relatives à la gestion des eaux souterraines doivent être fondées sur des données, et les technologies spatiales présentent un grand potentiel à cet égard. 

Méthodes spatiales de surveillance des eaux souterraines 

Actuellement, les eaux souterraines ne peuvent pas être mesurées directement depuis l'espace. C'est pourquoi diverses méthodes indirectes ont été mises au point pour améliorer notre connaissance des ressources mondiales en eaux souterraines.  

Les technologies spatiales, de la télédétection aux systèmes d'information géographique (SIG), et au système de positionnement global (GPS), constituent un outil rapide et rentable pour détecter, extraire, conserver et tester la vulnérabilité des eaux souterraines dans l'espace et dans le temps. La télédétection pour la surveillance des eaux souterraines est basée sur des données multispectrales (Enhanced Thematic Mapper (ETM)) et spatiales (Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)), sur la technologie radar et sur des relevés thermiques.  La plupart des capteurs d'observation de la Terre, à l'exception des radars et des méthodes géophysiques, ne pénètrent pas la surface de la Terre. Cela signifie qu'un lien est nécessaire entre les observations de surface et la subsurface (Yu et al. 2009). Certaines des principales méthodes indirectes de surveillance des eaux souterraines sont décrites ci-dessous.  

Surveillance des facteurs influençant les eaux souterraines  

L'une des plus anciennes contributions des technologies spatiales à la surveillance des eaux souterraines est la collecte d'informations sur les facteurs influençant les eaux souterraines.  

En raison du manque de capacité de pénétration qu'offre la télédétection, celle-ci est largement utilisée pour fournir ces informations hydrogéologiques indirectes, en obtenant des données sur des facteurs tels que la géologie, la géomorphologie, les schémas de drainage, la végétation et l'utilisation des sols (Agarwal et al. 2013). Ces données de télédétection peuvent ensuite être combinées avec des SIG, des techniques géophysiques et des données de terrain pour préparer des cartes thématiques afin de délimiter les zones potentielles d'eau souterraine (GWPZ) et de surveiller la vulnérabilité de l'eau souterraine.  

Une étude réalisée par Ashokraj, Kirubakaran et Colins Johnny (2015), démontre l'utilisation du SIG et de la télédétection, ainsi que des mesures sur le terrain pour cartographier la vulnérabilité des eaux souterraines en produisant un modèle SINTACS de Palayamkottai Taluk en Inde. Le modèle SINTACS a été développé pour déterminer l'indice de pollution et de vulnérabilité des eaux souterraines. Il est basé sur une méthodologie d'indice de superposition et utilise sept paramètres environnementaux (profondeur de la nappe phréatique (S), infiltration effective (I), conditions non saturées (N), milieu pédologique (T), caractéristiques hydrogéologiques de l'aquifère (A), conductivité hydraulique (C) et pente topographique (S)) (Kumar et al. 2013).  Les technologies spatiales peuvent contribuer à la collecte de certains de ces paramètres. Dans cette étude de cas, les données du modèle numérique d'élévation de la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM DEM), par exemple, ont été utilisées pour générer la pente du terrain, tandis que les techniques de pondération par l'inverse de la distance (IDW) dans le SIG ont été utilisées pour générer des cartes de profondeur de la nappe phréatique et de conductivité hydraulique. Des notes et des poids relatifs sont ensuite attribués à chaque paramètre hydrogéologique afin de calculer l'indice de vulnérabilité à l'aide de l'outil de calcul Raster du SIG, créant ainsi une carte de vulnérabilité des eaux souterraines (figure 4). 

De même, de nombreuses études soulignent le potentiel de la télédétection et des SIG pour cartographier les GWPZ. Des études, telles que celle d'Agarwal et al. (2013) dans le district de Samoda Nala Durg en Inde, utilisent le processus de hiérarchie analytique (AHP), une méthode de prise de décision multicritère (MCDM) pour délimiter les GWPZ. Dans cette méthode, des cartes thématiques sont créées à partir de divers facteurs d'influence, dont certains sont mesurés à l'aide de données de télédétection. Par exemple, dans cet article, la densité de drainage, le drainage et la pente ont été mesurés à l'aide de modèles numériques d'élévation (MNE), tandis que l'utilisation des sols et la couverture des sols (LULC) ont été mesurées à l'aide de données LANDSAT. D'autres thèmes ont été calculés à partir de cartes conventionnelles et de données de forage. Les couches thématiques sont ensuite intégrées dans un environnement SIG, à partir duquel la méthode AHP est utilisée pour calculer le poids normalisé de chaque thème en fonction de son importance relative. Les pondérations produisent alors cinq ZPG, à savoir "très faible", "faible", "moyenne", "élevée" et "très élevée" (figure 5), à partir desquelles des décisions éclairées peuvent être prises en ce qui concerne l'exploration du sol.

Mesure indirecte de l'évapotranspiration  

Une autre méthode pour surveiller le stockage des eaux souterraines depuis l'espace consiste à mesurer indirectement l'évapotranspiration (ET). L'ET reflète l'échange de masse et d'énergie entre le système sol-eau-végétation et l'atmosphère. L'ET réelle (ETa) est affectée par les conditions météorologiques, l'occupation du sol et l'humidité du sol, et constitue donc une variable importante pour le stockage des eaux souterraines (Senay, Bohms et Verdin 2012).    

L'ETa étant difficile à mesurer avec précision, diverses techniques de modélisation hydrologique ont été mises au point pour l'estimer, ce qui permet de l'évaluer à des échelles spatiales régulières et étendues. L'estimation de l'ETa nécessite diverses variables, dont certaines sont collectées par télédétection. La température de la surface du sol, par exemple, était nécessaire pour l'un des modèles utilisés par Senay, Bohms et Verdin (2012). Elle a été dérivée des observations de la bande thermique acquises par le spectroradiomètre imageur à résolution modérée (MODIS). Comme l'ETa affecte directement le stockage des eaux souterraines, il s'agit d'une variable importante à mesurer lorsque l'on considère le risque d'épuisement et de sécheresse.   

Mesure directe de l'humidité du sol  

Outre ces mesures indirectes, la télédétection par micro-ondes peut fournir une mesure directe de l'humidité du sol, qui peut être utilisée pour estimer le niveau des eaux souterraines à faible profondeur si les conditions s'y prêtent. Cette approche est particulièrement utile dans les zones arides où l'évapotranspiration est une composante importante de l'équation du bilan hydrique (Ruggieri et al. 2021).  En général, pour les faibles niveaux d'humidité du sol, la réflectance et la teneur en eau du sol sont négativement corrélées, ce qui permet de les utiliser pour développer un modèle de surveillance par télédétection afin de prédire le niveau des eaux souterraines (Huo et al. 2011). La teneur en eau du sol, la réflectance et les propriétés de diffusion peuvent refléter les fluctuations du niveau des eaux souterraines en raison de la capillarité dans la zone du sol par laquelle les eaux souterraines peuvent atteindre la surface et par laquelle elles modifient l'humidité du sol (Huo et al. 2011) (Figure 6).

La télédétection par micro-ondes peut être active (radar) ou passive et offre des avantages par rapport aux spectres visible et infrarouge. Elles peuvent effectuer des observations à travers la couverture nuageuse et leurs mesures ne dépendent pas de l'illumination solaire. Une série d'instruments attachés à des camions, des avions et des engins spatiaux ont été déployés au fil des ans, notamment l'imageur micro-ondes (TMI) de la mission de mesure des précipitations tropicales (TRMM), les systèmes de satellites AMSR (Advanced Microwave Scanning Radiometer), la mission SMOS (Soil Moisture Ocean Salinity) et la mission SMAP (Soil Moisture Active Passive), ainsi que de nombreuses autres séries de radars à synthèse d'ouverture (SAR) (Jackson, 2002).  

Par exemple, des observations passives et actives de micro-ondes du radiomètre à faisceau mince à balayage électronique (ESTAR) ont été effectuées pendant 8 jours dans le cadre d'une étude en Oklahoma (Jackson 2002). Les données ESTAR ont été traitées pour produire des cartes de température de brillance. En utilisant des algorithmes d'extraction de la teneur en eau du sol, les données de température ont été converties en images de la teneur en eau du sol (figure 7). Les modèles spatiaux sont associés aux textures du sol et les modèles temporels sont associés aux processus de drainage et d'évaporation. Les informations sur les variations spatiales et temporelles peuvent donc être utilisées pour estimer la recharge des eaux souterraines.

Missions GRACE  

La dernière méthode de surveillance des eaux souterraines explorée dans cet article, et peut-être la plus intéressante, est GRACE TELLUS. Les missions GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) et GRACE-FO (GRACE Follow-On) sont capables d'observer les variations temporelles et spatiales du stockage des eaux terrestres (TWS) depuis l'espace. Contrairement à la plupart des missions, GRACE ne transporte pas d'instruments scientifiques indépendants, mais s'appuie sur de légères variations de distance entre les deux satellites co-orbitaux, qui dépendent du champ de gravité de la Terre, que l'eau, du fait de sa masse, affecte. La quantité d'eau stockée dans une région peut alors être estimée en observant ces minuscules variations du champ de gravité enregistrées par les satellites. Le TWS est la somme de plusieurs composantes de stockage : les eaux souterraines, les glaciers, la neige, l'humidité du sol et le stockage dans les masses d'eau de surface. Par conséquent, les changements dans le stockage des eaux souterraines peuvent être calculés lorsque ces autres variables sont estimées à partir d'autres satellites, de modèles ou de données in situ.  

Les données GRACE peuvent donc fournir des informations sur les événements climatiques et les flux hydrologiques à l'échelle du bassin, ce qui permet de détecter les pénuries, d'identifier les sources d'eau et de surveiller le niveau des eaux souterraines. Les données GRACE étant une estimation des changements de stockage de l'eau en vrac et ne pouvant distinguer les différentes composantes de la masse d'eau stockée, elles doivent être interprétées à l'aide d'une modélisation hydrologique (Bonsor et al. 2010).  

Les données GRACE ont été largement utilisées depuis le lancement de la première mission en 2002. Bien que la résolution spatiale des données soit inférieure à celle des méthodes in situ, elles offrent d'énormes avantages en termes de coûts et d'efficacité. Les données GRACE, par exemple, ont été utilisées avec succès dans le bassin de l'Indus pour cartographier les changements dans le stockage des eaux souterraines, indiquant où les réserves s'épuisent et où elles sont rechargées de manière adéquate (figure 8). Les données ont mis en évidence le fait que ce bassin est le deuxième aquifère le plus sollicité au monde. Les données GRACE et GRACE-FO continuent d'être largement utilisées dans le monde entier pour comprendre les caractéristiques des eaux souterraines et prévoir les vulnérabilités futures.

Conclusion  

Les eaux souterraines ne sont manifestement pas faciles à surveiller. Il n'existe pas de méthode unique combinant une haute résolution spatiale et temporelle, un faible coût et une faible charge de travail. Cependant, en combinant les méthodes de collecte de données, de la géophysique au sol et des relevés de forages aux MNE et à la télédétection, on obtient une image plus claire des réserves mondiales d'eau souterraine.     

Les technologies spatiales, de l'observation de la terre aux systèmes de navigation par satellite, fournissent des données vitales pour la gestion durable des ressources en eau souterraine. De nombreux instruments et missions ont fourni des données indirectes sur les eaux souterraines, telles que les facteurs d'influence des eaux souterraines, l'humidité du sol, l'évapotranspiration et les variations de la gravité. Malgré leur nature indirecte, ces technologies, en fournissant des informations sur les zones de protection des eaux souterraines, le stockage des eaux souterraines, les niveaux, la vulnérabilité et la recharge, offrent un grand potentiel et des données qui ne seraient pas disponibles autrement.