Etude du paramètre turbidité par télédétection : indicateur "d'aléa sanitaire" dans les eaux de surface en Afrique de l'Ouest

E. Robert*, M. Grippa, L. Kergoat, J-M. Martinez, S. Pinet, L. GalGET - Geosciences Environnement Toulouse (CNRS, IRD, Université de Toulouse 3, CNES)

* elodie.robert@get.omp.eu

1Risque sanitaire

Maladies hydriques : 2ème cause de mortalité dans les pays à faible revenu => enjeu sanitaire majeur.

Risque sanitaire microbiologique : maladies diarrhéiques (bactéries d'origine fécale et rotavirus).

Matières en suspension (MES) peuvent véhiculer des virus et bactéries pathogènes pour la santé humaine (Brock, 1996, Stozky, 1966 Can. J. Microbiol.) et favoriser leur développement : adsorption (Fig. 1) => Importante corrélation entre forte concentration de bactéries et la turbidité (Fig. 2, Santé Canada, 2004).

Forte turbidité = vecteur de contaminants microbiologiques donc "aléa sanitaire".

Suivi de la turbidité

Turbidité : "propriété optique de l'eau permettant à la lumière incidente d'être déviée ou absorbée par des particules plutôt que transmise en ligne droite" (INSPQ, 2003) => suivi par télédétection.

Relation entre réflectance (Modis) et MES en Amérique Latine (Matinez et al. 2009 Catena , Villar et al. 2012 J. Hydrology).

Peu d'études en Afrique Subsaharienne (Kaba et al. 2014 IJAEOG, Robert et al. 2016a) alors que fortes

valeurs et fortes variabilités spatiotemporelles (Robert 2011 et 2014) liées à la mousson Africaine.=> besoin d'une bonne répétitivité temporelle (Modis ; Robert et al. 2016a) et d'une bonne résolution

spatiale (Landsat -couplage L7 et L8, et Spot5-Take5 ; Robert et al. 2016b).

Enjeux

Données libres : suivi environnemental dans les Pays du Sud où les réseaux de mesures sont peu présents.

Quantification sufisamment précise de la turbidité et des MES?

Obstacles possibles : nature des MES, gamme de variations très large de la turbidité (milieux tropicaux semi-arides et subhumides), perturbations liées à l'atmosphère (aérosols, feux de biomasse).

Objectif : étude de l'apport des images satellites à haute résolution temporelle (Modis) et spatiale (L7,

L8 et Spot5-Take5) pour le suivi et la cartographie d'un aléa sanitaire, la turbidité, en milieu tropical.

CONTEXTE METHODE

- 3 unités hydrologiques (Fig. 3) : réservoir sur le Nakambé, mare permanente en zone endoréique (Fig. 4), fleuve majeur de la région (Fig. 5).- 2 régimes climatiques : sahélien et nord-soudanien.

Vulnérabilités sanitaires fortes : eaux de surfaces insalubres pour les usages domestiques et récréatifs (Photo. 2).

Changement des régimes hydrologiques => evolution de la turbidité?

Prélèvements d'eau (turbidité -turbidimètre et MES - filtrage et pesée) hebdomadaires par des partenaires locaux : - 160 sur la mare d'Agoufou depuis sept. 2014 (SNO AMMA-CATCH) ;- 116 au niveau de Niamey depuis juin 2015 ;- 159 et 131 (turbidité et MES) sur le lac de Bagré.

Mission terrain : mesures de turbidité, MES et radiométriques (radiomètres TriOs

RAMSES) (Fig 6, photo. 2). http://www.cesbio.ups-tlse.fr/multitemp/?p=6147

Données satellitaires :- Modis- L7 et L8 (site de l'USGS) ;

- Spot5-Take5 (Bagré) : testé comme un simulateur des futures séries temporelles Sentinel-2 (5 j et 10 m).

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3

ZONES D'ETUDE

DONNEES

Comparaison MES/turbidité sur chaque site et sur l'ensemble des sites.

Test des indice (PIR/R, PIR/V, PIR + R, etc.) et comparaison avec les données de MES et de turbidité sur les 3 sites => niveaux, évolutions spatio-temporelles et comparaisons entre sites.

Pour Bagré : utilisation des mesures radiométriques pour évaluer les indices.

9 ml/g à 4400 ml/g et 9.9 NTU à + 3300 NTU.

Très bonne relation entre MES/turbidité sur les 3 sites : R2=0.87 (Fig. 7).

Pour les données Spot5-Take5 : R2=0.88 (Robert et al. 2016b) et pour les données Lansat R2=0.89 (Fig. 8).

Maximum saisonnier marqué sur les 3 sites (Fig. 9 et 10).

NiameyAugmentation plus rapide de la turbidité et des MES entre mi-juin et août associée à la "crue rouge", bien détectée (Fig. 10), puis une forte baisse associée à la "crue noire" (crue guinéenne).

AgoufouEvolution saisonnière des MES bien représentée.Dynamiques "dirigées" par les pluies.Année très sèche 2014-15 : baisse continue pendant la saison sèche (Fig. 9) Année "classique" : augmentation fin janvier à mars (maximum secondaire, Fig. 9) puis diminution jusqu'en juin. => Causes? (Robert et al. in prep).

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5

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RESULTATS

CONCLUSION

BagréAugmentation de 109% des MES de 11 à 23 mg/l (Fig. 11). Contribution importante depuis l'amont à partir de juin puis transport avec l'aval entre juin et septembre (Fig. 12).

Fig. 4. Mare d'Agoufou (image Sentinel-2)

Fig. 5. Fleuve Niger à Niamey (image Landsat 8).

Photo 2. Prélèvements d'eau (Bagré) pour usages domestiques

Fig. 1. Processus d'adsorption (fixation de micro-organismes sur des MES)

Fig. 6. Relevés d'eau et mesures radiométriques (campagne terrain Spot5-Take5, Bagré)

y = 1205.7ln(x) - 1416.4R² = 0.8888

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 1000 2000 3000 4000 5000

PIR

+ IR

MES (mg/l)

Agoufou Niamey Bagré

y = 1.4803x + 13.792R² = 0.8711

010002000300040005000

0 1000 2000 3000

Turb

idité

(NTU

)MES (mg/l)

Agoufou Niamey BagréFig. 7. Relation Turbidité/MES (multi-sites). Fig. 8. Relation rélfectance Landsat 7 et 8 (PIR/R)/ME S

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

8/10/13 8/4/14 7/10/14 7/4/15 6/10/15 5/4/16 4/10/16

MES

dér

ivée

s(lo

g IR

+ R

mul

-site

s)

& M

ES(m

g/l)

L7 et L8 MES

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1/4/13 30/9/13 31/3/14 29/9/14 30/3/15 28/9/15 28/3/16 26/9/16

MES

dér

ivée

s(lo

g IR

+ R

mul

-site

s)

& M

ES(m

g/l)

L7 et L8 MES

Micro-organismes

MESAdsorption

Maxi

Crue Rouge

Crue Rouge

Fig. 10. MES in situ et MES derivées à partir des réflectances.

Fig. 9. MES in situ et MES derivées à partir des réflectances (Robert et al. In prep).

Fig. 12. Carte d'aléa exposant l'évolution spatio-temporelle des MES au Lac de Bagré 2015

(Robert et al. 2016b)).

Agoufou

Niamey

Bagré

16/04 26/05

20/0625/07

04/08 13/0919 - 5656 - 274274 -1345> 1345 mg/l

Fig. 2. Corrélation E. Coli/turbidité.

Mare d'Agoufou

Lac de Bagré

Niamey

(Fleuve Niger)

Photo 1. Mesures radiométriques (Bagré).

Robert E., Grippa M., Kergoat L., Merlet S., Martinez j-M., Diawara M., Soumaguel N. -prep- Monitoring water turbidity in Sahelian ponds by remote sensing (Gourma). Robert E., Grippa M. Kergoat L. Pinet S. Gal L. Cochonneau G., Martinez J-M. -2016a- Monitoring water turbidity and surface suspended sediment concentration of the Bagre Reservoir (Burkina Faso) using MODIS and filed reflectance data, IJAEOG, 52. Robert E., Grippa M., Kergoat L., Martinez J-M., Pinet S., Somdecoste T., Gal L. - 2016b - Monitoring inland water turbidity: contribution of Spot5 Take5 to health hazard monitoring in West Africa (Bagre Lake, Burkina Faso). Proc. Int. Conf. , Living Planet Symposium 2016, ESA. Robert E. - 2014 - Turbidité et risques dans le bassin versant de la Doubégué (Burkina Faso) », BAGF, 3. Robert E. - 2011 - Les risques de pertes en terre et en eau dans le bassin versant de la Doubégué : pour une gestion intégrée. Thèse de doctorat en géographie, sous la direction de S. POMEL, Univ. Bordeaux 3.

Données satellitaires (PIR, PIR + R, PIR/R) : - Suivi turbidité et MES jusqu'à des valeurs très élevées, avec de fortes variabilités spatio-temporelles. - Exposition des populations, propagation et évolution de l'aléa.

=> Sentinel-2 = fort potentiel pour ce suivi et une occasion unique pour la télé-épidémiologie des eaux continentales en Afrique de l'Ouest.

Suivi de l'aléa à l'ensemble de l'Afrique de l'Ouest.

Etude relation FIB (Faecal Indicator Bacteria)/MES en

Afrique de l'Ouest.

Combinaison avec données épidémiologiques et prise en compte des pratiques et des usages => cartographie

du risque sanitaire.

Fig. 11. Index de turbidité (Modis, composite 8 j) et inversion des MES pour le Lac de Bagré entre 2000 et 2015 (Robert et al. 2016a)

MES

(mg/

l)

PIR/

R

Bagré

Fig. 3. Zones d'étude (image Google Earth)

Niamey