Apport de l imagerie infrarouge thermique (IRT) satellite pour évaluer la température du Rhône sur un linéaire de 500 km.

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1 Apport de l imagerie infrarouge thermique (IRT) satellite pour évaluer la température du Rhône sur un linéaire de 500 km. Vincent Wawrzyniak 1* & Hervé Piégay 1 1Université de Lyon, CNRS-UMR 5600, Site ENS de Lyon, Plateforme ISIG. 15, Parvis René Descartes, BP 7000, Lyon Cedex 07, France. * vincent.wawrzyniak@gmail.com Mots-clés : Température des cours d eau, télédétection infrarouge thermique (IRT) satellitaire, Landsat ETM+, fleuve Rhône, centrales nucléaires, aménagements hydroélectriques. Dans un contexte de réchauffement climatique, la compréhension du régime thermique des cours d eau est un enjeu essentiel, notamment pour prédire la réponse des écosystèmes. Cependant la température de l eau n est pas uniquement influencée par celle de l air, d autres facteurs interviennent. La température peut être mesurée ponctuellement à l aide de thermomètres, d autant que ces derniers sont maintenant programmables et peuvent enregistrer d importantes quantités de données. Toutefois, ces techniques sont limitées lorsqu il s agit de couvrir des linéaires importants. La télédétection infrarouge thermique (IRT) permet de s affranchir de ces limites en cartographiant la température de surface (Torgersen et al., 2001 ; Handcock et al., 2006). Pour mieux comprendre la contribution relative des différents facteurs contrôlant la température de l eau, nous avons utilisé des images satellites IRT pour étudier les variations longitudinales et temporelles des structures thermiques du Rhône français. Un total de 83 images acquises par le satellite Landsat ETM+ entre 1999 et 2009 ont été analysées. La télédétection IRT satellite est limitée aux cours d eau larges ; le Rhône est ainsi un cas présentant certaines limites, il est presque trop petit dans certaines sections. De fait, les résolutions de ces vecteurs sont relativement grossières. La résolution de la bande thermique de Landsat ETM+ est ainsi de 60 m. Pour identifier l eau, l indice proposé par Xu Hanqiu (2006) a été utilisé. Il s agit du MNDWI (Modified Normalised Difference Water Index) calculé comme suite : MNDWI = (Vert IR moyen) / (Vert + IR moyen). Contrairement à la végétation et au bâti, l'eau réfléchit plus le vert que l IR moyen. Par conséquent, l indice spectral donne des valeurs positives pour les pixels en eau. Uniquement les pixels strictement positifs ont été considérés comme eau.

2 Figure 1 : Extraction des pixels en eau au niveau de l aménagement de Caderousse. Les pixels purs (en bleu) sont isolés d'un premier groupe de pixels mixtes (en marron) identifié grâce au test de voisinage, et d un second groupe (en jaune) identifié à partir des couches vectorielles. Le fond est une composition colorée RVB d une image Landsat ETM+. Handcock et al. (2006) ont montré que pour avoir une mesure IRT fiable, il est nécessaire que le miroir du cours d eau soit au moins caractérisé par trois pixels en largeur. En effet, près de la rive, les pixels peuvent être composés d eau, mais aussi d éléments caractérisant l environnement rivulaire. Utiliser ces pixels mixtes se traduirait par une erreur dans la mesure de la température du fleuve. Il est donc essentiel d identifier les pixels uniquement composés d eau et de supprimer les pixels mixtes. Pour chaque pixel ayant une valeur de MNDWI positive, nous avons testé son voisinage. Pour être considéré comme pur, chaque pixel doit être entouré uniquement de pixels en eau dans un cercle de 210 m de diamètre. Seuls ces pixels ont été conservés, tous les autres pixels ont été classés comme des pixels mixtes et sont représentés en marron sur la figure 1. Dans un second temps, en se basant sur les BD Carthage et BD ORTHO de l'ign (Institut Géographique National), nous avons utilisé des masques pour éliminer les cours d eau affluents, les bras morts, les bancs de galets, les petites îles, les ponts ainsi que les autres infrastructures. Cette procédure a permis d éliminer un second groupe de pixels mixtes représenté en jaune (figure 1). Seules les températures des pixels purs (en bleu sur la figure 1) ont été utilisées pour le reste de l'étude. Les données de la bande TM61 ont été converties en température en se basant sur Chander et al. (2009) et National Aeronautics and Space Administration (1998), puis les températures ont été calibrées pour une émissivité de l eau de 0,96 (Torgersen et al. 2001) et aucune correction atmosphérique n a été appliquée. Du

3 fait du nombre important d images et de l étendue spatiale de l étude (linéaire de 500 km) toutes ces procédures ont été automatisées sous ArcGIS en utilisant le langage Python. Figure 2 : Comparaison des différences de température observées en aval des aménagements hydroélectriques (blanc), des principaux affluents (bleu) et des centrales nucléaires (noir). n représente le nombre de cas. Depuis 1977, la température du Rhône est mesurée par EDF (Électricité de France) sur différents sites du Rhône. Grâce à ces données, Poirel (2004) a classé, par ordre décroissant, les principaux facteurs influençant la température du Rhône : la température de l'eau sortant du lac Léman, les conditions météorologiques, les principaux affluents, les centrales nucléaires, et des sections court-circuités. De 1977 à 1997, la température du Rhône a augmenté (Poirel, 2004 ; Khalanski et al., 2008), ce réchauffement étant plus marqué sur le Bas Rhône (en moyenne +3 C) que sur le Haut Rhône (en moyenne +1,5 C). La précision moyenne de nos données, qui varie de ± 1,1 C pour les biefs de plus de 3 pixels, et de ± 1,4 C pour ceux ayant de un à trois pixels de large, est comparable à celle d'autres études s appuyant sur l imagerie IRT satellitaire (Handcock et al., 2006). Pour évaluer les impacts des aménagements hydroélectriques, des centrales nucléaires, ainsi que des affluents, des statistiques sur les températures ont été extraites dans différences zones. Ces analyses ont encore une fois été réalisées sous ArcGIS et automatisées grâce au langage de programmation Python. Nos résultats (figure 2) confirment les études précédentes (Poirel, 2004 ; Desaint et al., 2004) sur les impacts thermiques des affluents et des centrales nucléaires sur le Rhône et

4 apportent de nouveaux éléments. La principale source d eau froide est l Isère. Cet affluent a un impact plus marqué en fin de printemps et au début de l été lors de la période de hautes eaux associée à la fonte des neiges. Durant cette période, l Isère peut diminuer la température du Rhône de presque 3 C. Les centrales nucléaires augmentent la température du Rhône d en moyenne environ 1 C. Leurs effets sont plus prononcés lors des périodes d étiage, avec des augmentations de la température du fleuve de plus de 2 C. Les aménagements hydroélectriques ont un effet très limité sur le patron longitudinal de température. Figure 3 : Différences thermiques, pour les 5 aménagements hydroélectriques étudiés, entre le canal et le RCC durant l'été (avril à septembre, en orange) et l hiver (octobre à mars, en bleu). 1) "bras d Avignon et 2) "bras de Sauveterre. n représente le nombre de cas. Toutefois, nous avons constaté des différences thermiques (0-2 C) entre le canal et le Rhône court-circuité (RCC) avec des réponses différentes selon les aménagements (figure 3). Les différences les plus marquées sont observées pour les aménagements de Montélimar et Caderousse (figure 4) ; par rapport au canal, les RCC sont plus chauds l'été et plus froids l'hiver. Ces différences thermiques s expliquent notamment par la longueur et la valeur du débit réservé du RCC. Le RCC est en effet d autant plus long qu il est plus sensible à l échauffement et donc à la température de l air. Lorsque le débit du RCC est faible comparativement à celui des cours d eau s y déversant, leur température influence alors directement la température du RCC. Dans ce contexte, des différences de température existent sans doute dans plusieurs autres

5 aménagements, notamment les plus longs et ceux rejoints par un affluent apportant un débit significatif par rapport à l'écoulement du RCC. Donzère-Mondragon en est un bon exemple, présentant un RCC d'une trentaine de kilomètres dans lequel conflue l'ardèche. Une meilleure résolution spatiale serait nécessaire pour pouvoir étudier ces aménagements moins larges et valider de telles différences thermiques. Figure 4 : Illustrations des différences thermiques observées le 10 août 2000 entre le RCC et le canal pour les aménagements hydroélectriques de Montélimar (à gauche) et Caderousse (à droite). Le fond est une composition colorée RVB d une image Landsat ETM+. Références : Chander G, Markham BL, Helder DL Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors. Remote Sensing of the Environment 113(5): Handcock RN, Gillespie AR, Cherkauer KA, Kay JE, Burges SJ, Kampf SK Accuracy and uncertainty of thermal-infrared remote sensing of stream temperatures at multiple spatial scales. Remote Sensing of the Environment 100: Khalanski M, Carrel G, Desaint B, Fruget J-F, Olivier J-M, Poirel A, Souchon Y Étude thermique globale du Rhône Impacts hydrobiologiques des échauffements cumulés. Global thermal study of the Rhone Hydrobiological impact of cumulative warming. Hydroécologie Appliquée 16:

6 National Aeronautics and Space Administration Landsat-7 science data users handbook. Consulté le 13 Juillet Poirel A Étude thermique du Rhône - Phase 1, Complément d étude, Extension des résultats à la période Rapport EDF DTG. Torgersen CE, Faux RN, McIntosh BA, Poage NJ, Norton DJ (2001) Airborne thermal remote sensing for water temperature assessment in rivers and streams. Remote Sensing of the Environment 76(3): Xu Hanqiu (2006) Modification of normalised difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery. International Journal of Remote Sensing 27(14):