Etude de la consolidation d une vasière littorale en Guyane française

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1 Jackel Patrice L3 physique stage du 05 mai au 27 juin 2008 Etude de la consolidation d une vasière littorale en Guyane française Traitements préliminaires de mesures in situ pour étudier la formation de fentes de dessiccation CNES, 2006 Maître de stage : Antoine Gardel, Maître de conférences à l ULCO Laboratoire d Océanologie et Géosciences Mren, 32 avenue Foch Wimereux

2 Remerciements Je remercie tout d abord Antoine Gardel de m avoir accueilli pendant ces huit semaines. Je remercie aussi Sandric Lesourd pour m avoir aidé pour la vectorisation des images, ainsi que Christophe Proisy pour ces explications sur Matlab. Mes remerciements vont aussi à Jacinthe Caillaud, Sylvie Philippe et Swanne Gontharet pour leurs conseils. Je remercie également tous les personnels de la MREN de m avoir accueilli chaleureusement. 1

3 Sommaire Remerciements...1 Sommaire...2 I) Introduction...3 II) Présentation du laboratoire et du stage Le laboratoire Le projet général Objectifs du stage Présentation du site d étude... 5 III) Matériels et méthode Présentation du matériel... 5 i. Station météorologique... 5 ii. Station d acquisition des photos et Capteurs de mesures Vérification et mise en cohérence des données... 6 i. Vérifications des données météorologiques Représentation avec Matlab Traitement des images... 7 i. Tentative de redressement... 7 ii. Superposition et découpage... 8 iii. Extraction automatique des fentes... 8 iv. Vectorisation... 9 v. Représentation de l évolution des fentes sous Matlab... 9 IV) Discussion Comparaison des différents graphiques, rapport entre les données météorologiques et l évolution des fentes Calcul de l évaporation V) Conclusion...12 Bibliographie...13 Annexes...14 Annexe Annexe Annexe

4 I) Introduction Au cours de ma troisième année de licence physique une période de stage de deux mois est prévue au sein d un laboratoire. J ai eu l opportunité d effectuer ce stage au sein de l ULCO (Université du littoral côte d opale) à la MREN (Maison de la Recherche en Environnement Naturel) à Wimereux. Le stage est l occasion pour l étudiant de sortir de la théorie et de participer à un projet pratique et ainsi faire preuve d autonomie et d adaptation. Ce stage avait pour objectifs d observer la formation de fentes de dessiccation, résultant de la consolidation d un banc de vase en Guyane et de confronter ces observations à des paramètres environnementaux (météorologique et hydrodynamique). Il y aura tout d abord une présentation du laboratoire, du projet ainsi que de mon stage, ensuite une explication du déroulement de mon stage, et enfin nous discuterons des résultats obtenus et des perspectives. II) Présentation du laboratoire et du stage 1. Le laboratoire La MREN (Maison de la Recherche en Environnement Naturel) a été créée en 1998, elle regroupe un ensemble de scientifiques. Depuis le 1 er janvier 2008, une unité mixte de recherche (UMR LOG CNRS 8187) regroupe plusieurs équipes de l Université du Littoral Côte d'opale (ULCO), l'université des Sciences et Technologies de Lille (USTL). Les recherches du Laboratoire portent sur l Océanologie et les Géosciences (LOG) dans les domaines littoraux et côtiers. J ai effectué mon stage au sein de l équipe 4 «Morphodynamique des littoraux» dont les travaux consistent à caractériser les processus hydrodynamiques, aérodynamiques et sédimentaires agissant dans les différents milieux côtiers étudiés à l aide d expérimentation in situ et de télédétection 2. Le projet général Le projet dans lequel s inscrit ce stage est un projet financé par le BQR 2005 (Bonus Qualité recherche) de l ULCO. Il vise à améliorer la connaissance de la dynamique des bancs de vase influencée par la décharge sédimentaire du fleuve Amazone sur le littoral Nord Est du continent Sud Américain (Guyane française). Trois volets de recherche complémentaires et pluridisciplinaires sont traités. Le premier volet est axé sur l analyse de données d observation de la Terre avec pour objectifs : 1) d évaluer qualitativement (composition) et quantitativement (concentration) le panache turbide de l Amazone. 2) de quantifier la morphodynamique littorale (migration des bancs et érosion des espaces inter-bancs). Le second volet vise à étudier les forçages impliqués dans la dynamique morphosédimentaire. Il s agit de déterminer les interactions physiques entre la houle et les bancs de vase et le poids de l angle d incidence des houles dans les mécanismes de migration des bancs. Le troisième volet est basé sur des approches de terrain visant à 1) calibrer les données de télédétection, par des campagnes de mesures sur le terrain (mesures 3

5 hydrodynamiques et des matières en suspension (MES) en particulier et 2) caractériser la dynamique morpho-sédimentaire 3. Objectifs du stage. Mon stage au sein de la MREN consistait à traiter les données collectées lors de la campagne de mesures effectuées en Guyane du 28 mars 2008 au 9 avril 2008 (mission Equinoxe) sur un banc de vase du littoral guyanais. En effet l évolution morphodynamique des bancs de vase est étroitement liée au passage de la vasière nue à une vasière colonisée par de la mangrove pionnière. Cette formation végétale sous la latitude de la Guyane est essentiellement constituée d Avicennia germinans, palétuvier blanc. Il est ainsi fondamental de comprendre le mécanisme de colonisation de la vasière nue par la mangrove et notamment comment les propriétés physiques de la vase évoluent de manière à favoriser une germination. En d autres termes, mon stage consiste à répondre à la question «Quels sont les paramètres qui conditionnent le passage d un banc de vase à faible consolidation vers une vase consolidée susceptible de favoriser la germination?» Cette évolution de la vase molle vers la vase consolidée est caractérisée par l apparition de fentes de dessiccation. Nous savons que cette consolidation est liée à la fréquence d émersion par la marée de la vasière et donc à son altitude (Fiot et Gratiot, 2006). Cette période d étude (28/03/08 au 09/04/08) a été choisie puisque, comme le montre la figure suivante (Figure 1), le site d étude a été exondé pendant 5 jours consécutifs, permettant ainsi la consolidation. hauteur des marée durant la période d'étude hauteur en m hauteur de la marée hauteur du site mars 29-mars 30-mars 31-mars 01-avr 02-avr 03-avr 04-avr 05-avr 06-avr 07-avr 08-avr 09-avr 10-avr date Figure 1-hauteur de la marée comparée à la hauteur du site (donnée du SHOM) 4

6 4. Présentation du site d étude Figure 2- vue générale du site d étude(photo Mission Equinoxe 2008) Le site d étude est situé dans la partie centrale du banc de vase de Macouria (NW de Cayenne). Il est protégé de l action de la houle et est encore vierge de colonisation végétale (mangrove). La figure de la page de garde situe le site à l échelle du banc. Ce site a été prospecté en février 2008 et un point au GPS différentiel (DGPS) a été levé (Figure 2 point z) dans le but de connaître précisément les coordonnées (x,y,z, en WGS84,UTMN22) d un point de la vasière (ici, 2.68 m). Ce point est indispensable pour déterminer la fréquence de recouvrement par la marée théorique et donc étudier les processus de consolidation et de dessiccation de la vase. III) Matériels et méthode 1. Présentation du matériel i. Station météorologique C est la station météorologique WMR200 multicapteurs d'oregon Scientific disposant d'un baromètre, d'un thermo-hygromètre, d'un anémomètre girouette (Figure 2 (a)) et d'un pluviomètre (Figure 2 (b). Elle dispose d'un enregistreur interne. La fréquence des mesures est toutes les minutes pour les différents paramètres. La station calcule automatiquement aussi le point de rosée ainsi que le heat index (Le heat index est un équivalent de température destiné au public qui exprime l'effet combiné de la chaleur et de l'humidité. C'est un nombre qui décrit l'intensité de chaleur ressentie par les personnes ii. Station d acquisition des photos et Capteurs de mesures Cette station (Figure 2 (c)) développée par Laurent Brutier ingénieur d étude au LOG comprend un pyranomètre, ainsi que deux sondes de température, une à la surface du 5

7 sédiment et une à 30 cm de profondeur. Les mesures sont prises toutes les 10 minutes. Un appareil photos numérique est couplé à cette station, les clichés sont pris toutes les 30 minutes. De la même façon que la station météorologique elle dispose d un système d enregistrement des données 2. Vérification et mise en cohérence des données i. Vérifications des données météorologiques La première partie du stage concerne le traitement des données de ces deux stations. Tout d abord je devais vérifier les données de la station météorologique (16942 lignes de donnée) car le fichier comportait de nombreuses erreurs, notamment une répétition des données (exemple deux lignes ayant la même heure 8h16 mais avec des valeurs différentes) ou un manque de données (exemple aucune valeur entre 12h16 et 12h19). Les corrections ne peuvent se faire que manuellement, en effet les erreurs se produisant de façon aléatoire. ii. Mise en évidence des données Les deux stations ne prenant pas les mesures avec le même intervalle de temps. Les données de la station météorologique son moyennées par tranche de dix minutes. Ainsi les données des deux stations sont mises en cohérence. La variation des données par tranche de 10 minutes n étant pas très importante à part pour le pyranomètre, toutes les données sont moyennées toutes les heures. 3. Représentation avec Matlab Grâce au logiciel Matlab j ai créé un programme présenté en annexe1 permettant la représentation sous forme de «matrice graphique» des données Excel. Avec en ordonnée les jours, en abscisse les heures et les valeurs variables des paramètres remplissant la matrice. Ce programme permet ainsi d avoir une représentation rapide des données pour les prochaines campagnes de mesures Ce qui donne une représentation des données sous cette forme (Figure 3). D autres représentation sont présentées en annexe 2 a) b) 6

8 c) d) Figure 3-a) température du sol b) température de l air c) humidité de l air d) température du sol à 30 cm de profondeur 4. Traitement des images Les photos sont prises toutes les 30 minutes du 28 mars 12h au 9 avril 9 heure, ici on ne s intéresse qu aux photos prises toutes les heures du 28 mars au 2 avril midi, correspondant à l arrivée des marées de vives eaux recouvrant totalement le site. Ainsi on étudie une période de dessiccation sans facteur pouvant la perturber (pluie ou marée). i. Tentative de redressement L idée de départ était de trouver une méthode pour redresser les images grâce à des logiciels de traitement d images et ainsi obtenir des photos à la verticale (Figure 4). En l absence de points de repères connus il est difficile de corriger ces déformations, ce qui nous donne une image en partie redressée, mais très déformée sur les bords, et qui n est pas à l échelle. Le choix de travailler à partir des photos originales s est donc imposé. Les valeurs obtenues seront donc relatives.. 7

9 Figure 4- a) image originale b) image redressée par ordinateur ii. Superposition et découpage L appareil photo ayant bougé au cours du temps à cause du vent, les photos ne sont pas toutes prises du même point de vue. Il est pourtant primordial de travailler avec des clichés ayant le même point de vue. A l aide du logiciel ER Mapper, j ai pu rendre toutes les photos superposables en prenant des points de repères entre une photos de base et une photos à corriger (intersection de fentes ). Ensuite, j ai découpé les photos pour en extraire la zone qui nous intéresse c'est-à-dire la zone ou l on voit le mieux les fentes cet extrait se situe entre le point 1 et le point 2 de la figure 2. iii. Extraction automatique des fentes L idée étant de quantifier l évolution relative des fentes, il faut donc traiter les images pour que n apparaissent que les fentes et ainsi calculer l évolution de leurs surfaces. Ainsi j ai appliqué différents filtres, comme des filtres qui détectent les bords, le filtre charcoal (Figure 5a), ou encore passer l image en mode binaire avec un seuil plus ou moins élevé (Figure 5b). Figure 5- a) image obtenue avec le filtre charcoal b) image obtenue en passant l image en binaire Il est difficile d extraire les fentes avec des filtres car il reste toujours des traces qui ne nous intéressent pas. Les photos doivent donc de nouveau être traitées avec un logiciel de traitement d image. De plus, un problème est apparu, la position du soleil fausse la vision de l épaisseur des fentes et empêche donc un traitement automatique des photos. On voit bien sur ces deux clichés que les fentes sont moins visibles (Figure 6) Figure 6- a) extrait du 01 avril à 13h53 b) extrait du 02avril à 8h53 8

10 iv. Vectorisation Pour avoir une représentation des fentes réalistes j ai donc effectué une vectorisation des images grâce au logiciel Corel draw, en redessinant le contour des fentes, photo par photo. Le résultat est présenté en Figure 7.L évolution des fentes est montrée en annexe 3 Figure 7- image du 02avril 10h53 vectorisé v. Représentation de l évolution des fentes sous Matlab Pour pouvoir comparer l évolution des fentes avec les données des stations, j ai calculé l histogramme de chaque image Jpeg obtenue à partir de la vectorisation, et ainsi quantifier le nombre de pixel noir. En effectuant la soustraction nombre de pixels noirs pour l heure H - nombre de pixel noirs pour l heure H-1, on a ainsi l augmentation du nombre de pixel correspondant à l augmentation relative de la surface des fentes (Figure 8). En effet, les fentes du premier plan ont plus de poids que celle de l arrière-plan. Cependant, la propagation des fentes étant relativement homogène on peut donc utiliser cette méthode. Figure 8- représentation de l augmentation relative des fentes 9

11 IV) Discussion 1. Comparaison des différents graphiques, rapport entre les données météorologiques et l évolution des fentes Il semble y avoir une corrélation entre les données du pyranomètre (Figure 9a), la température (Figure 9b) et l évolution des fentes (Figure 8). On remarque ainsi que le 29/03 la température moyenne est plus élevée avec un pic d ensoleillement entre 13H et 14H, le 31/03 l ensoleillement est important et la température plus élevée que les autres jours. Ce qui correspond à une augmentation de la surface des fentes. Cependant même si les facteurs climatiques jouent un rôle évident dans l évaporation de l eau, il semblerait que l apparition des fentes résulte d avantage de la durée d exondation plutôt que de conditions climatiques particulières. En effet, même si l augmentation de la surface des fentes peut être reliée à tel ou tel facteur climatique, on remarque que les valeurs sont toujours dans la moyenne de la région. Néanmoins la campagne de mesure étant à son début, il n y a pas d élément de comparaison et donc l influence de tel ou tel paramètre reste à étudier. De nouvelles mesures ou l étude de nouveaux paramètres tels que la concentration en sédiment du substrat ou la topographie du lieu peuvent être proposés. a) b) Figure 9- a) représentation des valeurs du pyranomètre b) température de l air Parallèlement à l exploitation des données des stations (Figure 2 a, b, c), des prélèvements de sédiments ont été effectués le long d un transect. Une partie est visible du point 1 au point 2 sur la Figure 2. Ce transect se prolonge au-delà du point 2 sur une dizaine de points espacés d environ 5 mètres. Les concentrations des sédiments (proportion entre eau/sédiment) indiquant le degré de consolidation ont été calculées et projetées avec la topographie (Figure 10). Nous avons ici en plus d une approche temporelle une approche spatiale. On remarque que la concentration du sédiment en (g/l) évolue fortement avec la topographie du lieu. La concentration au point 1 est beaucoup plus forte que celle du point 2. 10

12 comparaison topographie et concentration du sédiment concentration du sédiment en g/l position hauteur par rapport au niveau de la mer concentraion en g/l du 28 mars concentraion en g/l du 31 mars concentraion en g/l du 02 avril hauteur en m Figure 10- comparaison topographie et concentration du sédiment. Les positions 1 et 2 correspondent aux points 1 et 2 de la Figure 2. Figure 11- représentation des fentes selon leur date d apparition On observe que les fentes apparaissent en premier prés du point 1 où les concentrations sont les plus élevées (Figure 11 fentes rouges) puis se développent ensuite plutôt vers le point 2 (fentes vertes sur la Figure 11). La topographie, et donc le degré de consolidation de la vase, semblent être bien corrélés avec la dynamique spatio-temporelle des fentes de dessiccation. Une analyse plus poussée doit être menée dans le futur pour mieux mettre en évidence ces liens étroits. 2. Calcul de l évaporation Le calcul de l évaporation peut être intéressant pour estimer l impact des facteurs météorologiques. Il faut donc trouver une méthode permettant d estimer l évaporation avec les données à notre disposition. Après plusieurs recherches dans la littérature, plusieurs publications proposent des méthodes de calcul de l évaporation.(mehmet Aydin et al,2004), (Guo Yu Qu et al,1998), (Chauzy et Bruckler,1990). Les méthodes utilisées ne sont pas applicables ici car ils utilisent des données que nous ne possédons pas, ou des méthodes inappropriées. Une autre publication (Hollins et Ridd, 1997) utilise les mêmes données, avec un calcul de la vitesse du vent à plusieurs altitudes. Nous ne possédons pas ces valeurs, mais cette méthode est la plus simple à mettre en place 11

13 V) Conclusion Nous avons vu que la confrontation des données pouvait donner des premiers résultats intéressantes, notamment entre la durée d exondation et la température, entre les valeurs du pyranomètre et l étude de l augmentation relative des fentes, entre la concentration et la topographie ainsi que la localisation de l apparition des fentes. Il est important aussi de refaire des mesures en modifiant différentes choses, comme prendre des photos avec des repères visibles au sol pour permettre de les redresser, ou encore augmenter le nombre de capteurs pour pouvoir estimer l évaporation. Ce qui permettrait de faciliter le travail de traitement des données et d améliorer les hypothèses qui en découlent. Le bilan de ce stage s avère très positif sur différents plans. D un point de vue professionnel, les objectifs m ayant été confiés ont été menés à bien. Sur le plan humain, l enrichissement est incontestable puisque j ai pu participer à un projet concret et travailler avec une certaine autonomie, avec des objectifs clairs à remplir. 12

14 Bibliographie Guo Yu Qiua, Tomohisa Yanob, Kazuro Momiic An improved methodology to measure evaporation from bare soil based on comparison of surface temperature with a dry soil surface. Journal of Hydrology, volume 210, pp Fiot J., Gratiot N., Structural effects of tidal exposures on mudflats along the French Guiana coast. Marine Geology, Volume 228, Issues 1-4, pp Mehmet Aydina, Sheng Li Yangb, Nurten Kurta, Tomohisa Yanoc, Test of a simple model for estimating evaporation from bare soils in different environments. Ecological Modelling, Volume 182, pp André Chanzy et Laurent Bruckler,1990, Estimation de l évaporation sur sol nu à partir de mesures hyperfréquences. Télédétection et sécheresse, pp43-53 Suzanne Hollins and PeterV.Ridd,1997, Evaporation over a tropical tidal salt flat. Mangroves and Marshes,volume1, pp Michael Still, The Definitive Guide to imagemagick,apress,

15 Annexes Annexe 1 : programme Matlab pour la représentation des données brut sous forme graphique function evolh(idparam) % Function evolh(idparam) % idparam=1:9 (temp, hum, wind, w, direction, heat, rain, pyrano, temp, surf, temp, profond) % Faire ici une commande switch pour changer le titre des figures (et l'échelle) en fonction du % parametre choisi switch idparam case 1, titre='temperature C'; case 2, titre='humidité en %'; case 3, titre='vitesse du vent en m/s'; case 4, titre='direction du vent en '; case 5, titre='heat index en C'; case 6, titre='précipitation en mm'; case 7, titre='pyranométre en W/m²'; case 8, titre='température du sol en C'; case 9, titre='température à 30 cm de profondeure en C'; otherwise, titre='autre parametre'; end idparam=idparam+3; %on saute les 3 premieres colonnes % Chargement des données [data,field]=xlsread('datah.xls','feuil1'); t=zeros(size(data,1),1); t(1)=datenum(2008,data(1,1),data(1,2),data(1,3),0,0); % help datenum tj=datenum(2008,data(1,1),data(1,2),0,0,0); % help datenum t0txt=datestr(t(1),'dd-mmm-yy'); % help datestr % Construction du calendrier des observations en continu sur jours/heures juliens for nb_obs=2:size(data,1) t(nb_obs)=datenum(2008,data(nb_obs,1),data(nb_obs,2),data(nb_obs,3),0,0); end tfin=round(t(size(data,1))); nbj=tfin-round(t(1))+1; fprintf(1,'début de manip: %s\n',t0txt); fprintf(1,'nombre de jours de mesures: %d\n',nbj); % Figures profils figure(1) plot(t,data(:,idparam)) datetick('x','dd/mm/yy') % Construction du calendrier des observations journalières en heures juliens 14

16 % Il faut construire une matrice de parametres mesures [nb_jours/datedebut,24h] param=zeros(nbj,24); param(1,12)=data(1,idparam); d0=datevec(t(1)); dfin=datevec(tfin); hcur=d0(4); jcur=d0(3); decalm=0; for nb_obs=2:size(data,1) tcur=datevec(datenum(2008,data(nb_obs,1),data(nb_obs,2),data(nb_obs,3),0,0) ); if tcur(3)-d0(3)<0 decalm=jcur; d0(3)=1; end jcur=tcur(3)-d0(3)+1+decalm; hcur=tcur(4)+1; param(jcur,hcur)=data(nb_obs,idparam); end figure(2) imagesc(param,[min(nanmin(param)) max(nanmax(param))]) xlabel('heure dans la journée') ylabel(['nb jours depuis ' t0txt]) colorbar title(titre) 15

17 Annexe 2: représentation graphique des différentes données : a) direction du vent b) heat index c) hauteur d eau sur le site du à la marée d) cumul des précipitation par heure e) vitesse du vent moyen par heure f) humidité de l air a) b) c) d) e) f) 16

18 Annexe 3 : évolution des fentes au cours du temps (photos allant du 28 mars 17h au 01 avril 17h, et représentation vectorisé de ces photos. 17