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Contribution du spatial face aux enjeux de l’eau du 22 au 24 janvier 2021
Applications du spatial pour la navigation et l’hydroélectricité sur le bassin du Congo
Sébastien LEGRAND
1*, Blaise-Léandre TONDO
2, Alexandre FALGON
1, Eric LAMARD
1, Benjamin GRAFF
1& Christophe BRACHET
31CNR, 2, rue André Bonin 69316 Lyon cedex 04, France
*Auteur correspondant : [email protected]
2CICOS, Building Kilou, 24, avenue Wagenia, Kinshasa, R.D. Congo, [email protected]
3Office International de l’Eau, 21, rue de Madrid 75008 Paris, France, [email protected]
L’altimétrie spatiale est une technologie de mesure de l’altitude des fleuves et plans d’eau. Utilisée d’abord dans le domaine de l’océanographie, des usages se développent en hydrologie.
Dans le cadre d’un groupe de travail français sur l’utilisation de l’altimétrie spatiale et avec la CICOS (Commission Internationale du bassin Congo-Oubangui-Sangha) comme bénéficiaire, CNR (la Compagnie Nationale du Rhône) a valorisé les données issues de cette technologie sur le bassin du Congo dans des applications pour la navigation fluviale et l’hydroélectricité. Un modèle de prévision des hauteurs d’eau pour la navigation a été développé, et l’apport des données d’altimétrie spatiale dans ce modèle a été évalué. De même, un indicateur du potentiel hydroélectrique sur le Congo a été calculé à partir des pentes de cours d’eau, déterminées grâce aux données d’altimétrie spatiale, d’un MNT (SRTM), et d’extrapolation des débits in-situ.
Un retour d’expérience de l’utilisation de l’altimétrie spatiale dans le contexte de l’étude est proposé. Les apports attendus de SWOT, satellite franco-américain qui sera lancé fin 2021 avec une technologie innovante, l’altimétrie à large fauchée, sont également proposés.
Mots-clefs : Altimétrie spatiale, SWOT, bassin du Congo, navigation, hydroélectricité
RESUME ETENDU 1. Introduction
1.1 L’altimétrie spatiale
L’altimétrie spatiale (ou satellitaire) est une technologie de mesure de l’altitude des océans, fleuves et plans d’eau par satellite par rapport au géoïde de référence. Cette technologie a été d’abord utilisée dans le domaine de l’océanographie dans les années 1970, avant de trouver des applications en hydrologie depuis quelques années. Sur les continents, les mesures se font au droit de « stations hydrométriques virtuelles », i.e. à l’intersection entre l’orbite du satellite d’une part et les fleuves et les plans d’eau d’autre part.
Fin 2021 sera lancé le satellite franco-américain SWOT. Ce satellite sera doté d’une toute nouvelle technologie, l’altimétrie à large fauchée.
1.2 La CICOS
La CICOS (Commission Internationale du bassin Congo-Oubangui-Sangha) a été créée en 1999 par quatre pays d’Afrique Centrale (République du Cameroun, République du Congo, République démocratique du Congo et République centrafricaine) pour promouvoir la navigation intérieure, dans
2 un objectif de développement économique et de désenclavement des territoires sur le bassin du fleuve Congo (cf.
Figure 1
).Le mandat de la CICOS a été étendu à la gestion intégrée des ressources en eau en 2007. Les quatre Etats fondateurs ont depuis été rejoints par la République d'Angola et la République du Gabon.
Figure 1 : Le bassin du Congo (source : CICOS-GIZ, site Internet de la CICOS).
1.3 Le groupe de travail sur l’hydrologie spatiale
Un groupe de travail français sur l’hydrologie spatiale a été créé en 2014. Un accord de groupe a été signé lors de la COP22 à Marrakech en 2016. Il regroupe les institutions françaises suivantes : le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD), l’Agence Française de Développement (AFD), l’Office International de l’Eau (OIEau, animateur du groupe), l’Institut de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA, nouvellement INRAE), BRL ingénierie (BRLi), la Compagnie Nationale du Rhône (CNR) et Collecte Localisation Satellites (CLS).
2. Le projet pour la CICOS
2.1 Introduction
Sur financement de l’AFD, la CICOS a demandé à CNR, concessionnaire du fleuve Rhône en France pour la production d’hydroélectricité, le transport fluvial et les usages agricoles, de valoriser l’altimétrie spatiale sur le bassin du fleuve Congo pour des applications relatives à l’hydroélectricité et la navigation. Les données d’altimétrie spatiale utilisées proviennent des travaux de l’IRD Legos, effectués dans le cadre du groupe de travail. Ils ont conduit à la constitution d’une base de données de 745 stations virtuelles sur le bassin du Congo issues des satellites Envisat, Jason-2 et Saral. A cette base de données s’ajoutent 21 stations supplémentaires sur le bassin de l’Ogooué disponibles dans la base Hydroweb Theia. Les stations virtuelles retenues pour l’étude sont présentées en
Figure 2
.3 Figure 2 : Stations virtuelles dans les bassins versants du Congo et de l’Ogooué retenues pour l’étude.
2.2 Application pour la navigation
Comme l’indique le mandat originel de la CICOS, la navigation est un mode de transport très important dans le bassin, y compris sur la Sangha, affluent du Congo choisi par la CICOS pour l’étude.
Cependant, la navigation n’y est pas possible toute l’année. La période de basses eaux, qui s’étale approximativement de février à avril, n’est pas favorable à la navigation sur le tronçon aval de la Sangha. Le GIE-SCEVN (Groupement d'Intérêt Économique chargé de l'entretien des voies navigables d'intérêt commun aux deux États Congo et Centrafrique) utilise la valeur à l’échelle limnimétrique d’Ouesso comme indicateur de navigabilité sur la Sangha : la navigation est arrêtée lorsque le niveau descend sous un seuil prédéfini.
Un modèle opérationnel de prévision des hauteurs d'eau à Ouesso au pas de temps journalier a été développé afin d'anticiper les arrêts de navigation ou d'adapter le chargement des navires (Legrand et al., 2019a). Ce modèle de régression linéaire utilise les données des jours précédents à Ouesso, ainsi que les précipitations du Global Precipitation Climatology Project GPCP (Adler et al., 2017, Huffman et al., 2001).
4 L’ajout des données de stations virtuelles en tant que données d’entrée du modèle a été étudié. Les stations virtuelles candidates devaient être disponibles à la fois sur la période de calage du modèle, qui s’arrête en 2012, pour cause de disponibilité des données à la station d’Ouesso, et dans le présent, pour l’utilisation opérationnelle du modèle. Quatre stations virtuelles répondent à cette contrainte sur la Sangha ; elles concernent les satellites Jason-2, désormais désorbité, et Jason-3, qui parcourt les mêmes stations virtuelles que son prédécesseur.
L’apport des données des stations virtuelles a été quantifié par l’amélioration du R² ajusté du modèle de prévision avec les données d’altimétrie spatiale, par rapport à la configuration sans les données d’altimétrie spatiale, sur un même jeu de données. Les résultats sont contrastés. Dans certaines configurations, les données d’altimétrie spatiale améliorent le R² ajusté, mais des tests sur des sous- échantillons donnent parfois des résultats contraires (Legrand et al., 2019a). Par ailleurs, le faible nombre de données, lié à la fréquence d’acquisition des données au droit d’une station virtuelle (quelques dizaines d’observations sur une période de calage de 11 ans) limite la portée des résultats.
2.3 Application pour l’hydroélectricité
Dans les Etats du bassin du Congo, une faible partie de la population a accès à l’électricité, en particulier dans les zones rurales. Dans ce contexte, l’hydroélectricité est un enjeu identifié dans le cadre du SDAGE de la CICOS (Schéma Directeur d’Aménagement et de Gestion des Eaux, CICOS, 2015, 2016a).
La CICOS a demandé à CNR d’étudier les tronçons les plus propices au développement de l’hydroélectricité dans les bassins du Congo et de l’Ogooué. Un indicateur, fondé sur l’hydrologie et la pente du cours d’eau, qui sont les deux paramètres principaux de l’hydroélectricité, a été calculé et cartographié. Cet indicateur a été calculé sur les tronçons de rivière délimités par les stations virtuelles.
L’hydrologie a été reconstituée par l’intermédiaire des débits des stations in-situ et de données de précipitations spatialisées, tandis que la pente est issue des données d’altitude aux stations virtuelles.
Des tronçons avec un potentiel hydroélectrique intéressant ont été identifiés (Legrand et al., 2019b). La confrontation de ces résultats avec les projets hydroélectriques déjà identifiés sur le bassin confirme l’intérêt de la méthodologie comme outil d'aide à la décision permettant à la CICOS d'identifier les tronçons les plus intéressants et d’étudier ultérieurement des sites à équiper, en coopération avec les Etats.
5 Figure 3 : Estimation du potentiel hydroélectrique linéaire sur le bassin du Congo.
3. Synthèse sur l’altimétrie et l’apport attendu de SWOT
L’altimétrie spatiale a été valorisée pour les usages navigation et hydroélectricité. Un retour d’expérience permet de dresser les constats suivants :
La densité de stations virtuelles est limitée pour les cours d’eau de faible largeur et les zones de montagne, ce qui limite les applications possibles de l’altimétrie dans ces zones.
Dans l’application relative à l’hydroélectricité, l’altimétrie spatiale a été utilisée pour définir les tronçons d’étude. Le caractère ponctuel des données d’altimétrie spatiale dans l’espace limite le découpage des tronçons par rapport à un découpage optimal, qui pourrait être basé sur les ruptures de pente d’un Modèle Numérique de Terrain (MNT) par exemple. Par sa technologie innovante à large fauchée, SWOT fournira des informations continues d’altitude du plan d’eau et de pente (pour les cours d’eau suffisamment larges) qui permettront d’améliorer la méthodologie proposée à la CICOS, ainsi que sur d’autres bassins. La connaissance de la pente locale sera également valorisable dans l’étude d’un projet hydroélectrique donné.
Par ailleurs, contrairement à l’altimétrie spatiale actuelle, SWOT fournira des estimations de débit qui pourront être valorisées dans différentes applications, et notamment les applications relatives à l’hydroélectricité et à la navigation.
6 Quant aux applications opérationnelles utilisant le spatial, elles sont dépendantes de la mise à disposition des données, qui est fonction d’une part, de la fréquence de mesure au-dessus d’un point donné, qui varie selon la latitude (la période de retour est de l’ordre d’une dizaine de jours), d’autre part, du délai de traitement de la donnée brute.
Enfin, pour les applications à utiliser en opérationnel, il est préférable de concevoir des outils qui peuvent fonctionner quels que soient les satellites en orbite, et donc quelles que soient les stations virtuelles disponibles. Si le modèle de navigation développé pour la CICOS fonctionne bien sans données d’altimétrie, d’autres types de modèles, tels que les modèles hydrologiques distribués, pourraient constituer de bons candidats également. A l’inverse, un modèle calé exclusivement avec les données d’une station virtuelle deviendrait obsolète dès le changement d’une station virtuelle, par exemple lors du désorbitage d’un satellite.
Bibliographie
