Identification des zones d'inondation dans l'estuaire et la basse vallée du fleuve Sénégal : approche cartographique par télédétection et par géochimie isotopique

ARTICLE

Auteur(s) : Moctar DiawMoctar DiawMoctar Diaw¹, Aliou Mamadou DiaAliou Mamadou Dia², Serigne Faye¹, Abdoulaye Faye¹, Jean Paul Rudant³, Soulèye Wade²

¹Ucad Département de géologie Faculté des sciences et techniques BP 5005 Dakar Sénégal
²LTA (Laboratoire de télédetection appliquée) IST (Institut des Sciences de la terre) Département de géographie Faculté des scienses humaines et linguistiques Dakar Sénégal
³Laboratoire G2I Institut francilien des sciences Université de Marne-la-Vallée 5, boulevard Descartes 77454 Marne la Vallée cedex France

La basse vallée du fleuve Sénégal et sa zone estuarienne sont localisées entre 15° 40’-16° 35’ Ouest et 15° 40’-16° 35’ Nord. Cette région est limitée au nord par les dunes du Trarza, à l'ouest par l'océan Atlantique, à l'est par le Ferlo nord-oriental et au sud par une ligne représentée par la latitude 16° 40’ (figure 1).

La région s'étend sur une superficie (6 000 km²) globalement plane, mais qui, dans le détail, est légèrement vallonnée et caractérisée par une morphologie en modelé alluvial et deltaïque dans la zone humide et en modelé dunaire dans la zone aride. Ces zones sont affectées de façon différente par les effets négatifs des variations climatiques. Ce contraste est atténué par la configuration du réseau hydrographique très dense constitué du fleuve Sénégal et de ses nombreux défluents. Le fleuve, qui prend sa source dans les régions bien arrosées de la Guinée au sud, assure pendant la période pluvieuse un important transfert d'eau douce vers son estuaire. Grâce à ces transferts, la crue inonde annuellement la plaine alluviale du fleuve caractérisée par une topographie basse et un sol argileux.

Du point de vue climatique, la région se situe en zone sahélienne aride à semi-aride caractérisée par un climat sahélien côtier souvent continentalisé. Le climat est à l'origine de deux saisons bien contrastées : la saison sèche, qui s'étend de novembre à mai, et la saison pluvieuse, très courte, de juin à octobre.

À l'échelle annuelle, les températures moyennes varient autour de 27° C avec des maxima (33 et 35° C) avant et durant la période pluvieuse, liées à l'arrivée des masses d'air chaudes et humides issues de l'anticyclone de Saint-Hélène, et des minima (22 et 24° C), liées à l'influence océanique et à la fraîcheur des alizés. L'évapotranspiration potentielle (ETP) varie entre 2 000 à 2 500 mm par an. Les hauteurs de pluies, qui varient entre 200 et 450 mm par an, sont caractérisées par une grande variabilité spatiale et temporelle.

Du point de vue géologique, la basse vallée du fleuve et son estuaire appartiennent à un compartiment marin qui a été graduellement comblé par des dépôts de sédiments au cours des mille dernières années [1]. Ces sédiments composés de sables, de limons et d'argiles, sont d'origines fluvio-deltaïques et lagunaires (présence de sels). Ils sont encaissés dans un bassin d'effondrement [2] et deviennent de plus en plus épais vers l'est.

La principale nappe est salée ; elle est localisée dans les formations sablo-argileuses du Nouakchottien qui s'étendent dans la partie ouest et nord-ouest de la plaine alluviale. Cette nappe superficielle située à environ 1 m en dessous du niveau de la mer, passe en continuité à l'est et au nord-est dans les formations gréso-argileuses du Continental Terminal. Son toit, semi-perméable à imperméable, est formé de sables argileux, d'argiles sableuses ou d'argiles. L'épaisseur de l'horizon aquifère est variable selon les zones.

Du fait de ce contexte très particulier, la région connaît de nombreux problèmes environnementaux dont les plus préoccupants sont les inondations récurrentes qui sont accentuées par l'urbanisation spontanée et la construction des barrages.

La mise en service des barrages de Diama (1986) et de Manantali (1987) a créé un dysfonctionnement du régime hydrologique du fleuve et une modification des processus morpho-sédimentaires entraînant l'ensablement du lit du fleuve. Cela a pour conséquence une difficulté d'écoulement des eaux vers l'océan, amplifiée par l'allongement de la « Langue de Barbarie » (cordon dunaire qui sépare le fleuve et l'océan). Ces phénomènes, associés aux remontées des eaux de la nappe alluviale et aux difficultés d'infiltration des eaux de débordement des crues, contribuent aux inondations récurrentes et parfois très sévères, observées dans la région en 1994, 1999 et 2003. Le projet de recherche CORUS/GESCAN (2003-2006) financé par le ministère français des Affaires étrangères rentre dans le cadre de cette problématique globale des inondations. Il intègre une nouvelle démarche méthodologique combinant les techniques de télédétection et d'hydrologie isotopique pour caractériser et évaluer les inondations dans l'optique d'une gestion rationnelle de cette catastrophe [3, 4]. La présente étude vise principalement deux objectifs :

• – cartographier les zones inondables dans le delta et la basse vallée du fleuve Sénégal ;
• – comprendre les processus d'échanges entre les masses d'eaux de surface et la nappe alluviale et leur implication dans les phénomènes d'inondation.

Pour cela, deux approches cartographiques ont été mises en œuvre et évaluées : i) le traitement et l'analyse des données SPOT pour la cartographie des surfaces inondées lors des fortes crues et la génération des cartes d'occupation du sol ; ii) le couplage des données isotopiques des eaux souterraines et de surface avec la distribution des espaces inondés tirée des cartes d'occupation du sol, pour confirmer les zones d'inondation et de mélange des différentes masses d'eau.

Les données d'observation de la terre constituent un puissant outil de surveillance des phénomènes d'inondation [5] car elles permettent non seulement d'identifier les zones affectées, mais peuvent aider à la mise en place des plans de gestion et de prévention des risques [6-10]. Pour des applications similaires, les données satellitaires ont été utilisées également par le Service régional de traitement de l'image et de télédétection (SERTIT) en 1992, pour l'étude et la cartographie des inondations de la région de Camargue (sud de la France), à la suite des inondations de l'Aude en 1999 [11] ou encore à la suite des inondations de Saguenay (Québec) de Red River en 1997, et de Californie [12].

Le suivi des inondations dans la vallée du fleuve Sénégal par imagerie satellitaire a déjà fait l'objet d'approches régionales [13] ou locales sur un site test autour de la ville de Podor [14]. L'analyse du risque d'inondations a été évaluée par Mbaye [15] sur les situations des années 1991-2001 et par Kouamé [16] avec un accent particulier sur la ville de Saint Louis.

La diversité du champ d'application des isotopes a montré toute sa pertinence, sa fiabilité et son efficacité dans les études hydrologiques, hydrogéologiques et environnementales [17]. En effet, les isotopes de la molécule d'eau ont été utilisés pour identifier les zones de recharge et de mélange entre masse d'eau [18-21], caractériser les relations entre les eaux de surface et la nappe [22, 23], le régime hydraulique, les circulations d'eau dans les hydrosystèmes [24, 25] et enfin étudier les instabilités des bassins-versants comme dans le cas des inondations [26, 27]. Cette dernière application fondée sur les variations naturelles des teneurs en isotopes constitutifs de la molécule d'eau, est désormais d'un usage courant [28-30]. La distribution des isotopes au sein de l'hydrosystème du delta et de la basse vallée fournit des indications sur les conditions de recharge et sur les caractéristiques hydrauliques du système aquifère.

Matériel et méthode

Données acquises

Données satellitaires

Le tableau 1 résume les principales caractéristiques des scènes SPOT.

Tableau 1 Scènes SPOT acquises.

Données isotopiques

Méthode

Traitement des données images

Correction géométrique des images

Rehaussement spatial

Photo-interprétation des images brutes

Ce sont ces éléments du paysage ainsi identifié qui serviront ultérieurement à la classification supervisée.

Classification supervisée

Trois étapes sont distinguées :

• 1. Définition des zones d'entraînement ;
• 2. Création des signatures spectrales à partir des zones d'entraînement ;
• 3. Application d'un algorithme de classification sur la base de signatures spectrales dérivées de zones d'entraînement.

Cette application permet de réaliser la cartographie de l'occupation du sol par extraction automatique des différents éléments prédéfinis du paysage grâce au regroupement des pixels de radiométrie similaire.

Cette extraction sous forme de couches de vecteurs a donné 8 couches en plus de la couche « eau » de l'océan Atlantique (figure 4).

Les couches de vecteurs ne souffrent d'aucune erreur de localisation lorsqu'on les superpose sur l'image originale.

Analyse isotopique des échantillons d'eau

Les teneurs en tritium ³H ont été déterminées par comptage en scintillation liquide après enrichissement électrolytique [37]. Les teneurs en ³H sont exprimées en unité tritium (UT) et l'incertitude analytique est de 0,7 UT.

Les résultats sont présentés au tableau 2.

Tableau 2 Analyses isotopiques des eaux de surface et des eaux souterraines dans l'estuaire et la basse vallée du fleuve Sénégal.

Résultats

Cartographie par télédétection des espaces inondés

Les différentes étapes suivies pour la cartographie de l'occupation du sol ont été présentées dans la classification supervisée.

Les résultats obtenus ont permis d'identifier les surfaces occupées par l'eau libre aussi bien en période normale qu'en période de crue à partir de l'établissement de cartes d'occupation du sol (figure 5).

Le croisement des surfaces occupées par l'eau tirées d'une part, de l'image acquise en période hors inondation (octobre 2001) et, d'autre part, de l'image acquise en période d'inondation (octobre 1999), a permis de restituer les surfaces réellement inondées en octobre 1999 (figure 6). Dans la zone, à cette date, les surfaces occupées par l'eau représentent 20 %, derrière celles occupées par la végétation clairsemée (46 %) et par les sables secs (21 %) (figure 7). Les eaux de crue représentent 17 % de la superficie totale, soit 83 % de l'ensemble des eaux de la région d'étude. Ce pourcentage élevé démontre l'importance des inondations dues aux débordements fluviaux suite aux transferts d'eau en provenance de la zone amont du bassin.

Analyse hydrodynamique et identification des modes d'alimentation

• – les eaux de surface très riches en isotopes lourds ;
• – les eaux de puits des formations dunaires, proches de la DPL et plus pauvres en isotopes lourds que les eaux de surface ; elles correspondent très probablement à une infiltration des eaux de pluie ;
• – les eaux de puits de la plaine d'inondation, enrichies en isotopes lourds par rapport aux eaux de la nappe dans les zones de dunes ; elles pourraient provenir de processus de mélange entre ces dernières et les eaux de surface des cours d'eau adjacents.

En combinant les valeurs de δ¹⁸O et les teneurs en ³H (figure 8B), la distinction entre les trois principaux types d'eaux précédemment identifiés est confirmée de même que les deux modes d'alimentation :

• – les eaux de surface, avec des teneurs en tritium proches de celles des précipitations actuelles (entre 3 et 4 UT) et très riches en isotopes stables lourds, sont évaporées et cette évaporation semble s'intensifier avec la distance parcourue et le temps de séjour des eaux ;
• – les relatives faibles teneurs en isotopes stables lourds et en tritium (< 2,8 UT) des eaux souterraines dans les formations dunaires indiquent un mode d'alimentation lent et diffus par des eaux de pluie à travers le sol ;
• – la signature isotopique des eaux souterraines dans la plaine alluviale caractérisée par un enrichissement en isotopes lourds etdes teneurs plus élevées en tritium, met en évidence un processus de mélange par infiltration latérale des eaux de surface très récentes et évaporées. Toutefois, dans leszone inondées on observe un enrichissement plus élevé des eaux de nappe, trèsprobablement lié à la contribution variable des eaux de crue et de pluie qui subissent une évaporation physique avant l'infiltration.

L'analyse isotopique des différentes masses d'eau permet ainsi de préciser les mécanismes d'alimentation des ressources en eau de la zone et d'affiner sensiblement les informations sur l'hydrodynamisme des systèmes.

Tableau 3 Les signatures isotopiques des eaux.

Implication du traçage isotopique sur l'identification des zones d'inondation

• – les processus de mélange par infiltration latérale des flux d'eaux de surface de caractère très évaporé dans la plaine alluviale où les eaux de la nappe sont plus riches en δ ¹⁸O (comprises entre - 3,4 ‰ et - 1,1 ‰) ;
• – le caractère très évaporé des eaux de nappe dans les zones inondées, évoluant du point de vue spatial suivant une faible gamme de valeurs du fait du rééquilibrage de la vapeur d'eau avec les plans d'eau libre qui réduit le fractionnement isotopique mais également du mélange de masses d'eau qui serait à l'origine de l'homogénéisation de la composition isotopique observée durant le processus. La spatialisation des données de ³H (figure 10), permet également de corroborer :
  • – la répartition des eaux souterraines en fonction de la géomorphologie (plaine alluviale et dune) où les faibles teneurs sont mesurées dans les eaux des formations dunaires alors que les eaux de la plaine alluviale, issues du mélange avec les eaux de surface (ou de crue), sont plus riches en tritium. Toutefois, les valeurs élevées (5 à 6 UT), observées ponctuellement pour les eaux de la plaine alluviale résulteraient très probablement de la contamination des eaux de la nappe alluviale par les eaux stagnantes et par les eaux d'irrigation ;
  • – les zones inondées qui présentent des eaux souterraines ayant des teneurs plus élevés en tritium, du fait de la contribution des eaux de crue qui peut jouer un rôle significatif dans l'acquisition de la signature isotopique observée. Cette signature isotopique qui apparait parfois très voisine de celle des eaux de surface, pourrait être attribuée au lissage qui est un procédé important pour l'interprétation spatiale de la composition isotopique relativement homogène.

En plus, de l'importance de la contribution des eaux de crue, nous avons constaté que les états du sol et du sous-sol dans la région deltaïque, peuvent constituer un des facteurs aggravant des inondations.

En effet, les sols de nature argileuse des horizons supérieurs des formations deltaïques affleurantes occupent les deux tiers des superficies de la basse vallée et de l'estuaire du fleuve Sénégal. Ces sédiments fluvio-deltaïques ont été déposés successivement lors des phases de transgression marine, lesquelles sont responsables de la forte salinité des sols et des efflorescences salines (figures 11A et 11B).

Durant la période pluvieuse, la nature argileuse et la forte salinité des sols accentuent l'imperméabilité des sols et par conséquent réduisent considérablement l'infiltrabilité des eaux de pluie et des eaux de débordement du fleuve (figures 11C et 11D).

En période de crue en revanche, les flux ascendants des eaux de la nappe alluviale sub-affleurante interconnectée avec le réseau hydrographique contribuent aux inondations. En effet, lors des fortes crues, la remontée du niveau de la nappe alluviale entraîne une saturation progressive des sols et par conséquent un ruissellement dans la plaine alluviale induit par l'intumescence de la nappe (figure 12). Cette situation fragilise davantage le milieu fluvio-deltaïque et l'expose à des inondations de plus en plus fréquentes, en favorisant l'expansion des zones contributives aux inondations.

Conclusion

Le couplage de ces éléments avec les données isotopiques en période de crue contribue à une meilleure compréhension des mécanismes de renouvellement de la nappe et du régime d'écoulement des eaux. Il a surtout révélé que les zones inondées correspondent à des zones où les eaux de surface et de la nappe sont enrichies en δ¹⁸O et ³H et évoluant peu spatialement. Mais cette observation devrait prendre en compte d'autres facteurs tels que l'importance des crues et les états du sol et du sous-sol pour caractériser et évaluer les inondations dans cette région. Toutefois, bien qu'illustratifs du fonctionnement du système, les résultats présentés devront être consolidés par un suivi temporel de l'évolution des données isotopiques. Ils permettront très certainement de disposer d'un outil d'aide à la décision en matière d'aménagement et de gestion des ressources en eau dans cette région à fort enjeu socio-économique.

Remerciements

Références

2 Audibert M. Delta du fleuve Sénégal : Étude géologique. Rapport du projet AFR- REG-61 (Saint Louis), 4 volumes. Sl : FAO/OERS, 1967.

3 Wade S, Rudant J P, Dia A M, Kouamé J. Application of Earth Observation data and GIS to urban flood management - Case-study of Saint Louis, Senegal (West Africa). Abstract United Nations Regional Workshop on the use of space technology for disaster management for Africa, Munich, Germany, 18-22 October 2004.

4 Wade S, Rudant JP. Gestion des catastrophes naturelles par télédétection et SIG (GESCAN). Application à l'étude hydrologique du fleuve Sénégal et à la gestion du risque d'inondation de la ville de Saint Louis. Rapport scientifique du projet CORUS/GESCAN, 2005 au LTA/IST/UCAD, 2005.

5 Puech C. Suivi des inondations en Afrique du Nord à l'aide de la télédétection satellitaire. Neuvième Conférence Régionale Afro-asiatique de la CIID. Alger, 1995.

6 Marinelli L, Michel R, Beaudoin A. Flood mapping using ERS tandem coherence image: a case study in southern France. Third ERS Symposium on Space at the service of our environment, Florence, Italia, 1997.

7 Bates PD, Horritt MS, Smith SN, Mason D. Integrating remote sensing observations of flood hydrology and hydraulic modelling. Hydrological Process 1997 ; 11 : 1777-95.

8 Yesou H, Meyer C, Clandillon S, De Fraipont P. Apport des données simulées SPOT 5 pour la gestion du risque d’inondation. Bull SFPT 2001 : 151-61.

9 Yesou H, Clandillon S, Allenbach B, Bestault C, De Fraipont P. Exploitation de données SPOT 5, SPOT 4, SPOT 2, pour la cartographie des zones affectées par les inondations de type Cévenol les 9-10 Septembre 2002 dans le département du Gard. Troisième conférence SIRNAT, Orléans, 2003.

10 Henry JB. Systèmes d'information spatiaux pour la gestion du risque d'inondation de plaine. Thèse de doctorat, université Louis Pasteur Strasbourg I, 2004.

11 SCOT. Inondations sur l'Aude-Le Tarn- l'Hérault et les Pyrénées Orientales, 12-14 novembre 1999. 2000. www.scot-sa.com/siren/inondations aude.htm.

12 Saper R, Pultz TJ, Crevier Y, Bowring R, Mc Lauren I. Demonstration of Radarsat potential for flood monitoring – The 1996 Manitoba spring floods. Third International Workshop on Applications of Remote Sensing in Hydrology, Greenbelt, Maryland, October 16-18, 1996.

13 Bocoum O, Fog B, Lo M, Nybord L, Rasmussen K, Sandholt B. Remote sensing techniques for flood monitoring in Senegal River Valley. Geographisk Tidsskrift. Danish. Journal of geography 2003 ; 103 : 71-81.

14 Sandholt I, Bjarne F. Flood monitoring in the Senegal River valley: First results based on SAR PRI data. ERS – ENVISAT Symposium looking down the earth in the New Millenium. Gothenburg, Sweden, 16-20 October 2000.

15 Mbaye M. Apports des systèmes d'information géographique et de al Télédétection à l'analyse du risque d'inondation à Saint Louis du Sénégal. Memoire de DEA de géographie, université des sciences et technologie de Lille, 2003.

16 Kouamé J. Cartographie des zones inondables à Saint Louis du Sénégal : apports de l'imagerie satellitaire. Rapport de stage CORUS, 2003 au LTA/IST/UCAD.

17 Payne BR. The status of isotope hydrology today. J Hydrol 1988 ; 100 : 207-37.

18 Fritz P, Henning CS, Suzuki O, Salari E. Isotope hydrology in Northern Chile. Isotope Hydrology, 1978, Proceedings series. Vienna : International Atomic Energy Agency, 1979.

19 Yurtsever Y, Payne BR. Application of environmental isotope to groundwater investigation In Qatar. Proceedings of an international symposium on Isotope hydrology. IEAI 1978 ; 2 : 465-90.

20 Darling WG, Bath AH. A stable isotope study of recharge processes in the English Chalk. J Hydrol 1988 ; 101 : 31-45.

21 Zongyu C, Zhenlong N, Guanghui Z, Li W, Jianmei S. Environmental isotopic study on the recharge and residence time of groundwater in the Heihe River Basin, North-western China. Hydrogeology Journal 2006 ; 14 : 1635-51.

22 Etcheverry D. Valorisation des méthodes isotopiques pour les questions pratiques liées aux eaux souterraines, isotopes de l’oxygéne et de l’hydrogéne. Rapport de l’OFEG, série géologie n°2. Berne : OFEG, 2002.

23 Mc Carthy KA, McFarland WD, Wilkinson JM, White LD. The dynamic relationship between groundwater and the Columbia River: Using deuterium and oxygen-18 as tracer. J Hydrol 1992 ; 135 : 1-17.

24 Fontes JC. Environmental isotopes in groundwater hydrology. In : Fritz P, Fontes JC, eds. Handbook of Environmental Isotope Geochemistry. Amsterdam : Elsevier Scientific Publishing Company, 1980.

25 Mook WG. Environmental isotope in the hydrological cycle. IHP-V Tech Doc in Hydrology 2000 ; 1 : 49-51.

26 Pointet T, Amraoui N, Mardhel V, et al. La contribution des eaux souterraines aux inondations : Modélisation des hautes eaux de la Somme. Géosciences 2005 ; (2) : 80-5.

27 Travi Y, Lavabre J, Blavoux B, Martin C. Traçage chimique et isotopique (Cl^-, ¹⁸O) d'une crue d'automne sur un petit bassin versant Méditerranéen incendié. Hydrological Sciences Journal 1994 ; 39 : 605-19.

28 Fontes J Ch. Isotope du milieu et cycle des eaux naturelles : Quelques aspects. Thèse d'Etat ès-sciences naturelles, Paris, 1976.

29 Molinari J. Quelques remarques pratiques et une présentation commode facilitant l'exploitation des variations naturelles en deutérium et en oxygène-18 dans les eaux. J Hydrol 1977 ; 32 : 383-92.

30 IAEA. Stable isotope hydrology: Deuterium and Oxygen-18 in the water cycle. Technical Reports series, n°210. Austria : Vienne, 1981.

31 Dia AM, Wade S, Deroin JP, Frison PL, Kouamé J, Rudant JP. Apport des données SPOT et Landsat au suivi des inondations dans l'estuaire du fleuve Sénégal. Photo-interpretation 2006 ; 42 : 35-43.

32 Borstad PV, Lillesand TM. Rapid maximum likelihood classification. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing 1991 ; 57 : 67-74.

33 Epstein S, Mayeda T K. Variations of ¹⁸O content of waters from natural sources. Geochimica et Cosmochimica Acta 1953 ; 4 : 213-24.

34 Coleman ML, Shepherd TJ, Durham JJ, Rouse JE, Moore GR. Reduction of water with zinc for hydrogen isotope analysis. Analytical Chemistry 1982 ; 54 : 993-5.

35 Coplen TB. Normalization of oxygen and hydrogen isotope data. Chemical Geology 1988 ; 72 : 293-7.

36 Coplen TB. Reporting of stable hydrogen. carbon and oxygen isotopic abundances (Technical report). Pure Appl Chem 1994 ; 66 : 1702-3.

37 Thatcher LL, Janzer VJ, Edwards RW. Methods for determination of radioactive substances in water and fluvial sediments. In : Techniques of Water Resources Investigations of the US Geological Survey. Washington (DC) : US Government Printing Office, 1977.

38 Dia AM, Kouamé J, Wade S, Rudant J P. Application of Remote Sensing and GIS in natural disaster risk management: Case study of the Senegal River flood monitoring project (GESCAN). Oral communication and poster to the International Disaster Reduction Conference (IRDC), Davos, Switzerland, August 27th – September 2, 2006.

39 Diaw M, Faye S, Wade S, Travi Y, Faye A, Gaye CB. Isotope based assessment of recharge regimes and groundwater mixing in Senegal River delta system. Ribiero L, Chambel A, Condesso de Melo MT, eds. XXXV^e IAH Congress; Groundwater and Ecosystems, Lisbon, 2007.