Landsat met en évidence trente ans de développement des petits réservoirs d'eau dans le sud de l'Amazonie



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Quels liens entre développement agricole, déforestation et gestion de la ressource en eau ?

Associer la déforestation de l’Amazonie au développement de l’agriculture est une idée couramment admise. Cependant, les pratiques ont évolué rapidement ces dernières années : on assiste désormais, notamment dans le sud de l'Amazonie, à un découplage récent de la production agricole et de la déforestation. Celui-ci a été rendu possible grâce (1) à l'adoption de pratiques agricoles intensives, grâce à l'irrigation, et (2) à la diversification des activités économiques, du fait du développement soutenu de la pisciculture. Alors que ce nouveau modèle agricole a donné des résultats positifs pour contenir la déforestation, il implique dans le même temps des pressions nouvelles sur l'environnement, et en particulier sur la ressource en eau. Ainsi, de nombreux petits réservoirs d'eau artificiels ont été construits avec des utilisations différentes : pour l'irrigation des cultures, la production d'énergie, la pisciculture ou l'abreuvement du bétail.

Dans un article paru dans ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing en mars 2018, une équipe franco-brésilienne dans laquelle on retrouve Damien Arvor, Felipe R.G. Daher, Simon Dufour, Anne-Julia Rollet (LETG-Rennes / OSUR, université Rennes 2) présente une méthode originale pour cartographier automatiquement les petits plans d'eau à partir de séries chronologiques d'images satellitaires Landsat. La méthode a été testée dans la municipalité de Sorriso (État du Mato Grosso, Brésil). Les résultats statistiques ont validé l'efficacité de la méthodologie, bien que la résolution spatiale des images Landsat ait limité la détection de réservoirs très petits et linéaires. A Sorriso, on estime ainsi qu’entre 1985 et 2015, la superficie cumulée a plus que décuplé (de 153 à 1707 ha) et le nombre de petits réservoirs d'eau a quintuplé (86 à 522). Au-delà des aspects purement méthodologiques, les auteurs discutent également des nombreuses implications socio-environnementales soulevées par les impacts cumulés de ces petits réservoirs en pleine prolifération. Ils estiment ainsi que des approches intégrées sur l'ensemble du paysage sont nécessaires pour évaluer la façon dont les hydrosystèmes anthropisés peuvent contrecarrer ou au contraire exacerber les impacts socio-environnementaux de la déforestation et de l'agriculture intensive.

 

Sorriso, Etat du Mato Grosso, dans le sud de l’Amazonie

La zone d'étude est située dans l'état brésilien du Mato Grosso, au sud de l'Amazonie (Fig. 1). Cette région est depuis longtemps étudiée en raison des changements dramatiques dans l'utilisation des terres qui s'y sont produits depuis les années 1970, lorsque le gouvernement fédéral a décidé de soutenir le développement d'une agriculture extensive axée sur les produits de base. De fait, l'expansion de l'agriculture dans le Mato Grosso a eu de graves répercussions sur l'environnement, en particulier sur la déforestation. Conscient du problème, l’Etat fédéral brésilien a, dès le début des années 2000, lancé un vaste mouvement d'intensification et de diversification de l'agriculture dans le but d'accroître la productivité (i.e. avec de l’intensif plutôt que de l’extensif), de limiter la vulnérabilité économique à la monoculture (i.e. avec de la diversification dans la production), afin de contenir la déforestation. Cette politique a atteint ses objectifs : la déforestation a diminué rapidement après 2005, tandis que la production agricole continuait d'augmenter.

Ainsi, l'état du Mato Grosso est devenu le leader national dans la production de soja, de maïs et de coton et le troisième dans la production de poisson (le leader national étant l'état de Rondônia, également dans le sud de l'Amazonie).  

Dans le Mato Grosso, la municipalité de Sorriso est un bon exemple pour illustrer cette mutation ultra rapide. Sorriso a été fondée en 1986 (!) et couvre une superficie de 9329 km2 située le long de la route transamazonienne Cuiabá - Santarém (Fig. 1). Sorriso est connu comme étant le principal producteur de soja et de maïs à l'échelle nationale et, depuis quelques années, la pisciculture est également en plein essor en raison de la facilité d'accès aux crédits. Sorriso est classée quatrième au niveau national avec une production totale de poissons de 10679 tonnes par an.

Agriculture intensive, pisciculture : on comprend donc aisément les enjeux autour de l’accès et de la gestion de la ressource en eau.

 

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Fig.1 : zone d'étude située dans l'état brésilien du Mato Grosso, au sud de l'Amazonie

 

Données et méthodologie pour la classification des masses d'eau

Les séries temporelles de données Landsat sur la municipalité de Sorriso (4 scènes Landsat sont nécessaires) sont suffisamment longues, denses et régulières pour se prêter à une analyse robuste.

Une fois les données acquises (étape 0), la méthode de traitement des images s'est faite en cinq étapes principales de traitement (Fig. 2) :

(1) les données ont été pré-classées,

(2) deux indices ont été calculés pour chaque scène-année sur la base de l'analyse des séries temporelles,

(3) les indices ont été mosaïqués sur toute la zone,

(4) des masques d'eau annuels ont été produits,

(5) des règles de transition interannuelles ont été appliquées

(6) enfin, la méthode comprend une étape de validation pour évaluer l'exactitude des cartes produites.

 

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Fig.2 : les six étapes principales de traitement des images

 

Trente années de développement de réservoirs d'eau artificielle retracées

Une série chronologique de pré-classifications LSC (Landsat Spectral Classifier) est illustrée ci-dessous (Fig. 3) et montre la capacité du LSC à classer automatiquement les pixels d'eau.

 
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Fig.3 : série chronologique de pré-classifications LSC (Landsat Spectral Classifier)

 

Ces pré-classifications ont été analysées pour calculer les indices NumObs et NumWater pour chaque scène-année, qui ont ensuite été mosaïqués annuellement sur l'ensemble de la zone d'étude. Dans l'exemple de la Fig. 4, il est apparu que

(1) tous les pixels de l'image mosaïque ont été observés entre 7 et 18 fois en 2015

(2) un pixel a été classé en eau 16 fois au maximum.


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Fig.4 indices NumObs et NumWater calculés pour chaque scène-année
 

D'un point de vue statistique, les résultats ont validé le potentiel de la méthodologie pour détecter automatiquement et efficacement les réservoirs d'eau dans la zone d'étude : La précision globale indique que 87% des points de validation (répartis en 2 classes : eau et non-eau) ont été bien classés.

La production des masques d’eau annuels a permis notamment de suivre l'expansion rapide des masses d'eau à Sorriso au cours des trente dernières années. A titre d'exemple, la Fig. 5 présente deux zones de Sorriso qui illustrent deux cas différents de développement. Dans le premier cas (Fig. 5, à gauche), le développement des surfaces d'eau résulte de la multiplication des petits barrages agricoles de 1 en 1990 à quatre en 2015. Dans le second cas (Fig. 5, à droite), elle résulte des phases successives d'expansion d'un barrage agricole entre 1990 et 2015.

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Fig. 5 présente les deux zones correspondant à deux cas différents de développement à Sorriso

Pour donner des ordres de grandeur (de surface), à l'échelle de la commune de Sorriso, la superficie cumulée est passée de 153 hectares (valeur moyenne entre les estimations basses et hautes) en 1985, à 1707 hectares en 2015, soit la superficie d'une exploitation de taille moyenne dans la région (Fig. 6, en haut). La superficie cumulée a ainsi plus que décuplée en trente ans. Les résultats ont montré une prolifération particulièrement rapide après 2000, correspondant à la période d'intensification agricole dans la région, qui reposait en partie sur l'irrigation, et qui nécessitait par conséquent un accès accru aux ressources en eau.

Le nombre de plans d'eau a également augmenté rapidement au cours de la période d'étude, passant de 86 à 522 (valeurs moyennes de 1985 et 2015) (Fig. 6, en bas). Bien que ces chiffres doivent être examinés attentivement (du fait par exemple de la forte fragmentation et de l’inclusion de quelques plans d'eau naturels dans le dénombrement final), ces résultats mettent en évidence des tendances intéressantes.


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Fig. 6 superficie d'une exploitation de taille moyenne dans la région (Fig. 6, en haut) et augmentation du nombre de plans d'eau
 

Le nombre de masses d'eau a augmenté rapidement (50%, de 347 à 522, valeurs moyennes) entre 2010 et 2015 alors que la superficie cumulée n'a augmenté que modérément (14%, de 1494 à 1707 ha, valeurs moyennes). Cela signifie que les nombreux plans d'eau créés au cours de cette période étaient assez petits. Cette augmentation révèlerait donc des tendances quant au développement récent de nombreux petits barrages excavés dédiés à la pisciculture, qui n'ont pas pu être délimités avec précision à l'échelle Landsat, mais dont la détection peut servir d'indicateur pour observer le processus de diversification agricole dans le sud de l'Amazonie.

 

Les implications socio-environnementales

Contrairement aux impacts des grands barrages hydroélectriques, les effets cumulés des petits réservoirs d'eau artificielle sont largement sous-étudiés à ce jour, en particulier en Amazonie. La diversité dans leurs caractéristiques (distribution, taille, gestion, origine de l'eau, etc.) représente donc un énorme défi pour les scientifiques. Pourtant, ces micro-barrages soulèvent d'importantes questions socio-environnementales qui suscitent actuellement l'intérêt de la communauté scientifique et de la société civile. En Europe, par exemple, la directive-cadre sur l'eau (de 2000) a conduit à la suppression des barrages au fil de l'eau en dépit d'une demande encore élevée pour la création de nouveaux réservoirs à des fins agricoles.

Bien que la littérature scientifique sur le sujet soit encore limitée, des questions émergentes méritent d'être discutées dans le contexte spécifique du bassin amazonien.

 

Implications hydrologiques

Bien que les réservoirs d'eau soient généralement petits, leur multiplication peut affecter le débit des cours d'eau (et la vie aquatique) car l'eau captée est souvent utilisée pour l'irrigation et ne contribue donc plus au débit des cours d'eau. En outre, l'eau stockée peut s'évaporer ou s'infiltrer, ce qui entraîne une perte d'eau pour le réseau fluvial (en fonction du contexte climatique et des conditions géologiques locales). La stagnation de l'eau et le pelliculage dans les bassins de retenue modifient également les variations thermiques de l'eau des cours d'eau en raison des différences de température entre l'entrée et la sortie. Ces changements thermiques, associés au passage d'un système lotique (avec une « eau courante ») à un système lentique (avec un renouvellement lent), modifient la teneur en oxygène de l'eau. De plus, les réservoirs sont généralement des puits de nutriments et de polluants à l'échelle du bassin hydrographique et peuvent donc être affectés par l'eutrophisation. En aval des barrages, l'ensemble du système d'eau douce est également modifié en raison de changements hydrologiques et sédimentologiques qui peuvent affecter de façon significative la morphologie et les habitats de la rivière.

 

Implications écologiques

La biodiversité est affectée par la modification et la fragmentation hydrologique et morphologique des systèmes d'eau douce. Les barrages fluviaux peuvent représenter des obstacles à la migration des espèces en limitant leur mobilité, par les changements d'habitat, par la perturbation des régimes d’eau, et par la modification de la qualité de l'eau.

 

Implications climatiques

On sait que les réservoirs d'eau produisent beaucoup de gaz à effet de serre. Les forêts inondées – c’est le cas par exemple des varzeas, la partie de la forêt amazonienne qui est inondée de façon saisonnière en période de crue - ont été identifiées comme sources d'émissions de gaz à effet de serre en Amazonie. Ils sont particulièrement responsables de la libération de méthane dans l'atmosphère, dont le potentiel de réchauffement planétaire est 21 fois supérieur à celui du CO2. Ensuite, bien que les émissions des petits réservoirs d'eau soient encore limitées par rapport à d'autres sources anthropiques (par exemple, la déforestation), les auteurs de l’article défendent l’idée que leur impact supplémentaire est non-négligeable et devrait être pris en compte dans l'estimation des émissions mondiales de gaz à effet de serre.

En plus de leurs impacts sur le changement climatique, le développement de barrages au fil de l'eau peut également empêcher les communautés de s'adapter au changement climatique. Dans le nord de l'Espagne par exemple, les réservoirs ont eu pour effet – paradoxal à première vue - d’augmenter la fréquence et la gravité des sécheresses hydrologiques. Dans le Nord-Est du Brésil, une région semi-aride, des études ont montré comment les sécheresses hydrologiques peuvent se poursuivre bien au-delà des sécheresses météorologiques, à cause précisément d’un réseau dense de réservoirs de stockage d'eau de surface. Or, dans le sud de l'Amazonie, du fait du réchauffement climatique, la saison des pluies devrait se raccourcir et la fréquence des événements climatiques extrêmes devrait augmenter, comme en témoignent les récentes sécheresses. L'évaluation de la façon dont la construction de nombreux barrages peut exacerber (ou atténuer) les impacts d'événements climatiques extrêmes à l'échelle d'un bassin hydrographique, est plus que jamais une problématique scientifique en elle-même.

 

Implications sociales

La qualité de l'eau dans les zones d'agriculture intensive est affectée par l'utilisation importante de produits agrochimiques. Bien que des études récentes menées dans l'état du Mato Grosso aient montré que les concentrations de nitrates et de phosphates ne diffèrent pas entre les bassins versants forestiers et agricoles, la multiplication des barrages agricoles, agissant comme des puits de polluants, peut impacter ce résultat à long terme. Alors qu'il a déjà été démontré que l'utilisation massive de produits agrochimiques affecte la santé humaine au Brésil, des études supplémentaires sont aujourd’hui nécessaires pour évaluer les impacts de l'élevage de poissons dans des réservoirs d'eau potentiellement contaminés.

Pour finir, la construction d'énormes barrages hydroélectriques en Amazonie (par exemple le barrage de Belo Monte dans l'état de Para) a eu des impacts sociaux importants pendant longtemps. L'accès à l'eau étant appelé à devenir une question de plus en plus sensible dans un contexte de changement climatique, la multiplication des petits barrages peut également devenir une source de conflits et doit donc être contrôlée efficacement.

 

Quelques perspectives pour la télédétection

L'analyse des impacts cumulés des petits barrages est une tâche difficile qui implique d'adopter une perspective multisectorielle. A cet égard, depuis 2010, des études ont mis en évidence la nécessité d'une approche intégrée et globale des paysages tropicaux pour atteindre de multiples objectifs : par exemple la préservation de l'environnement, l'atténuation du climat, la production alimentaire.

En Amazonie, les impacts des petits barrages ne peuvent être dissociés de la déforestation, qui reste la principale menace pour l'environnement. De ce point de vue, la construction de barrages au fil de l'eau bien planifiée peut aider à réguler le réseau hydrologique. Dans la même optique, le Brésil prévoit des aides aux agriculteurs pour les encourager à reboiser les berges dégradées, avec un objectif à long terme pour restaurer les corridors écologiques, limiter l'érosion du sol, et enfin préserver la qualité de l'eau au niveau du paysage et du bassin versant.

Comment les hydrosystèmes anthropisés peuvent contrecarrer ou au contraire exacerber à la fois

(1) les impacts socio-environnementaux de la déforestation et de l'agriculture intensive

(2) et les efforts pour contrôler ces impacts

reste donc une question ouverte.

 

A cet égard, l'utilisation des données de télédétection est essentielle pour apporter des observations pertinentes à la communauté scientifique (hydrologues, écologistes, etc.). La méthode automatique proposée par les chercheurs du LETG-Rennes et leurs collègues brésiliens est un premier pas dans cette direction qui devra maintenant être poursuivie par une analyse plus fine au niveau régional et du bassin versant.

 


Référence

Damien Arvor, Felipe R.G. Daher, Dominique Briand, Simon Dufour, Anne-Julia Rollet, Margareth Simões, Rodrigo P.D. Ferraz. Monitoring thirty years of small water reservoirs proliferation in the southern Brazilian Amazon with Landsat time series. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2018



Contact OSUR
Damien Arvor (LETG-Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @


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