Dynamique et caractérisation de la qualité des eaux du lac de Hatillo (République dominicaine) par télédétection satellitaire optique multispectrale et hyperspectrale

L'objectif de la thèse est de caractériser la composition des eaux de surface à partir d'analyses biogéochimiques et de mesures radiométriques in situ et satellitaires sur un site d'étude aquatique, le lac de Hatillo (République Dominicaine), marqué par une forte pression d'activités minières. Un total de 48 campagnes de prélèvements d'échantillons d'eau pour analyses biogéochimiques et 23 campagnes de mesures optiques in situ ont été réalisées sur cinq stations réparties à travers le lac pour caractériser les propriétés des eaux de notre site d'étude. Les mesures optiques in situ ont été réalisées par spectrophotométrie pour obtenir 86 mesures du coefficient d´absorption des matières dissoutes aCDOM et 39 mesures du coefficient d'atténuation c, ainsi que par spectroradiométrie pour obtenir 63 mesures de réflectance hyperspectrale. Un total de 219 images multispectrales Sentinel-2 et 24 images hyperspectrales des capteurs DESIS et EnMAP a été traité pour déterminer la réflectance de surface par satellite. Les relations entre les propriétés biogéochimiques et les mesures optiques in situ (coefficients d'absorption, atténuation et réflectance) ont été analysées pour identifier des signatures spectrales spécifiques aux polluants chimiques. Dans ce but, les propriétés optiques ont été analysées à travers leurs dérivées spectrales premières et secondes. Nous avons montré dans cette étude que les eaux provenant de la concession minière sont fortement concentrées en matières dissoutes libérées lors de l'extraction des minerais, notamment des sulfures, dont les concentrations sont 1.5 fois supérieures aux valeurs des normes environnementales, et des métaux tels que Mn, Cd et Li (entre 2 et 12 fois supérieurs aux valeurs des normes environnementales). L'assainissement des eaux sur la concession minière, réalisée principalement par l'introduction de chaux destinée à neutraliser le pH et à favoriser la précipitation des métaux lourds, conduit à un changement de phase des polluants chimiques ; ceux-ci se retrouvent fortement concentrés en phase particulaire dans les eaux situées en contrebas de la mine, tels que Fe, Zn et As (entre 2 et 3 fois supérieurs aux valeurs des normes environnementales). Dans ce contexte, des corrélations ont été identifiées entre le coefficient d´absorption de la lumière par les matières en phase dissoute à 535 nm (aCDOM(535)) ainsi que la dérivée première du aCDOM à 490 nm et les éléments chimiques les plus concentrés en phase dissoute (Ca, K et sulfures). Ces éléments provoquent une saturation des eaux qui induit une variation de la spéciation et un changement de phase de métaux lourds (notamment Fe) capable de modifier les propriétés optiques des eaux de surface. De même, nous avons identifié un lien probable entre le coefficient aCDOM(436) et la présence de nitrates liés aux activités agricoles conduisant à la photosensibilisation des matières dissoutes. L'influence des nitrates sur les propriétés optiques a également été identifiée sur les données de réflectance in situ à travers un minimum observé à 436 nm. Les données satellitaires de haute résolution spatiale des capteurs DESIS et EnMAP ont permis d'évaluer la faisabilité de la caractérisation des eaux affectées par des polluants chimiques par télédétection spatiale. Les propriétés optiques spécifiques aux polluants miniers et agricoles n'ont pas pu être identifiées sur les données satellitaires hyperspectrales analysées. L'approche expérimentale menée dans cette étude ouvre la voie au développement d'algorithmes d'inversion des mesures optiques pour l'estimation des concentrations des polluants chimiques d'origine minière dans les eaux intérieures. Les travaux réalisés pendant cette thèse démontrent le besoin crucial d'identification des polluants des eaux intérieures par télédétection à partir d'algorithmes d'inversion à développer et à consolider dans le futur pour faciliter la gestion des eaux intérieures soumises à des rejets industriels.