Dynamics of the Amazonian mud bank system through spatial observation and hydro-sedimentary modeling: application to the coastal domain of French Guiana


Directrice de thèse : Madame ABASCAL-ZORRILLA Noélia
Spécialité : Sciences de la terre et de l’univers, espace
Date de soutenance : vendredi 29 mars 2019
Heure : 10h00
Lieu : Université de Compiègne (Oise)

Résumé :

La côte de la Guyane française se caractérise par la migration vers le nord-ouest de larges bancs de vase le long des côtes et par une concentration élevée de matières en suspension résultant de la forte influence des apports du fleuve Amazone. Les bancs de vase régissent la morphologie côtière régionale. Son extension et sa dynamique sont cruciales pour les écosystèmes et les activités côtières à l’échelle régionale. Plusieurs études ont été effectuées sur la zone côtière de la Guyane française, fournissant des informations descriptives sur la morphologie et la vitesse de migration des bancs de vase. Cependant, la plupart des études ont porté sur la description des zones intertidales, alors que peu d’entre elles se sont concentrées sur la zone subtidale pourtant, la partie la plus étendue des bancs de vase. L’objectif principal de cette thèse est d’adopter des approches innovantes telles que télédétection haute résolution de la couleur de l’eau et les modèles numériques développés sur la base de mesures in-situ afin de mieux comprendre la morphologie de la partie subtidale et l’influence des forçages externes sur sa dynamique. Les trois approches différentes sont complémentaires et forment un système de rétroaction interconnecté qui a permis la construction d’un modèle hydro-sédimentaire régional.

L’exploitation optimale des informations fournies par les capteurs récents à haute résolution spatiale tels que Landsat 8-OLI implique un développement méthodologique, car elle est fortement conditionnée par la qualité du signal de réflectance marine récupéré. L’un des problèmes majeurs en Guyane française réside dans la capacité à corriger les pixels d’eau de la contamination par la réflexion spéculaire du soleil. Ainsi, une méthode automatisée basée sur SWIR a été mise au point à l’aide d’une archive OLI de 4 ans réunie dans les eaux très troubles de la Guyane française. Des résultats satisfaisants basés sur les mesures in situ de Rrs dans des zones affectées par le reflet du soleil mettent en évidence les performances pertinentes de la méthodologie proposée. La correction des reflets solaires a permis la récupération du signal de réflectance marine et l’estimation de la concentration de surface OLI MES. Une méthode de détection de l’empreinte des bancs de vase a été développée sur la base de valeurs récurrentes de MES. Des bons résultats sont obtenus lors qu’on les compare à ceux obtenus en localisant la limite de l’amortissement de la houle sur les vases fluides subtidales. Les taux de migration des bancs de vase en Guyane française ont été calculés en fonction de la délimitation de leurs parties subtidales et ont montré des valeurs légèrement supérieures (2,31 km/an) à celles suggérées par des études antérieures.

Après avoir obtenu des données de télédétection et des mesures in-situ, un modèle hydro-sédimentaire 2D adapté localement a été construit sur la base des informations fournies par ces dernières approches. Le modèle prend en compte l’action combinée de la marée, des courants, du débit des rivières, du vent et des vagues. En outre, le modèle prend en considération aussi différents processus hydro-sédimentaires liés aux sédiments cohésifs. Son développement a suivi trois étapes différentes et a été validé via des mesures in-situ et des données de télédétection. L’influence des forçages externes a été analysée pour la saison sèche et la saison des pluies. Malgré les hypothèses du modèle, il reproduit qualitativement les tendances et les schémas MES de la partie subtidale des bancs de vase et les ordres de grandeur sont comparables à ceux fournis par les données de terrain et de télédétection.

Cette thèse fournit des preuves de l’intérêt de ces approches innovantes et de leur combinaison pour obtenir de meilleurs résultats dans un domaine d’étude aussi complexe. Les résultats obtenus peuvent aider à faire progresser les connaissances sur les processus impliqués dans la dynamique morpho-sédimentaire des bancs de vase et leur migration.

Mots-clés: système de bancs de vase, dynamique SPM, couleur de l’océan, Landsat 8, modélisation, dynamique hydro-sédimentaire, TELEMAC


Abstract :

The coast of French Guiana is characterized by the northwestward migration of large mud banks alongshore and by high concentration of suspended particulate matter (SPM) resulting from the strong influence of the Amazon River outflow. Mud banks govern the regional coastal morphology and its extension and dynamics are crucial for the coastal ecosystems and activities at a regional scale. Several studies have been performed over French Guiana coastal area providing descriptive information about mud bank’s morphology and migration speed. However, most studies have centred on the description of the intertidal areas, whereas only few have focused on the subtidal zone, the biggest part of mud banks. The overarching aim of this thesis it to adapt innovative approaches such as high resolution remote sensing data and numerical models developed based on in-situ measurements to gather better insights in the subtidal part morphology and in the influence of external forcings on its dynamics. The three different approaches are complementary and formed an interlinked feedback system that allowed the construction of a locally hydro-sedimentary model.

The optimal exploitation of the information provided by recent high spatial resolution sensors such as Landsat 8-OLI implies methodological development as it is strongly conditioned by the quality of the water reflectance signal retrieval. One main issue in French Guiana stands in the ability to correct water pixels from sun glint contamination. Thus, an automated SWIR based method has been developed using a 4-year OLI archive gathered over the very turbid waters of French Guiana. Satisfying results based on in situ Rrs measurements in sun glint affected areas emphasize the relevant performance of the proposed methodology. Sun glint correction allowed the recovery of the marine reflectance signal and the estimation of surface OLI SPM concentration. A method to estimate the location of mud banks footprint has been developed based on recurring SPM values. A good performance was observed when the results were compared to those obtained by locating the limit of the wave damping over the fluid mud of the subtidal part. The migration rates of the mud banks in French Guiana were calculated according to the delimitation of their subtidal parts, and showed slightly higher values (2.31 km/year) than suggested by earlier studies.

After obtaining remote sensing data and in-situ measurements, a 2D locally adapted hydro-sedimentary model was constructed based on the information provided by the latter approaches. The model takes into account the combined action of tide, currents, river discharge, wind and waves. Besides, the model also considers hydro-sedimentary processes related to cohesive sediments. Its development has followed three different steps, and has been validated via in-situ measurements and remote sensing data. The influenced of the external forcings has been analyzed for the dry and the rainy season. Despite the assumptions of the model, it reproduces qualitatively the SPM trends and patterns on the subtidal part of the mud bank and the orders of magnitude are comparable to those provide by field and remote sensing data.

This PhD provides evidences of the interest of these innovative approaches and the combination of them to obtain better results in such complicated study area. The results obtained may help to further advance the state of knowledge on mud bank processes and its migration.

Keywords: mud banks system, SPM dynamics, ocean colour, Landsat 8, modelling, hydro-sedimentary dynamics, TELEMAC

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