Développement d'approches de télédétection thermique multi-échelles et de modélisation pour l'évaluation des systèmes d'écoulement d'eau souterraine au sein des eskers

Cette étude vise le développement d'une approche combinée de la télédétection thermique multi-échelles et de la modélisation thermique pour la délimitation des zones d'exfiltration des eaux souterraines et l'estimation de la profondeur de la nappe d'eau souterraine au sein des formations fluvioglaciaires de la région boréale de l'Abitibi-Témiscamingue. Les approches développées s'appuient sur l'hypothèse voulant que les eaux souterraines peu profondes sont susceptibles d'influencer la température du sol et de la végétation et que ces caractéristiques peuvent être mesurées par télédétection. Des données satellitaires associées à la bande 10 du satellite Landsat 8 ayant une résolution spatiale (30 m x 30 m) ont été employées pour le calcul de la température de surface (ci-après LST pour Land Surface Température) à l'échelle régionale. La température de surface a été calculée selon la loi de Planck grâce à l'utilisation d'une application (open source plugin) disponible dans le logiciel QGIS. Les zones associées à certaines anomalies thermiques détectées par l'approche satellitaire ont subséquemment été ciblées pour l'acquisition de données à haute résolution. Une zone associée à un site d'extraction de sable et de gravier où les sols inorganiques étaient observés à différentes élévations au-dessus de la nappe d'eau souterraine a aussi été ciblée pour l'acquisition d'images à haute résolution. Des expériences consistant en l'exécution de vols à intervalles réguliers de 2h00 (entre 6h00 et 22h00) ont de surcroît été réalisées afin d'évaluer les variations journalières de LST au niveau d'une zone d'exfiltration connue et du site d'extraction de sable et de gravier. Les 42 vols réalisés en septembre 2019 et juin 2020 ont permis la collecte de 4000 images thermiques d'une résolution spatiale ≤ 0.1 m. Les données acquises ont fait l'objet de classifications s'appuyant sur l'outil de statistiques spatiales « Grouping Analysis » du logiciel ArcGIS pour assurer l'identification des anomalies thermiques en réduisant la subjectivité qui peut être associée à l'analyse visuelle (qualitative) des images. Des modèles 1D construits dans les composantes SEEP/W et TEMP/W du logiciel GeoStudio ont ultimement été développés afin d'établir une évaluation quantitative (mathématique) de l'influence de la profondeur de la nappe sur la température des sols inorganiques au sein des formations fluvioglaciaires. Les résultats de LST calculés à partir de données satellitaires ont permis la cartographie thermique des eskers de la région. Ces résultats ont également permis le calcul de TVDI (Temperature Vegetation Dryness Index) à l'échelle des formations fluvioglaciaires. La classification des données de TVDI par Grouping Analysis et la comparaison avec des données issues d'études antérieures ont révélé que l'imagerie thermique satellitaire présente un fort potentiel pour l'identification des zones d'exfiltration d'eau souterraine. Les données à haute résolution acquises au niveau d'une zone d'exfiltration d'eau souterraine ont permis d'identifier de petits cours d'eau qui présentent une température plus froide et plus stable que les composantes de surface périphériques. Ces petits cours d'eau sont selon toute vraisemblance alimentés par l'eau souterraine, laquelle présente une température généralement plus froide et plus stable que l'eau de surface lors de la période estivale. Les données à haute résolution acquises au niveau d'un site d'extraction de sable et gravier ont pour leur part permis la cartographie thermique des sols situés à différentes élévations au-dessus de la nappe d'eau souterraine. Les données ont révélé que les sols situés plus près de la nappe d'eau souterraine présentent une température plus froide et plus stable que les sols des secteurs où la nappe d'eau souterraine est plus profonde. Ces données ont été confrontées à des simulations 1D réalisées dans SEEP/W et TEMP/W afin de fournir une évaluation quantitative de l'influence de la profondeur de la nappe d'eau souterraine sur la température du sol. Les résultats des simulations ont été jugés cohérents avec les mesures de télédétection thermique à haute résolution. Les simulations ont de surcroît permis l'évaluation de l'influence de la vitesse du vent, de la température de l'air, et de la végétation sur la température du sol. Sur le plan scientifique, l'étude contribue au développement d'approches de télédétection applicables à l'identification des zones d'exfiltration aux marges des formations fluvioglaciaires (eskers et moraines) et à l'étude de l'effet de la profondeur de la nappe phréatique sur la température de surface pour des sols inorganiques. L'étude présente un fort potentiel d'application, notamment pour les vastes régions difficiles d'accès, comme c'est le cas notamment pour le nord du Québec et le reste du Canada. Sur le plan sociétal, les approches développées ici présentent un potentiel intéressant pour la cartographie des zones d'exfiltration d'eau souterraine et des écosystèmes dépendants de l'eau souterraine en vue d'intégrer ces zones aux plans d'aménagement du territoire pour assurer leur protection.

Abstract

This study focuses on the development of combined multi-scale thermal remote sensing and modeling approaches for delineating groundwater exfiltration zones and estimating groundwater depth in glaciofluvial formations of the Abitibi-Témiscamingue boreal region. The approaches developed here rely on the hypothesis that shallow groundwaters are likely to influence soil and vegetation temperatures, and that these parameters can be measured by remote sensing. Landsat 8 (band 10) satellite data with a resolution of 30 x 30 m were used to retrieve regional-scale land surface temperatures (LSTs). LST values were calculated based on Planck's equation, using an open source QGIS plugin. Specific areas associated with thermal anomalies shown on satellite data were subsequently targeted for the acquisition of high-resolution images. A sand and gravel extraction site characterized by soils located at different elevations above the water table was also targeted for high-resolution data acquisition. These zones were studied using a Zenmuse XT2 high-resolution camera mounted on a DJI Matrice 200 drone. Further experiments consisting of repeated flights conducted at 2h intervals (between 6h00 AM and 22h00) were also carried out in order to measure daily variations in LST in a groundwater exfiltration zone and at a sand and gravel extraction site. The 42 flights allowed for collecting 4 000 images with a spatial resolution of ≤ 0.1 m. These flights were programmed using the DJI GS PRO software, ensuring a 90% spatial overlap between images. This overlap is required for georeferencing and mosaicking multispectral and thermal images using Pix4Dmapper. The data were organized using the Grouping Analysis spatial statistics tool in ArcGIS in order to allow for identifying thermal anomalies based on an objective approach, instead of relying only on the subjective visual inspection of the images. Numerical 1D models were further developed using the TEMP/W and SEEP/W components of the GeoStudio software in order to provide a quantitative evaluation of the influence of groundwater depth on the LST of glaciofluvial formations. The LST results calculated from satellite data allowed for mapping LST at the scale of the study region. These results further allowed for the calculation of the Temperature Vegetation Dryness Index (TVDI) at the scale of glaciofluvial formations. The Grouping Analysis procedure conducted on the TVDI results and its comparison with results from previous studies revealed that thermal remote sensing presents a high potential for the identification of groundwater exfiltration zones. The high-resolution data collected in a known groundwater exfiltration zone allowed for identifying small streams presenting a colder and more stable temperature than surrounding surface objects. These small streams are most likely fed by the discharge of groundwater, the latter presenting a colder and more stable temperature than surface waters during the summer. The high-resolution data collected within a sand and gravel extraction site allowed for mapping the LST of inorganic soils located at different elevations above the groundwater table. The data revealed that soils located closer to the groundwater table present a surface temperature that is colder and less variable than that of soils located further from the water table. These data were compared to 1D models constructed using SEEP/W and TEMP/W in order to provide a quantitative evaluation of the influence of groundwater depth on LST. The simulation results were considered to be consistent with remote sensing LST data. The simulations further allowed for evaluating the influence of air temperature, wind speed and vegetation height on LST. From a scientific perspective, this study contributes to the development of remote sensing approaches presenting a high potential for hydrogeological studies. Such approaches are critically needed in vast and remote areas such as northern Quebec and else where in Canada. From a societal standpoint, the approaches developed here present a high potential for mapping groundwater exfiltration zones and associated groundwater dependent ecosystems (GDE). Such information is needed in order to better protect groundwater and GDE in the context of land use planning.