Apports de la modélisation et de la télédétection dans l’étude de l’impact des changements climatiques sur les ressources en eau :Application aux périmètres irrigués du Loukkos et du Gharb (Maroc)

In the current context of perceptible climate change, this thesis work mainly aims to assess theimpact of these climate changes on water resources, at the level of irrigated perimeters of Loukkosand Gharb in northern Morocco. These perimeters are characterized by an oceanic-influenced Mediterraneanclimate and present significant agricultural activity. Therefore, the available water resourcesin this study region are used for irrigation to a large extent. To achieve this goal, the methodologyadopted in this research work was based on remote sensing, statistics, and modeling methods and tools.In order to generate and analyse the physical parameters of the study areas (Particulary, DEM andland use), the optical and radar satellite images (with a resolution of 30 m, Aster (2011) and Landsat(1984-1985, 2001-2002, 2015-2016 and 2016-2017) covering both perimeters were subjected to a set ofpre-processing and processing. This treatment process was, moreover, automated in this thesis work usingthe Web2TISat application, thus facilitating the images use in future. Random forest classificationprovided better accuracy with a kappa index exceeding 0.95 and an overall accuracy exceeding 96%.Comparison and spatial overlay of multi-date optical (Landsat, 30 m) images covering both perimetersshowed substantial spatial changes in land use and ground cover at both perimeters over the last 30years with variations from -52.78% to 292.29% over the period 1981 to 2016. The change results showthat, for both perimeters, the areas of agricultural land cover, building & infrastructure, water andforests have increased at expense of bare land and vegetation, which have experienced a dramatic loss.Moving to fine resolution (10m) could improve crop classification at three different levels.The statistical study of climate data from eight meteorological stations over the period rangingfrom 1981 to 2016 allowed us to track the spatial and temporal evolution of some climate indicators(Precipitation, Temperature and Evapotranspiration). These data, however, reveal sometimes gapsand irregularities that hinder their direct analysis. For this purpose, these data sometimes requiredpre-processing using imputation methods (MICE or k-NN). Furthermore, changes or breaks have beendetected in the past in time series of these climate variables and validated by statistical tests. Fortrends, temperature et potential evapotranspiration series showed significant upward trends in all timesteps. While for precipitation series, the trends were non-significant. Projections for the period of2021-2050, predict a temperature increase ranging from 1.7 °C in autumn to 1.9 °C in summer. Aswell as a notable reduction in precipitation reaching 15% in winter and 10% in summer. However, anincrease in precipitation with 10% would be observed in spring in comparison with reference period(1981-2016), which could considerably affect water resources in these perimeters. We have automatedall statistical processing in this work through the WebTDClim application.In addition, the 2CAFDYM cellular automaton model, having as input data the physical parametersof both perimeters, the climatic parameters and by referring to climatic scenarios (reference andprojected: optimistic and pessimistic) was used and by adapting it to study areas specificities (suchas the large surface area: 8708 km2 divided into 9675555 cells). The results of the model show that,on a spatial scale, the water resources availability would be impacted slightly differently depending onthe area. For groundwater, Gharb perimeter would be more affected than of Loukkos perimeter fromNovember to August for the two projected scenarios and the reverse would occur for the months ofSeptember and October. The decrease would reach 15.96% for Gharb and 10.94% for Loukkos. Forsurface water, the results of the simulations indicate, on an annual scale, a decrease ranging from 0.75%to 33.65%, depending on the scenarios and the perimeters. Overall, on a seasonal scale, the simulationsfor 2050 foresee a slight shift of the wettest season of hydrological year and predict a future thatdeserves a model of sustainable water resource management and an adaptation of farming practices.Dans le contexte des changements climatiques perceptibles actuellement, ce travail de thèse viseprincipalement à évaluer l’impact de ces changements climatiques sur les ressources en eau, et ce au niveaudes périmètres irrigués du Loukkos et du Gharb au nord du Maroc. Ces périmètres se caractérisentpar un climat méditerranéen à influence océanique et présentent une importante activité agricole. Lesressources en eau disponibles, dans cette région d’étude, sont par conséquent utilisées en grande partiepour l’irrigation. Pour atteindre cet objectif, la méthodologie adoptée dans ce travail de recherche, s’estappuyée sur des méthodes et des outils de la télédétection, de la statistique et de la modélisation.Afin de générer et d’analyser les paramètres physiques de la région d’étude (notamment le MNTet l’occupation du sol), les images satellitaires optique et radar (ayant une résolution de 30 m, Aster(2011) et Landsat (1984–1985, 2001–2002, 2015–2016 et 2016–2017)) couvrant les deux périmètres ontfait l’objet d’un ensemble de prétraitement et traitement. Ce processus de traitement a été, par ailleurs,automatisé dans ce travail de thèse via l’application Web2TISat facilitant ainsi l’usage des images dansle futur. La classification par la méthode "forêt aléatoire" a donné une meilleure précision avec un indicede kappa supérieur à 0,95 et une précision globale supérieure à 96%. La comparaison et la superpositionspatiale des images Landsat multi-date couvrant les deux périmètres ont permis de faire ressortirqu’il y a eu des changements spatiaux importants d’utilisation et d’occupations des terres au niveaudes deux périmètres durant ces 30 dernières années avec des variations de −52,78% à 292,29% sur lapériode allant de 1981 à 2016. Les résultats de changement montrent que, pour les deux périmètres, lessuperficies de couvertures des terres agricoles, bâtiment et infrastructure, eau et forêts se sont accruesau détriment des terres nues et de la végétation, qui ont connu une perte spectaculaire. Le passage àune résolution fine (10m) pourrait améliorer la classification des cultures à trois niveaux différents.L’étude statistique des données climatiques issues de huit stations météorologiques sur une périodeallant de 1981 à 2016, nous a permis de tracer l’évolution spatio-temporelle de certains indicateurs climatiques(Précipitations, Température et Évapotranspiration). Toutefois, ces données montrent parfoisdes lacunes et des irrégularités qui entravent leur analyse directe. Pour cela, ces données ont nécessitéparfois un prétraitement au préalable par des méthodes d’imputations (MICE ou k-NN). Par ailleurs,des changements ou des ruptures ont été détectés dans le passé au niveau des séries chronologiques deces variables climatiques et validés par des tests statistiques. Pour les tendances, les séries des températureset évapotranspiration potentielle présentaient des tendances significatives à la hausse à tousles pas de temps. Tandis que pour les séries des précipitations, les tendances étaient non significatives.Les projections pour l’horizon 2021-2050, prévoient une élévation de la température allant de 1,7 °C enautomne à 1,9 °C en été. De même qu’une réduction remarquable des précipitations atteignant 15% enhiver et 10% en période d’été. Toutefois, une augmentation des précipitations de 10% s’observerait auprintemps en comparaison à la période de référence (1981-2016), ce qui pourrait affecter considérablementles ressources en eau dans ces périmètres. Nous avons automatisé tous les traitements statistiquesutilisés dans ce travail à travers l’application WebTDClim.Par ailleurs, le modèle d’automate cellulaire 2CAFDYM, ayant comme données d’entrée les paramètresphysiques des deux périmètres, les paramètres climatiques et en faisant références à des scénariosclimatiques (de références et projetés : optimiste et pessimiste) a été utilisé et en l’adaptant aux spécificitésdes régions d’étude (telle que la superficie importante : 8708 km2 répartie en 9675555 cellules).Les résultats du modèle, montrent qu’à l’échelle spatiale, la disponibilité des ressources en eau seraitimpactée de manière légèrement différente selon la zone. Pour les eaux souterraines, le périmètre duGharb serait plus touché que le périmètre du Loukkos du mois de novembre au mois d’août pour lesdeux scénarios projetés et l’inverse se produirait pour les mois de septembre et octobre. La baisse atteindrait15,96% pour le Gharb et 10,94% pour le Loukkos. Pour les eaux de surface, les résultats dessimulations indiquent, à l’échelle annuelle, une diminution allant de 0,75% à 33,65%, selon les scénarioset les périmètres. Globalement, à l’échelle saisonnière les simulations à l’horizon 2050 prévoient unléger décalage de la saison la plus humide de l’année hydrologique et présagent d’un futur qui mériteun modèle de gestion durable des ressources en eau et une adaptation des pratiques culturales