L'érosion côtière est un défi mondial qui menace des milliards de dollars en biens, en infrastructures essentielles et en écosystèmes fragiles. Le rythme auquel les rives se replient s'est accéléré en raison de l'élévation du niveau de la mer, de l'intensification de l'activité des tempêtes et des interventions humaines. La prévention et la gestion efficaces exigent des mesures précises et répétables des paysages subaériens et sous-marins.

Qu'est-ce que le levé hydrographique?

Les relevés hydrographiques sont la science de la mesure et de la description des caractéristiques physiques des plans d'eau et de leurs zones côtières adjacentes. Ils produisent des cartes précises de la topographie du fond marin, des profondeurs d'eau, des positions du rivage et des dangers submergés.

Les relevés d'aujourd'hui permettent de saisir la composition des sédiments, les propriétés des colonnes d'eau et les modèles de changement temporel. Pour la gestion de l'érosion côtière, les extrants critiques sont des ensembles de données répétables qui révèlent la quantité de terres perdues ou gagnées au cours des mois, des années et des décennies.

Le rôle des données hydrographiques dans la gestion de l'érosion

Les relevés hydrographiques fournissent les données quantitatives nécessaires pour comprendre ces facteurs à l'échelle locale. Sans bathymétrie précise et géométrie du rivage, les modèles d'érosion demeurent spéculatifs. Avec les données, les ingénieurs peuvent identifier les points chauds d'érosion et concevoir des interventions qui fonctionnent avec, plutôt que contre, les processus naturels.

Les principales utilisations des données hydrographiques dans la gestion de l'érosion sont les suivantes :

  • Cartographie de base:[ Établissement de la topographie initiale et de la bathymétrie d'un segment côtier à l'égard duquel tous les changements futurs sont mesurés.
  • Détection de changement :[ Réalisation de relevés répétés pour quantifier les taux d'érosion, les voies de transport des sédiments et l'impact des tempêtes ou des cycles saisonniers.
  • Évaluation des risques :[ Identifier les zones où l'érosion menace les bâtiments, les routes, les services publics ou les habitats sensibles, comme les zones humides et les dunes.
  • Input de conception:[ Fournir les contours détaillés du fond marin nécessaires pour modéliser la propagation des vagues, le mouvement des sédiments et les charges structurales sur les mesures de contrôle de l'érosion.
  • Surveillance du rendement:[ Évaluer si un projet de revêtement de la mer, d'aine, de rénovation ou de plage se déroule comme prévu et si des ajustements sont nécessaires.

Une seule étude permet de saisir l'ensemble du profil côtier depuis la dune de l'arrière-côté jusqu'à l'estran et jusqu'à la zone côtière proche. Lorsque ces profils sont comparés au cours des années successives, les données révèlent non seulement la variation nette, mais aussi la variabilité saisonnière qui permet de distinguer les fluctuations naturelles des tendances à long terme.

Techniques clés de levé hydrographique

Les levés hydrographiques modernes utilisent une gamme de technologies adaptées à différentes profondeurs d'eau, aux conditions de clarté et aux exigences de résolution des données. Le choix de l'équipement dépend des objectifs des levés, du budget et des contraintes environnementales.

Échosounders multifaisceaux (MBES)

Les systèmes sonar multifaisceaux émettent un éventail de faisceaux acoustiques qui balaient le fond marin, retournant des centaines de sondes par ping. Ils produisent des cartes bathymétriques à haute résolution avec une précision verticale de centimètre et une résolution horizontale de sous-mètre. Le MBES est la norme pour des relevés détaillés dans des environnements près du rivage et des plateaux où les processus d'érosion créent des formes de lit complexes comme les creux, les barres et les trous de rainure.

Échosounders à faisceau unique (SBES)

Les systèmes à faisceau unique mesurent la profondeur directement sous le navire de levé le long d'une ligne de profil unique. Ils sont moins coûteux et plus simples à déployer, ce qui les rend adaptés aux relevés de reconnaissance ou à la surveillance à long terme de transects définis. Bien que la couverture soit clairsemée, les lignes à faisceau unique répétées à des endroits fixes peuvent détecter des changements de profondeur aussi petits que quelques centimètres lorsqu'elles sont corrigées pour les marées et le mouvement des navires.

Bathymétrie LiDAR aéroportée (ALB)

Les lasers à ondes vertes pénètrent dans l'eau claire jusqu'à 50 mètres de profondeur dans des conditions optimales, tandis que les lasers à infrarouge proche cartographient la plage exposée et les dunes. Les modèles d'élévation topobathymétrique sans soudure qui en résultent sont précieux pour les études d'érosion côtière parce qu'ils capturent l'ensemble du profil côtier dans une seule étude. ALB est particulièrement efficace dans les îles-barrières, les embouchures estuaires et les environnements de récifs coralliens où l'accès aux bateaux est difficile.

Bathymétrie par satellite (SDB)

Bien que la BSD ait une résolution inférieure (généralement de 2 à 10 mètres) et une profondeur limitée (moins de 20 mètres), elle offre une large couverture spatiale à intervalles réguliers de révision. Pour les programmes de surveillance à grande échelle de l'érosion, la BSD complète les relevés effectués par les navires en combleant les lacunes entre les campagnes de terrain et en captant les changements provoqués par les tempêtes dans les jours suivant un événement.

Véhicules autonomes sans équipage (UAV et véhicules utilitaires lourds)

La technologie des drones a transformé le levé côtier. Les drones aériens équipés de caméras RGB ou de légers LiDAR peuvent cartographier la topographie de plage et les falaises à très haute résolution (centimètre-niveau). Les navires de surface déverrouillés (USV) transportent des sonars à faisceaux simples ou multifaisceaux dans des eaux peu profondes ou dangereuses où les bateaux habités ne peuvent pas fonctionner en toute sécurité.

GPS et GNSS en temps réel (RTK)

Toutes les mesures hydrographiques doivent être géoréférencées sur un système de coordonnées stables. Les récepteurs GPS et GNSS RTK assurent un positionnement au centimètre en corrigeant les signaux satellites avec les références de la station de base. Lorsqu'ils sont intégrés aux capteurs de mouvement inertiel et aux systèmes de cap du navire, ils corrigent la charge, le tangage et le roulis induits par les ondes, en veillant à ce que les sondages de profondeur soient placés avec précision même dans les mers rugueuses.

Applications et études de cas

Les relevés hydrographiques ont été appliqués avec succès dans les régions exposées à l'érosion dans le monde entier. Les exemples suivants illustrent comment les approches fondées sur les données ont guidé les décisions de gestion.

Surveillance du bruit le long de la côte atlantique des États-Unis

Au New Jersey, le U.S. Army Corps of Engineers effectue des relevés hydrographiques annuels des plages nourries de la ligne de dunes jusqu'à une profondeur de 10 mètres. Les relevés permettent de suivre la quantité de sable restante, où il se déplace pendant les tempêtes, et la fréquence à laquelle il faut se réalimenter. Des données multifaisceaux ont révélé qu'un nor-

Réaction aux effets des tempêtes dans le golfe du Mexique

Suite à l'ouragan Michael (2018), le département de la Protection de l'environnement de la Floride a utilisé le LiDAR aéroporté et des relevés multifaisceaux effectués par navires pour quantifier l'érosion le long du Panhandle. Les modèles de topobathymétrie avant et après ont montré que plus de 60% du système de dunes avaient été réduits de 10 à 30 mètres, et que les barres de sable près du rivage avaient migré de 100 mètres au maximum. Les données de l'enquête ont servi à calculer le volume de sable nécessaire à la restauration d'urgence et à remanier le profil de la plage pour mieux absorber l'énergie future des tempêtes. USGS fournit un accès public à ces ensembles de données d'après-tempête pour la recherche et la prise de décisions.

Gestion du delta et de l'estuaire en Asie du Sud-Est

Les relevés hydrographiques effectués par le ministère vietnamien des Ressources naturelles et de l'Environnement, en collaboration avec des partenaires internationaux, utilisent le sonar à faisceau unique et la bathymétrie par satellite pour cartographier l'érosion du front externe du delta. Les données montrent que la côte a reculé en moyenne de 32 mètres par an entre 2015 et 2020 dans les secteurs les plus exposés. Ces données ont permis de construire des clôtures en bambous à coup d'onde et des plans de plantation de mangroves qui ont ralenti les taux d'érosion de 50 % dans les sites pilotes. ]Les études de cas de l'UICN documentent l'intégration des données hydrographiques avec l'adaptation communautaire.

Changement de rivage arctique à partir de la dégel de Pergélisol

En Alaska et au Canada, les températures de réchauffement accélèrent l'érosion côtière lorsque les bluffs de pergélisol s'effondrent dans la mer. Les relevés hydrographiques effectués à l'aide de navires autonomes et de drones aériens ont permis de capter des taux annuels dépassant 20 mètres de recul dans certains endroits.Les données ont aidé la Commission géologique des États-Unis à modéliser la façon dont la perte de glace de mer et l'augmentation de la récupération des vagues remodeleront les côtes arctiques au cours des prochaines décennies.

Défis et limites

Malgré sa puissance, le levé hydrographique est confronté à des obstacles qui peuvent limiter son efficacité pour la gestion de l'érosion.

  • Conditions météorologiques et maritimes :[ Les hautes vagues, les forts courants et la mauvaise visibilité limitent les fenêtres de levé, en particulier en haute mer et dans les milieux polaires. Les tempêtes qui causent le plus d'érosion rendent également les relevés impossibles pendant et immédiatement après les événements, retardant la collecte des données lorsque cela est le plus nécessaire.
  • Limpidité de l'eau: La radiobalphanie aéroportée et la bathymétrie par satellite nécessitent une eau claire.Les eaux côtières turbides, surtout dans les milieux deltaïques et boueux, réduisent la pénétration et la précision, forçant la dépendance à l'acoustique à bord des navires, qui sont plus lentes et plus coûteuses.
  • Coût et expertise:[ Les levés multifaisceaux et les campagnes de LiDAR aéroportées sont coûteux, souvent supérieurs à 10 000 $ par kilomètre carré.
  • Intégration des données: La combinaison des relevés de différentes plates-formes, époques et données verticales nécessite un traitement minutieux pour éviter les artefacts. Les corrections de marée, les modèles géoid et les filtres de mouvement des navires doivent être cohérents dans les séries chronologiques pour détecter de petits changements de façon fiable.
  • Résolution temporaire : La plupart des relevés d'érosion sont effectués annuellement ou deux fois par année. Cette fréquence peut manquer d'importants événements d'érosion qui se produisent pendant une seule tempête ou en une saison. Les relevés à haute fréquence effectués à l'aide de drones ou de caméras à terre automatisées commencent à combler cette lacune, mais ne sont pas encore généralisés.

Tendances futures de l'arpentage hydrographique pour l'érosion

Plusieurs progrès technologiques et méthodologiques promettent de rendre les données hydrographiques plus accessibles, plus fréquentes et plus prédictives.

Réseaux autonomes d'enquêtes

Les avions à ondes solaires et les véhicules à longue durée de vie peuvent rester en station pendant des semaines, en retournant des données en temps réel et en cours par satellite. Les réseaux de ces véhicules pourraient créer un rideau de surveillance permanent le long des côtes vulnérables, en détectant les phénomènes d'érosion en quelques heures.

L'apprentissage automatique pour la détection du changement

Le traitement automatisé des ensembles de données de relevés répétés à l'aide de réseaux neuronaux convolutionnels permet maintenant d'identifier des caractéristiques d'érosion telles que les écarpes, les bermes et les creux sans numérisation manuelle. Les algorithmes d'apprentissage automatique fusionnent également des données multisources (imagerie par satellite, LiDAR, sonar) pour combler les lacunes et réduire le bruit.

Intégration avec les modèles numériques

La prochaine frontière consiste à combiner les données hydrographiques en temps réel avec les modèles d'érosion fondés sur les processus. Plutôt que d'utiliser des relevés pour valider un modèle après coup, les données sont continuellement assimilées, ce qui permet aux modèles de prévoir l'érosion jusqu'à des semaines à l'avance avec une incertitude quantifiée.

Science citoyenne et capteurs à faible coût

Pour les régions où les données sont recueillies, les sondes d'écho à faible coût montées sur des bateaux de pêche, des kayaks ou même des bouées flottantes peuvent contribuer à la bathymétrie par la foule. Des plateformes comme l'initiative de bathymétrie par la foule de l'Organisation hydrographique internationale encouragent les marins à enregistrer les données de profondeur à partir d'équipement de navigation standard.

Conclusion

La prévention et la gestion de l'érosion côtière dépendent fondamentalement de la connaissance de l'emplacement du littoral et de son évolution. L'arpentage hydrographique fournit cette connaissance avec une précision, une couverture et une actualité croissantes. De la cartographie sonar multifaisceaux de lit près du rivage à la LiDAR basée sur drone des falaises en disparition, chaque technique contribue à un casse-tête. Comme les plates-formes autonomes, l'apprentissage automatique et l'assimilation en temps réel des données mûrissent, les données hydrographiques passent des instantanés occasionnels aux flux continus, ce qui permet aux communautés de s'adapter avant que l'érosion ne devienne une crise.