Les défis de la mesure des précipitations dans les milieux boisés et en jungle denses à des fins techniques

La mesure précise des précipitations est une exigence fondamentale pour presque tous les projets d'ingénierie civile et environnementale.De la conception de systèmes de drainage urbain à la gestion des réservoirs hydroélectriques et à la stabilité à long terme des couloirs de transport, les données sur les précipitations entraînent des décisions qui ont des milliards de dollars en capital et, plus grave, affectent la sécurité publique et la santé des écosystèmes.Dans les environnements forestiers denses et de jungle, comme le bassin de l'Amazonie, le bassin du Congo, les forêts tropicales de l'Asie du Sud-Est et les forêts tropicales tempérées côtières du Pacifique Nord-Ouest, les mesures fiables des précipitations présentent un ensemble distinct d'obstacles physiques, logistiques et méthodologiques qui sont beaucoup plus graves que ceux rencontrés dans les terrains ouverts ou tempérés.

Défis uniques dans les milieux boisés et de jungle denses

La structure physique d'une forêt dense ou d'une jungle interagit avec les précipitations de façon à modifier fondamentalement la quantité, le moment et la distribution spatiale de l'eau qui atteint les instruments de mesure. Les ingénieurs qui traitent ces environnements comme des extensions simples des régimes de précipitations à ciel ouvert produiront des conceptions qui sont dangereusement sous-conservatrices ou inutilement coûteuses.

Interception et redistribution des canopies

Lorsqu'une pluie rencontre un couvert forestier, une fraction de l'eau adhère aux feuilles, aux branches et à la croissance épiphyte, comme les mousses, les fougères et les broméliades. Cette eau interceptée n'atteigne pas immédiatement le sol; elle s'accumule plutôt jusqu'à ce que la capacité de stockage du couvert soit dépassée, après quoi l'eau s'écoule en trop comme en aval, descend des tiges et des troncs comme en aval, ou s'évapore pendant et après la tempête. Les recherches résumées dans le World Meteorological Organization's Guide to Instruments and Methods of Observation indiquent que l'interception du couvert peut enlever de 10 à 50 % des précipitations brutes dans les forêts tropicales, selon la densité du couvert, l'indice de surface des feuilles, l'intensité des tempêtes et la vitesse du vent.

Pertes par évaporation et effets sur le microclimat

Même lorsque les précipitations atteignent le sol ou un orifice de jauge, les pertes d'évaporation subséquentes peuvent entraîner des biais importants. Les milieux de la jonglerie maintiennent des déficits de pression de vapeur presque saturés pendant une bonne partie de l'année, combinés à des températures ambiantes élevées et à de faibles vitesses de vent au sol forestier. Dans ces conditions, l'eau recueillie dans un pluviomètre cylindrique standard peut subir une évaporation mesurable entre les intervalles d'observation, surtout lorsque les jauges ne sont lues manuellement qu'une seule fois par jour. Les études menées dans les forêts amazoniennes et d'Asie du Sud-Est ont permis de documenter des pertes d'évaporation post-événement de 2 à 8 % du volume de pluie enregistré dans des jauges non blindées, les pertes les plus importantes étant proportionnelles étant observées lors de précipitations légères inférieures à 5 millimètres par jour.

Variabilité spatiale orographique et végétative

Les forêts denses sont souvent situées dans des terrains montagneux ou accidentés, la transition Andes-Amazon, les hauts plateaux du centre du Vietnam, les hautes terres de Papouasie-Nouvelle-Guinée, les pentes boisées de l'escarpement éthiopien, où le levage orographique crée des gradients de précipitations abrupts. Une seule jauge à une station météorologique à fond de vallée peut capter moins de la moitié des précipitations annuelles tombant sur les crêtes environnantes à 2 kilomètres de distance. La mission NASA Global Currency Measurement (GPM) a contribué de façon significative à comprendre ces gradients à l'échelle régionale, mais le recyclage des précipitations à partir de 5 kilomètres à 10 kilomètres de résolution des produits satellitaires est souvent trop grossière pour la conception technique propre au site, en particulier pour les petits captages de moins de 50 kilomètres carrés.

Accessibilité et fiabilité de l'équipement

Les capteurs électroniques sont exposés à une corrosion accélérée due à une humidité élevée, à la condensation et à l'eau acide produite par la décomposition des matières organiques. Les panneaux solaires – souvent utilisés pour alimenter des stations météorologiques automatiques à distance – peuvent être ombragés par des végétaux à croissance rapide qui doivent être nettoyés sur une base mensuelle ou même hebdomadaire. Les capteurs électroniques font face à une corrosion accélérée due à une forte humidité, à la condensation et à l'eau acide produite par la décomposition des matières organiques. Les panneaux solaires – souvent utilisés pour alimenter des stations météorologiques automatiques à distance – peuvent être ombragés par des végétations à croissance rapide qui doivent être éliminées sur une base mensuelle ou hebdomadaire.

Méthodes de mesure et technologies pour surmonter les défis

Reconnaissant les limites des pluviomètres classiques en terrain boisé, la communauté hydrologique et météorologique a mis au point une série d'approches complémentaires qui, lorsqu'elles sont déployées en combinaison, peuvent donner des estimations de précipitations beaucoup plus fiables.

Approches au sol : conception et stratégies de placement des jauges

Les jauges à gaine qui comportent un écran de vent autour de l'orifice peuvent réduire les prises sous-jacentes de l'air turbulent, ce qui est particulièrement important dans les clairières forestières où les tourbillons de vent se forment à la bordure de la couverture. Les jauges souterraines ou les jauges de fosses[, où l'orifice de jauge est mis en chasse avec la surface du sol dans une fosse entourée d'une grille anti-éclaboussure, éliminent virtuellement les pertes d'évaporation et les prises sous-jacentes induites par le vent, mais elles nécessitent des fouilles et sont plus vulnérables aux inondations, à l'accumulation de litières foliaires et aux perturbations animales. Les transects de passage composés de creux longs et étroits dans des zones de captage appropriées (gutter-type gauges) qui recueillent l'eau le long d'une ligne de 10 à 20 mètres fournissent un échantillon intégré qui réduit la variabilité des mesures ponctuelle sous une couverture

Télédétection à partir de satellites et de radars météorologiques

Pour les systèmes de collecte de données, les données de collecte de données sur les précipitations sont des données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de collecte de données sur les précipitations, les données de données de collecte de données

Stations météorologiques automatiques et réseaux de capteurs compatibles avec l'IoT

[Les systèmes modernes peuvent comprendre des jauges à basculement chauffés qui permettent d'atténuer les encrassements des débris ou des jauges de précipitation de type pesant qui mesurent toutes les formes de précipitations sans mouvement de parties, réduisant ainsi la fréquence de maintenance. Les zones de capteur compatibles avec l'IoT (Campbell Scientific) Pluvio2[ et les jauges similaires sont largement utilisées dans la recherche forestière parce qu'elles fournissent un enregistrement continu de masse qui permet de détecter la perte d'évaporation et peuvent être corrigées par algorithme. Les nœuds de capteur compatibles avec l'IoT qui communiquent par le réseau satellite ou ]LoRaWAN les liaisons radio-réseaux peuvent transmettre l'état de la distribution de la jauge, la température interne—permettant aux ingénieurs de diagnostiquer les problèmes de télédétection et de planification des visites de maintenance ciblées.

Modélisation hydrologique et assimilation des données

Les données de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de modélisation de la méthode de la méthode de modélisation de

Incidences sur les projets d'ingénierie

Les inexactitudes et incertitudes inhérentes à la mesure des précipitations dans les milieux de la jungle se propagent directement dans les décisions de conception technique et la planification opérationnelle.Les ingénieurs doivent non seulement quantifier ces incertitudes mais aussi les intégrer dans les cadres de conception fondés sur les risques, ce qui peut nécessiter des marges de sécurité plus grandes ou des paramètres de conception plus conservateurs que ce qui serait nécessaire dans les régions tempérées bien instrumentées.

Conception d'infrastructures pour les pluies extrêmes

[Les données de la méthode de calcul de la valeur de référence sont les suivantes : [Les données de la méthode de calcul de la valeur de référence sont les suivantes :] [Les données de la méthode de calcul de la valeur de référence sont les données de la méthode de calcul de la valeur de référence de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la méthode de calcul de la valeur de référence de la valeur de la valeur de référence de la

Gestion des ressources en eau et hydroélectricité

Pour ce qui est du calibrage des réservoirs, de l'évaluation du rendement de l'hydroélectricité et de la planification de l'approvisionnement en eau, l'apport critique en précipitations est la moyenne annuelle à long terme et sa variabilité interannuelle.La sous-estimation systématique des précipitations due à l'interception et à la perte par évaporation des couvert, qui peut atteindre 15 à 25 % dans les forêts tropicales si elle n'est pas corrigée, fera que le rendement prévu d'un bassin versant sera faible en conséquence.Cela peut conduire à une surdimensionnement des réservoirs qui ne se remplissent jamais à la capacité, à la perte de capital ou à une sous-dimension avec le risque de pénuries au cours des années de sécheresse.

Contrôle de l'érosion et stabilité du tube

L'intensité et la durée des précipitations sont les principaux facteurs de l'érosion du sol et de l'instabilité des pentes dans les terrains boisés. Équation de la perte de sol universelle révisée (RUSLE)[ et ses variantes exigent le facteur d'érosion des précipitations, qui est fonction de l'énergie cinétique de l'impact de la pluie et de l'intensité maximale de 30 minutes des tempêtes. Dans les forêts denses, la couverture végétale atténue l'énergie de la pluie dans une certaine mesure, mais la chute des feuilles et des branches peut générer des chutes de diamètre plus grand que celles des précipitations libres, ce qui entraîne un impact local de haute énergie difficile à saisir avec des calculs d'érosion standard.

Considérations environnementales et écologiques

Les erreurs de mesure des précipitations se propagent dans les estimations des changements du régime de débit en aval, de la modification de la fréquence des crues et de la recharge des eaux souterraines.Le Programme des Nations Unies pour l'environnement (PNUE) et les Normes environnementales de la Banque mondiale exigent que l'impact hydrologique cumulatif de multiples interventions techniques dans un bassin versant forestier soit évalué à l'aide de modèles étalonnés pour mesurer les données.Si le relevé des précipitations est biaisé, le modèle produira des prévisions biaisées de débit pendant les périodes d'inondation et de sécheresse, ce qui peut conduire à des évaluations incorrectes des risques pour les espèces menacées, la végétation riveraine et les communautés en aval.Dans de nombreux milieux forestiers tropicaux, il n'existe pas de réseau de mesure établi, et les ingénieurs doivent en établir un à partir de zéro.

Études de cas sur les principaux bassins forestiers tropicaux

Les conséquences réelles des difficultés de mesure des précipitations sont illustrées par des études de cas dans les trois plus grandes régions forestières tropicales, où les projets d'ingénierie ont dû faire face à de graves limites de données.

Le bassin de l'Amazone

Dans l'Amazonie, l'Agência Nacional de Águas (ANA) exploite un réseau d'environ 2 000 pluviomètres sur une superficie de 7 millions de kilomètres carrés, une densité d'un calibre par 3 500 kilomètres carrés, qui est bien inférieure au minimum recommandé pour l'hydrologie technique. Un projet hydroélectrique sur la rivière Tapajós, par exemple, a fait appel à une combinaison de 12 pluviométries dans un rayon de 100 kilomètres du site du barrage, complétée par la mission de mesure des précipitations tropicales (TRMM). Le produit satellite a été trouvé pour sous-estimer les précipitations annuelles du bassin d'environ 12 pour cent par rapport à une campagne de recherche plus tardive, plus dense, mais le satellite a correctement saisi le fort gradient de précipitations de l'ouest à l'est que les jauges seules avaient manqué.

Afrique centrale et bassin du Congo

Le bassin du Congo est l'une des régions les plus exposées à l'érosion de la Terre pour la mesure des précipitations. Un projet de réhabilitation routière et ferroviaire en République démocratique du Congo, financé par la Banque africaine de développement, a nécessité la conception de structures de drainage pour un corridor de 500 kilomètres traversant une forêt tropicale dense et un terrain marécageux. Les données de jauge disponibles se composaient de seulement trois stations ayant des relevés de moins de 10 ans et des lacunes fréquentes. L'équipe de projet a utilisé la réanalyse ERA5[ pour prolonger le record de pluie à 40 ans et étalonné la réanalyse par rapport aux données de jauge disponibles pour corriger un biais sec systématique identifié dans la réanalyse du bassin du Congo.

Jungles d'Asie du Sud-Est

En Asie du Sud-Est, les forêts montagneuses du Laos, du Myanmar et du Vietnam présentent une combinaison de précipitations de terrain et de mousson qui produisent certaines des intensités de précipitations les plus élevées sur Terre. Un projet hydroélectrique au centre du Laos, avec un barrage de 200 mètres de hauteur sur un affluent du Mékong, a fait face au problème de jauger les précipitations sur des pentes abruptes et boisées accessibles uniquement à pied pendant la saison sèche. Les ingénieurs ont déployé six stations météorologiques automatiques avec télémétrie satellite, chacune équipée d'un jaugeur de pesage et d'un jaugeau à basculement chauffé. Malgré cet équipement, l'entretien n'a pu être effectué que pendant trois mois de l'année, et des lacunes de données se sont produites pendant les mois de pointe de la mousson lorsque les précipitations les plus fortes ont été enregistrées. L'équipe a utilisé un générateur de pluie [ stochastique conditionné sur les données satellitaires disponibles pour remplir les relevés de jauge manquants, et a ensuite effectué une simulation Monte Carlo des entrées de réservoir pour obtenir des distributions de probabilités élevées pour les inondations de déversements.

Technologies émergentes et orientations futures

La prochaine décennie promet des améliorations significatives dans la capacité de mesurer les précipitations dans les milieux forestiers et de jungle. Plusieurs trajectoires technologiques convergent pour répondre aux défis spécifiques décrits dans cet article.

Les systèmes aériens sans équipage (UAS) ou les drones équipés de radiomètres micro-ondes légers et à visée descendante peuvent voler sous la couverture forestière pour mesurer l'humidité du sol et en déduire les précipitations, ou voler au-dessus de la couverture pour capturer la répartition spatiale de l'humidité de la couverture. Des campagnes expérimentales menées au Costa Rica et en Malaisie ont démontré que les capteurs montés sur drones peuvent cartographier la variabilité des chutes à la résolution du sous-mètre, fournissant des données qui peuvent être utilisées pour concevoir des réseaux de jauges de sol optimales.

Les réseaux neuraux formés sur des réseaux à jauges clairsemées dans les forêts tropicales peuvent apprendre les relations complexes et non linéaires entre les rayons satellites et les précipitations de surface, en tenant compte de l'interception du couvert, de l'évaporation et des effets orographiques. ]Le produit IMERG Final Run[ intègre déjà un algorithme de correction basé sur des jauges, mais la densité spatiale des jauges dans les forêts tropicales est si faible que la correction a un effet limité.Les groupes de recherche mettent au point des méthodes qui utilisent les données de débit comme cible de formation pour la correction des précipitations par apprentissage automatique, en utilisant efficacement le bilan hydrique comme outil de validation. Ces méthodes sont encore expérimentales, mais elles offrent la promesse de champs de précipitations qui sont compatibles avec le signal satellite et le ruissellement mesuré.

Les réseaux de capteurs à faible coût composés de pluviomètres et de microcontrôleurs à source ouverte et peu coûteux reliés par des réseaux à large bande à faible puissance (LoRaWAN) peuvent être déployés à des densités beaucoup plus élevées que les stations automatiques traditionnelles. Bien que la précision des capteurs à faible coût soit inférieure à celle des jauges professionnelles, la loi des grands nombres s'applique : un réseau dense de 50 capteurs à 200 $ chacun peut fournir une estimation plus fiable des précipitations aréales qu'une seule jauge professionnelle de 10 000 $, en particulier dans des environnements à grande variabilité spatiale.

Les missions radar spatiales au-delà de la constellation GPM actuelle sont en cours de planification. La mission NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR)[, prévue pour le lancement en 2024, fournira des observations radar en bande L et en bande S qui peuvent mesurer l'humidité et la structure de la végétation du sol à haute résolution spatiale. Bien que le NISAR ne mesure pas directement les précipitations, ses produits d'humidité du sol, lorsqu'ils sont combinés à un modèle hydrologique, peuvent limiter les apports de précipitations qui produisent les profils d'humidité du sol observés. La mission ESA Copernicus Sentinel-1 peut également être utilisée pour déduire les modèles de précipitations spatiales du changement de la répartition radar au fil du temps, car le sol humide et la végétation humide ont des signatures radar distinctes.

Conclusion

Pour les techniques de détection par drone, la correction des connaissances par machine, les réseaux de capteurs à faible coût et les radars spatiaux offrent un avenir prometteur où l'écart entre les besoins en données et la disponibilité des données dans les environnements de la jungle continuera de se rétrécir. Pour les techniques de détection par drone, la correction des connaissances par ordinateur, les réseaux de capteurs à faible coût et les radars spatiaux, les systèmes de mesure des précipitations par les techniques de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des précipitations par les techniques de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des précipitations par les techniques de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des eaux usées, les systèmes de mesure des eaux usées, les systèmes de surveillance des eaux usées, les systèmes de surveillance des eaux usées, les systèmes de surveillance des eaux usées, les systèmes de surveillance des eaux usées, les systèmes de surveillance des eaux usées, les systèmes de surveillance des eaux usées, les systèmes de surveillance des eaux usées, les systèmes de surveillance