APPORT DES SYSTÈMES D'INFORMATION GÉOGRAPHIQUE (SIG) POUR LA SURVEILLANCE ET

L'ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DES EAUX CÔTIÈRES. UNE CONTRIBUTION À LA GESTION INTÉGRÉE DE LA ZONE

CÔTIÈRE COLOMBIENNE

PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ D'ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT

SECTION DES SCIENCES ET INGÉNIERIE DE L'ENVIRONNEMENT

ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES

PAR

Luis Berardo BORDA

biologiste marin diplômé de la Fundacion Universidad de Bogotzi "Jorge Tadeo Lozano", Colombie et de nationalité colombienne

acceptée sur proposition du jury:

Prof. F. Golay, directeur de thèse Dr R. Caloz, rapporteur

Prof. C. Collet, rapporteur Dr J. Denis, rapporteur

Prof. J.-B. Lachavanne, rapporteur Prof. R. Schlaepfer, rapporteur

Lausanne, EPFL 2003

Résumé

Rappeler que les zones côtières sont le lieu de toutes les pressions démographiques, économiques et écologiques n'est pas un truisme, mais une nécessité. En effet, le modèle de développement socioéconomique exercé sur ces espaces a engendré de nombreux processus de détérioration qui se traduisent notamment par l'augmentation de la pollution marine côtière.

Le concept de Gestion Intégrée des Zones Côtières (GIZC) apparaît alors devant la nécessité de prendre en compte les relations complexes existant entre les activités humaines et le milieu littoral, ceci afin d'atteindre le but de développement durable de ces espaces. Cependant, la mise en application de ces notions nécessite une description exhaustive du milieu et de ses règles de fonctionnement, ainsi qu'une procédure interdisciplinaire pour l'analyse des problèmes de développement et d'échanges d'information. Pour ce faire, il est nécessaire de récolter, gérer, traiter et diffuser une masse considérable de données attributives et géoréférencées. Le Système d'Information Géographique (SIG) représente un outil géoinformatique relativement bien adapté pour répondre aux besoins exprimés ci-dessus. Ses capacités de stockage, de maintenance, de consultation, de diffusion et d'analyse en font un outil performant pour l'ensemble des activités de gestion et de recherche.

Après une évaluation générale de ces deux piliers (la GIZC et les SIG) sur lesquels s'appuie cette recherche, celle-ci se poursuit sur les aspects d'évaluation de la qualité des eaux côtières (question au cœur des problématiques dont la zone côtière est le siège), dans le cadre colombien. En effet, si les zones côtières colombiennes ne font pas partie des zones côtières les plus touchées par les problématiques les plus importantes au niveau mondial, elles présentent néanmoins des symptômes de détérioration, résultats d'une gestion inadéquate ou insuffisante. La Colombie ne dispose pas encore d'une vision intégrale et globale des écosystèmes, ni même d'une base analytique complète qui puisse prétendre s'approcher d'une gestion rationnelle et soutenable des ressources. Concernant la qualité de ces eaux côtières, la Colombie n'a pas formulé de normes nationales standard sur les niveaux autorisés de toxiques et de contaminants sanitaires dans le milieu marin, ni d'indicateurs pour évaluer les niveaux de risque auxquels sont exposés les écosystèmes marins et, encore moins, d'un système d'information concernant l'état de la qualité du milieu marin et de ses ressources naturelles.

Notre travail de recherche constitue donc un premier pas dans le domaine de la surveillance et l'évaluation de la qualité des eaux côtières en Colombie vers l'établissement du futur Système d'Information National Côtière (SIC) dont le ministère colombien de l'environnement planifie la mise en oeuvre. Dans ce contexte, les principaux résultats de notre étude peuvent se résumer comme suit :

Evaluation de l'état actuel de la gestion des zones côtières. Elle permet, à partir des entrevues réalisées auprès d'un groupe ciblé d'acteurs concernés, de décrire les attentes et contraintes les plus importantes du rôle que devrait jouer un SIG dans un cadre de la GIZC. Définition d'un référentiel géographique de la zone côtière. Examen et évaluation des différentes procédures de découpage des zones côtières basées sur une analyse spatiale. Avec le concours d'un groupe ciblé de personnes travaillant dans les centres les plus importants de gestion et de recherche du milieu marin en Colombie, un découpage du littoral Caraïbe colombien - ayant comme but la définition des unités de gestion et de surveillance - est proposé. Développement d'une méthodologie d'évaluation de la qualité des eaux côtières. Avec l'apport de l'Institut pour la recherche du milieu marin (INVEMAR), une liste exhaustive des indicateurs est établie. Le modèle conceptuel, physique et de traitements de données, ainsi que son exploitation à travers un SIG, sont présentés. Estimation et interpolation spatiale au moyen d'un SIG. Une étude géostatistique, en utilisant un jeu de données obtenues lors d'une campagne d'évaluation dans une des unités définies, permet de montrer l'intégration (performances et limitations) des SIG avec des outils géostatistiques. Développement d'une maquette SIG qui permet de montrer, à travers quelques exemples réels d'application, les potentialités des SIG et du Système de Gestion de Base des Données SGBD.

Abstract

To state that coastal zones are areas subject to a wide range of demographic, economical and ecological pressure is not a truism, but a necessity. lndeed, the socio-economic development modiel put into practice in these areas has given rise to numerous deterioration processes which result notably in increased marine coastal pollution.

The concept of Integrated Coastal Zone Management (ICZM)) arose in response to the need to consider the complex relationship existing between human activities and coasiral areas, and to bring about the sustainable development of these last. However, these notions cannot be put into practice without an exhaustive description of both the area in question and its operating d e s , not to mention an intertiisciplinary procedure for analysing the development and information exchange problenls that arise. To achiewe this it is necessary to gather, manage, process and diffuse a considerable mass of attributive and georeferenced data. A Geographical Information System (GIS) represents a geotechnological tool that is relatively well-adapted to respond to the needs mentioned above. Its capacities for storagr:, maintenance, consultation, diffusion and analysis of data make it an efficient tool for al1 types of management and research activities.

After a general evaluation of the ICZM and GIS tools used in this investigation, t h s investigation evaluates coastal water quality (the main coastal zone problein) within the Colombian fiamework. Colombian coastal zones may not appear to be the most affected coastal zones in the world, however they show symptoms of deterioration as a result of inadequate or insufficient management. As of yet, Colorribia does not have an integral and global vision of ecosystems, nor even a full analytical basis which may provide a rational and sustainable management of resources. Conceming coastal water quality, Colombia has not yet established national standards regarding authorised poison and contaminant levels in marine areas, nor indicators to evaluate the level of risk at which marine ecosystems are exposed, not to mention an information system compiling the quality of marine areas and their natural resources.

Our investigation constitutes the first step in the surveillance and evaluation of Colombian coastal water quality with the aim of contributing to the future National Coastal Information System (SIC) to be implemented by the Colombian Minister of Environment. Withiri this context, the main results of our study can be sumrnarised as follows:

Evaluation of present coastal zone management practices. From interviews conducted on a target group of affected actors, it is possible to describe the expectations and most important limitations to using a GIS within a GIZC fiamework. Definition of a referential geographical coastal zone. Investigation and evaluation of different procedures for dividing the coastal zones based on spatial analysis. With the participation of a target group of persons working in the nwst important Colombian marine research centers, a spatial division of the Colombian Caribbean Coast is proposed. The aim is to define management and surveillance units. Development of a methodology for evaluating coastal zone quality. With the aid of the Research lnstitute of Marine Areas (INVEMAR), a complete list of indicators is established. The conceptual, physical and data processing model is presented, as well as its operation by means of a GIS. Estimation and spatial interpolation by means of a GIS. A geostatistic study, using data obtained during an evaluation campaign in one of the defined spatial units, pennits an assessment of the integration level (performance and limitations) of a GIS with geostatistical tools. Development of a GIS mode1 that allows, through several real examples of application, the potential of a GIS and a Database Management System (SGBD).

Table des matières

Résumé

Abstract

Table de matières

Liste des figures

Liste des tableaux

Liste des annexes

i 11 ... 111

vii

ix

X

INTRODUCTION GENERALE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Mise en situation 1 ...................................................................................................... Importance et problématique des zones côtières ................................................................. 1

Rôle des SIG dans la GIZC 2 .......................................................................................... . .

Principales contraintes vers la GIZC .............................................................................. 3 . .

Objectifs ............................................................................................................... 4 Plan du rapport ........................................................................................................ 4

PREMIERE PARTIE : CADRE DU DOMAINE ETUDIE

CHAPITRE 1 CONCEPTS ET FONDEMENTS DE LA GESTION INTÉGRÉE DES

..................................................................................................................................... 1.2 LA ZONE CÔTIERE 9 . . . 1.2.1 Definition .................... .. ......................................................................................................... 9

............................................................................................................................... 1.2.2 Composantes 10 ................................................................................................................... 1.2.3 Problématique ....... ... 10

1.2.4 Gestion Intégrée et développement durable ................................................................................. 13 1.2.4.a Definition. object!f général et dérozrlenzent du processzis GIZC ................................................ 1 5

............................................................................................................... 1.2.4.6 Principes et fonctiorzs 17 ..................................................................................................................................... 1.2.4. c Acteurs 1 8

1.3 LES SYSTEMES D'INFORMATION GÉOGRAPHIQUE (SIG) . BREFS REPERES ............................................... 19 . . . . . 1.3.1 Definition et finalites ................... .. ............................................................................................. 19 1.3.2 Données ...................................................................................................................................... 20

..................................................................................................................... 1.3.2. a Bases de données 2 1 ...................................................................................................... 1.3.2. b Conception et fornzalisation 22

............................................................................................................................ 1.3.2. c Structuration 2 5 ................................................... .......................................... 1.3.2.d Métadonnées ............................. , , 2 6

1.3.2.e Echelle ...................................................................................................................................... 26 .................................................................................... 1.3.3 Analyse spatiale dans les SIG -Traitements 27

1.3.4 . . , Finalites ....................................................................................................................................... 29 . . ................................................................................................................................. 1.3.5 Logiciels SIG 29

.......................................................................................................... 1.4 LES SIG AU SERVICE DE LA GIZC 30 1.4.1 Interaction SIG - GIZC, quelques exemples d'application ........... .. ............................................. 31 1.4.2 Internet au service des SIG et de la GIZC ................................................................................... 39

........................................................................................ 1.4.3 Rôle des SIG dans le cadre de la GIZC 40 1.4.3.a Rôle principal des SIG ............................................................................................................. 4 1

.................................................................................................................. 1.4. 3 b Attentes de la GIZC 4 2

CHAPITRE 2 SURVEILLANCE ET ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DU MILIEU ..................................................................................... LITTORAL 45

................................................................ 2.3 CONCEPTS ET FONDEMENTS DU ZONAGE DE LA ZONE CÔTIÈRE 50 . . ................................................................................................................. 2.3.1 Définition du zonage 50 . .

.............................................................................. 2.3.2 Principe de délimitation du territoire littoral .... 51 ........................................................................................................... 2.3.2. a Découpage Iongitudinal. 52

.............................................................................................................. 2.3.2. b L)ecoupage tratn\~ersal 52

..................................................... 2.4 SURVEILLANCE ET EVALUATION DE LA QUALITE DES EAUX C~TIERES 52 ............................................. 2.4.1 L'eau. au centre de la problématique de la qualité du milieu littoral 52

............................................................................................................ 2.4.2 Thèmes les plus surveillés 54 .............................................................................................................. 2.4.3 Réseaux de surveillance 55 . .

2.4.4 Définition des indicateurs de qualite .............................................................................................. 57

................................... 2.5 UN RÉFERENTTEL GEOGRAPHIQUE ....................................................................... 60 . . ............................................................................................... 2.5.1 Mode vectoriel ou mode matriciel '? 60

2.5.2 Source et échelle des données .................. ... ....... .. .................................................................... 61 .......................................................................................................................... 2.5.3 Critères de qualité 63

2.6 BEAN ET CONSTAT DU CHAPITRE ............................................................................................................ 65

DEUXIEME PARTIE : APPORT DES SIG POUR L'EVALUATION DE LA QUALITE DE EAUX COTIERES (CADRE COLOMBIEN)

CHAPITRE 3 GIZC ET SIG EN COLOMBIE ........................................................... 67

3.2 LA GESTION DES ZONES CÔTIÈRES EN COLOMBIE .................................................................................... 68 3.2.1 Définition et délimitation de la zone côtière colombienne .......................................................... 68 3.2.2 Généralités et problèmes ......................... ...... ............................................................................. 71

. . . 3.2.3 Contexte institutionnel .................................................................................................................. 73 . . 3.2.4 Pnncipes adoptés ........................................................................................................................ 74

........................................................................................... 3.2.5 Objectifs formulés et situation actuelle 75

................................................................ 3.3 LE S U M DE LA QUALITE DES EAUX CÔTIÈRES COLOMBIENNES 76 3.3.1 Institut de Recherches Côtières et Marines (INVEMAR) ................................................................ 77 3.3.2 Centre de Recherches Océanographiques et Hydrographiques (CIOH} ..................................... 7 9 3.3.3 Apports des SIG ....................................................................................................................... 81

............................................................................. 3.4 L'IMBRICATION ENTRE GIZC ET SIG EN COLOMBIE 82 ................... ........................................................................ 3.4.1 Etat des lieux des applications SIG .. 83

............................................. ................ 3.4.2 Evaluation des attentes relatives au service des SIG ...... 85 .................................................................................................................................... 3.4.2. a Dorvlées 85

............................................................................................................................ 3.4.2.6 Logiciels SIG 87 3.4.2. c Utilisaleurs et orgatiisatiota ..................................................................................................... 87

....................................................................................................................... 3.4.2. d Architec~ure SIG 88

CHAPITRE 4 APPROCHE SPATIALE: PAR DÉCOUPAGE DU LITTORAL CARAIlBE COLOMBIEN .................................................................................. 91

............................................................................................ 4.2 LES MÉTHODES ALTERNATIVES DU ZONAGE 92 4.2.1 La problématique ....................................................................................................................... 92

.................................................................................................................... 4.2.1.a Approche objectise 93

................................................................................................................. 42.1. b Approche subjective 9 7 ...................................................................................................................... 4.2.I.c Approche "mixte " 99

4.3 LE DECOUPAGE DU LiTïORAL CARA~BE COLOMBEN ............................................................................. 102 4.3.1 Inventaire des cas de zonage de la zone côtière colombienne ..................................................... 103

.................................................................................................. 4.3.2 Evaluation des attentes relatives 106 4.3.2.a Vis-à-vis du découpage du littoral colombien .......................................................................... 106

................................................................................................... 4.3.2. b Vis-à-vis di1 service des SIG 1 0 7

4.4 PROPOSITION DE DECOUPAGE .............................................................................................................. 107 .......................................................................................................... 4.4.1 Evaluation des variables 108

4.4.I.a Limite lo~zgititudi~zale marine ................................................................................................... 109 .................................................................................................. 4.4.1. b Limite Iongitzrdinale terrestre 1 IO

............................................................................................................. 4.4.1.c Limites transversales 110 ...................................................................................................................... 4.4.2 Variables retenues 111

......................................................................................... 4.4.3 Des apports des SIG ................. .... 111 . . 4.4.4 Validation par des experts ......................................................................................................... 112

......................................................................... 4.4.5 Présentation des unités définies ............ ...... 114 .......................................................................... 4.4.6 L'échelle cartographique ............................ ... 118

............................................................................................. 4.4.6.a La tiotiotz de polygo~ze coniplexe 119 ..................................................................................................................... 4.4.6. b Niveau de délail 1 2 1

4.5 UNE BASE DE DONNEES GEOGRAPHIQUES .............................................................................................. 123

4.6 BILAN DU CHAPiTRE ........................................................................................................................... 125

CHAPITRE 5 MÉTHODOLOGIE ET STRUCTURE D'UNE BASE DE DONNÉES POUR LA QUALIFICATION DE LA QUALITÉ DES EAUX CÔTIÈRES (CADRE

5.1 INTRODUCTION ................................................................................................................................. 127

5.2 LA METHODOLOGIE D'ÉVALUATION DE LA QUALITE DES EAUX CÔTIERES .............................................. 128 5.2.1 Choix de paramètres .................................................................................................................... 128

............................................................................................................ 5.2.I.a Travail de I ' I N V W K 129 ........................................................................................................................... 5.2.1. b Notre apport 131

5.2.2 Choix des données .................................................................................................................... 132 ............................................................................................................... 5.2.3 Traitement des données 132

5.3 LA STRUCTURE DE LA BASE DE DONNEES ............................................................................................... 138 ........................................................................................ 5.3.1 Modélisation conceptuelle des données 138

........................................................................................................... 5.3.1.a Campagne d'évalimtion 139 ................................................................................................................ 5.3.1.6 Sites de prélèvement 130

........................................................................................................................... 5.3.I.c Prélèvements 141 ................................................................................................................................. 5.3.1.d Résultats 142

................................................................................................................................... 5.3.1. e Normes 143

5.4 BILAN ET CONSTAT DU CHAPITRE .......................................................................................................... 143

CHAPITRE 6 ESTIMATION ET INTERPOLATION SPATIALE APPROCHE GEOSTATISTIQUE ....................................................................... 147

6.2 CONCEPTS ET MÉTHODES D'UNE ÉTUDE GEOSTATISTIQUE ..................................................................... 149 ................................................................................................................... 6.2.1 Les données spatiales 149

.................................................................................. 6.2.2 L'interpolation de données géostatistiques 149 . . ................................................................................................... 6.2.3 Les SIG et la statistique spatiale 150

............................................................................................................................. 6.2.4 Notations 152

6.3 ANALYSE EXPLORATOIRE DES DONNÉES GEOSTATISTIQUES .................................................................. 153 ................................................................................................ 6.3.1 Présentation des données CGSM 1 5 3 . . .

................................................................................................. 6.3.2 Analyse descriptive univariee 154

. . . . . 6.3.3 Analyse descriptive bivariee ................................................................................................. 156 . . . . . 6.3.4 Analyse descriptive multivariee ................................................................................................ 157

6.4 ANALYSE QUANTlTATlVE DES DONNÉES GÉOSTATISTIQUEIS .................................................................... 159 6.4.1 Introduction .......................................................................................................................... 1 5 9 . . 6.4.2 Approche déterministe ................................................................................................................. 160

6.42. a Estimatioiz globale .................................................................................................................. 160 6.4.2. b Estimation locale ................................................................................................................. 161

6.4.3 Approche stochastique ............................................................................................................ 163 6.4.3.a Variable et fotzctioiz aléatoire .................................................................................................. 164 6.4.3. b Inférence statistiq~re ................................................................................................................ 166 6.4.3. c L'hypothèse de statiotinarité du secoild ordre ......................................................................... 166 6.4.3.d L'hypothèse iiltrii?sèque ....................................................................................................... 168

6.4.4 Analyse variographique ......................... ...... ........................................................................... 168 6.4.4.a Ailaiyse exploratoiru! ............................................................................................................... 169 6.4.46 La carte variographique ........................................................................................................ 170

6.4.5 Analyse et modélisation de la variabilité spatiale ...................................................................... 173

6.6 PRESENTATION DES RESULTATS A TRAVERS UN SIG .............................................................................. 178 6.6.1 Apport du SIG à l'analyse topologique des mesures ................................................................... 178 6.6.2 Préparation des cartes du degré de concentration d'une variable ................................................ 180

. . . . . 6.6.3 Logiciels utilises ................... ..... ............................................................................................. 181

6.7 BILAN ET CONSTAT DU CHAPITRE .......................................................................................................... 181

TROISIEME PARTIE : MISE EN (EUVIQE D'UN PROTOTYPE SIG

CHAPITRE 7 SIGMAC : ~ J N PROTOTYPE SIG D'AIDE A LA SURVEILLANCE ET A L'ÉVALUATION DE LA QUALITE DES EAUX CÔTIÈRES (CADRE

............................................................................... COLOMBIEN) 185

7.2 CONCEPTION D'UN PROTOTYPE ............................................................................................................ 186 7.2.1 Développement théorique ....................................................................................................... 186

7.2.1. a P h s e d'analyse des besoins .................................................................................................... 186 7.2.1. b Phase de corzceptioti et de modélisatiotz d~r sy.stèrne. ................................................................ 188 7.2.1. c Phase d'analyse fotzctiorztzelle .................................................................................................. 188

7.2.2 Développement technique ............................................................................................................ 189 7.2.2.a Contexte .................................................................................................................................. 189 7.2.2.6 Choix des logiciels .................................................................................................................. 190

............................................................................................... 7.2.2. c Architecture et inq>lérnentatiotz 1 9 1

7.3 PRÉSENTATION DE CAS D'APPLICATION D'ANALYSE SPATIALE ............................................................... 196 7.3.1 Présentation de la distribution spatiale .............................. ....... ................................................. 196 7.3.2 Analyse visuelle ........................................................................................................................... 197 7.3.3 Exploration visuelle de la distribution spatiale ............................................................................. 199 7.3.4 Gestion de l'information élaborée ................................................................................................. 200 7.3.5 Préparation des cartes du degré de contamination ........................................................................ 202

7.4 BILAN DU CHAP~TRE .............................................................................................................................. 203

CHAPITRE 8 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ............................................... 207

Bibliographie ................................................................................................. 2 15 .......................................................................................................... Annexes 1

Aperçu biographique