Le radar géologique permet de réaliser des profils reflétant la structure de la neige et du sol sur une longueur donnée, grâce à l’émission puis à la réception d’ondes radio qui se seront réfléchies sur différents réflecteurs de la neige et du sol (couches de densité ou de nature différentes, rochers, arbres, etc.). On peut donc mesurer en tout point l’épaisseur de la neige, voire l’épaisseur des différentes couches qui la composent, dans le cas où le manteau neigeux ne présente pas encore une structure homogénéisée comme souvent lors de la fonte. Ceci fonctionne aussi pour le sol, où des couches de nature différente peuvent être détectées (Figure 32).
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Figure 32 : Illustration des étapes principales du calcul de l’EELN. Premièrement, le radar géologique est passé
sur le milieu à étudier (ici, la neige), ce qui aboutit à l’obtention de plusieurs profils radar dont les différents réflecteurs figurent sous forme de temps de retour ou de vitesses. Il faut ensuite effectuer une migration, afin de convertir ces temps de retour/vitesses en distances ou profondeurs, dont la relation est vérifiée grâce à la fosse d’étalonnage. Ensuite, ces profils migrés sont croisés et digitalisés pour donner une carte des épaisseurs de neige. La densité du manteau neigeux est mesurée grâce à un cylindre en métal de type emporte-pièce de 2dm3. Le volume de neige prélevé est ensuite pesé, ce qui donne la masse volumique de la neige pour une couche donnée. Selon les densités observées dans la fosse nivologique, une densité moyenne sera calculée (Cf. Annexe E3). La multiplication des hauteurs de neige par la densité donne alors une carte de l’EELN, que l’on choisira d’interpoler entre les différents points ou non. La fosse sert également d’ajustement pour transformer au plus juste les vitesses obtenues par le radar en épaisseurs.
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L’appareil, selon le milieu, permet d’investiguer jusqu’à des profondeurs supérieures à 5 mètres avec une antenne de 400 Mhz avec une précision décimétrique, ce qui est suffisant pour mesurer l’épaisseur de neige proche d’un mètre en moyenne (sans l’effet du vent, mais très variable localement). L’acquisition a été réalisée avec l’aide de l’Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat, qui utilise cette antenne de façon polyvalente. Dans le cas spécifique de l’étude du manteau neigeux, d’autres auteurs [Previati et al., 2011] préfèrent une antenne de 900 Mhz pour des épaisseurs de neige proches des nôtres, disposant ainsi d’une précision accrue, mais d’une portée moindre.
Sur la neige, cette méthode est quasiment non destructive. L’antenne peut être facilement trainée, ce qui augmente le linéaire que l’on peut faire en une journée, tout en gardant un très bon contact avec le milieu investigué, ce qui améliore la qualité de la mesure.
Cependant, la mesure radar, comme bien d’autres méthodes géophysiques utilisant la réflectivité des matériaux (sismique par exemple), ne fournit que des informations de temps de retours, sous forme de profils. Ces temps de retours doivent être transformés en vitesses et en distances à l’aide d’une fosse d’étalonnage, qui permettra de connaître précisément le temps que met une onde pour aller et revenir d’un réflecteur donné. En ayant ce temps et cette distance, on peut ensuite travailler avec des vitesses et des profondeurs de réflecteurs. Le temps d’aller-retour de l’onde et les profondeurs sont ainsi parfaitement ajustés pour les propriétés de la neige locale le jour de l’acquisition (densité et teneur en air, influant sur la transmission de l’onde dans la neige) [Harper and Bradford, 2003 ; Galley et al., 2009 ; Heilig et al., 2009 ; Previati et al., 2011]. Dans le cas d’une neige de printemps qui s’homogénéise fortement avec la fonte et d’après la fosse d’étalonnage creusée dans la neige qui confirmera cette densité relativement constante (Cf. Annexes E2), on peut extrapoler le calage temps et profondeur obtenu précédemment sans risque d’erreur significative.
L’acquisition sur une longueur déterminée donnera lieu à un profil qui, après post-traitement des temps en hauteurs, fera figurer toutes les hauteurs de neige avec une précision centimétrique en hauteur et inférieure à dix centimètres en longueur. Les profils se font entre des perches graduées préalablement plantées dans le sol (Figure 33), ce qui permet d’avoir une idée immédiate de la hauteur de neige. Ces perches constituent également des jalons, localisées précisément par DGPS (Differential Global Positionning System), qui permettent de se repérer plus rapidement sur les profils radar. Enfin, elles permettent de repasser au même endroit selon les années ou selon le type de milieu étudié (sol ou neige). Cette acquisition a été menée sur un quadrillage préalablement installé au sol, d’une maille de 60x60m et localement d’une maille de 20x25m en raison des hétérogénéités de relief rencontrées. Les profils radar peuvent ensuite être interprétés seuls pour exploiter les hauteurs mesurées à leur meilleure précision, mais peuvent aussi être interpolés pour une meilleure représentation spatiale.
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L’interpolation choisie est l’outil Topo to Raster d’ArcGis [Hutchinson 1988, 1989, 1991], qui est un interpolateur de type Spline [Wahba, 1990] optimisé pour les surfaces sujettes à un écoulement ou un ruissellement vers un réseau hydrographique. Le krigeage aurait pu être utilisé, mais a été abandonné en raison de l’hétérogénéité des surfaces à calculer en interpolation non contrainte et sans recours aux variogrammes. L’emploi de l’interpolateur Topo to Raster donnait quant à lui des résultats immédiatement plus réalistes et a donc été préféré, bien que ce choix soit discutable sur la neige. De plus, il est un interpolateur performant pour le sol, utilisé pour la création d’un MNT du sol au début de ce travail de thèse. Le MNT ainsi obtenu est cohérent, sans cuvettes ni relief anormal gênant l’écoulement de l’eau à la surface du sol, il favorise donc un écoulement vers le réseau hydrographique. Pour comparer le MNT de la neige et le MNT du sol, il était logique d’utiliser un même interpolateur qui donnait par ailleurs des résultats satisfaisants pour la superposition des deux surfaces (neige et sol).
Avec le quadrillage des profils d’acquisition entre eux, dans le cas où seule l’épaisseur de neige nous intéresse et non pas sa structure, bien plus complexe, une hauteur de neige moyenne sur la zone couverte par le radar peut être calculée.
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Figure 33: Carte de l’instrumentation destinée à calculer le volume de neige, sa fonte, son infiltration dans le sol
et sa restitution à la source. Les différentes perches ont été installées en fonction de l’étendue de la congère selon les années. La fosse utilisée pour les sondes TDR (instrumentation détaillée dans le chapitre suivant) correspond également à l’endroit où a été creusée la fosse d’étalonnage radar pour le sol (Cf. chapitre suivant) et la neige. L’étendue théorique de la congère au 28/04/12 a été calculée grâce aux sondes TDR et à l’acquisition radar du 29/02/12 et est donnée à titre indicatif pour mieux illustrer les différences de position et de forme de la corniche au cours du temps. Pour la localisation par rapport au BVQ3, se référer à l’Annexe E2.
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L’épaisseur moyenne de neige sur une surface donnée permet d’obtenir un volume de neige moyen. En faisant l’hypothèse que celui-ci présente une densité homogène (fonte printanière), la densité mesurée le jour de l’acquisition dans la fosse d’étalonnage des vitesses des ondes radar, fournira une densité moyenne de ce volume de neige.
En ayant le volume de neige et la densité, il est ensuite facile de calculer un EELN pour cette surface
puisque la densité en kg/m3 multipliée par la surface (m2) donnera un poids d’eau qui sera transformé
en volume d’eau, pouvant potentiellement s’écouler dans le réseau hydrographique.