Intérêt d'un couplage SIG modèles hydrologiques

La prévision des crues, la gestion de réservoirs et le contrôle des pollutions ponctuelles étaient le champ classique de l’hydrologie pendant ces dernières décennies. Mais, l’évolution actuelle des problèmes d’environnement a induit une approche plus intégrée de la gestion des ressources [Grayson et al., 1993] : le contrôle de l’occupation du sol, des pollutions diffuses et des migrations de nutriments ou de sédiments sont devenus des axes de recherche. La nouvelle approche patrimoniale de la gestion de l'eau comporte un important volet "approche milieux". Elle conduit à prendre en compte de nouvelles variables comme le Débit Minimum Biologique, débit minimum en deçà duquel la survie des espèces aquatiques est menacée.

Cette évolution entraîne une nécessaire prise en compte de la distribution spatiale des phénomènes. La liaison entre les deux outils, SIG et modèles hydrologiques, est évidente : les SIG offrant une représentation des éléments à référence spatiale, les modèles hydrologiques s’intéressant à l’écoulement des eaux en surface ou en milieu souterrain. Les modèles hydrologiques sont adaptés à l’évolution temporelle mais l’espace y est soit considéré comme uniforme (modèles globaux) soit discrétisé en sous-unités spatialement uniformes (modèles distribués). Lier un modèle hydrologique à un SIG permet d’améliorer les sous-unités spatiales en nombre et en définition (si des mesures sont disponibles, à une échelle plus fine que l’échelle globale). En effet, « le facteur limitant le plus la modélisation hydrologique est non pas la caractérisation mathématique des processus physiques mais l’aptitude à spécifier les valeurs des paramètres du modèle afin qu’il représente au mieux l’écoulement » [Maidment, 1993].

Maidment distingue quatre niveaux d’association entre SIG et modèle hydrologique : - 1°) estimation de propriétés hydrologiques : analyse multicritère cartographique non basée sur des équations physiques comme, par exemple, le modèle américain DRASTIC qui prend en compte différents facteurs cartographiques pour déterminer la vulnérabilité des eaux souterraines par croisement cartographique [Aller et al., 1985].

- 2°) détermination de paramètres hydrologiques : cette utilisation est la plus courante [Nageshwar et al., 1992], le SIG fournit au modèle hydrologique les valeurs de paramètres d’entrée par traitement de couvertures cartographiques (calcul de surface, de longueur, de moyenne ou quantiles d’attributs thématiques...), il permet aussi la discrétisation de l’espace pour le maillage du modèle, par exemple extraction des sous-bassins versants à partir du Modèle Numérique de Terrain ou d’un fichier de courbes de niveaux.

- 3°) modélisation hydrologique au sein d’un SIG : ceci est possible tant que la variabilité temporelle n’intervient pas. Lorsque l’échelle de temps est annuelle ou mensuelle, c’est-à-dire que l’on ne s’intéresse pas à représenter la variation des écoulements à un pas de temps inférieur, la variabilité temporelle est négligée et il est possible de calculer une moyenne annuelle des variables par bassin versant (écoulement théorique moyen, charge en polluants annuelle...). Une autre approche réalisable au sein d’un SIG est de modéliser le déplacement d’un pic de crue au travers d'un réseau en affectant une résistance variable à chaque tronçon du cours d’eau : l’onde de crue est plus ou moins ralentie selon l’intensité de la résistance.

- 4°) couplage d’un modèle hydrologique à un SIG : Le SIG fournit les données en entrée du modèle et visualise les résultats des programmes de modélisation aux différences finies ou aux éléments finis. Ces modèles spatialement distribués reposent sur une représentation topologique poussée des données dans le SIG (piézométrie, concentrations en certains éléments...).

Comme le soulignent Grayson et al., l’emploi des SIG pour le stockage et la visualisation de données avec des modèles distribués ne doit pas masquer la masse d’incertitudes et d’hypothèses qui leur sont inhérentes [Grayson et al., 1993].

Une réalisation proche de la problématique des SAGE est celle de Rietjens et al. d’EDF (Electricité de France) avec le logiciel intégré AGIRE [Rietjens et al., 1994 a et b]. Ce logiciel a pour objectif de simuler différentes modalités de gestion de la ressource en eau en prenant en compte : l’aléa climatique, des scénarios de développement des usages, des contraintes environnementales et des priorités de choix entre usages. AGIRE est basé sur un SIG (ARC/INFO) et des modèles de simulation hydrologiques et de qualité des eaux. Le SIG est utilisé en tant que base de données pour stocker les informations spatiales et pour afficher les résultats de simulation, les auteurs n’utilisent pas les fonctions d’analyse spatiale du SIG pour la modélisation [Rietjens et al., 1994 a]. Cet outil est en phase de développement et n’est pas encore commercialisé, il ne s’agit donc pas d’un logiciel fini mais plus d’un ensemble d’outils destiné à l’aide à la décision pour EDF et les Agences de l’Eau. Cette approche diffère de la nôtre (que nous présenterons de façon plus détaillée en troisième partie) car AGIRE est beaucoup plus basé sur les modèles quantitatifs. Nous considérons donc que notre approche est complémentaire puisqu’elle permet non seulement d’intégrer une modélisation quantitative de l’estimation des débits (par TOPMODEL) mais qu’elle s’appuie aussi sur la recherche d’interrelations spatiales rarement représentées sur des bassins versants mal mesurés.

Gilliland et Baxter-Potter ont élaboré une méthode basée sur le premier type d’association [Gilliland et Baxter-Potter, 1987]. Ils estiment la sensibilité des sols à l’érosion grâce à l’équation de Wishmeier à partir de différentes couches de données géographiques : érodabilité des sols, pente du terrain, couverture végétale et pratiques culturales. A ces facteurs s’ajoute le potentiel érosif de la pluie supposé constant dans l’espace. Cette sensibilité des sols à l’érosion est ensuite appliquée à l’évaluation des zones sources de pollution agricole diffuse par des bactéries fécales.

Jeton et Larue-Smith utilisent un SIG pour définir les « Hydrologic Responses Units » qui sont des classes de similarité hydrologique définies par l’US Geological Survey [Jeton et Larue-Smith, 1993]. Ces HRU combinent l’amplitude de la pente, l’orientation de la pente, la végétation, la nature du sol et l’altitude. La classification ainsi opérée constitue une entrée du modèle hydrologique PRMS (US Geological Survey). L’intégration de la distribution spatiale des facteurs de l’écoulement améliore la qualité des réponses du modèle.

les pratiques culturales et les conditions initiales d’humidité. Ce coefficient se prête donc particulièrement bien à un calcul par superposition cartographique au sein du SIG. Par ailleurs, le retard cumulé par la fonction de transfert est calculé à l’intérieur de HEC-1 à l’aide de paramètres tels que la longueur du plus long chemin ou la distance entre le centroïde du bassin et l’exutoire ou la pente de chenal principal. Ces paramètres sont aisément calculables à l’intérieur d’un SIG comme ARC/INFO. Warwick et Haness améliorent la qualité des simulations avec le SIG mais soulignent également que cette amélioration est non seulement déterminée par les capacités des logiciels mais aussi par la disponibilité de données exactes.

Vieux a couplé un SIG (ARC/INFO) avec un modèle distribué aux éléments finis pour simuler des débits horaires [Vieux, 1991]. Le SIG détermine la valeur des paramètres distribués (pente, coefficient de Manning) qu’il fournit au modèle hydrologique et affiche ensuite les résultats de la simulation (épaisseur de la lame d’eau écoulée).

Delclaux et Boyer ont couplé le modèle hydrologique à mailles carrées MODLAC [Girard, 1992] avec le SIG ILWIS [Delclaux et Boyer, 1993] et ont spécifié les caractéristiques minimales que doit présenter un SIG pour être interfacé à un modèle distribué ou global :

- capacité à passer du mode raster au mode vecteur et inversement, - fonctions d’analyse spatiale élargies,

- ouverture de la structure des données afin d’utiliser des données d’origines diverses, - possibilité de travailler en « batch » afin de faciliter les tests et le calage, de multiplier

les traitements et de répéter les mêmes opérations sur différents sites,

- existence de fonctions dédiées à l’environnement comme le traitement de Modèle Numérique de Terrain (MNT), la gestion de réseau ou l’interpolation.

ATHYS est un couplage réalisé également par les chercheurs de l'ORSTOM [Bouvier et Delclaux, 1996]. Ce système met en relation différents outils de prétraitement (SIG, traitement d'image, Bases de Données...), des modèles hydrologiques (MERCEDES et MODLAC) et des outils de visualisation afin d'offrir aux hydrologues un environnement de modélisation opérationnel.

Rissons a réalisé un SIG dédié à l’eau, nommé « SIGNEAU », afin de discrétiser l’espace selon un problématique hydrologique [Rissons, 1995]. Ce SIG est couplé à un modèle de simulation. Le caractère le plus novateur de ce travail est de modéliser les interactions sur un versant en le discrétisant en « toposéquences » : les éléments de versant situés en amont peuvent alimenter le ruissellement ou l’écoulement souterrain des éléments aval sans se rejeter directement dans les cours d’eau. Ainsi, il n’y a pas de distinction entre la fonction de production et la fonction de transfert : si un haut de versant est saturé et produit un ruissellement, le modèle permet de simuler l’infiltration aval de ce ruissellement si le bas de versant est non saturé. Ce modèle est également orienté vers une prédétermination des paramètres par des données mesurées et gérées par le SIG afin de réduire l’importance du calage. Cependant, les résultats des simulations sont partagées sur le bassin de calage : l’interdépendance n’améliore la représentation que de certaines crues (deux crues sur quatre).

Furst et al. ont réalisé un Système d’Aide à la Décision pour les aménagements présentant un risque pour les nappes souterraines [Furst et al., 1993]. Les auteurs ont eu une conception modulaire centrée sur un SIG et employant des modèles d’hydrodynamique

souterraine aux différences finies. La limite essentielle des SIG en hydrogéologie est leur incapacité actuelle à représenter la troisième dimension.

Dans le cadre d’une gestion intégrée des ressources en eau et plus particulièrement dans celui d’un SAGE, le SIG présente deux intérêts importants pour les modèles hydrologiques auxquels il peut être associé :

- offrir un système de « gestion intelligente » des données à introduire dans les modèles (compatibilité, homogénéisation des données),

- être une base d’actualisation « en continu » des modèles en intégrant dans la base de données géographiques les modifications des paramètres.

Dans les applications réalisées sur le bassin versant test (le Renaison), des associations de différents types énoncés par Maidment sont présentées [Maidment, 1993] :

- de type 1 (estimation de propriétés hydrologiques) : comme, par exemple, l’aptitude à l’autoépuration des cours d’eau

- de type 3 c’est-à-dire une modélisation hydrologique au sein du SIG pour :

* le calcul d’un temps de transfert en régime permanent (application pour la vulnérabilité des eaux à la pollution),

* le calcul d’un déficit hydrique ;

- de type 2 et 4 c’est-à-dire une détermination des paramètres hydrologiques au sein du SIG et un affichage des résultats de la simulation :

* détermination des paramètres : surface du bassin versant, évaluation de l’évapotranspiration maximale, calcul des fréquences des classes d’indice topographique de Kirkby,

* affichage des surfaces de saturation et du déficit en eau des sols.

Ce couplage ne se traduit pas pour l’instant par un interfaçage informatique transparent à l’utilisateur (manque de temps pour convertir automatiquement les formats de fichiers à l’aide de macro-commandes d’ARC/INFO).