MÉTHODES D’OBSERVATION
STATION D’ÉTUDE DE L’EAU N°
2.6 MESURE DES CARACTÉRISTIQUES PHYSIOGRAPHIQUES
2.6.1 Généralités
Les concepts abordés dans le présent chapitre visent deux types très différents de caractéristiques physio-graphiques: l’emplacement de(s) l’entité(s) étudiée(s) et leur réponse physique aux événements atmosphé-riques. En localisant ces entités, il est possible non seulement de les cataloguer, mais aussi de détermi-ner leur distribution dans l’espace et la zone climatique dans laquelle elles se trouvent.
Les entités elles-mêmes peuvent être examinées en termes de points, de lignes, de surfaces ou de volumes selon la relation entre une caractéristique particu-lière et le régime hydrologique. Par exemple, l’écoulement résulte de la transformation d’événe-ments météorologiques (chute de pluie, fonte de la neige) par le complexe physique que constitue un
bassin versant. L’emplacement du bassin détermine en partie les caractéristiques climatiques engendrant les événements météorologiques qui constituent le moteur de l’hydrologie. Toutefois, les caractéris-tiques du bassin déterminent non seulement la réponse hydrologique aux événements météorolo-giques, mais certaines caractéristiques, comme l’orographie et l’aspect, peuvent également être des facteurs déterminants du climat du bassin.
Les caractéristiques physiographiques sont mainte-nant intégrées comme couche d’information dans les SIG. Ainsi la réponse du bassin versant aux événe-ments météorologiques peut être analysée en utilisant des modèles hydrologiques et hydrauliques.
Les procédures fondamentales présentées dans cette section sont la base des opérations assistées par ordi-nateur de rassemblement et d’analyse des données.
2.6.2 Systèmes de référence
Les caractéristiques physiographiques ne sont qu’un élément de l’information géospatiale, c’est-à-dire l’information afférente au caractère et à la localisa-tion des ressources naturelles et culturelles et leur relation à l’activité humaine. Cette information est devenue si importante que les concepts d’infra-structure nationale et internationale de données spatiales et de données-cadre ont été développés.
L’infrastructure de données spatiales peut être consi-dérée comme intégrant la technologie, les politiques, les critères, les normes et les personnes nécessaires pour permettre l’échange de données géospatiales à tous les niveaux du gouvernement et des secteurs privé, à but non lucratif et académique. Elle fournit la base ou le cadre des pratiques et des relations entre producteurs et utilisateurs facilitant le partage et l’usage des données. Les données-cadre peuvent être considéré comme un ensemble de données géospa-tiales continues et pleinement intégrées fournissant le contexte et l’information de référence pour le pays ou la région. En général, il s’agit de données de posi-tionnement comme la géodésie, de données sur la forme et les caractéristiques des terres comme les données physiographiques, et de données concep-tuelles comme les unités de gouvernance. Un cadre national rigoureux de référence des données facilite les échanges et réduit significativement la redon-dance des efforts. Les données-cadre intéressant l’analyse hydrologique comportent la géodésie, l’altitude, l’ortho-imagerie, l’hydrographie, les infrastructures de transport, les unités gouverne-mentales et l’information cadastrale (National Research Council, 1995).
La géodésie est définie au moyen du réseau inter- national des méridiens et des parallèles divisés en
360 degrés, la méridienne origine passant par Greenwich. Ce système est celui dont l’utilisation est la plus répandue. Son seul inconvénient est que la longueur d’un degré de longitude varie de 111,111 km à l’Équateur à 0 aux pôles en passant par 78,567 km à la latitude de 45° (un degré de lati-tude mesure toujours 111,111 km). Des systèmes locaux et d’autres méthodes de projection sont également pratiqués, par exemple le système de Lambert utilisé en France. L’utilisation de ces systèmes ne peut toutefois être recommandée dans un guide international. En outre, des algorithmes facilement accessibles existent pour la conversion des coordonnées géographiques en systèmes de référence locaux si cela est nécessaire.
La troisième dimension, l’altitude, est déterminée par rapport à un niveau ou un plan de référence.
Bien que des niveaux de référence locaux soient parfois utilisés, le niveau moyen de la mer était, jusqu’à très récemment, le plan de référence le plus couramment utilisé. La généralisation de l’utilisa-tion des observal’utilisa-tions GPS conduit à l’adopl’utilisa-tion des données géocentriques en accord avec le système géodésique, de préférence à celles qui sont basées sur le niveau moyen de la mer. L’ellipsoïde de référence WGS-84 ou une variante nationale géocentrique sont donc les références verticales préférées. L’exigence fondamentale pour l’utilisa-tion d’un système de coordonnées est de préciser les données utilisées.
La topographie d’un bassin hydrographique peut être représentée de deux façons différentes: un Modèle numérique de terrain (MNT) ou un Réseau irrégulier de triangles (Triangulated irregular network, TIN). Un modèle numérique de terrain est une grille régulière de valeurs d’altitude alors qu’un réseau irrégulier de triangles est une série de points reliés par des triangles représentant au mieux la surface du terrain. L’espacement des points dans ce dernier cas est non uniforme et ils peuvent être localisés en tenant compte des caractéristiques intéressantes du terrain, ou bien sur des routes ou des berges de rivière. La précision de ces modèles numériques dépend de la source des données d’altitude, de la densité et de la répartition des points, ainsi que d’autres données connexes utilisées pour leur déve-loppement. Des cartes classiques peuvent être préparées à partir des modèles MNT ou TIN.
Les orthophotoplans sont des images du paysage où chaque entité peut être référencée par rapport à une autre. Ce sont des images digitales produites par le traitement des photographies aériennes pour obtenir des données d’altitude en suppri-mant toutes les sources de distorsion. L’image a les
propriétés d’échelle et la précision d’une carte. Ces images peuvent être obtenues à partir de capteurs satellites ou aéroportés.
Les éléments fondamentaux utilisés pour l’estima-tion des paramètres physiographiques sont rarement directement mesurés par l’hydrologue, qui travaille essentiellement sur des données GPS, des orthophotoplans, des cartes, des photographies aériennes et des images satellitaires. Par consé-quent, l’exactitude de l’évaluation dépend de l’exactitude de chaque type de document de base.
2.6.3 Mesures ponctuelles
En géométrie le point est défini comme un endroit unique le long d’une ligne, sur une surface ou à l’in-térieur d’un volume. Un point peut être un élément physique, comme l’emplacement d’un instrument de mesure ou l’exutoire d’un bassin. Il peut égale-ment être un éléégale-ment d’une surface (parcelle de terrain) sur laquelle une caractéristique (ou un ensemble donné de caractéristiques) doit être définie ou mesurée. Les caractéristiques physiographiques attribuées à un point peuvent être simples ou complexes. L’altitude d’un point, qui est l’un de ses éléments d’identification unique dans un espace tridimensionnel, constitue un exemple de caracté- ristique simple d’un point sur une carte. Une description du profil du sol sous ce point serait une caractéristique plus complexe.
Les applications des méthodes de télédétection, à commencer par la photographie aérienne, ont eu l’effet d’étendre la notion de point à une surface (pixel) pouvant mesurer plusieurs kilomètres carrés.
Compte tenu de leur précision (par exemple limite de résolution d’un instrument), les méthodes dispo-nibles peuvent ne pas permettre de distinguer deux points, et un pixel peut être assimilé à un point.
La position d’un point sur le plan horizontal, c’est-à-dire sa position à la surface du globe, est déterminée par rapport à un système de coordonnées (section 2.6.2), ce qui est du ressort de la géodésie et de la topographie. Un système universel a été mis au point afin de rendre explicite le codage d’un point dans un catalogue en indiquant sa position géogra-phique. C’est le système de quadrillage GEOREP (UNESCO, 1974) pour la représentation des éléments linéaires. D’autres systèmes peuvent permettre de localiser des points le long de cours d’eau au moyen de distances linéaires les séparant d’une origine donnée (par exemple embouchure ou confluence).
La description physiographique d’un point englobe ses propriétés géométriques (forme, relief, pente,
etc.) et ses propriétés physiques permanentes (perméabilité, nature des roches, structure du sol, type d’utilisation des terres, etc.). Les premières se limitent à la pente locale alors que les dernières regroupent toute une gamme de propriétés physiques possibles, exprimées sous forme scalaire pour un point sur une surface horizontale ou sous forme vectorielle pour un profil (par exemple carotte géologique).
2.6.4 Mesures linéaires
Un élément physiographique est linéaire s’il peut être représenté par une ligne sur une carte ou dans l’espace. En hydrologie, on rencontre couramment trois types d’éléments linéaires:
a) Limites;
b) Lignes d’isovaleurs d’une caractéristique perma-nente (par exemple courbes de niveau);
c) Thalwegs.
Les deux premiers types sont reliés aux aspects de surface qui seront abordés plus loin.
Le thalweg lui-même doit être considéré comme représentant le profil longitudinal du cours d’eau en projection horizontale. On doit également le considérer par la manière dont il se combine avec les autres thalwegs pour constituer un réseau de drainage présentant ses propres caractéristiques physiographiques. Certaines caractéristiques des réseaux hydrographiques sont linéaires, comme le rapport de confluence, alors que d’autres sont de nature surfacique, comme la densité de drainage.
2.6.4.1 Le cours d’eau
En projection horizontale, un cours d’eau peut être représenté, si l’échelle le permet, par deux lignes représentant ses rives. Un axe, équidistant de ces deux lignes, peut être tracé. Cet axe peut également être défini comme étant la ligne joignant les points les plus bas sur des sections en travers successives.
En fait, ces éléments, les rives visibles et les points les plus bas, ne sont pas toujours très nets, et l’échelle de la carte ne permet pas toujours de repré-senter convenablement les rives. La cartographie en est donc réduite à représenter le cours d’eau par une ligne.
Les distances le long d’un cours d’eau sont mesu-rées en parcourant la ligne qui le représente avec un curvimètre. L’exactitude de la détermination dépend de l’échelle et de la qualité de la carte ainsi que de l’erreur du curvimètre, qui ne devrait pas dépasser 6 % pour une distance sur la carte de 10 cm, 4 % pour 100 cm et 2 % pour de plus grandes
et
lmx = Rlx–1 * lm (2.12)
où Rc et Rl sont calculés comme étant les pentes de lignes droites et ajustés aux points du graphique (log Nx, x) et (log lmx, x) et x est l’ordre du bassin.
2.6.4.3 Profil du cours d’eau
Le profil du cours d’eau est la variation de l’alti-tude des points du thalweg en fonction de leur distance à une origine qui est habituellement l’embouchure du cours d’eau ou sa confluence avec un cours d’eau plus important. Un certain nombre de caractéristiques topographiques doivent figurer sur un tel profil: les points élevés (seuils), les creux entre deux points élevés (dépres-sions), les rapides, les chutes et les points de changement de pente qui marquent fréquemment les limites de biefs présentant des caractéristiques géologiques différentes (figure I.2.17).
La pente moyenne de l’ensemble d’un cours d’eau est la différence d’altitude entre son point le plus élevé et sa confluence ou son embouchure divisée par sa longueur totale. Cette notion est simple, mais sans grande utilité. Par contre, la connaissance des pentes des biefs successifs d’un cours d’eau est essentielle dans la plupart des modèles d’écoule-ment et dans les modèles hydrauliques.
Les profils du cours d’eau principal et de ses divers affluents dans un même bassin peuvent être repré-sentés sur le même graphique. La figure I.2.18 donne les profils du fleuve Niger à Koulikoro et de ses principaux affluents et sous-affluents. Un tel graphique fournit une synthèse de la variation de la pente des éléments du réseau hydrographique.
2.6.4.4 Section en travers
Le profil d’une vallée perpendiculairement à l’axe d’un cours d’eau est appelé section en travers, et un ensemble de ces sections constitue une infor-mation précieuse pour la mise au point de modèles d’écoulement. Les sections en travers sont utilisées dans plusieurs types de calculs et la manière dont elles sont établies peut dépendre de l’utilisation qui en sera faite.
Un cas particulier important est le calcul du débit par mesure du flux à travers une section dont la forme est déterminée en mesurant la profondeur par sondage (section 5.3). Les sections en travers sont habituellement établies en effectuant des mesures topographiques normales pendant les étiages.
distances. Beaucoup de caractéristiques hydrolo-giques peuvent être tirées directement d’une ortho-image ou d’un modèle numérique de terrain à l’aide d’un SIG (section 2.6.7).
L’axe d’un cours d’eau est rarement rectiligne.
Lorsqu’il présente des courbes quasi périodiques, chaque demie période est appelée un méandre. Les propriétés et les dimensions des méandres ont été étudiées de manière approfondie par les géographes et les spécialistes en hydraulique des cours d’eau.
2.6.4.2 Le réseau hydrographique
À l’intérieur d’un bassin, les cours d’eau s’organi-sent en un réseau hydrographique, tous n’y ont pas la même taille, et plusieurs systèmes de classifi- cation des cours d’eau ont été proposés. Divers systèmes ont cours dans différents pays, et les SIG permettent une classification automatique utilisant les approches proposées par Horton, Schumm, Stahler, Shreve et d’autres. Le plus connu est celui de Horton dans lequel tout cours d’eau élémentaire est dit d’ordre 1; tout cours d’eau ayant un tribu-taire est dit d’ordre 2 et tout cours d’eau ayant un tributaire d’ordre x est qualifié d’ordre x + 1. À une confluence, tout doute est éliminé en attribuant l’ordre le plus élevé au plus long des deux cours d’eau qui se rejoignent (figure I.2.15), (Dubreuil, 1966). Cela introduit une certaine inexactitude qui fut évitée par Schumm en attribuant systématique-ment un ordre x aux biefs formés par deux tributaires d’ordre x – 1 (figure I.2.16). La principale source d’erreurs dans de telles évaluations résulte de la cartographie des cours d’eau pour laquelle la défini-tion du plus petit de deux cours d’eau est souvent plutôt subjective.
Parmi les caractéristiques linéaires du réseau hydro-graphique, mesurables sur une carte, le rapport de confluence Rc et le rapport de longueur Rl sont basés sur les lois de Horton et ont été vérifiés pour la clas-sification de Horton. Si Nx est le nombre de cours d’eau d’ordre x et lmx=∑lx/Nx la longueur moyenne des cours d’eau d’ordre x, ces lois s’expriment par les relations ci-après:
Nx = Rc * Nx+1 (2.9)
et
lmx = Rl * lmx–1 (2.10)
qui forment des progressions géométriques et peuvent s’écrire ainsi:
Nx = N1 * Rc1–x (2.11)
4 1
4
1 1
1 1
1 1 1
1 1
1 1
1
1
1 1
1
1
1 1
1
1 2
2
2
2
2
2
2
2
2
1 2
2
2 3
3 3
3 4 3
Figure I.2.15. Classification d’Horton
Figure I.2.16. Classification de Schumm 1
1
1 1
1 1 1
1 1
1 1
1 1
1 1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1
1
1
1 1
1 1 2
2 2
2
2
2 2 2
2
2
3
3
3
3 4
4
Figure I.2.18. Profil en long du Niger et de ses affluents
TINKISSO
NIGER MAFO
U MILO SANKA
RANI NIAND
AN
DION Konsankoro Kérouané FaranahTinkisso Mandiana KankanMolokoro Kouroussa Noura-Souba Ouaran Siguiri-Tiguiberi Dialakoro Gouala Kenieroba Bamako Sotuba Kenié Koulikoro
Baro
Distance horizontale en km
900 800 700 600 500 400 300 200 100
900
800
700
600
500
400
300
Altitude en m
1000
Kissidougou
I Dabola
NIGER
Rapide Seuil Plan d’eau
Plan d’eau Seuil Changement de pente Changement de pente
Altitude
A B
C D
E
F
Distance horizontale
Pente moyenne du bief DE
Pente moyenne du bief CD
Figure I.2.17. Profil d’un cours d’eau
2.6.4.5 Caractéristiques physiques
Les types de matériaux du lit du cours d’eau (en particulier leur cohésion), les types et les quantités de végétation dans le cours d’eau et le long de ses rives ainsi que la rugosité du lit, qui dépend des distributions longitudinales et transversales des éléments précédents, constituent les principales caractéristiques physiques du cours d’eau. La rugo-sité est intégrée aux calculs de l’écoulement par la méthode indirecte (section 5.3.5) ainsi qu’aux modèles d’écoulement (volume II, chapitre 6).
2.6.5 Mesures de superficie
2.6.5.1 Le bassin
Le bassin est défini comme la région qui reçoit les précipitations et, suite aux processus hydrolo-giques entraînant pertes et retards, les achemine jusqu’à un exutoire. La ligne de partage des eaux d’un bassin hydrographique, son périmètre, est telle que toutes les précipitations tombant à l’inté-rieur de celle-ci se dirigent vers l’exutoire, alors que toutes les précipitations tombant à l’extérieur de cette limite coulent vers un bassin et un exutoire différents. Dans certains cas, il peut ne pas être aisé d’établir la limite d’un bassin, par exemple lorsque le bief d’amont du cours d’eau principal est formé dans une vallée au fond très plat ou en terrain marécageux. La ligne de partage des eaux est habituellement définie sur des cartes topogra-phiques ou sur des photographies aériennes.
Le périmètre du bassin est mesuré à l’aide d’un SIG (section 2.6.7) ou au curvimètre. Le périmètre mesuré est fonction de l’échelle et de l’exactitude des cartes ou des photographies utilisées, de la qualité du curvimètre et du soin pris pour effectuer la mesure (figure I.2.19). L’utilisation ultime qui sera faite de cette mesure devrait en déterminer l’exactitude.
La superficie du bassin peut être déterminée dans un SIG ou mesurée par planimétrie d’après les limites établies de la manière décrite ci-dessus.
La forme du bassin est caractérisée par comparaison de son périmètre à celui d’un cercle de même super-ficie. Si A est la superficie du bassin et P son périmètre, mesurés tous deux d’après les règles énoncées ci-dessus et exprimés en unités homo-gènes, le rapport des deux périmètres est appelé coefficient de compacité de Gravelius fourni par l’équation suivante:
C = 0,282 P A1/2 (2.13)
La notion de rectangle équivalent est également associée à la forme du bassin et permet la défini-tion d’un indice de pente. Le rectangle équivalent a la même superficie et le même coefficient de Gravelius que le bassin. Sa longueur est donnée par:
(2.14) La densité de drainage est définie comme étant la longueur totale des cours d’eau de tout ordre contenus dans une unité de superficie du bassin:
Dd = (∑Lx)/A (2.15)
où Lx est la longueur totale des cours d’eau d’ordre x.
En pratique courante, les longueurs sont exprimées en kilomètres et les superficies en kilomètres carrés.
Le relief du bassin, représenté sur les cartes sous forme de courbes de niveau, peut être décrit au moyen de la distribution hypsométrique ou de la courbe hypsométrique. La figure I.2.20 donne une représentation du relief et du réseau hydrogra-phique. Les plages d’altitudes sont indiquées par des trames différentes.
La distribution hypsométrique fournit le pourcen-tage (ou la fraction) de la superficie totale du bassin comprise à l’intérieur de chaque intervalle d’altitude.
La courbe hypsométrique indique en ordonnée le pourcentage de la superficie drainée dont l’altitude est supérieure ou égale à l’altitude indiquée à l’abscisse correspondante (figure I.2.21). En pratique, la distribution cumulée des superficies est obtenue à
Périmètre mesuré
Périmètre réel
30˚N
118˚E 119˚E
Xinen Jiang
Figure I.2.19. Périmètre réel et périmètre mesuré
L = A1/2 C
1 128, ⎡⎣1+ 1−1 272 / C, 2⎤⎦
l’aide d’un SIG ou par calcul planimétrique des superficies successives entre les courbes de niveau en commençant au point le plus bas du bassin.
Il est possible de calculer l’altitude moyenne du bassin en divisant la surface sous la courbe hypsométrique par la longueur de l’ordonnée correspondant à la totalité du bassin.
La pente du bassin peut être représentée au moyen de plusieurs indices. Celui qui est utilisé depuis le plus longtemps et peut-être encore le plus répandu est la pente moyenne du bassin Sm. Elle est déter-minée d’après les courbes de niveau du bassin au moyen de la formule suivante:
Sm = z ∑l/A (2.16)
où z est l’équidistance des courbes, ∑l la longueur totale de toutes les courbes de niveau à l’intérieur du bassin et A la superficie du bassin. La difficulté et la principale source d’erreur dans l’estimation de cette caractéristique découlent de la mesure de ∑l.
Les courbes de niveau sont presque toujours très sinueuses et leur longueur réelle totale n’est pas vraiment caractéristique de leur rôle dans le
Les courbes de niveau sont presque toujours très sinueuses et leur longueur réelle totale n’est pas vraiment caractéristique de leur rôle dans le