Zone de la Sarre, bassin de la Moselle (Charleux, Projet NOAH,1999)
FREQUENCE
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MNT SPOT, brut MNT après incrustation du réseau
Planche VI.4 : effet de l incrustation du réseau CARTHAGE sur la détermination de la
surface drainée. Zone de la Sarre, bassin de la Moselle (Charleux, Projet NOAH,1999)
III Relations spatiales et évolutions temporelles
Chapitre 6 MNT
calcaires (sources) ou anthropisées (drains artificiels), les démarrages d'écoulement sont généralement variables dans le temps et l'espace. Dans le temps ils varient en fonction des événements observés : il ne peut donc y avoir un tracé absolu et unique du réseau hydrographique. Dans l'espace les surfaces drainées critiques Sdc varient en fonction du contexte géologique et morphologique. Crave (1995) indique des liens probables avec le climat, la géologie et la perméabilité.
Lors d'une campagne de mesure de débits portant sur 136 points d’observation dans les bassins du Réal Collobrier (29 avril 1996, après 2 semaines sans pluie), nous avons observé des valeurs de 0.5 à près de 15 ha pour les surfaces drainées critiques (Adam, 1996).
Bassins Surface critique (ha) le 29.04.96 Géologie Pente moyenne Végétation dominante RIMBAUD MARAVAL MAURETS MEFFREY VALESCURE VAUDRECHES VAUBARNIER 0.5 -2 ha 4-6 ha 5-7 ha 5-7 ha 5-10 ha 10-15 ha 4-6 ha gneiss schistes phyllades phyllades Mélanges phyllades Mélanges 5% 20% 25% 20% 40% 35% 20% arbustes pins chênes pins + chênes chênes chênes châtaigniers Tableau 6.1 : surfaces critiques observées (Adam, 1996)
Ces valeurs sont imprécises car la surface exacte de départ du drain est souvent impossible à définir sur le terrain. Le flot peut apparaître à la confluence de deux écoulements souterrains, sans débit visible en surface : on passe brutalement de deux surfaces S1 et S2 sans débit à une surface S1+S2 avec débit. Une caractérisation plus objective peut se faire en séparant les observations en deux populations, avec et sans débit apparent, et en retenant leur plage de recouvrement.
Directions d'écoulement et erreurs de tracé
Le calcul de la direction d'écoulement est généralement effectué en 8-connexité par création d’un plan intermédiaire des directions d’écoulement. Le choix du meilleur voisin en mode déterministe induit des directions privilégiées dans les zones trop peu variables et des tracés anarchiques en plaine. Les réseaux calculés ont tendance à aller tout droit, selon les 8 directions de grille, horizontales, verticales et diagonales (Aurousseau, 1997 ; Charleux, projet NOAH, 1999). Cet effet affecte également les limites des bassins versants.
L'incertitude directionnelle est maximale dans les zones peu variables, notamment dans les zones plates. Des erreurs de direction conduisent à un tracé automatique qui s’éloigne du tracé des rivières (planche VI.1) ou encore une détection incorrecte des limites de bassins versants (planche VI.2). Les coordonnées des stations limnigraphiques peuvent alors indiquer des positions en plein champ, certaines surfaces de bassins versants peuvent être complètement fausses : en conséquence les gestionnaires de bassin ne peuvent se servir de ces réseaux, documents incohérents par rapport à leurs bases de données. Dans le même ordre d'idées, de nombreuses études font référence à des notions de "distance à la rivière", notions qui ne peuvent avoir de sens que si le tracé du réseau est bien précisé et stabilisé. Il est donc impératif de trouver des solutions alternatives plus opérationnelles.
Mais toute perturbation est aussi information. Aussi proposons-nous de valoriser la perturbation de tracé induite par la direction de grille pour construire une méthode diagnostic de la qualité de détection du réseau. A chaque direction aléatoire de la grille correspond un tracé particulier du réseau (figure 6.6). Si l’on calcule un grand nombre de réseaux à partir de différentes directions de grille, leur superposition peut être traduite en probabilité que
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chaque pixel soit réseau. On atteint donc une mesure de la qualité du réseau, tout en proposant une définition du réseau hydrographique qui n’est plus un ensemble de tronçons au tracé précis mais qui correspond à une probabilité donc une mesure floue du réseau.
Tableau 6.2 méthode diagnostic et obtention d’une mesure floue du réseau.
La rotation de grille est obtenue par rotation du MNT avant calcul puis rotation inverse du résultat.
Figure 6.6. Exemples de rotations de la grille entre 0 et 90° .
Chaque direction de grille fournit un résultat différent du réseau hydrographique
Plutôt qu’un choix aléatoire de directions, nous avons opté pour une série de rotations systématiques et régulières de la grille du MNT avec un angle teta° variant par pas régulier dans la plage [0°,90°], conduisant à autant de tracés de réseau (tableau 6.2). La planche VI.3 donne le résultat d’un calcul avec un pas angulaire de 1° dans la plage de variation [0°,90°].
Le résultat montre clairement des zones étroites où le réseau calculé bouge peu et des zones étendues avec incertitude forte sur le tracé du réseau hydrographique.
On peut déduire deux intérêts de cette procédure.
Le premier en tant que test, comme diagnostic de la qualité de détermination du réseau : elle met en évidence des plages où la qualité de calcul du réseau hydrographique est insatisfaisante, et donc indique les zones à modifier en priorité pour améliorer le tracé. Elle permet ensuite de juger de l’impact de toute modification apportée au MNT.
Le deuxième comme outil de zonage du bassin versant en entités à comportements hydrologiques différenciés : entités pentues et entités plates, où les circulations d’eau et les processus élémentaires hydrologiques devraient être bien tranchés. En toute rigueur la détection proposée est liée à la méthode employée pour calculer le réseau : mode déterministe avec choix du voisin le plus bas. Toutefois, les caractéristiques géométriques de ces zones (faibles pentes, faibles variations des directions) semblent fondamentales dans cette segmentation et devraient conduire à des entités peu dépendantes de la technique de calcul du réseau. Ces points sont en cours de vérification (thèse Charleux, en cours).
Superposition du réseau calculé
Puis incrémentation de téta rotation inverse du réseau (angle -teta° )
(retour à la géométrie initiale) Calcul du réseau rotation du MNT (angle teta° )
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6.3.3. Amélioration du calcul du réseau. Solutions pratiques
Vis à vis des écoulements de surface, les MNT n'apparaissent donc pas aussi "propres" qu'on le voudrait. Les anomalies décrites plus haut - tracé anarchique en zone plate, et surfaces drainées critiques inconnues - montrent que le MNT est incapable, à lui tout seul, de définir correctement la structure des écoulements en tout point du bassin versant (rivières et limites). Il est donc impératif de lui associer des données extérieures pour atteindre à un
MNT Cohérent.
Deux "écoles" proposent des améliorations :
Afin de conserver au mieux la précision initiale, un premier groupe refuse toute solution qui altère le fichier des altitudes, le MNA. Pour s’affranchir de la présence des trous, ce groupe préconise de forcer les directions sans toucher aux altitudes : rectifications locales des directions les plus erronées en mode manuel (Leblois, Cemagref Lyon, comm. orale) ou par algorithme numérique (Deverney société ISTAR, projet NOAH, 1999). Leymarie et al. (1989) proposent une solution plus globale par définition stochastique des directions d'écoulement (figure 6.7). Les résultats sont statistiquement corrects mais le problème des trous est remplacé par celui de bouclages possibles.
Figure 6.7 : comparaison entre directions d'écoulements déterministes et
stochastiques sur un cône régulier (in Aurousseau, 1997).
Un deuxième groupe, plus pragmatique, cherche une solution efficace et cohérente, à défaut d'être conservatrice en modifiant directement le fichier des altitudes MNA : algorithmes de type bouche-trous (logiciel Arc Info), puis incrustation d'un réseau hydrographique d’origine externe au MNT (Aurousseau, 1997 ; Lollett et Lazo, 1998).
L'incrustation consiste à diminuer d'une valeur forfaitaire l'altitude de tout pixel le long du tracé de ce réseau externe. Les pixels incrustés drainent alors leurs voisins immédiats et deviennent réseau.
Le réseau incrusté doit être stable et cohérent par rapport aux rivières : il peut provenir de documents cartographiques, d’images satellitales ou encore de bases de données informatiques telle la BD CARTHAGE 3. La valeur d’incrustation doit permettre d’éliminer les effets des menues ondulations du terrain naturel, ainsi que les effets du sursol (arbres, constructions … ce que l’on peut estimer de l’ordre de 20 à 30m.
Désormais le réseau calculé est imposé par la rivière « réelle » : les stations limnigraphiques se retrouvent au bord de l'eau … le tracé devient cohérent en zones plates. Cette solution présente en outre l'avantage d'être stable d'un opérateur à l'autre (planche VI.4).
L’application de la méthode diagnostic évoquée plus haut permet de juger de l’influence des différentes options de l’incrustation : on observe une amélioration forte du tracé quand l’incrustation dépasse 20 m (Cf. figure 6.8 pour le bassin de la Moselle).
3
Base de donnée informatique de l’Agence de l’Eau Le tracé des rivières est équivalent au 1/50 000 IGN
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Figure 6.8 : mesures floues du réseau hydrographique pour différentes incrustations de la BD CARTHAGE (bassin de la Moselle).
Ces solutions pour obtenir un réseau hydrographique correct posent le problème de l’intérêt du calcul automatique. Du point de vue détermination et précision la solution automatique est donc insatisfaisante, puisqu’il devient impératif de connaître a priori le réseau pour bien le calculer ! ! Toutefois, une fois résolus les problèmes de cohérence évoqués, cette même solution devient très intéressante pour son automaticité, la structuration globale de la zone, et la connaissance numérique systématique des paramètres de drainage, distances, etc.
6.4. RESEAU DE REFERENCE.
Nous avons mis en évidence la difficulté à extraire proprement un réseau de drains à partir de la seule information MNT. Ces documents ne sauraient renseigner correctement sur les circulations de surface dans les zones plates ou dans la formation des drains élémentaires. Pour aller plus loin on peut imaginer l’introduction d’informations extérieures concernant le tracé (cartes ou télédétection) ou le contexte (type de sol, climat) pour une meilleure appréhension des départs de drains et un meilleur tracé en zones plates.
Dans la pratique une solution alternative se dessine, basée sur une utilisation de cartographies existantes. Pour les pays où ce type de carte existe la représentation du chevelu hydrographique des documents cartographiques inclut en effet une certaine connaissance de terrain sur les rivières, les ruisseaux et leurs points de démarrage : les observations sur photos ont été rectifiées par du terrain, et améliorées au cours des ans par de nombreuses informations locales. Ces documents contiennent une certaine information historique et peuvent donc être pris comme informatifs des écoulements moyens.
Ces documents ne sont représentatifs que d’une certaine réalité de terrain : le chevelu au 1/25000 n’est pas le même que celui au 1/50000, mais chacun est représentatif et permet une comparaison directe de bassins versants. C’est d’ailleurs la méthode utilisée traditionnellement par les hydrologues pour calculer les « densités de drainage » des bassins versants. Dans ce cas l’important n’est pas d’obtenir une valeur absolue de la mesure (ce qui est impossible) mais de définir des mesures relatives hiérarchiquement correctes.
L’incrustation dans un MNT d'un réseau extérieur de type cartographique permet de générer des documents utiles à ce genre de comparaison : ils présentent à la fois une connaissance systématique et continue des écoulements potentiels apportée par le MNT et une réalité de tracé et d’arrêt des drains apportée par la carte. Ainsi certains réseaux issus de cartes sont aptes à expliquer des différences entre bassins. Toutefois les réseaux cartographiques utiles dépendent du problème traité, et ceci sera développé au chapitre suivant « indicateurs ».
MNT Brut Incrustation 20m Incrustation 40m
%
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Chapitre 7a Indicateurs et distances