Renseignement des cotes utiles aux casiers et aux liaisons

Cette partie détaille les données topographiques employées pour les casiers, permettant au modèle d’établir les relations V(Z) et A(Z). La section suivante évoque les effets de la précision des données topographiques et bathymétriques sur les résultats des modèles hydrauliques, qui ont été décrits dans la littérature.

3.3.3.1. Effets de la précision des données topographiques et bathymétriques sur un modèle hydraulique

La qualité des données bathymétriques renseignant le lit mineur d’un cours d’eau, et topographiques, dans le lit majeur, impacte les résultats d’un modèle hydraulique, au même titre que le choix des valeurs des coefficients de Strickler et de débits, ou encore le choix du modèle en lui-même (1D, 2D, équations simplifiées type onde cinématique…). Les données bathymétriques du lit se présentent sous la forme de sections transversales pour un modèle hydraulique 1D, d’un maillage continu pour un modèle 2D. S’il est assez aisé d’acquérir des sections, le maillage du modèle 2D est en général plus complexe à établir. Des techniques fines, telle la bathymétrie par sonar, sont maintenant au point mais restent lourdes en termes de personnel, de temps et de coût (Merwade et al., 2008). Des alternatives ont été développées. Ils existent notamment des algorithmes créant des modèles numériques, à partir d’interpolations de sections transversales relevées, croisées à un MNT du lit majeur (Tate et al., 2002 ; Merwade et al., 2008 ; Schäppi et al., 2009). De plus, des techniques récentes, tels les levés laser LIDAR (Light Dectection and Ranging), permettent une connaissance fine du relief (Maréchal, 2011) du lit majeur. Cette technique est particulièrement intéressante pour la modélisation hydraulique (Marks et Bates, 2001 ; Raber et al., 2007), bien que non adaptée aux zones immergées, et donc au lit mineur.

Les données bathymétriques et topographiques utilisées exercent un double impact sur la qualité des résultats du modèle hydraulique.

Premièrement, les résultats des calculs seront différents, selon la résolution des données (nombre de sections transversales pour un modèle 1D, résolution des mailles pour un modèle 2D) ainsi que la précision altimétrique de celles-ci. Cook et Merwade (2009) évaluent la sensibilité de modèles 1D (HEC-RAS) et 2D (FESWMS-2DH), de deux rivières américaines. Ils constatent une décroissance significative des surfaces inondées lorsque la topographie du lit mineur est finement décrite (selon la méthode de Merwade et al., 2008), et montrent qu’un nombre élevé de sections transversales intégrées au modèle 1D produit des inondations plus importantes. Mejia et Reed (2011), et Saleh et

al. (2013), s’intéressent à l’ajout de sections fictives à leurs modèles hydrauliques 1D, de formes

simplifiées (triangulaires pour le premier article ; triangulaires, rectangulaires et trapézoïdales pour le second). Cette démarche est nécessaire pour les cours d’eau à zones sans sections renseignées, ce qui est souvent le cas pour les longs biefs. Mejia et Reed (2011) montrent que les hydrogrammes de crue d’une rivière des États-Unis peuvent être reproduits de façon satisfaisante par un modèle basé sur des sections triangulaires, les résultats s’approchant du modèle à sections réelles. Toutefois, ils notent que des simplifications trop importantes (sections à forme constante, rugosité identique en lit mineur et en lit majeur) faussent les modélisations. S’intéressant aux limnigrammes, Saleh et al. (2013) montrent l’importance de la conservation de la pente du fond sur le linéaire, qui a un impact plus fort selon ces auteurs, que les variations des formes des sections. Leur cas d’application concerne la rivière Serein, un affluent de la Seine (France). Enfin, les travaux d’Horritt et al. (2006) peuvent être cités. Ces auteurs s’intéressant aux effets de différentes résolutions et descriptions topographiques des mailles d’un modèle 2D d’une rivière anglaise. Ils notent une plus grande sensibilité du modèle à la résolution des mailles, qu’à la topographie échantillonnée en celles-ci.

Deuxièmement, la qualité des données bathymétriques et topographiques impactent la cartographie de la zone inondée, dans le cas d’un modèle hydraulique 1D. Celle-ci est obtenue en soustrayant les cotes d’eau modélisées à la topographie. Selon la qualité de cette dernière, les zones inondées diffèrent. Cook et Merwade (2009) constatent ainsi, pour un même calcul, une diminution de la surface inondée et donc des hauteurs d’eau, pour des données topographiques de plus hautes résolutions. Enfin, Cook et Merwade (2009) notent une plus grande sensibilité à ces données d’un modèle 1D par rapport au modèle 2D, bien que, comme ils l’indiquent, leurs résultats devront être confirmés sur d’autres zones d’étude.

Tous ces constats suggèrent, pour notre cas d’étude, la nécessité d’un choix précautionneux des données topographiques définissant les casiers hydrauliques. Plus précisément, il s’agit d’optimiser les données existantes, et notamment la BD ALTI®.

3.3.3.2. Précision altimétrique des données disponibles pour les casiers

Les données topographiques et bathymétriques suivantes sont disponibles dans les zones où les casiers sont ajoutés (c’est-à-dire dans le lit majeur du tronçon Alès/Anduze – Russan).

Plusieurs MNT libres et gratuits existent. Les MNT de la BD ALTI® ont des résolutions horizontales variant de 25 à 1 000 m. Ils sont calculés à partir de courbes de niveaux, et des points cotés de la BD TOPO® ancienne génération. Dans le cas du MNT de la BD ALTI® à 25 m, la précision altimétrique annoncée dans le secteur des casiers est de 5 m (voir figure 27, issue d’IGN - 2011). Des écarts similaires sont observés par comparaison avec les sections transversales disponibles (voir un exemple à la figure 27). Le MNT à la résolution de 25 m a été employé pour créer les données d’entrée du modèle SCS-LR (voir chapitre 2). Le MNT de l’ASTER GDEM14

est une autre donnée disponible. Ce MNT est issu de mesures satellitaires menées par le METI15 et la NASA16, et couvre l’ensemble du globe à une résolution horizontale de 30 m. Sa précision altimétrique est de 20 m, pour 95 % des points (http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp). Ainsi, ces deux types de données, MNT de la BD ALTI® et de l’ASTER GDEM, paraissent trop imprécis pour définir directement la topographie des casiers.

Le MNT du RGE ALTI® (Référentiel à Grande Echelle) est un produit développé tout récemment par l’IGN (IGN, 2013). Sa mise à disposition à l’échelle de la France entière est annoncée pour 2014. Il combine les données de la BD ALTI® à 25 m, à des levés LIDAR aériens. Le MNT est à une résolution horizontale d’1 m, et a une précision altimétrique de 50 cm (IGN, 2013). Cette donnée est clairement la plus intéressante pour les casiers, mais n’est pas encore à disposition sur la zone étudiée.

Outre les MNT, les points des profils transversaux relevés sont utiles aux casiers, ceux-ci débordant en effet souvent dans le lit majeur. La précision altimétrique des points des profils peut être considérée comme très bonne (centimétrique).

14

ASTER GDEM : Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer - Global Digital Evaluation Model. Voir : http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp.

15 _{METI : Ministère de l’économie, du commerce extérieur et de l’industrie du Japon.} 16 _{NASA : Administration nationale de l’aéronautique et de l’espace, Etats-Unis.}

Figure 27 : Illustrations des imprécisions altimétriques du MNT de la BD ALTI® à une résolution horizontale de 25 m, version 1. A gauche, est renseignée la précision altimétrique du MNT selon l’IGN (tiré d’IGN, 2011). Dans le secteur d’intérêt, elle est proche de 5 m ; L’illustration à droite montre la différence entre une section terrain (en bleu), et la même section reconstituée selon les cotes correspondantes issues du MNT de la BD ALTI® à 25 m

(en rouge) (cas de la section PT_GAR_800_114, sur le Gardon d’Alès).

Enfin, les points cotés de la BD TOPO®, et notamment ceux des couches « réseau routier » et « voies ferrées » de la base de données, sont intéressants. Ces données présentent une précision altimétrique très souvent inférieure à 1 m dans le lit majeur du Gardon (IGN, 2013b). Elles ont essentiellement été acquises par photogrammétrie.

Ainsi, pour que le code établisse des relations V(Z) et A(Z) réalistes pour chaque casier, la donnée altimétrique la plus fine possible doit être considérée. La plus intéressante est sans doute le MNT de la RGE ALTI®, qui n’est pas encore disponible. En conséquence, une méthode combinant les données du MNT de la BD ALTI® à 25 m, aux points des sections transversales et aux points cotés de la BD TOPO®, a été établie. Elle est décrite à la section suivante.

3.3.3.3. Correction altimétrique du MNT à 25 m de la BD ALTI®

La topographie des casiers est renseignée en combinant les données du MNT à 25 m de la BD ALTI®, trop imprécis pour être directement employé, à des données plus fines, que sont les points des profils transversaux en lit majeur et les points cotés de la BD TOPO®. Ces derniers ne sont pas suffisamment nombreux pour être directement employés, certains casiers n’en comportant pas. Ainsi, une stratégie de correction du MNT de la BD ALTI® a été privilégiée.

La méthode définie comporte trois étapes, effectuées à l’aide des outils du SIG ARCGIS®

:

1) Les différences d’altitudes entre les points cotés issus des profils transversaux et des couches « réseau routier » et « voies ferrées » de la BD TOPO®, et les points correspondants du MNT de la BD ALTI® à 25 m, sont calculées ;

2) Les différences obtenues sont krigées à l’ensemble de la surface couverte par les casiers, selon un modèle de variogramme sphérique. Ce modèle est détaillé à l’annexe 6 (voir

également : Baillargeon, 2005). La résolution du krigeage est identique à celle de la BD ALTI® (25 m) ;

3) Le MNT de la BD ALTI® est corrigé par addition des différences précédemment krigées. Au final, le fichier corrigé a une résolution identique à celle de la BD ALTI® (25 m). La figure 28 présente les points cotés employés, et les corrections d’altitudes moyennées par casier.

Figure 28 : Points cotés issus des profils et des couches « réseau routier » et « voies ferrées » de la BD TOPO® version 2.1 de l’IGN, utilisés pour la correction, et différences d’altitudes entre le MNT corrigé et le MNT initial de la BD ALTI® version 1, moyennées par casier. Une valeur positive indique une augmentation de la cote moyenne

du casier après correction, et inversement. En rouge : limite du bassin versant du Gardon ; En bleu : réseau hydrographique (BD CARTHAGE®, IGN).

Les casiers de la Gardonnenque sont les plus fortement corrigés. La correction maximale correspond à un abaissement moyen de 6.5 m (cas du casier n°41). Les valeurs de correction sont cohérentes avec la précision annoncée par l’IGN pour la BD ALTI® _{dans le secteur étudié (de l’ordre de 5 m ; voir}

figure 27).