© Francis Lessard, 2020
Optimisation cartographique de l'hydrographie linéaire
fine
Mémoire
Francis Lessard
Maîtrise en sciences forestières - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
ii
Résumé
Au Québec, les petits cours d’eau sont soumis à une importante pression d’aménagement du territoire et c’est pourquoi différentes lois et règlements permettent leur protection. La cartographie des cours d’eau actuellement disponible est imprécise quant au lieu où ceux-ci s’initient et où ils deviennent permanents. Grâces aux données LiDAR (Light Detection and Ranging) qui permettant de créer des modèles numériques de terrain exposant la microtopographie sous le couvert forestier, les méthodes de détection des petits cours d’eau se doivent d’être revisitées. Ce mémoire permet l'amélioration de la compréhension des approches méthodologiques permettant de générer un réseau hydrographique à haute résolution spatiale et cohérent avec la réalité. Une représentation visuelle des points d’intermittence et de permanence sous forme de zones permet une interprétation visuelle plus aisée du réseau hydrographique dérivé du LiDAR. Ce dernier, calibré à partir de données terrain, permet de mettre en évidence que la densité du réseau hydrographique est environ 2 à 3 fois supérieure que ce que les cartes actuelles proposent. Une analyse évaluant quelles variables physiographiques influencent l’aire de drainage nécessaire pour initier un cours d’eau a été effectuée. Cette analyse permet une interprétation visuelle approfondie du réseau hydrographique. De plus, différentes méthodes automatisées de détection des ponceaux ont été testées. Le bréchage est la méthode la plus efficace de détection des ponceaux lorsque leur position n’est pas connue. Lorsque leur position est connue, le brûlage permet de réduire de façon notable les erreurs d’omission et de commission. L’aménagement forestier bénéficiera de près du développement de ces méthodes. Les réseaux hydrographiques générés à partir de MNT dérivés du LiDAR permettront une gestion efficace du territoire forestier et ainsi une protection accrue des ressources en eau de partout au Québec.
iii
Table des matières
Résumé ... ii
Table des matières ... iii
Liste des figures ... v
Liste des tableaux ... vii
1. Introduction ... 1
1.1. Problématique ... 1
1.2. Revue de la littérature ... 6
1.2.1. Définitions ... 6
1.2.2. Processus de formation des cours d’eau ... 8
1.2.3. Mesures de protection des cours d’eau ... 9
1.2.4. Méthodes de détection ... 10
2. Chapitre 1 : Production d’une cartographie à haute résolution spatiale de l’hydrographie linéaire ... 16
2.1. Introduction ... 16
2.2. Territoire à l’étude ... 19
2.3. Matériel et méthodes ... 21
2.3.1. Création d’un modèle hydrographique d’analyse ... 21
2.3.2. Cartographie des points d’intermittence des cours d'eau (cartographie terrain et cartographie en laboratoire) ... 23
2.4. Analyse statistique ... 26
2.4.1. Détermination des seuils de détection cartographique ... 26
2.4.2. Comparaison du réseau hydrographique de référence ... 27
2.4.3. Évaluation des variables physiographiques affectant les seuils de détection cartographique des cours d'eau intermittents ... 27
2.5. Résultats ... 32
2.5.1. Détermination des seuils de détection cartographique ... 33
2.5.2. Comparaison du réseau hydrographique de référence ... 36
2.5.3. Évaluation des variables physiographiques affectant les seuils de détection cartographique des cours d'eau intermittents ... 37
2.6. Discussion ... 41
2.6.1. Détermination des seuils de détection cartographique ... 41
2.6.2. Comparaison du réseau hydrographique de référence ... 44
2.6.3. Évaluation des variables physiographiques affectant les seuils de détection cartographique des cours d'eau intermittents ... 45
2.7. Conclusion ... 50
3. Chapitre 2 : Évaluation de la performance de méthodes automatisées pour la détection des ponceaux en milieu forestier ... 51
3.1. Introduction ... 51
3.2. Territoire à l’étude ... 53
3.3. Matériel et méthodes ... 53
3.3.1. Création d’un modèle hydrographique d’analyse ... 53
3.3.2. Cartographie terrain des ponceaux ... 62
3.3.3. Analyse statistique ... 63
3.4. Résultats ... 66
3.5. Discussion ... 69
3.6. Conclusion ... 72
4. Conclusion générale et recommandations ... 73
iv
Annexe 1 – Modèles de régression linéaire multiple ... 87 Annexe 2 – Analyse de colinéarité entre les variables physiographiques ... 89
v
Liste des figures
Figure 1 Étapes de la modélisation de l'hydrographie avec l'algorithme de direction de flux D8 (ESRI, 2018) ... 13 Figure 2 Localisation des sites d'étude où les cours d’eau ont été inventoriés dans deux régions administratives du Québec, et dans différents domaines bioclimatiques. En rouge, de gauche à droite, on observe les bassins versants (complets et incomplets) des rivières Picanoc, du Sourd, Kinonge, Saint-Anne et Montmorency. ... 20 Figure 3 Positionnements de cours d’eau récoltés sur le terrain lors de l’été 2017 ... 24 Figure 4 Aire de drainage des initiations d’écoulement éphémère (n = 548), des points
d’intermittence (n = 308) ainsi que des points de permanence (n = 83) en fonction de la
probabilité ... 34 Figure 5 Aire de drainage des points d’intermittence ainsi que des points de permanence en fonction du secteur pour une probabilité de 50 % ... 35 Figure 6 Effet des variables physiographiques sur l’aire de drainage des points d’intermittence (note : les codes apparaissent dans le tableau 2) ... 38 Figure 7 Effet pondérée des variables physiographiques ayant un effet significatif sur l’aire de drainage des points d’intermittence ... 40 Figure 8 Réseau hydrographique dérivé d’un MNT LiDAR et possédant une classification selon 5 classes permettant de représenter des zones d’intermittence ainsi que des zones de permanence ... 42 Figure 9 Seuils utilisés pour générer le réseau hydrographique en fonction de l’aire de drainage des données terrain d’initiation d’écoulement éphémère (n = 548), de point d’intermittence (n = 308) ainsi que de point de permanence (n = 83) représentés par des boîtes à moustache ... 43 Figure 10 Changement de la taille de l’aire de drainage et donc de la situation sur la pente du point d’intermittence en fonction d’une méthode de remplissage et de bréchage des dépressions 47 Figure 11 Milieu humide présent dans le bassin versant du point d’intermittence ne permettant pas à l’écoulement d’inciser le sol et de former un lit ... 48 Figure 12 Exemple d’une dépression dans le MNT originel (a) et remplie avec l’algorithme « Fill Sinks XXL » (b) du logiciel SAGAGIS. ... 57 Figure 13 Exemple d’une dépression dans le MNT originel (a), bréchée avec l’algorithme
«Breach Depression (Fast)» (b) du logiciel WhiteBox GAT, et le MNT modifié résultant (c). ... 58 Figure 14 Exemple d’une dépression dans le MNT originel (a), bréchée avec l’algorithme
«Breach Depression» (b) du logiciel WhiteBox GAT, et le MNT modifié résultant (c). ... 59 Figure 15 Exemple d’une dépression dans le MNT originel (a), de la localisation des ponceaux identifiés sur le terrain (b) et du MNT résultant de la méthode de «brûlage des ponceaux réels» (c). ... 60 Figure 16 Méthode de « brûlage des ponceaux potentiels par l'effacement des chemins ». a) Réseau hydrographique avec le « Fill Sinks XXL ». b) Réseau hydrographique sans l'influence des chemins. Les segments en oranges correspondent aux ponceaux potentiels et donc aux vecteurs sélectionnés qui ont servi à brûler le MNT. c) Réseau hydrographique lorsque les cours d’eau intermittents et permanents sont brûlés au travers des chemins ... 61
vi
Figure 17 Association effectuée du ponceau réel avec le ponceau modélisé lui correspondant afin de calculer la distance réelle de déviation engendrée par les chemins. Même si le ponceau
modélisé entouré en rouge en haut de la figure est plus près du ponceau réel, le ponceau modélisé entouré en vert dans le bas de la figure correspond à la réelle déviation. ... 64 Figure 18 Prédiction de la probabilité d'omission en fonction des méthodes automatisées et pour les trois types de régimes d'écoulement... 67 Figure 19 Prédiction de la probabilité de commission en fonction des méthodes automatisées et pour les trois types de régimes d'écoulement ... 68 Figure 20 Prédiction de la probabilité d’erreur cumulative d’omission et de commission en fonction des méthodes automatisées et pour les trois types de régimes d'écoulement ... 69 Figure 21 Matrice de corrélation entre les variables explicatives de l’analyse physiographique. Les variables encadrées en rouge sont colinéaires entre elles. ... 89
vii
Liste des tableaux
Tableau 1 Informations récoltées lors du positionnement des cours d’eau ... 25 Tableau 2 Paramètres physiographiques utilisés pour l’analyse de l’initiation des cours d’eau intermittents ... 31 Tableau 3 Informations relatives quant à l’aire de drainage (ha) des positionnements de terrain 33 Tableau 4 Comparaison de la densité de cours d’eau des deux réseaux hydrographiques (la superficie analysée est entre parenthèses) ... 36 Tableau 5 Informations récoltées lors du positionnement de traverses de cours d’eau... 63 Tableau 6 Méthodes utilisées pour la détection automatisée des ponceaux en milieu forestier ... 66
viii
Remerciements
Je souhaite remercier mon directeur de recherche Sylvain Jutras qui a toujours été très présent pour répondre à mes questions. Sylvain a toujours été très enthousiaste de nos discussions matinales animées et de la tournure que ce projet a pu prendre. Sa vision des enjeux hydrologiques a toujours su me rejoindre et c’est justement ce qui a permis à l’équipe de rester bien motivée. Naïm Perreault a également été d’une grande aide pour l’avancement de mon projet et le développement de mes idées. Éric Guilbert, mon codirecteur, a également toujours été disponible lorsque nécessaire pour répondre à mes questions.
Il est aussi très important de remercier le Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs sans qui le projet n’aurait jamais existé. L’idée derrière mon projet de maîtrise provient principalement des gens ayant eu l’audace de produire et d’utiliser les données LiDAR à cette fin. Leur support financier a été d’une grande aide pour l’avancement du projet autant au niveau de l’achat du matériel que pour le bon déroulement des inventaires terrains. Je tiens également à remercier Mathieu Varin et Philippe Bournival au Centre d'enseignement et de recherche en foresterie de Sainte-Foy qui nous ont permis de démarrer le projet. Leur expertise a été d’une grande aide dans un projet aussi émergent pour le laboratoire d’hydrologie forestière de l’Université Laval.
Merci à toutes les personnes m’ayant accompagné sur le terrain pour faire de nombreux kilomètres à pieds dans la forêt dense québécoise. Leur support moral a été très précieux lorsque le moral était justement affecté par la température ou les insectes piqueurs.
Enfin, je souhaite remercier tous mes proches m’ayant longuement et souvent écouté pour décrire ce projet de recherche. Les différents commentaires reçus ont permis d’avancer ma réflexion pour mener à terme ce mémoire.
1
1. Introduction
1.1.
Problématique
Dans un contexte d’aménagement durable des forêts, il est indispensable d’assurer une protection efficace de l’eau et des écosystèmes qui y sont associés (Barry et al., 2009). Au Québec, des normes de protection sont appliquées systématiquement sur tous les cours d’eau (Gouvernement du Québec, 2017b, 2017a; Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs, 2019). Afin d’appliquer efficacement ces mesures de protection, il est nécessaire de représenter de manière cartographique les cours d’eau. Cette représentation cartographique nommée réseau hydrographique est composée d’entités géospatiales linéaires représentant les cours d’eau d’un territoire. Actuellement, au Québec, c’est la Géobase du réseau hydrographique du Québec (GRHQ) qui est utilisée pour représenter les cours d’eau au niveau cartographique. Les cours d’eau de la GRHQ sont photo-interprétés et cette méthode sous-estime leur longueur réelle sur le territoire (Caissy, 2016; Dechamplain, 2016; Hatin et Charette, 2014). Cette cartographie est donc particulièrement imprécise quant au lieu où débutent les cours d’eau intermittents, c’est-à-dire l’endroit exact où l’incision du cours d’eau devient perceptible. Cet endroit est nommé point d’intermittence. L’endroit où ceux-ci deviennent permanents c’est-à-dire l’endroit où l’eau circule de manière permanente dans le cours d’eau est également imprécis sur les cartes actuelles. Cet endroit est nommé point de permanence. Les données géospatiales à haute résolution, issues de la technologie LiDAR (Wulder et al., 2008) changent la manière dont sont détectés les cours d’eau. Depuis leur récente disponibilisation sur de grands territoires, il est possible d’obtenir des données topographiques décrivant la microtopographie du sol sous le couvert forestier pour créer des modèles numériques de terrain (MNT) avec une précision inégalée (Wulder et al., 2008). Au Québec, le Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs (MFFP) a été mandaté afin de réaliser une acquisition de données LiDAR pour l’ensemble du territoire méridional de la province. Le MFFP prévoit couvrir 525 000 km² de territoire de 2016 à 2022 (Leboeuf, 2016; Leboeuf et Pomerleau, 2015). Avec la publication gratuite et ouverte de MNT à haute résolution (1 m2) pour d’immenses territoires, l’étude des méthodes automatisées permettant la détection des cours d’eau en
2
milieu forestier prend une toute nouvelle importance. Les réseaux hydrographiques générés avec ces nouveaux MNT ont alors une exactitude nettement plus élevée que ceux dérivés de la photo-interprétation ou ceux produits avec des MNT possédant une résolution plus grossière (Goulden et al., 2014). Pour détecter les cours d’eau avec l’aide de ces MNT et ainsi générer un réseau hydrographique, deux méthodes principales sont utilisées. Il est possible d’effectuer une modélisation hydrographique pour ensuite déterminer l'aire de drainage minimale, c’est-à-dire une superficie de bassin versant, permettant de générer un cours d'eau en appliquant un seuil sur une accumulation de flux (Band, 1986; Fairfield et Leymarie, 1991; Jenson et Dominque, 1988; O’Callaghan et Mark, 1984). Autrement, la détection des cours d'eau se fait par la reconnaissance de vallées (Passalacqua et al., 2012; Peucker et Douglas, 1975; Tribe, 1992).
Un des défis lors de la détection des cours d’eau consiste à déterminer l'endroit où ils s’initient, c’est-à-dire où ils débutent. Le résultat peut être très variable en fonction de la méthode de détection utilisée et des paramètres qui y sont appliqués (Passalacqua et al., 2010; Tribe, 1992; Wohl, 2018). L'initiation des cours d'eau peut être étudiée et calibrée en fonction de nombreux paramètres topographiques et climatiques (Julian et al., 2012). Par exemple, il est bien connu que les dépôts de surface et la pente locale ont une influence sur la formation des cours d'eau (Dietrich et Dunne, 1993; Montgomery et Dietrich, 1988; Wohl, 2018). À une échelle plus régionale, le régime de précipitation et d'évapotranspiration aurait également une influence sur l'initiation des cours d'eau (Tucker et Slingerland, 1996).
3
Un autre défi s’ajoute; lorsque des MNT à haute résolution spatiale dérivés de données LiDAR sont utilisés pour la modélisation hydrographique, les obstacles anthropiques, comme les routes et les fossés peuvent fortement influencer les résultats obtenus. Ceci est essentiellement dû aux MNT qui ne peuvent pas détecter la présence des ponceaux qui permettent aux cours d’eau de s’écouler sous le remblai de ces routes. Actuellement, certaines méthodes automatisées existent pour considérer la position des ponceaux (Lindsay et Dhun, 2015; Poppenga et al., 2010). Cependant, ces méthodes ne détectent pas la totalité des ponceaux présents sur un territoire. Ainsi, pour assurer une cohérence hydrographique maximale lors de la détection des petits cours d’eau, il est primordial de considérer tous les ponceaux (Barber et Shortridge, 2005; Li et al., 2013).
Enfin, le contexte du projet de recherche dans lequel s’insère cette étude est particulier puisqu’il vise ultimement à rendre possible la modélisation hydrographique sur des centaines de milliers de kilomètres carrés de territoire très hétérogène au niveau physiographique. Les réseaux hydrographiques générés doivent donc facilement s’adapter à différents territoires. Les méthodes discutées ci-haut ont généralement été testées à l’échelle de petits bassins versants expérimentaux ciblant une physiographie bien particulière (Henkle et al., 2011; Jensen et al., 2018; Montgomery et Foufoula-Georgiou, 1993) contrairement à ce que propose ce projet. Les réseaux hydrographiques sont validés avec des sources de données parfois peu précises et souvent peu nombreuses (Ozulu et Gökgöz, 2018; Vogt et al., 2003; Winter et al., 2010). De plus, aucune d’entre elles n’a jusqu’à présent été testée, validée et ajustée dans le contexte forestier québécois. L’optimisation des méthodes de détection de cours d’eau doit, entre autres, passer par une comparaison minutieuse des réseaux hydrographiques générés et des cours d’eau réels, localisés et caractérisés sur le terrain. L'importance de données terrains est primordiale pour une détection des cours d’eau à ce niveau de précision (Murphy et al., 2008; White et
al., 2012; Wohl, 2018). Les réseaux hydrographiques générés à partir de MNT dérivés du
LiDAR permettront une gestion efficace du territoire forestier et une protection accrue des ressources en eau de partout au Québec. L’aménagement forestier durable bénéficiera du développement de ces méthodes. En effet, afin de protéger efficacement les cours d'eau, les gestionnaires du territoire ont besoin de connaitre leur localisation ainsi que le régime d’écoulement de ceux-ci (Freeman et al., 2007). Ce projet de maîtrise permettra d’apporter
4
de nouveaux outils pour la protection des petits cours d’eau au Québec en améliorant la détection cartographique de ces derniers. Les mesures de protection présentes dans les différentes lois et règlements pourront ainsi être mis en place plus facilement.
Le but de ce mémoire est d'améliorer la compréhension des approches méthodologiques permettant de générer un réseau hydrographique à haute résolution spatiale cohérent avec la réalité. Deux objectifs permettent d'atteindre ce but :
1) Produire un réseau hydrographique à haute résolution spatiale à partir de MNT LiDAR via trois étapes :
a. Déterminer des seuils de détection cartographique des cours d'eau intermittents et des seuils d'initiation des cours d'eau permanents;
b. Comparer le réseau hydrographique produit avec le réseau de référence de la GRHQ;
c. Évaluer quelles variables physiographiques font significativement varier les seuils de détection cartographique des cours d'eau intermittents.
2) Évaluer la performance de méthodes automatisées pour la détection de ponceaux en milieu forestier.
Ce mémoire est composé de 4 sections distinctes qui se complètent et permettent de répondre au but général. Tout d’abord, la section 1.2 est une revue de littérature qui permet de mettre les bases sur différents concepts. Par exemple, différentes définitions des cours d’eau y sont apportées, les processus de formation des cours d’eau sont sommairement expliqués et les différentes méthodes de détection des cours d’eau sont expliquées en prenant soin de cibler les avantages et les désavantages de chacune des méthodes. Cette section est particulièrement importante puisqu’elle permet de comprendre le choix des deux objectifs dans le contexte du projet et le contexte québécois. La section 2, c’est-à-dire le chapitre 1, concerne l’objectif 1. Dans ce chapitre, différentes méthodes permettent de générer un réseau hydrographique facilement utilisable par les gestionnaires du territoire. Des seuils de détection cartographique des cours d'eau intermittents et des seuils
5
d'initiation des cours d'eau permanents sont donc déterminés selon une méthode qui permet une flexibilité d’interprétation. Une interprétation visuelle supplémentaire est ensuite possible grâce à une analyse de l’influence des variables physiographiques sur les seuils de détection cartographique des cours d'eau intermittents. Le but n’est pas d’inclure les variables physiographiques ayant un effet significatif dans les modèles, mais plutôt de comprendre leurs effets sur la formation des cours d’eau. Une comparaison de ce nouveau réseau hydrographique avec l’ancien est également effectuée dans ce chapitre. La section 3, c’est-à-dire le chapitre 2, concerne l’objectif 2 qui traite du problème le plus flagrant quant aux réseaux hydrographiques issus de MNT à haute résolution spatiale. Dans ce chapitre, différentes méthodes automatisées afin de détecter les ponceaux sont testées dans le but de réduire les déviations causées par la mise en forme des chemins sur les MNT LiDAR. La section 4 est quant à elle une conclusion générale qui permet de comprendre en quoi les deux chapitres permettent d’arriver au but qui est de produire des réseaux hydrographiques cohérents avec la réalité. Différentes avenues de recherche sont ensuite posées dans ce chapitre afin de poursuivre la réflexion associée au but général du projet de recherche.
6
1.2.
Revue de la littérature
Les cours d’eau de tête, appelés « headwater stream » dans la littérature anglophone (Dietrich et Dunne, 1993), abritent une faune et une flore très riche compte tenu la grande diversité des habitats qui s’y trouve (Meyer et al., 2007), d’autant plus qu’ils constituent les deux tiers de la longueur totale du réseau hydrologique (Leopold et al., 1964). Ils assurent une connectivité dans tout le réseau hydrologique qui maintient l’intégrité des écosystèmes aquatiques (Meyer et al., 2007). Ils contribuent également grandement à la productivité des cours d’eau situés en aval (Freeman et al., 2007). De plus, ces derniers contribuent de nombreuses manières aux services écologiques apportés aux humains, notamment en matière d’apport en eau potable de qualité (Alexander et al., 2007; Freeman et al., 2007) et en matière d’atténuation des inondations (St-Hilaire et al., 2016). Creed et
al. (2017) ont calculé que pour 2,9 millions de kilomètres de cours d’eau de tête, des
services écologiques d’une valeur annuelle de 15,7 billions de dollars américains étaient apportés aux États-Unis. C’est pourquoi une mauvaise gestion de l’eau perturbant le cycle naturel affecte plusieurs sphères de l’économie (Creed et al., 2017; Freeman et al., 2007). De par les multiples services qu’offrent ces milieux aquatiques, il est primordial de protéger adéquatement les cours d’eau de tête, nommés au Québec cours d’eau intermittents et dans une certaine mesure, cours d’eau permanents (les plus petits), afin d’en conserver leur intégrité.
1.2.1. Définitions
Un cours d'eau est une dépression linéaire naturelle formée par l'écoulement de l'eau. Cette dépression linéaire nommée le lit dans la juridiction québécoise, possède un fond et des berges (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs, 2019). C’est la présence d’un lit qui rend possible l’identification d’un cours d’eau. Le régime d’écoulement d’un cours d’eau est défini d’intermittent ou de permanent (Dietrich et Dunne, 1993). Un cours d’eau intermittent aura un lit qui s’assèchera lors de la période d’étiage estivale (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs, 2019). Il est possible de qualifier arbitrairement qu’un cours d’eau est intermittent si le lit s’assèche en moyenne une année sur cinq (Barry et al., 2009). Lorsqu’on s’intéresse à l'endroit ponctuel où débutera un cours
7
d'eau intermittent, c’est-à-dire l’endroit le plus en amont où un lit continu est encore perceptible, il sera question du point d’intermittence. Dans la littérature anglophone, ce point est nommé « channel head » (Dietrich et Dunne, 1993). Près de cet endroit, le lit peut parfois être discontinu ou diffus. En effet, la subjectivité de l'identification sur le terrain du point d’intermittence peut faire varier grandement son positionnement en fonction des observateurs. Un cours d’eau permanent aura quant à lui un lit où l’écoulement de l’eau sera plus stable, ce qui permettra à l’eau de s’écouler dans son lit même en période d’étiage (Barry et al., 2009; Jaeger et al., 2007). Il arrivera parfois qu’un cours d’eau qualifié de permanent s’assèche lors de périodes de sécheresse exceptionnelle (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs, 2019). L’endroit où l’écoulement devient permanent est nommé point de permanence. Dans la littérature anglophone, ce point est nommé « stream head ». (Dietrich et Dune, 1993; Wohl, 2018). De plus, il est possible d’observer un écoulement permanent en l’absence d’un lit. Cette situation se présente par exemple dans un milieu humide lorsque la force de l’eau ne permet pas d’inciser la matière organique présente sur place (Watters et Stanley, 2007). On observe alors une présence permanente d’eau ainsi qu’un déplacement (dans un milieu humide possédant des intrants et extrants d’eau), mais sans lit visible. Le point de permanence est situé de manière générale en aval du point d’intermittence. Dans de rares cas, comme en présence de résurgences et sur des dépôts de surface grossier et épais, les points de permanence et d’intermittence peuvent correspondre au même endroit (Jaeger et al., 2007). Il existe dans la littérature un autre type d’écoulement nommé éphémère. Ce dernier n’est pas associé à la présence d’un lit et il n’est donc pas un cours d’eau selon la législation québécoise. Dans le Règlement sur l’aménagement durable des forêts (RADF), ce type d’écoulement est nommé drainage naturel. Il est possible de l’identifier par des traces d’écoulement préférentiel sur le sol, il est donc souvent présent dans des zones de légères convergences (Daggupati et Sheshukov, 2013). Il est alimenté par l’eau de la fonte de la neige au printemps et/ou par de fortes précipitations liquides (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs, 2019). Il est donc primordial de considérer la présence d’un lit et le régime d’écoulement comme deux aspects indépendants interagissant ensemble et étant régi par les variables physiographiques et climatiques du territoire.
8
1.2.2. Processus de formation des cours d’eau
Les cours d'eau sont formés par deux grands processus, soit ceux d'écoulement de surface et ceux d'écoulement souterrain. Il existe un large gradient entre ces deux processus (Dietrich et Dune, 1993).
En ce qui concerne les processus d’écoulement de surface, ils sont séparés par des processus fluviaux, et dans une moindre mesure, par des processus colluviaux. Les processus fluviaux sont impliqués lorsque le transport des sédiments est effectué par l’action de l’eau. Les processus colluviaux sont quant à eux impliqués lorsque les sédiments sont transportés par l’action de la gravité. Ils ont en effet le potentiel de former un lit, mais ces processus se produisent dans des secteurs où la pente est forte, le sol est instable et l’action de l’eau n’est pas en cause. Il peut être difficile de distinguer les deux processus sur le terrain puisque la période de retour des deux événements peut grandement varier. Par exemple, un lit peut être faiblement influencé par un processus fluvial annuellement, mais ce même lit pourrait avoir été formé par un processus colluvial s’étant produit il y a une centaine d’années (Wohl, 2018). Dans le cadre de ce mémoire, les processus colluviaux ont été volontairement omis à cause de la difficulté à les identifier. Ainsi, le postulat suivant a été posé : un cours d’eau possède un lit formé par un processus fluvial.
L'écoulement de surface est caractérisé par une infiltration faible de l’eau dans le sol par rapport à l'intensité des précipitations (Horton, 1945). Ce phénomène est présent lorsque les sols sont peu perméables, minces ou lorsque la pente est forte (Dietrich et Dune, 1993). C’est donc bien souvent dans des concavités que l’eau est concentrée suffisamment pour éroder les sédiments présents sur le sol. Avec une concentration de l’écoulement, lorsque la force de l’eau dépasse la résistance des sédiments, un lit se formera (Dietrich et Dunne, 1978).
L'écoulement souterrain est présent sur des sols épais où l'infiltration est élevée (Dunne et Black, 1970). Le mouvement de l'eau est vertical dans la zone supérieure du sol qui n'est pas saturée. Lorsque l'eau atteint la partie saturée du sol, un mouvement latéral de l'eau s'effectue. L'eau se déplace alors de différentes manières. Le déplacement peut être diffus
9
ou bien se faire au travers de pores du sol possédant des tailles variables (Wohl, 2018). Lorsque l'eau souterraine intersecte la surface, elle émerge du sol. Ceci se produit lorsqu'il y a un changement drastique dans la pente ou lorsqu'un changement de perméabilité du sol survient. L’aire de drainage, c’est-à-dire une superficie de bassin versant, nécessaire pour initier ce type de cours d’eau est très variable (Wohl, 2018). La réponse du régime d'écoulement dans le lit de ces cours d'eau est très peu corrélée avec l'intensité des précipitations (Dunne et Black, 1970). Un cours d’eau formé par des processus souterrains coïncide bien souvent dans des zones de convergence, tout comme pour le processus d’écoulement de surface.
Tous ces processus sont affectés par de nombreux paramètres topographiques et physiographiques. Par exemple, l’inclinaison et la forme de la pente, la capacité d’infiltration des différents horizons du sol, ainsi que la taille et la cohésion du matériel en place sont tous des facteurs qui affecteront les processus d’érosion du sol de différentes manières. C’est pourquoi l’aire de drainage nécessaire pour initier un cours d’eau intermittent peut grandement varier à l’intérieur même d’un petit territoire. Tous ces facteurs topographiques et physiographiques dictent l’importance relative des processus d’écoulement de surface et d’écoulement souterrain dans la formation d’un lit de cours d’eau (Dietrich et Montgomery, 1994).
1.2.3. Mesures de protection des cours d’eau
Au Québec, selon le RADF, des restrictions d’aménagement forestier s’appliquent, sur terres publiques, pour la protection des cours d’eau en fonction de leur régime d’écoulement. Pour les cours d’eau intermittents, il est permis de récolter les arbres situés dans une lisière de 6 m de chaque côté de la limite supérieure de la berge, mais aucune machinerie ne doit y circuler. Pour les cours d’eau permanents, la machinerie ne doit pas circuler dans une lisière de 20 m, mais il est possible d’y récolter jusqu’à un tiers de tiges. Ces mesures sont mises en place pour ne pas affecter le sol et le régime hydrique dans cette zone et ainsi limiter l’apport de sédiments dans les cours d’eau (Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs, 2019). Ce cadre règlementaire interdit notamment tout passage de la machinerie dans le lit d’un cours d’eau sauf lorsqu’autorisé pas la Loi sur la qualité de
10
l’environnement (LQE). Cette dernière permet donc une protection accrue des cours d’eau en limitant leur modification. Cette loi prévoit aussi des sanctions pour quiconque perturbe ou pollue un cours d’eau (Gouvernement du Québec, 2017b). De plus, la Loi sur la conservation des milieux humides et hydriques adoptée en 2017 protège également les cours d’eau sur terres privées en exigeant l’élaboration de plans régionaux de protection des milieux humides et hydriques. Cette loi comprend aussi des mesures de restauration et de création des milieux humides et hydriques (Gouvernement du Québec, 2017a). Diverses mesures présentes dans les lois et les règlements assurent donc une planification forestière qui permet de minimiser l’impact des activités humaines sur le réseau hydrologique. La récolte forestière peut affecter de différentes manières les cours d’eau. La température de l’eau des cours d’eau dont le bassin versant est affecté par la coupe n’augmente que très peu lorsqu’une lisière boisée est conservée pour les cours d’eau permanents (Tremblay et
al., 2009). Une coupe effectuée dans la partie amont d’un bassin versant présentant de
fortes pentes peut créer des écoulements préférentiels dans des zones de convergences là où le sol n’est plus protégé par la végétation. C’est dans les pentes fortes et dans des sols plus instables que l’apport en sédiments dans les cours d’eau est normalement le plus élevé après coupe (Swanson et al., 1986). De plus, une densité élevée de routes sur un territoire augmente les risques d’apports en sédiments. De la même manière, une grande quantité de ponceaux augmente l’apport des sédiments dans le système hydrique (Spillios, 1999). Un apport élevé en sédiments fins affecte l’oxygénation des frayères des salmonidés et réduit donc la survie des alevins (Soulsby et al., 2001). Cette augmentation de l’apport de sédiments et de nutriments dans le réseau hydrique a tendance à accélérer l’eutrophisation et donc diminuer la qualité de la vie aquatique en aval (Freeman et al., 2007; St-Hilaire et
al., 2016)
1.2.4. Méthodes de détection
Prédire la position des cours d'eau avec des méthodes cartographiques est largement étudié depuis plusieurs années et via de nombreuses approches. Les cours d'eau peuvent être détectés principalement par trois grandes approches.
11
Premièrement, les cours d’eau peuvent être photo-interprétés à partir d’images stéréoscopiques aériennes. Depuis que les photos aériennes existent, cette méthode a été utilisée pour générer des réseaux hydrographiques, telles que la Géobase du réseau hydrographique du Québec (GRHQ) (Ministère de l’Énergie et des Ressources Naturelles, 2016) ou le « National Hydrography Dataset » de la United States Geological Survey (USGS) (U.S. Geological Survey et U.S. Department of Agriculture Natural Resources Conservation Service, 2013). Les principales contraintes de cette méthode sont liées à la difficulté pour l’interprète de voir sous le couvert forestier la présence des petits cours d’eau, de même que l’interprétation du régime d’écoulement de ces tronçons de cours d’eau. En effet, la présence d’un lit d’écoulement n’est pas nécessairement synonyme d’une incision du territoire qui est imperceptible avec de telles images stéréoscopiques (Montgomery et Dietrich, 1994). Cette méthode sous-estime donc grandement la longueur totale des plus petits cours d’eau et tend à considérer des cours d’eau permanents comme des cours d’eau intermittents (Hatin et Charette, 2014).
La seconde approche est le seuillage de la modélisation hydrographique. Il est possible de déterminer l'aire de drainage minimale permettant de générer un cours d'eau et ainsi appliquer un seuil à une matrice d’accumulation de flux. Ce seuillage appliqué à l’accumulation de flux est simplement nommé « seuil » dans ce mémoire afin d’alléger le texte (Band, 1986; Fairfield et Leymarie, 1991; Jenson et Dominque, 1988; O’Callaghan et Mark, 1984a) (figure 1). Le principe de base de cette méthode est que l’eau se dirigera toujours vers le point bas du territoire. C’est pourquoi le modèle numérique de terrain (MNT) est la donnée cartographique matricielle de base utilisée pour cette méthode de détection des cours d’eau. Le postulat de base de la modélisation hydrographique est que le sol est une surface imperméable. La modélisation hydrographique doit être effectuée par bassin versant, de manière à travailler dans des ensembles fermés d’un point de vue hydrographique pour conserver une cohérence des seuils utilisés. La première étape de la modélisation hydrographique consiste à éliminer les dépressions dans le MNT. Une dépression est par définition une surface qui est complètement entourée de pixels d'élévation supérieure dont la direction de flux mène au point bas de celle-ci (Wang et Liu, 2006). Cette étape préliminaire est essentielle pour assurer la continuité des écoulements (O’Callaghan et Mark, 1984; Jenson et Domingue, 1988). Deux approches existent pour éliminer les
12
dépressions, soit le remplissage (O’Callaghan et Mark, 1984; Jenson et Domingue, 1988; Wang et Liu, 2006) et le bréchage (Lindsay, 2016a; Lindsay et Dhun, 2015; Martz et Garbrecht, 1998, 1999; Poppenga et al., 2010; Rieger, 1998). Le remplissage consiste à éliminer les dépressions en augmentant les valeurs d’altitude dans cette dernière jusqu’au déversoir, c’est-à-dire le point bas du contour de la dépression. Le bréchage fonctionne à l’inverse et diminue les valeurs d’altitude de la dépression sur un chemin reliant le fond de la dépression et un endroit d’élévation inférieur à l’extérieur de la dépression. Les algorithmes développés pour l’approche de remplissage permettent d'obtenir des résultats semblables entre eux, mais avec des temps de traitement différents. En ce qui concerne les méthodes de bréchage, elles permettent quant à elles d'obtenir des résultats très différents en fonction de l'algorithme utilisé (Lindsay et Dhun, 2015). Depuis la disponibilité des MNT dérivés de données LiDAR, le bréchage est étudié quant à son efficacité à modéliser précisément la position des ponceaux (Lindsay et Dhun, 2015; Poppenga et al., 2010). En effet, certaines dépressions présentes dans le MNT sont artificielles et formées par des obstacles anthropiques comme les chemins ce qui peut faire dévier grandement le réseau hydrographique issu de la modélisation. Autrement, lorsque la position des ponceaux est connue, il est possible d’effectuer du brûlage pour améliorer significativement l’exactitude de la modélisation (Li et al., 2013). Pour effectuer cette étape, il s’agit de modifier manuellement les valeurs d’élévation du MNT vis-à-vis les ponceaux afin de rediriger les entités géospatiales linéaires de la modélisation hydrographique dans ceux-ci.
Ensuite, il est nécessaire de déterminer la direction de flux, c’est-à-dire la direction de l’écoulement, pour chacun des pixels de la matrice.
13
Figure 1 Étapes de la modélisation de l'hydrographie avec l'algorithme de direction de flux D8 (ESRI, 2018)
Il existe deux catégories d'algorithme de direction de flux, soit ceux à flux de direction unique et ceux à flux de direction multiple. Parmi les algorithmes à flux de direction unique, le premier à être proposé est le D8 (O’Callaghan et Mark, 1984). Cet algorithme possède 8 directions de flux possible. C’est la pente descendante la plus forte qui permet de déterminer la direction de flux. La figure 1 en est un bon exemple. D'autres algorithmes à flux de direction unique comme le Rho8 (une version stochastique du D8; (Fairfield et Leymarie, 1991)) et le D-Infinity (possibilité infinie de direction; (Tarboton, 1997)) ont été élaborés. Parmi les algorithmes de direction multiples, les plus connus sont le «multiple flow direction» (Freeman, 1991) et le DEMON (Costa‐Cabral et Burges, 1994). Un algorithme à flux de direction unique est plus approprié pour cartographier les cours d'eau puisqu'il permet de concentrer l'écoulement en un seul vecteur (Freeman, 1991). De plus, ce dernier est plus adapté aux MNT de haute résolution et de grande taille puisqu'il est simple et rapide, optimisant le temps de traitement (Ariza-Villaverde et al., 2015; Murphy et al., 2008). La troisième étape consiste à calculer l’accumulation de flux. Cette étape permet de représenter le nombre de pixels s’écoulant dans chacun des pixels à partir de l’information décrite dans la matrice de direction de flux précédemment déterminée. Enfin, pour extraire un réseau hydrographique cohérent, il est nécessaire de sélectionner un seuil en deçà duquel l'accumulation de flux n'est pas conservée (O’Callaghan et Mark, 1984) (figure 1). Bien souvent, le seuil d'accumulation d'un réseau hydrographique est choisi de manière visuelle et itérative en le comparant à un réseau hydrographique de référence. Bien que cette technique soit largement répandue, elle peut entrainer une surestimation ou une
14
sous-estimation de la densité du réseau hydrographique, particulièrement si la physiographie du territoire est hétérogène (Colombo et al., 2007). Une technique semblable consiste à déterminer le seuil d'accumulation en fonction des sommets du réseau de référence. Il s'agit de capturer la valeur d'accumulation la plus élevée à une certaine distance d'un point considéré comme l'initiation du cours d'eau (Bhowmik et al., 2015). Un MNT plus précis permet généralement d'obtenir un seuil plus précis (Ariza-Villaverde et
al., 2015). Cependant, le réseau de référence est bien souvent photo-interprété et ne
correspond pas bien à la réalité terrain (Hatin et Charette, 2014). C'est pourquoi il est important de choisir un seuil d'accumulation en fonction d'une base de données précise issue d’observations faites sur le terrain (Bhowmik et al., 2015). La modélisation hydrographique permet également de délimiter de manière automatique des bassins versants (Band, 1986).
La troisième approche permettant de détecter les cours d'eau est la reconnaissance de vallées (Passalacqua et al., 2012; Peucker et Douglas, 1975; Tribe, 1992). Le principe de base consiste à comparer les pixels d’un MNT à ses pixels voisins afin d’extraire de nouvelles valeurs. De cette manière, par exemple, la situation topographique de ces derniers peut être décrite et il est donc possible de les regrouper en classes morphométriques (sommet, creux, col, crête, talweg, plan) (Peucker et Douglas, 1975). C’est de cette manière que sont calculé des indices comme le « topographic position index » (TPI) (Weiss, 2001), le « valley recognition (VR) » (Rodriguez et al., 2002) ou bien la courbure (Zevenbergen et Thorne, 1987). L'indice morphométrique le plus souvent utilisé lors de la détection des cours d’eau est la courbure. Peucker et Douglas (1975) ont tout d’abord décrit les lignes de vallées comme des lignes reliant les creux avec les cols. Ces lignes étaient identifiées par une fenêtre glissante de 2 par 2 sur l’ensemble du MNT. Il s’agit d’une des premières descriptions géomatiques de l’incision du territoire pouvant être par la suite interprété comme un cours d’eau. Par la suite, le même principe a été retenu, mais en utilisant des fenêtres de dimensions et d’orientation variable et en tentant de filtrer davantage le résultat afin de réduire le bruit présent dans les vallées détectées (Lindsay, 2006; Qian et al., 1990; Tribe, 1992). Le résultat est fortement influencé par la taille de la fenêtre. Une fenêtre trop petite donne un résultat discontinu et avec une fenêtre trop grande, il est possible de rater des incisions ou bien de ne pas pouvoir extraire une ligne cohérente.
15
Ainsi, avec cette méthode, il est important d’assurer une connectivité et une direction d’écoulement pour obtenir un réseau hydrographique cohérent (Tribe, 1992). Puisque cette approche est efficace seulement lorsqu’une incision est perceptible dans le MNT et que dans le cas d’un réseau hydrographique, ce concept est multiscalaire (Montgomery et Dietrich, 1992), certains auteurs ont combiné la reconnaissance de vallées avec le seuillage de la modélisation hydrographique afin d’améliorer la correspondance des cours d’eau détectés avec une base de données terrain (Elmore et al., 2013; Heine et al., 2004).
Dans le cadre de ce mémoire, l’approche de la modélisation hydrographique est celle qui a été étudiée. Le nombre de défis associés à la modélisation hydrographique effectuée à partir de MNT LiDAR est suffisamment élevé pour omettre l’étude de la méthode de reconnaissance de vallée dans le cadre de ce projet de maîtrise. De plus, les limites de la méthode de reconnaissance de vallées sont très présentes dans le contexte forestier québécois. La modélisation hydrographique a été longtemps utilisée avec des MNT possédant une résolution grossière ne permettant pas une bonne définition de la topographie (Murphy et al., 2008). Grâce à la technologie LiDAR disponible de nos jours, les MNT à haute résolution qui en sont dérivés mettent en évidence la microtopographie sous le couvert forestier. La précision des réseaux hydrographiques générés à partir de ces MNT est nettement améliorée et le nombre d'études utilisant ces données augmente sans cesse (Goulden et al., 2016; Murphy et al., 2008; Persendt et Gomez, 2016). C’est principalement grâce à ces MNT qui représentent une avancée technologique majeure que la modélisation hydrographique doit être davantage étudiée (Wulder et al., 2012). L’usage de données de terrain pour la compréhension de tels réseaux hydrographiques est encore en développement et doit être au cœur de la calibration des modèles.
16
2. Chapitre 1 : Production d’une cartographie à haute
résolution spatiale de l’hydrographie linéaire
2.1.
Introduction
Le territoire québécois est soumis à divers lois et règlements pour la protection des milieux hydriques (Gouvernement du Québec, 2017b, 2017a; Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs, 2019). Une mise en place efficace de ces mesures de protection doit passer par une représentation cartographique des cours d’eau. La Géobase du réseau hydrographique du Québec (GRHQ) est largement utilisée au Québec pour effectuer cette tâche. Cependant, le réseau hydrographique de la GRHQ est issu de la photo-interprétation et cette méthode sous-estime la longueur réelle de cours d’eau présents sur le territoire (Caissy, 2016; Dechamplain, 2016; Hatin et Charette, 2014). Les MNT issus de données LiDAR décrivant la microtopographie du sol sous le couvert forestier permettent de revoir certaines méthodes de détections des petits cours d’eau (Wulder et al., 2008). Comme décrit et expliqué dans la section 1.2.4., le seuillage de la modélisation hydrographique est la méthode qui a été retenue. Cette méthode est la plus utilisée puisqu’elle est simple à implémenter et qu’elle permet d’obtenir de bons résultats à partir des MNT possédant une fine résolution comme ceux dérivés du LiDAR (Goulden et al., 2014).
Cependant, malgré les avantages de cette méthode, l’usage d’un seuil unique d’accumulation de flux dans un territoire hétérogène pose un important problème puisque les caractéristiques physiographiques influencent la densité des cours d'eau sur un territoire (Dietrich et Dune, 1993; Horton, 1945; Julian et al., 2012). En effet, l’aire de drainage des points d’intermittence et de permanence varie grandement en fonction de ces caractéristiques. Lorsque l’écoulement de surface est le processus dominant de la formation du cours d’eau, la modélisation hydrographique tend à générer un réseau hydrographique dont la position est plutôt exacte. Si le processus de formation est dominé par l’écoulement souterrain, l’aire de drainage nécessaire pour initier un cours d’eau est très variable et l’usage de la modélisation hydrographique est donc moins approprié (Dunne et Black, 1970; Wohl, 2018). Montgomery et Dietrich (1994) ont démontré que pour des dépôts de
17
surface différents, des processus différents de formation des cours d’eau étaient impliqués. Il a été ainsi démontré à de nombreuses reprises que l’aire de drainage nécessaire pour initier un cours d’eau est très variable en fonction du processus dominant de la formation du cours d’eau (Dietrich et Dunne, 1993; Dunne et Black, 1970; Wohl, 2018). Bien que le processus d’initiation des cours d’eau soit extrêmement important, ce facteur est rarement pris en compte dans la littérature (Wohl, 2018). Par exemple, l’inclinaison et la forme de la pente, la capacité d’infiltration des différents horizons du sol, ainsi que la taille et la cohésion du matériel en place sont toutes des facteurs qui affecteront les processus de formation des cours d’eau de différentes manières. Il est démontré que la pente, locale ou non, exerce une influence sur la formation des cours d’eau (Julian et al., 2012; Montgomery et Dietrich, 2013; Wohl, 2018). Un territoire présentant de fortes pentes aura tendance à posséder un réseau hydrologique plus dense qu’un territoire avec des pentes faibles (Horton, 1945; Montgomery et Dietrich, 1988; Tucker et Bras, 1998). De plus, selon plusieurs études, la courbure possède un effet significatif sur l’aire de drainage des points d’intermittence (Jensen et al., 2018; Julian et al., 2012). Également, la présence d’un milieu humide influence la présence d’un cours d’eau (Russell et al., 2015). Comme les milieux humides se situent dans de territoires très plats, ils réduisent la force hydraulique qui permet d’inciser le sol et donc de former un lit de cours d’eau (Dietrich et Dunne, 1993). À une échelle plus régionale, le régime de précipitation et d'évapotranspiration aurait également une influence sur la position des points d’intermittence (Tucker et Slingerland, 1997). Il apparaît qu’un lit formé par un processus de surface sera fortement influencé par des précipitations intenses et de courtes durées (Dietrich et Dunne, 1993; Julian et al., 2012; Tucker et Bras, 1998). Un point d’intermittence est également assujetti à changer dans le temps pour diverses raisons (Wohl, 2018; Wohl et Scott, 2017) ce qui complexifie davantage sa détection. Il est donc essentiel de bien comprendre les différents processus formant les cours d'eau pour pouvoir prédire l'endroit où seront situés les points d’intermittence et de permanence dans un réseau hydrographique.
La détermination de seuils basés sur des observations faites sur le terrain a été effectuée à quelques reprises pour générer un réseau hydrographique (Avcioglu et al., 2017; Henkle et al., 2011; Jaeger et al., 2007; Julian et al., 2012), mais jamais dans le but premier d’un usage adapté pour les gestionnaires du territoire. L’usage de réseaux hydrographiques
18
générés à partir de MNT dérivés du LiDAR permettra une meilleure protection de l’eau au Québec et une gestion plus efficace du territoire forestier.
L’objectif de ce chapitre est de produire un réseau hydrographique à haute résolution spatiale à partir de MNT LiDAR via trois étapes :
a. Déterminer des seuils de détection cartographique des cours d'eau intermittents et des seuils d'initiation des cours d'eau permanents;
b. Comparer le nouveau réseau hydrographique avec le réseau de référence; c. Évaluer quelles variables physiographiques font significativement varier les
seuils de détection cartographique des cours d'eau intermittents afin d’effectuer une meilleure interprétation visuelle.
19
2.2.
Territoire à l’étude
Les sites à l'étude se trouvent dans deux régions administratives de la province de Québec au Canada, soit la Capitale Nationale et l'Outaouais (Figure 2). Ces régions ont été choisies pour la disponibilité de MNT à haute résolution spatiale (1 m) issus de données LiDAR. Les bassins versants des rivières Kinonge, Picanoc, du Sourd ont été choisis pour la région de l’Outaouais (acquisition LiDAR 2015) et les rivières Montmorency et Sainte-Anne ont été choisies pour la région de la Capitale Nationale (acquisition LiDAR 2016) compte tenu de la diversité physiographique de ces territoires. Ces bassins versants ont respectivement une superficie de 280, 1 278, 562, 1 147 et 2 709 km².
Les bassins versants se situent dans le domaine bioclimatique de l'érablière à bouleau jaune dans la région de l'Outaouais et le sud de la rivière Saint-Anne et dans le domaine bioclimatique de la sapinière à bouleau blanc et de la sapinière à bouleau jaune dans la région de la Capitale Nationale.
20
Figure 2 Localisation des sites d'étude où les cours d’eau ont été inventoriés dans deux régions administratives du Québec, et dans différents domaines bioclimatiques. En rouge, de gauche à droite, on observe les bassins versants (complets et incomplets) des rivières Picanoc, du Sourd, Kinonge, Saint-Anne et Montmorency.
Les bassins versants dans la région de l'Outaouais sont caractérisés par un relief peu accidenté formé de hautes collines dont l'altitude varie de 200 à 400 m. Le till est le dépôt de surface le plus fréquent et son épaisseur varie selon la topographie. Il est généralement plus épais dans le bas des pentes et en pente douce et plus mince sur les sommets et en pentes fortes. Dans le fond de larges vallées, on retrouve cependant des dépôts fluvioglaciaires plus épais. Les précipitations annuelles moyennes varient de 900 à 1100 mm. Les peuplements sont principalement feuillus et mélangés. Les températures annuelles moyennes sont d'environ 2,5 à 5 °C (Gosselin, 2002).
21
La partie sud du bassin versant de la rivière Saint-Anne dans la région de la Capitale Nationale est l'endroit qui se rapproche le plus au niveau physiographique de ce qu'on retrouve en Outaouais. Les précipitations y sont par contre plus abondantes et dans l'ordre de 900 à 1400 mm par année. Les peuplements mixtes y sont également plus présents. Les températures annuelles moyennes sont d'environ 2,5 °C (Gosselin, 2014).
Les autres secteurs de la région de la Capitale Nationale sont situés dans le nord des bassins versants des rivières Saint-Anne et Montmorency. Ces secteurs sont caractérisés par de hautes collines ainsi que des monts. L'altitude y est beaucoup plus élevée et varie de 500 à 700 m dans la rivière Saint-Anne et de 600 à 900 m dans la rivière Montmorency. Les températures annuelles moyennes sont d'environ 0 à 2,5 °C et de -2,5 à 0 °C pour la rivière Saint-Anne et Montmorency respectivement. Ces différences expliquent en grande partie pourquoi le nord de la rivière Montmorency est dominé par des peuplements résineux. Les dépôts de surface sont presque exclusivement composés de till. L'épaisseur du till varie selon la topographie de la même manière qu'en Outaouais. Dû à la topographie beaucoup plus montagneuse que les autres secteurs, les précipitations annuelles moyennes sont de 1000 à 1600 mm (Blouin et Berger, 2004; Gosselin, 2002).
2.3.
Matériel et méthodes
Les manipulations géomatiques ont été effectuées à l’aide du logiciel ArcGIS Desktop 10.6, incluant l’extension Spatial Analyst. Le logiciel libre SAGA GIS a également été utilisé. Les analyses statistiques ont été effectuées dans le logiciel libre R ( http://www.r-project.org/).
2.3.1. Création d’un modèle hydrographique d’analyse
L'acquisition des données LiDAR a été effectuée aux printemps et aux étés 2015 et 2016 par le MFFP (Leboeuf et Pomerleau, 2015). La densité des points était minimalement de 2,5 points par m². Les modèles numériques de terrain (MNT) générés à partir de ces données ont été faits avec le logiciel LAStools. Ce logiciel triangule les points classés « sol » pour former un triangulated irregular network (TIN), puis ce dernier est transformé en raster. (http://lastools.org/). La résolution spatiale a été fixée à 1 m (Leboeuf, 2016). Il a
22
été démontré que la modélisation hydrographique effectuée à partir de MNT avec une résolution spatiale de 1 m est plus exacte que lorsqu'une résolution plus grossière de MNT est utilisée (Goulden et al., 2016). Les dépressions ont été remplies avec la méthode du « Fill Sinks XXL » (Wang et Liu, 2006). Des ponceaux localisés sur le terrain ont été itérativement considérés en brûlant ces derniers dans le MNT (Li et al., 2013). Cette technique a permis de maximiser la cohérence des écoulements pour les analyses subséquentes. La méthode de détermination de la direction de flux des pixels du MNT utilisée était celle du D8 proposée par O’Callaghan et Mark (1984). Des seuils préliminaires ont été appliqués sur la modélisation hydrographique afin de servir de référence visuelle pour les inventaires terrains. Les seuils ont été déterminés après discussions avec des spécialistes de la modélisation hydrographique. Ils ont permis de classifier les cours d'eau en quatre catégories: les écoulements éphémères de premier ordre: 0,1 ha à 1 ha, les écoulements éphémères de deuxième ordre: 1 ha à 4 ha, les cours d'eau intermittents: 4 ha à 25 ha et les cours d'eau permanents: 25 ha et plus (Mathieu Varin et Philippe Bournival, communication personnelle, avril 2017).
23
2.3.2. Cartographie des points d’intermittence des cours d'eau
(cartographie terrain et cartographie en laboratoire)
Toutes les données de validation collectées sur le terrain ont été acquises à l’aide de récepteurs submétriques GNSS Arrow 100 de la firme EOS. Ces appareils possèdent une précision d'environ 0,5 m en milieu ouvert et 1,2 m en milieu forestier (Estrada, 2017; Jean-Philippe Dargis, communication personnelle, avril 2017). Ces récepteurs ont été connectés à l'application Collector de ArcGIS sur un téléphone BlackView. L'interface qu'offre un téléphone intelligent et le logiciel Collector de ArcGIS ont facilité la prise de donnée. Des fonds de carte ayant comme information les pentes, les dépôts de surface, un indice topographique d'humidité comme le « SAGA Wetness Index » ont été générés pour l'orientation et l'interprétation des cours d'eau sur le terrain. La grande majorité des inventaires ont été effectués à proximité des chemins pour faciliter l'accès aux cours d'eau. Les travaux d’inventaires se sont déroulés durant les mois de juin, juillet et août des années 2017 et 2018.
Des cours d'eau intermittents et permanents ont donc été inventoriés dans tous les bassins versants à l'étude. Ils ont été visités à pied, en se déplaçant de l'aval vers l'amont. Des positionnements de cours d’eau ont été récoltés par GPS à environ tous les 30 m depuis le départ de l'inventaire jusqu'au dernier positionnement correspondant à l'endroit le plus en amont du cours d'eau possédant encore un lit et correspondant donc au point d’intermittence (figure 3).
24
Figure 3 Positionnements de cours d’eau récoltés sur le terrain lors de l’été 2017
Différentes informations étaient colligées pour chacun de ces positionnements: le régime d'écoulement, s'il y avait un lit, si le lit était sec ou de l'eau y coulait et d'autres informations comme la présence d'un milieu humide. Ces informations sont résumées dans le tableau 1. Puisqu'une modélisation servait de référence visuelle pour les inventaires, des points nommés « hydrographie absente » ont été positionnés sur tout écoulement linéaire modélisé, mais n'apparaissant pas sur le terrain. Ces données étaient particulièrement importantes en amont du point d’intermittence lorsqu'il était nécessaire de les repositionner manuellement en laboratoire. Pour chaque positionnement relevé sur le terrain, une photo géoréférencée du cours d'eau a été prise pour aider au travail d'interprétation en laboratoire.
25
Tableau 1 Informations récoltées lors du positionnement des cours d’eau
Champs Informations Commentaires
État de l'inventaire
Positionnement (Défaut)
Hydrographie absente Cours d’eau modélisé, mais absent sur le terrain.
Intersection
Intersection entre des cours d’eau permanents, intermittents ou un
écoulement éphémère. Séparation du cours d'eau Endroit où le cours d'eau se sépare
pour au moins 30 m. Inventaire stoppé
Cours d’eau réel non visité en amont afin de fermer le système
hydrographique réel. Lit d'écoulement
Présence (Défaut) d’écoulement apparent (Condition : Présence ou non d’un lit signe d’écoulement, dépression et intégré à un réseau hydrographique) Absence Type d'écoulement Écoulement éphémère Intermittent Permanent Indéterminé Point d’intermittence Point de permanence Certitude du type d'écoulement Certain(Défaut) Incertain Écoulement instantané Écoulement (Défaut) Absence d'eau Absence d'écoulement Occupation de l'eau
dans le lit au point précis
Moins 1/3 1/3 – 2/3 2/3 – 3/3 Plus 3/3 Proportion du lit étant
interstitiel 0/3 5 m en aval du point 0/3 – 1/3 1/3 – 2/3 2/3 – 3/3 3/3 Caractéristique du cours d’eau Résurgence
Sélection multiple possible Infiltration Fossé anthropique Fosse Orniérage Coupe forestière Plan d’eau Entrée d’eau du MH MH
Sortie d’eau du milieu MH
26
Un travail en laboratoire a permis de faire un ajustement de la concordance géospatiale des points d’intermittence et des points de permanence relevés sur le terrain avec le réseau hydrographique utilisé pour les analyses. Certains points ont été exclus compte tenu de deux critères pouvant biaiser les résultats. Premièrement, lorsque le point ne se trouvait pas sur un écoulement modélisé avec une accumulation de flux cohérente et que celle-ci était visiblement erronée en amont en fonction des positionnements relevés sur le terrain. Deuxièmement, lorsque le point était situé dans un fossé anthropique ou était affecté par un fossé anthropique.
2.4.
Analyse statistique
2.4.1. Détermination des seuils de détection cartographique
Afin de produire un réseau hydrographique à haute résolution spatiale, des seuils doivent être appliqués à une matrice d’accumulation de flux. Les points d’intermittences et de permanence doivent donc être représentés sur le réseau hydrographique. L’approche traditionnelle représentant ces transitions sous forme ponctuelle a été écartée compte tenu de la rigidité de sa représentation cartographique. C’est plutôt sous forme de zones que sont illustrées les transitions du régime d’écoulement dans le réseau hydrographique généré. Il n’existe donc pas, dans la représentation hydrographique qui a été générée, de point précis où le lit d’un cours d’eau se forme ni de point précis où le régime d’écoulement devient permanent. Les points d’intermittence sont donc représentés par des zones d’intermittence et de la même manière, les points de permanence sont représentés par des zones de permanence.
Pour sélectionner les seuils permettant de représenter des zones d’intermittence et de permanence, avec l’aide de la matrice d’accumulation de flux, l'aire de drainage a tout d’abord été identifiée pour les points d’intermittence et de permanence réels de tous les secteurs visités. Ensuite, ces différentes probabilités ont été sélectionnées : 5%, 10%, 25%, 50%, 75%, 90% et 95%. Elles ont permis d’identifier des quantiles déterminant l’étendue de l’aire de drainage des données terrain en fonction de la probabilité. Par exemple, pour une probabilité de 95 %, on retrouve les données de terrain du 2,5e quantile au 97,5e
27
quantile. La médiane sépare en deux groupes égaux les données terrain. Cela correspond donc à une probabilité de 95% de retrouver le point d’intermittence réel dans la zone illustrée du réseau hydrographique. Ces différentes probabilités ont été illustrées dans un graphique afin de visualiser le chevauchement des zones d’intermittence et de permanence en fonction de la probabilité et ainsi sélectionner des seuils cohérents.
2.4.2. Comparaison du réseau hydrographique de référence
Une fois le réseau hydrographique générée, une comparaison de ce dernier avec le réseau hydrographique existant de la GRHQ a été effectuée. La médiane de l’aire de drainage des points d’intermittence et des points de permanence a été utilisée comme seuil pour la comparaison. L’usage de zones est en effet uniquement approprié pour une interprétation visuelle. L’analyse a été effectuée pour chacun des bassins versants à l’étude. La densité du réseau hydrographique a alors été comparée entre les deux réseaux. Les entités géospatiales linéaires de la cartographie se superposant aux lacs ont été exclues afin de comparer uniquement celles représentant des cours d’eau réels. En effet, le réseau issu de la modélisation hydrographique ainsi que la GRHQ possèdent des entités géospatiales linéaires à l’intérieur des plans d’eau comme les lacs afin d’assurer une continuité du réseau hydrographique. Les cours d’eau à deux rives ont alors été conservés pour l’analyse.
2.4.3. Évaluation des variables physiographiques affectant les
seuils de détection cartographique des cours d'eau
intermittents
Une troisième analyse a permis de déterminer quelles variables physiographiques exercent un effet significatif sur l'aire de drainage nécessaire pour initier un cours d'eau réel, c’est-à-dire la variable utilisée pour produire les seuils des zones d’intermittence de la cartographie. Le but de cette analyse est de comprendre ce qui fait varier l’aire de drainage nécessaire pour former un cours d’eau dans une finalité d’interprétation visuelle des réseaux hydrographiques en combinaison à d’autres informations cartographiques. Cette analyse ne cherche donc pas à inclure des variables physiographiques dans les modèles permettant de produire les réseaux hydrographiques.
