Méthodes de spatialisation de réseaux arborescents et orientés par simulations conditionnelles : application aux réseaux de fossés de paysages viticoles

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Méthodes de spatialisation de réseaux arborescents et orientés par simulations conditionnelles : application aux

réseaux de fossés de paysages viticoles

Jean-Stéphane Bailly

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Jean-Stéphane Bailly. Méthodes de spatialisation de réseaux arborescents et orientés par simulations conditionnelles : application aux réseaux de fossés de paysages viticoles. Milieux et Changements globaux. Université de Montpellier 2, 2007. Français. �tel-01430767�

Eole dotorale SIBAGHE

Spéialité: Terre-Eau-Espae

Méthodes de spatialisation de réseaux

arboresents et orientés par simulations

onditionnelles : appliation aux réseaux de

fossés de paysages vitioles

Jean-Stéphane BAILLY

Thèse de dotorat de l'université,

présentée le 18 avril 2007

JURY

Rapporteur: PatrikDURAND

Rapporteur: RahidSENOUSSI

Direteurdethèse: ClaudeMILLIER

Examinateur: Anne-VéroniqueAUZET

Invité : PasalMONESTIEZ

Examinateur: PhilippeLAGACHERIE

Examinateur: Pierre CHEVALLIER

Introdution Générale 7

1 Contexte etobjetifs 11

1.1 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2 Spatialisationenhydrologiedesbassinsversants . . . . . . . . . . . 13

1.3 Etudeshydrologiquesdesréseauxhydrographiquesartiielsdespay- sagesultivés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.4 Objetifsd'étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2 Hypothèses,démarhesméthodologiques etsite d'étude 31 2.1 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2 Hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.3 Démarheméthodologiqueet objetifsspéiques . . . . . . . . . . . 44

2.4 Présentationdusite d'étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3 Simulationsde variables à support arboresentet orienté 51 3.1 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.2 Modélisation et simulationgéostatistiquesdevariabilités spatialesle longd'arbresorientés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.3 Modélisationetsimulationparproessuspontueldevariabilitésspa- tialesparsegmentshomogènesindépendantssurunarbre orienté . . 71

3.4 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4 Simulationsonditionnellesd'arbresorientésdansunlattieorienté 93 4.1 Introdution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.2 Conditionnement:Télédétetiondelaprésenedefosséssurunlattie delimites adastrales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.3 Algorithmedesimulationonditionnelled'unréseaudefossésdansle lattiedeslimitesadastrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.4 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Conlusionset perspetives 151 A Annexes 167 A.1 Annexesduhapitre3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

A.2 Annexesduhapitre4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

Ce travailaétéréaliséauseindedeuxunitésdereherhe,duCemagref(Ins-

titut de reherhe pour l'ingénierie de l'agriulture et de l'environnement) et de

l'INRA (Institut National de la Reherhe Agronomique), dans le adre, notam-

ment,duprojetMobhydiduProgrammeNationaldeReherheenHydrologie.

Ila été nanépar l'ENGREF (EoleNationale duGénie Rural,des Eaux et

desForêts).

JesuisreonnaissantàRahidSenoussi,direteurdereherheenbiométriede

l'INRA,et PatrikDurand, hargéde reherheen hydrologiede l'INRAd'avoir

apportéleurpointdevuesurettethèseenaeptantd'enêtrelesrapporteurs.

JetiensàremerierClaudeMillier,direteursientiquedel'ENGREFetde

l'INA-PG,maintenantAgro-ParisTeh,pouravoirsuivirégulièrementl'avane-

ment de ette thèse, avoir partiipé à la phase de validation des résultats, et e,

malgréunéloignementet unemploidutempspeufavorables.Jesouhaiteexprimer

ma gratitude à Philippe Lagaherie et Pasal Monestiez pour m'avoir ena-

dré ave une grande disponibilité et lairvoyane tout au long de ette thèse. Je

remerieChristianPueh,DireteurdereherheduCemagref,pourm'avoiréga-

lement ontinuellementenouragé. Je remerie également Anne-VéroniqueAuzet,

ProfesseurdesuniversitésdeStrasbourg,ainsiquePierreChevallier,Direteurde

reherheàl'IRD,pouravoiraeptéd'examineretravail.

Un grand meri Philippe, pour m'avoir aueilli haleureusement, onseillé et

guidé régulièrementmais également pourtes enouragementsàpublier et lore e

travail.MeriPasalpourtesonseils avisésettes bonnesidées.

Merienn auxresponsables,MarVoltz,SylvainLabbé,PasalKosuth,au

personnel, auxthésards, stagiairesde es deuxunités pourleursoutien sansfaille,

leur assistane tehnique, administrativeet quelquefois sportive.Je pense partiu-

lièrement à André Miralles, mon o-loataire dubureau 124 de la maison de la

télédétetion,poursa préieuseontributiondansledéveloppementd'outils ad-ho

degestiondedonnéesLiDARet avequij'ai pupartagermesangoissesdethésard

d'âgemûr.

Finalement,etravailn'auraitjamaispusedéroulerdansdesibonnesonditions

sanslesoutientoutennuanesdemesprohes:monépouseetmeslles.

Un peu desimulationonditionnellepourterminer.Adeux desresponsablesde

monitinéraireetdondeetravail:ω^{,lehasard,et mongrand-pèrepaternel.}

Lorsquel'ons'interrogesurlesmoyensàmettreenoeuvrepourlimiterlesinon-

dationsoulespollutionsd'origineagriole,laplaedesaménagementslinéairesdes

espaesultivéstels lesfossés,haies,taluset heminsapparaîtsouventommeen-

tralemaisambiguë.Cetteambiguïtéestpartiulièrementmarquéepourlesréseaux

hydrographiquesartiielsréésparlesagriulteurs,lesserviesdel'état(génieru-

ral, servies de l'équipement) ou les olletivités loales : fossés, hemins, routes,

busesenterrées...Cesréseauxsontparfoisreonnusresponsablesd'inondations,par

eetde onentrationdes éoulementset d'aélérationde le irulationdes eaux.

Ils sont quelquefois, au ontraire, des veteurs qui favorisent les éhanges entre la

surfaeetlesouterrainetontribuentainsiauralentissementdeladynamiquedela

rueparrediusion deséoulementsonentrés. Dupointde vuede laqualité des

eaux,etteambiguïtéestenoreplusmarquée:tanttilspiègentourediusentpar

inltrationlesélémentspolluants,tanttilsaélèrentleurstransfertsentreleurlieu

d'appliationet lemilieuréepteur(unerivière,uneuve,ouunaquifère).

Lesmodiationsdurégimeetdelaqualitédeseauxdeshydrosystèmesultivés

liéesà l'agenementspatial de es aménagementset de leurs aratéristiquessont

omplexes. Cette omplexité a de multiples origines. Une premièreorigine est liée

auxdiversesrèglesd'implantation,dedimensionnement,d'entretiendeesaménage-

mentsquisetraduisentparunefortehétérogénéitéspatialedeleursaratéristiques.

Uneseondeoriginerésidedansladiversitéde rlesfontionnelsdesréseauxarti-

ielspour diérentstypesde rues,diérentes matières atives,diérentstypesde

milieux.Lesvariabilitésspatialesettemporellesdesproessushydrologiquesmisen

jeusuresréseaux,deleurssingularitésquipeuventparfoisàellesseulesonditionner

leuromportementglobal,limitent,parnonlinéaritédesréponsesetomportements,

lagénéralisationd'étudesd'impatdeesaménagementssurleshydrosystèmes.

Bien sûr, les reherhes sur es impats existent, mais elles restent peu nom-

breusesauplaninternational.Ellessontsouventloales,expérimentales,etdérivent

àl'éhellede l'aménagementlesproessus élémentairesenorepeuonnus, notam-

mentsurlaqualité deseaux.Ces reherhessontdefaittrès rarementintégratives

àdeséhellesspatialesdegestion,àdeséhellesdeterritoires.Plusieursausesliées

àlaomplexité de es hydrosystèmesaménagéslimitent ette intégration spatiale,

notammentlesdiultésd'expérimentation(oût,métrologie)tantdupointdevue

1desmesureshydrologiques,quedupointdevue2deladesriptiondeesréseaux,

dansl'espae.Lebesoindeartographienumériquedeesréseauxapparaîtdonim-

portantetlemanquedeméthodesdespatialisationdeleurhétérogénéitéestundes

obstalesmajeursàlagénéralisationdetellesétudes.

permettent dereprésenterspatialementdes réseauxhydrographiquesanthropiques,

dereprésenter l'hétérogénéité deleurs propriétésloales,àpartir derares données

éhantillonnéessurleterrain.

Ce travail de thèse s'est déroulé au sein de deux unités de reherhe : l'UMR

TETIS 1

dontles ompétenes portent,entre autres, sur les problèmes de spatiali-

sation mettant en oeuvre une démarhe métrologiquepar télédétetion, et l'UMR

LISAH 2

dontles ompétenes portent à lafois sur les problèmes de spatialisation

devariablesdanslespaysagesrurauxàpartirdedonnéesrareset surl'étudehydro-

logiquedesréseauxhydrographiquesartiielsdespaysagesagrioles.Ce travailest

donlepointdeonvergeneentre esompétenes.

Dans un soui de quantiation et de représentation spatiale des inertitudes,

l'approhedespatialisationretenueestlasimulationspatialestohastique,i.e.aléa-

toire.Unefois développéepourlesréseauxhydrographiquesartiiels despaysages

ultivés,etteapprohepermettraitdemimerlesvrais réseauxpardesréseauxvir-

tuels réalistes. Par onstrution, il serait ainsi possible 1d'intégrer la rareté des

donnéesdesriptivessuresréseauxet2dereprésenterlesinertitudesdespatiali-

sation.L'avantageprinipalderéseauxvirtuelsseraitd'êtrefaileàmanipulerdans

l'espae. Ils pourraient être utiles pour remplaer les données manquantes, tester

desprotoolesexpérimentaux, desplans d'éhantillonnage, omparerdes sénarios

d'aménagement de l'espae, faire des tests statistiques, notamment des études de

sensibilité de modèles sur un ritèrede struture spatiale de réseaux. Quand elles

existent,desdonnéesomplémentairesetloalisées,réaliséesparexemplepartélédé-

tetion,pourraientégalementêtreintroduitesdanslesproéduresdesimulation.Ces

donnéespourraientainsiontraindrelessimulationspourenmaximiserleréalisme.

Danse as,les simulationsseraientditesonditionnelles ouonditionnées pares

données.

Si desméthodesde simulationspatialeonditionnelleexistentpourdesvariabi-

litésnaturellesetdéniesdansunplan,enrevanhe,ommentfairelorsquel'espae

étudiéestlinéaire,enréseau,orientéet,quiplusest,artiiel?Lesméthodesdénies

pourdesvariabilitésnaturellesdansunplansont-ellessimplementtransférablessur

desréseaux?Commenttenirompted'unaratèreanthropiquedesvariabilités?La

télédétetionpeut-elle êtreutile pour ontraindrelessimulationsspatialesd'objets

linéairesdespaysagesultivés?Commentjugerduréalismedesimulationsspatiales

de réseaux hydrographiques? Et suivant quels ritères? Ces questions onstituent

unedélinaisondel'objetif généraldanslequels'insritemémoiredethèse.

Ce mémoires'artiulesuivantquatrehapitres,qui traitentsuessivement:(1)

d'une revue des méthodes de spatialisation généralement mobilisées en hydrologie

puisdes étudeshydrologiques existantes surl'impat des réseaux hydrographiques

artiiels des paysages agrioles; nous préiserons alors les questions de reherhe

partiulières qui se posent pour la spatialisationde tels réseaux hydrographiques;

(2) d'une présentation des hypothèses et de la démarhe méthodologique retenues

1

Territoires,Environnement,TélédétetionetInformationSpatialeommuneàl'ENGREF,au

CemagrefetauCIRAD.

2

Laboratoire d'étude des Interations Sol-Agrosystème-Hydrosystème ommune à l'INRA,

l'AgroMetl'IRD.

aratéristiquesprinipalesdusite testretenu;(3)dedéveloppementsdeméthodes

s'appuyant sur des modèles probabilistes spatiaux qui permettent de simuler des

variables portéespar un réseau hydrographique vu omme un graphe arboresent

et orienté;Ces développementsselimiterontàl'étude d'unevariableduréseau, sa

largeur,priseommeexemple; (4)dedéveloppementsdeméthodesqui permettent

desimulerl'arhitetured'unréseauhydrographiquedansl'espaegéographiqueen

onditionnant es simulations par des données de télédétetion. Ces données per-

mettentdepréloaliserunepartie deesréseauxet d'orienter lasimulation.

Ces deux derniershapitresonstituentle÷urméthodologiquede lathèse. Ils

se onluent haun par un bilan des méthodes proposées. Des onlusions plus

généralesainsiquedesperspetivesd'utilisationdeesméthodessontsituéesenn

dedoument.

photo,2005

Contexte et objetifs

Sommaire

1.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2 Spatialisation en hydrologiedes bassinsversants . . . 13

1.2.1 Questionsposéesàl'hydrologiedesbassinsversants . . . 13

1.2.2 Lesdémarhesdespatialisationenhydrologie . . . . . . . 15

1.3 Etudeshydrologiquesdesréseauxhydrographiquesar- tiielsdes paysagesultivés. . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3.1 Réseauxhydrographiquesartiiels . . . . . . . . . . . . . 17

1.3.1.1 Dénitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3.1.2 Origines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3.1.3 Unediversitédefontions. . . . . . . . . . . . . 18

1.3.1.4 Loalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.3.1.5 Variabilitésspatiales. . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.2 Impatsdesréseauxhydrographiquessurlerégimeetla qualitédeseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.2.1 Proessusélémentaires . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.2.1.1 Colleteetdistributiondeseauxetma- tièresassoiées . . . . . . . . . . . . . . 21

Éhangessubsurfae-surfae . . . . . . . . . . 21

Colletes desurfaelatérales . . . . . . . . . . 22

1.3.2.1.2 Transportetstokagedel'eau :règles hydrauliques . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3.2.1.3 Rétention et transformation des pol- luants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3.2.2 Impatsàl'éhelledepetitsbassinsversants . . 23

1.3.2.2.1 Colletedel'eau . . . . . . . . . . . . . 24

1.3.2.2.2 Transportdel'eau . . . . . . . . . . . . 24

1.3.2.2.3 Dissipationdespolluants . . . . . . . . 26

1.3.2.3 Priseenomptedesréseauxartiielsdespay- sages ultivés dans les modèles hydrologiques atuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.3.2.4 Enonlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.4 Objetifsd'étude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Dans ehapitre, nousintroduisons leontextedusujetde thèsequi estelui de

l'hydrologie desbassins versantsultivés.

Dansunpremiertemps,nousregardonsdansqueladreetommentsontabordésles

problèmesd'hétérogénéitésspatialesinternesd'unbassinversantparleshydrologues.

Nousnousintéresseronsensuite auxméthodesetoutilsqu'ilsutilisent généralement

pour éhantillonner, représenter et quantier es hétérogénéités, notamment elles

de réseauxhydrographiques.

Dansundeuxièmetemps,nousprésentonspourquoietommentleshydrologuesétu-

dientlesréseauxhydrographiquesartiielsdespaysagesultivés.Nousextraironsde

lalittératurelesprinipales aratéristiquesdeesréseauxvariables dansl'espaeet

onditionnant le régime etla qualitédes eaux1à l'éhelle de l'aménagement, sup-

portde l'atetehnique élémentaire, puis 2àl'éhelle de bassinsversants.

Enn, en synthèse de es deux premières setions, nous identierons les questions

méthodologiques partiulières que les besoins de représentation des hétérogénéités

spatiales de réseaux hydrographiques sous-tendent, questions au oeur des objetifs

générauxde ettethèse.

1.2.1 Questions posées à l'hydrologie des bassins versants

Lamodélisation duyledel'eausurunbassinversanta,parnature,une om-

posante spatiale.Elles'appuie:

soit sur quelques aratéristiques physiques globales du bassin versant, ne

serait-equesasurfaeouquelquefoisdesaratéristiquesmoyennes,desmo-

ments "d'ordre 1" de variables internes aux bassins. C'est par exemple, le

as de formules empiriques qui aratérisent le temps de onentration d'un

bassin 1

, sa "nervosité", telle la formulede Passini 2

qui exprime e temps de

onentrationtc ^{enfontiondelapentemoyennedubassin}I^{,de lalongueur}

duplusgrand thalwegL ^{et de lasurfaedubassin} A^{. On parledanse as}

demodélisation "globale";

soit sur une disrétisation de l'intérieur du bassin versant pour représenter

expliitementlesvariabilitésspatialesinternesaubassin.Onparledanseas

demodélisationdistribuée(exemples:Topog(Vertessyetal.,1993),Mhydas

(Moussa et al., 2002)) ou semi-distribuée lorsque 1le nombre de mailles de

disrétisation est faible (ex : Hydrotel (Fortin et al., 2001)), ou 2lorsque

le modèle tient ompte d'une distribution (histogramme) non spatialisée de

variables internes au bassin (ex : histogramme de l'indie topographique de

KirkbydansTopmodel(Bevenet Kirkby,1979)).

Sans polémiquer sur le bien-fondé et les performanes entre les approhes de

modélisations hydrologiquesglobalesou distribuées,on peut direque es deuxap-

prohessontomplémentairesdanslesens oùellessontdestinées àrépondreàdes

questionsdiérentes.

L'histoiredelamodélisationhydrologiqueglobaledebassinsversants,pluttsta-

tistique,s'estforgéesurlesnotionsderuedeprojet,debilanglobaldelaressoure,

dansunedémarhed'ingénierie.

Les modèles hydrologiquesdistribués dans l'espae, plusphysiques,ontété dé-

veloppésfortement dans les années 1990. Cet essor semble initialement lié au dé-

veloppement desS.I.G 3

, desM.N.T 4

et desprogrèsmétrologiques(Graysonet al.,

2002;Beven,2001).Audelàdeetteimpulsiontehnologique,Graysonetal.(2002,

p.1313)souligneque'estaussilanaturedesquestionsposéesauxhydrologuesqui

aontribuéàe développement:avelapriseenompte desrisqueshydrologiques

(inondations,oulées de boues, pollutions) et dans un soui d'optimisation éono-

mique,"on ne s'intéresseplus uniquement à la quantité ouqualité de l'eau en un

point de l'espaemais surtoutà leursprovenanes et leurs déterminants: 1 d'où

viennentlesontaminants?;2oùinvestirprioritairementsurlebassinversantpour

retierlesproblèmes?

Pourrépondreàes questions,onabesoinde préditionsdesimpatshydrolo-

giques(etéologiques)del'aménagementdubassinversantquitiennentomptede

lavariabilitéspatialeinterne aubassin(audelàdumomentd'ordre1) etquisoient

elles-mêmesspatialisées. Autrement dit, ondoit aussitendre vers une distribution

dans l'espaedes "sorties" demodèleshydrologiques. C'est déjà lairementle as,

1

tempsdeparoursdel'eaudusommetdubassinàl'exutoire

2tc= 0.108∗^(A∗L)

1 3 I¹²

ensystèmeinternationalaveA≥40km²

3

Systèmed'InformationsGéographiques

4

ModèleNumériquedeTerrain