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Cartographie et identification des zones à risque hydro- sédimentaires des bassins versants tributaires du lac Ichkeul (Tunisie septentrionale) : apports des SIG et de la modélisation
Raoudha HABOUBI
Université de la Manouba; Laboratoire « CGMED », Tunisie. Raoudha.elhaboubi200@gmail.com
Résumé :
Notre étude porte sur l’application conjointe d’une approche géomatique et d’une modélisation hydrologique pour l’identification et la cartographie des risques hydro- sédimentaires issue des analyses multicritères variées. Cette approche utilise diverses variables hydro-géomorphométriques, dont la plupart a été dérivée d’une série de traitements ordonnés du Modèle Numérique du Terrain (MNT). De plus, elle se base sur le calcul d’indices résolus aux échelles des micro-bassins et des mailles élémentaires, comme indice topographique de Beven, degré et longueur de pente, altitude moyenne, densité de drainage, coefficient du ruissellement, surfaces drainées, directions des écoulements, zones contributives d’écoulement, zones saturées, indice de perméabilité des sols, Indice de Végétation Normalisé (NDVI) et taux de recouvrement.
Toutes ces données ont été corrigées et normalisées en premier temps sous forme des couches d’informations. En second, elles sont intégrées et analysées spatialement et statistiquement par un Système d’Information Géographique. Grâce à cet outil informatique, nous avons traité et déterminé numériquement et mathématiquement les paramètres de la modélisation. Des micro-bassins versants (MBV) de calcul ont été dégagés. Un regroupement est appliqué à ce niveau suite à une analyse spatiale. Une carte des Unités Hydrologiques Homogènes (UHH), objet de cet article, est élaborée. Ce support nous aidera à distinguer les zones à haut risque hydro-sédimentaire conformes aux zones contributives d’écoulement ou « sources majeures des sédiments ».
Mots clés : MNT, Analyse multicritère, Risques hydro-sédimentaires, Unités Homogènes, Sources majeures des sédiments.
Abstract:
Our research focuses on the joint application of a geomatic approach and hydrological modeling for the identification and mapping of hydro-sedimentary risks based on various multi-criteria analyzes. This approach uses various hydro-geomorphometric variables, most of which were derived from a series of ordered treatments of the Digital Terrain Model (DTM).
In addition, it is based on the calculation of indices resolved on the scales of micro-basins and elementary meshes, as Beven topographic index, degree and length of slope, average altitude,
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density of drainage, coefficient of runoff, surfaces drained, flow directions, contributory flow zones, saturated zones, soil permeability index, normalized vegetation index (NVI) and recovery rate.
All of this data was corrected and normalized first in the form of information layers.
Second, they are integrated and analyzed spatially and statistically by a Geographic Information System. Thanks to this computer tool, we have processed and determined numerically and mathematically the modeling parameters. Calculation micro-watersheds (MBV) have been identified. Grouping is applied at this level following a spatial analysis. A map of Homogeneous Hydrological Units (HHU), the subject of this article, is drawn up. This support will help us to distinguish the zones with a high hydro sedimentary risk conforming to the contributing zones of flow or "major sources of sediments".
Keywords: DTM, Multi-criteria analysis, Hydro-sedimentary risks, Homogeneous Units, Major sources of sediments.
ﺺﺨﻠﻣ
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INTRODUCTION
Garaet Ichkeul, est un lac d’eau douce de faible profondeur. Elle représente l'exutoire d'un macrosystème couvrant 2200 km². Les bassins versants adjacents ceux de (Douimis, Sejnène, Melah et Ghezala) qui alimentent lac Ichkeul à l’Ouest sont l’objet de cette étude. Ils s'étendent sur presque 915 km² et représentent environ 42% du réceptacle de l’Ichkeul.
Appartenant à la Tunisie septentrionale, cette zone bénéficie d’un climat méditerranéen assez homogène. De par leur position et de leur appartenance aux étages humide et subhumide inférieur, ils figurent parmi les bassins les plus arrosés du pays. Topographiquement, le terrain d’étude peut être subdivisé en deux entités orographiques distinctes : un amont de jbels et de collines et un aval fait des plaines. Administrativement, les bassins font partie du gouvernorat de Bizerte et relèvent des délégations de Bizerte Sud, Sejnène, Ghezala, Mateur et Tinja (fig.1).
Figure 1: Localisation du complexe Ouest de Garaet Ichkeul
Les oueds principaux et les affluents qui parcourent ces bassins occidentaux du lac Ichkeul acheminent les eaux du ruissellement souvent très chargées en matériaux solides notamment lors des crues et déposent là, où la pente faiblit et dans les pièges à sédiments de types (Garaas, retenues des barrages, travaux de CES…).
En fait, l’érosion hydrique constitue ainsi l’un des problèmes majeurs et fort préoccupant pour ces hydrosystèmes. Cette érosion se manifeste très inégalement en raison de l’importante hétérogénéité physiographique du terrain. Si le détachement et la production des sédiments prévalent grièvement dans les zones amont, les zones aval sont surtout touchées par la sédimentation.
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Cet état n’est cependant pas précisément cerné à l’échelle de l’hydrosystème de l’Ichkeul et notamment à l’échelle des bassins versants Ouest où l’érosion hydrique reste encore insuffisamment connue. Les multiples études antérieures se limitent aux descriptifs sommaires, basés sur des recherches historiques et/ou des résultats ponctuels de projets réalisés sur le site.
Et à ce jour, la notion du transfert hydro-sédimentaire de l’amont vers l’aval du bassin versant de l’Ichkeul est encore peu abordée et peu développée. De même, la segmentation fine et la spatialisation des drains et des bassins versants de l'Ichkeul en unités homogènes du point de vue risques hydro-sédimentaires, sont pratiquement à aboutir.
A l’échelle de ce complexe Ouest, la gestion de l’environnement et en particulier les ressources en eau et en sol, exige de bonnes compréhension, connaissance et perception des processus hydrodynamiques, hydro-sédimentaires et érosifs.
Cette contribution essaie de caractériser ces processus, de modéliser le fonctionnement hydrologique des bassins versants, ainsi que de cartographier et d’identifier les zones à risques hydro-sédimentaires des bassins versants tributaires du lac Ichkeul afin de prévoir l’évolution de ces systèmes hydriques à court et à long termes.
Afin de répondre à cette problématique, et aboutir à un zonage homogène, synthétisant à la fois les « unités vulnérables-émettrices d’écoulement- productrices des sédiments », une modélisation hydrodynamique à base d’un Modèle Numérique de Terrain (MNT), suivie d’une série d’analyses spatiales et statistiques procédée sous un Système d’Information Géographique (SIG), a été appliquée. L’approche utilisée, en fait est géomatique, elle se base sur une analyse multidimensionnelle à travers des combinaisons paramétriques des facteurs d’érosion (indice de perméabilité des sols, Indice de Végétation Normalisé (NDVI) et taux de recouvrement du couvert végétal), ainsi que des variables hydro-géomorphométriques, dont la plupart a été dérivée de traitements ordonnés du MNT (indice topographique de Beven, degré et longueur de pente, altitude moyenne, densité de drainage, coefficient du ruissellement, surfaces drainées, directions des écoulements, zones contributives d’écoulement et zones saturées). Notre méthodologie du travail (fig.2) est une sorte de stratégie de conception et de gestion des données statistiques et spatiales afin d’évaluer le comportement hydro-sédimentologique ainsi de discrétiser spatialement la zone contributive de sédiments classée comme zone source ou perte en sédiments.
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Figure 2: Un organigramme de la méthodologie d’analyse d’une carte des Unités à Risques Hydro Sédimentaires (URHS)
La conception de cet organigramme (pour la première partie-amont) est inspirée des études de (Bergaoui et Camus ,1995) et (Daoudi et al , 2009).
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I. La cartographie des zones homogènes à base d’un MNT est largement utilisée dans domaines multidisciplinaires
L’exploitation du Modèle Numérique du Terrain (MNT) dans la modélisation du relief a permis une extraction des zones homogènes. Cette méthode est utilisée par plusieurs chercheurs, comme par exemples :
- (Bergaoui et Camus, 1995), ont déduit les caractéristiques géomorphométriques et hydrométriques du bassin versant de l'oued Ez-Zioud (Djebel Semmama - Tunisie centrale), à partir du MNT. Une superposition de différents paramètres d’érosion (pente, indice de Beven, réseau hydrographique, exposition, directions des écoulements, sol et végétation) a donné une carte des Zones Hydrologiques Homogènes. Le but de ce travail est de fournir quelques éléments permettant une première approximation de la segmentation du bassin versant de l'oued Ez-Zioud en zones hydrologiques pouvant être considérées comme similaires. Les résultats de cette étude ont contribué à la constitution d'une banque de données utilisable pour une modélisation hydrologique à discrétisation spatiale (pluie - débit - transport solide) du bassin.
- (Estupina, 1999), a analysé une base de données hydrographiques et topographiques à base d’un Modèle Numérique du Terrain. Une Modélisation hydrologique à l’aide d’un SIG (MapInfo, Arcview et ArcInfo) a été appliquée sur un bassin versant de la Garonne situé dans la zone de Saint Girons.
- (Secretan, et al, 2001) ont proposée une méthodologie de modélisation numérique de terrain pour la simulation hydrodynamique bidimensionnelle. Cette méthode a été appliquée avec succès dans de nombreux contextes comme en fait l'application réalisée sur la rivière Chicoutimi suite aux crues catastrophiques du Saguenay en 1996 était pour des fins de simulation hydrodynamique ou de bilan sédimentaire (érosion, sédimentation) dans les zones fortement érodées par la crue. La stratégie adoptée permet de fusionner les divers variables qu’elles soient scalaires comme la topographie avec l'utilisation environnementale du modèle numérique de terrain (planification d'aménagement, conservation d'habitats, inondations, sédimentologie), la méthode permet de travailler avec la projection des données sur un support homogène de type maillage d'éléments finis et de conserver intégralement l'original comme référence. Cette méthode est basée sur une partition du domaine d'analyse par type d'information : topographie, substrat, rugosité de surface, etc. Ce modèle conceptuel forme à notre sens le MNT proprement dit. Le processus du transfert des données des partitions à un maillage d'analyse est considéré comme un résultat du MNT et non le MNT lui-même. Il est réalisé à l'aide d'une technique d'interpolation comme la méthode des éléments finis.
- (Kouamé et al, 2007), ont constitué une base de données géospatiale du bassin versant du fleuve N’zo (7350 km2) situé en milieu tropical humide de Côte d’Ivoire. L’analyse spatiale des données matricielles (modèle numérique d’altitude, occupation des terres, catégories de sols), vectorielles (réseau hydrographique, limite du bassin versant, localisation des stations hydrométéorologiques) dans un Système d’Information Géographique a permis une discrétisation physiographique du bassin en Unités Hydrologiques Relativement Homogènes (UHRH), 1700 zones ont ainsi été identifiées. Cette segmentation est déterminée afin de simuler le déplacement de l’eau sur le bassin, dont l’exutoire est un point de confluence du réseau hydrographique.
- (Trabelsi et al, 2012), ont utilisé des SIG pour la modélisation des réseaux hydrologiques et l’analyse spatiale des bassins versants du Sahel de Sfax, situé au Sud-est de
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la Tunisie. Dans cette étude, des données MNT-SRTM ont été traitées par deux outils SIG ceux du programme Rockworks 15 et Arc Hydro sous ArcGIS.10. Une extraction automatique du réseau hydrologique a été déterminée. Le produit final est une carte des aires de drainage, qui prend en entrée, la direction des écoulements et la segmentation du courant.
L’ajustement de l’approche de modélisation numérique et hydrodynamique du terrain, demande un travail sur son principe, son espace d’application et ses paramètres. Un essai de couplage entre la modélisation hydrologique et les SIG, a permis de mieux interpréter et spatialiser la dynamique des flux d’écoulements et des sédiments des bassins versants, en s’appuyant sur l’analyse morphologique du Modèle Numérique de Terrain ( MNT).
II. Caractéristiques morphométriques des bassins versants
Pour la numérisation des contours des bassins versants et la digitalisation des courbes de niveau et le réseau hydrographique, treize feuilles topographiques au 1/25000 ont été corrigées et mosaïquées. Une évaluation géomorphométrique a été déterminée pour chaque bassin versant (tab.1). Elle se base essentiellement sur le Modèle Numérique du Terrain (MNT) et ses produits dérivés pour modéliser l’hydrodynamique des flux des écoulements. La précision du MNT agit beaucoup sur la qualité des résultats.
Paramètres Douimis Sejnène Melah Ghezala
Superficie (S) en km² 60 470 238 63
Périmètre (P) 46 148 86,4 59
Coefficient de forme ou Indice de compacité de Gravelius (Kc)
1,5 1,53 1,42 1,59
Longueur du rectangle équivalent(L) en km 16,6 44,3 26 20 Largeur du rectangle équivalent(l) enkm 3,4 8,5 6,1 3,8 Longueur du thalweg principal en km 19,13 47,5 32 20
Altitude maximale (Hmax en m) 416 619 610 586
Altitude minimale (Hmin en m) 7 5 15 22
Altitude moyenne (Hmoy en m) 138 192 290 204
Indice de pente globale (Ip) m/km 13,8 6,9 14,5 20,1
Dénivelée spécifique (Ds) enm 103 306 186 145
Classe du relief assez
fort
assez fort
assez fort
assez fort Tableau 1: La morphométrie des bassins versants
III. Analyse spatiale des zones d’accumulation
Les SIG (Arcview et ArcGIS) permettent de traiter et de visualiser des données géospatiales, qui peuvent être la reproduction topographique d’un bassin versant. Les traitements sollicitent alors une analyse morphologique du terrain.
En ajoutant un module ou une extension « hydrologique » aux SIG (Arcview et ArcGIS) qui sont respectivement "Hydro.avx" et « Arc Hydro » (proposant des fonctions pour les calculs hydrologiques), les données hydrographiques et hydrologiques sont alors analysées. En fait,
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ces commandes conduisent à une modélisation hydrodynamique du bassin versant, en déterminant des zones émettrices d’écoulements et d’autres d’accumulations.
Les SIG en fait, aujourd'hui, sont très utilisés par divers supports ou outils logistiques (MapInfo, ArcInfo, Arcview et ArcGIS..). Mais qui nous intéresse le plus dans notre recherche est le résultat ainsi que la fiabilité de l’outil utilisé.
1. Production et traitements du MNT 1.1. Génération du MNT
Un MNT est une image numérique constituée de pixels rectifiés géographiquement. Ces pixels montrent chacun un élément de surface du terrain, auxquels on attribue l'altitude.
Souvent, les Modèles Numériques du Terrain sont des réseaux réguliers d'altitude et des matrices de points régulièrement espacés.
Un MNT est donc la représentation morphologique tridimensionnelle discrète d'une surface.
Des opérations élémentaires peuvent être accomplies sur cette surface, comme le calcul de la pente. Il existe plusieurs modes de discrétisation des opérateurs mathématiques réguliers d’un bassin versant. La morphologie et le système des pentes du terrain conditionnent la direction et la vitesse du ruissellement. L’altitude, la pente, les courbures verticales et horizontales ainsi que l’orientation constituent les paramètres caractérisant le relief. L’acquisition des données altimétriques a été faite par numérisation des courbes de niveau (équidistance de 5 m), des points côtés et du réseau hydrographique.
Notant que les passerelles entre les logiciels étaient nécessaires pour détecter et rectifier les erreurs notamment sur le plan altitudinal. En premier temps, sous le logiciel Arcview3.3 et la fonction « Spatial Analyst», nous avons créé un MNT en 2 D. Sous Mapinfo.10, et à l’aide du module « Vertical Mapper 2.6 », les courbes de niveau sont transformées en points qui permet de transformer les polylignes en points. Cette transformation est nécessaire pour gérer un MNT sous forme de grille numérique en 3 D. Le traitement du MNT par la fonction
« rasterize point Data » sous ENVI 4.7, nous a donné un DEM (Digital Elevation Model) (fig.3). Ce MNT raster va servir comme couche d’information de base pour gérer les différents produits dérivés par la fonction « Topographic Modeling ». D’après (Faye, 2013), bien que les MNT soient initialement développés pour la modélisation du relief, ils peuvent être utilisés pour modéliser la variation continuelle de n’importe quel autre variable notamment la dynamique des flux d’écoulements sur une surface tridimensionnelle. Pour pouvoir croiser toutes les couches d’informations (occupation, végétation, perméabilité, pente, hydrodynamique…) par un SIG, elles doivent être compatibles avec le MNT et avoir la même taille élémentaire du pixel soit de 25 m x 25 m.
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Figure 3: Le DEM « Digital Elevation Model » des bassins versants Ouest du lac Ichkeul, calculé par le logiciel ENVI
1.2. Correction du MNT par comblement des points bas
Le MNT comporte des points bas, identifiés par « la fonction cuvette ». L’eau dans ces zones ne peut virtuellement pas se déplacer, ce qui perturbe les calculs d’écoulement. Selon (Fossey, 2008), pour corriger cette situation, il faut combler ces points bas par la fonction
« remplissage » du Module Hydrologie. Le calcul d’une grille des directions d’écoulement est nécessaire pour permettre le cheminement de l’eau vers l’aval (fig.4).
Les principales possibilités pour préparer le MNT suivant « l’Atlas des zones du ruissellement, 2009 » sont l’adaptation du MNT à la position réelle des cours d’eau et le remplissage des « trous ».
Figure 4: Comblement des points bas par la fonction « Fillsinks »
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2. Détermination des expositions et des directions des écoulements
L'exposition est la direction d'une pente. Elle est calculée pour chaque triangle d'un TIN (interpolation triangulaire). Le calcul de l’exposition est une étape importante, vu que l’orientation des mailles permet de déterminer la ligne de partage des eaux et de définir le réseau de drainage. Les cartes d’exposition (fig.5) du complexe Ouest définissent 9 classes (N, NE, E, SE, S, SO, O et NO et une classe pour le relief plat). Il apparaît à partir de cette répartition que les expositions (Est, Sud-est, Sud et Sud-ouest) caractérisent les bassins versants Ouest de Garaet Ichkeul et représentent environ 50%. 22% des terres sont des zones plates (tab.2).
Figure 5: Carte des expositions
Expositions Nombre de
pixels Superficie en
(ha) Pourcentage
Zone plate 7138 16000 21,76
Nord = 0° ou 360° 2349 5200 7,16
Nord-est = 45° 2305 5100 7,03
Est = 90° 4373 9800 13,33
Sud-est = 135° 3662 8200 11,16
Sud = 180° 4359 9800 13,29
Sud-ouest= 225° 3653 8200 11,14
Ouest = 270° 2329 5200 7,10
Nord-ouest = 315°
2637 5900 8,04
Total 32805 73800 100,00
Tableau 2 : Statistiques des expositions en pixels, en hectares et leurs représentativités
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Les directions des écoulements sont calculées par la fonction « flow direction » dans chaque cellule de la grille du MNT (fig.6). Le programme calcule d’une façon théorique la trajectoire d’une goutte d’eau passant de l’amont en aval, et d’un pixel à un autre en tenant compte de la forme du relief. D’après (Bergaoui et Camus, 1995 et Fossey, 2008), ces orientations sont simplifiées sous forme des codes varient de 1 (Est) à 128 (Nord-est).
Figure 6: Carte des directions des flux des écoulements dominants
Le tableau N°3 représente les différentes directions des écoulements, et sont au nombre de huit classes. Les statistiques montrent que la dynamique des eaux est importante sur les versants orientés vers le Nord et l’Est, considérés comme les plus chauds et dont la capacité de stockage des eaux est faible. Pour les versants orientés vers le Sud et l’Ouest sont plus humides avec une évaporation faible et une capacité de stockage des eaux importante. Ces résultats confirment la diversité morphologique du complexe Ouest dont une bonne partie du terrain représente des zones dépressionnaires et des plaines. Les oueds principaux et leurs affluents débouchent notamment dans le lac Ichkeul, exutoire du tout le macro système. Pour oueds Melah et Ghezala, ils débouchent dans les marais Ouest et Sud.
Directions des écoulements Codes Nombre de pixels
Superficie en ha
Pourcentage
Nord 64 6528 14600 17,8
Nord-est 128 2416 5400 6,8
Est 1 5416 12100 14,7
Sud-est 2 2399 5300 6,5
Sud 4 6148 13800 16,7
Sud-ouest 8 2246 5000 6,1
Ouest 16 9126 20500 24,8
Nord-ouest 32 2432 5400 6,6
Total 36711 82500 100
Tableau 3:Statistiques des directions des écoulements en pixels, en hectares et leurs représentativités
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Dans certains cas, nous avons noté une proportionnalité nette entre l’exposition des versants et la direction des écoulements comme au Nord-est, Est, Sud, et Nord-ouest. Dans d’autres cas, des écarts sont clairs entre ces deux paramètres (fig.7).
Figure 7: Répartition des expositions et des directions des écoulements, appliquées à l’échelle des bassins Ouest de l’Ichkeul
Ces situations peuvent être expliquées par d’autres facteurs physiques et humains qui favorisent ou ralentissent la dynamique des eaux pluviales. Mentionnons aussi que les discontinuités du réseau de drainage peuvent être aussi expliquées par le facteur géologique notamment les fractures ou/et les failles. De nombreux linéaments ont été levés sur des fonds géologiques. Ces structures apparaissent souvent en un réseau dense de linéaments de tailles variables en constituant l’essentiel des chemins des écoulements (fig.8).
Figure 8: Répartition des linéaments structuraux
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3. Calcul des altitudes moyennes et des pentes moyennes par maille
D’après l’histogramme de la courbe hypsométrique cumulative et la carte hypsométrique (fig.9 et fig.10), 65.4% du bassin de Douimis est dominé par des altitudes inférieures à 150 m dont 50% sont constituées par des plaines. 62% des terres du bassin Sejnène sont développés sur des altitudes inférieures à 200 m.
La répartition des altitudes est bien équilibrée pour le bassin de l’oued Melah. L’altitude moyenne est de 290 m et ayant une dénivelée spécifique de 186 m. Il appartient à la classe du relief assez fort. Le BV est montagneux dans ses parties amont et médiane alors que la partie aval est dominée par une vaste plaine alluviale ouverte sur le lac Ichkeul au niveau de Douar el Felta. Pour le bassin versant de l’oued de Ghezala, l’ensemble du relief est assez fort aussi.
Il est montagneux en amont et collinaires dans son cours moyen. Il devient plat en aval, dominé par la vallée. L’altitude moyenne du bassin est de 204 m. La rive gauche du bassin présente une pente abrupte alors que la rive droite est caractérisée par une pente douce. À chaque cellule de grille ou maille, nous avons aussi calculé une valeur d’altitude moyenne.
Une carte des altitudes moyennes est obtenue (fig.11).
Source : Cartes topographiques au 1/25000
Figure 9: Répartition des tranches d’altitudes des bassins Ouest du lac Ichkeul (Taux de représentativité en pourcentage en fonction des classes des altitudes)
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Figure 10: Carte hypsométrique
Figure 11: Représentation numérique des altitudes moyennes calculées à l’échelle d’une maille élémentaire
La pente, est un facteur moteur dans l’érosion hydrique. Elle agit beaucoup sur le cheminement de l’eau et la capacité du transport des sédiments, surtout si un versant est dépourvu de végétation ou/et des travaux de conservation des eaux et des sols (CES). Une carte des pentes (fig.12) est obtenue grâce à la fonction « Derive slope » de l’extension « 3 D Analyst d’ArcGIS ». Une valeur de pente moyenne a été calculée et attribuée pour chaque maille (fig.13).
Quatre classes de pente, ont été retenues, inférieure à 3%, de 3 à 7%, de 7 à 15% et supérieure à 15% (Tab.4). Les seuils sont choisis selon les comportements des zones face aux travaux
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d’aménagements, les types de cultures et le risque d’érosion. D’après la carte clinographique, la pente moyenne du tout le complexe Ouest est de 25%.
La classe des pentes nulles à faibles, intéresse les plaines très occupées par des cultures. Elle présente une aire d’accumulation où le risque d’érosion est très faible. Cette classe couvre une bonne partie des bassins, elle dépasse 35% pour les bassins Ghezala et Sejnène et atteint presque 41% du bassin Melah. La classe des pentes moyennes, représente environ 29% pour l’ensemble des bassins. La valeur la plus élevée est enregistrée à Douimis, et atteint presque 40%. Ces pentes caractérisent notamment les piémonts. Ce sont des terres arboricoles où le risque d’érosion reste modéré.
Classe de pente
Description Taux en %
Moyenne Bassin Douimis Bassin Sejnène Bassin Melah Bassin
Ghezala
Inf à 3% Faible 23,00 39,27 40,58 35,87 34,68
3 -7 % Moyenne 39,33 27,99 20,41 28,24 28,99
7 – 15% Assez forte 27,67 5,32 27,31 28,09 22,10
Sup à 15
%
Forte 10,00
27,42 11,71 7,81 14,24
Tableau 4: Les classes des pentes et leur représentativité par bassin versant
Figure 12: Carte des pentes
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Figure 13: Représentation numérique des pentes moyennes calculées à l’échelle d’une maille élémentaire
4. Analyse morphologique des zones d’accumulation
La fonction « flow accumulation » utilise la couche des directions des écoulements comme donnée d’entrée. Elle analyse en sortie une grille raster conceptualisant les cellules de parcours d’eau qui proviennent de l’amont et délimitent les cellules où ces eaux s’accumulent.
Pour approfondir le calcul, nous avons identifié aussi tous les exutoires et les points de confluence de différents affluents. Selon les caractéristiques morpho-pédologiques du terrain et le degré d’inclinaison des pentes, nous avons pu dégager trois classes d’accumulation faible, moyenne et élevée (fig.14).
IV. Identification des Unités Hydrologiques Homogènes (UHH) 1. L’extraction du réseau hydrographique par modélisation
Deux types de réseaux hydrographiques sont présentés sur la figure 15. Le premier est le réseau vectorisé sur des documents raster (topographiques, aériennes et satellitaires). C’est un réseau dense et très ramifié souvent sous forme des tronçons discontinus. Le second, est le réseau dressé par le modèle, par la fonction de « vectorisation automatique du réseau hydrographique ». La technique optée, permet de « creuser » le MNT au droit du passage réel des cours d’eau. Elle a l’avantage de représenter des cours d’eau continus.
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Figure 14: Analyse spatiale des zones d’accumulation après correction
Figure 15: Superposition des réseaux hydrographiques ; digitalisé et calculé
2. Calcul des micro- bassins versants « Catchment Grid Delineation »
Le calcul des micro- bassins versants est fait au moyen d’un mode répétitif, par l’extension
« Hydrologic Modeling » qui utilise les fichiers des orientations, le réseau de drainage et la localisation des exutoires. Les zones planes sont traitées à part, on leur crée un écoulement artificiel, pour qu’elles n’engendrent pas de rupture dans l’écoulement, de sorte qu’elles soient vidées vers la maille la plus basse.
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Selon (l’Atlas des zones du ruissellement de l'Oise., 2009), la fonction du calcul des petits bassins élémentaires nécessite en entrée les couches de la direction des écoulements et la segmentation du courant. En sortie, elle génère une grille des micro- bassins versants (MBV) pour chaque tronçon hydrographique calculé précédemment. Toutefois, plus le seuil (25 m x 25 m soit 625 m² de surface) est grand, plus la taille des micro-bassins versants sera élevée. A la suite de plusieurs tests, nous avons constaté qu’aucun calcul ne peut être réalisé en dessous du seuil de 2000 cellules, soit 1.25 km² (soit 625 m² x 2000 cellules).
Grâce à la fonction « Catchment Polygon Processing », les unités spatiales sous la forme de grille en mode raster ont été transformées en mode vecteur de types polygones faciles à utiliser ensuite dans la modélisation hydro-sédimentaire. Suite au traitement du MNT, les micro-bassins versants sont tracés automatiquement à chaque confluence du réseau hydrographique. Au total 196 micro-bassins ont été retenus (fig.16).
Figure 16: Micro- bassins versants calculés par modélisation
3. Calcul des surfaces drainées cumulées
Pour évaluer la sensibilité des sols au détachement par les eaux du ruissellement, nous avons recours à un calcul des surfaces drainées (fig.17). Le principe de mesure est que pour chaque cellule, on détermine la cellule voisine de plus basse altitude, dans laquelle l’eau va s’écouler et ainsi de suite pour chaque maille (Maurizot et Delfau, 1995). D’après (Bergaoui et Camus, 1995), la carte des surfaces drainées (Sd) a fait reproduire le rapport entre les thalwegs principaux des bassins versants. Elle a fait aussi apparaître une corrélation entre le réseau hydrographique et la pente. Elle a révélé que la pente est une fonction linéaire décroissante des surfaces drainées. Notons que plus les aires drainées sont élevées, plus le ruissellement est important et l’action d’arrachement est forte.
En tenant compte de la géomorphologie du terrain et des directions des écoulements, le modèle calcule des aires drainées en nombre de cellules et en km² (fig.18 et 19).
Pratiquement, la moitié du complexe Ouest sont des surfaces drainées, représentant des terres
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exposées aux eaux du ruissellement, autrement dit à l’érosion. Plus de 80% de ces surfaces dominent les bassins Sejnène et Melah, avec 57.46% au premier et 27.13% au second.
Figure 17: Carte des surfaces drainées calculées à l’échelle d’une maille élémentaire de 4 km² et micro-bassins versants
Figure 18: Carte des aires drainées suite au traitement du MNT à l’échelle des bassins occidentaux du lac Ichkeul
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Figure 19: Distribution des bassins ouest de l’Ichkeul selon les superficies d’aires drainées et d’aires d’accumulation, dérivées de la modélisation hydrologique du MNT
4. Calcul de l’indice topographique de Beven à l’échelle d’un micro-bassin versant
D’après (Beven et Kirkby, 1979), l'indice de Beven Ib est un indice de saturation potentielle en eau des sols. Il est lié à la surface saturée contributive. On admet que cette saturation est proportionnelle à la surface drainée (Sd) et inversement proportionnelle à la pente locale (TAn
B).
Ib = Ln (Sd/ TAnB)
Où :
- Sd : surface drainée au point considéré - B : pente
Un indice de Beven est calculé à l’échelle d’une maille élémentaire. Cet indice permet d’estimer les risques de saturation en fonction de la morphologie du terrain. Il est lié à la surface saturée contributive. La carte de l’indice de Beven résume sa répartition spatiale (fig.20). La détermination de cet indice nous aidera par la suite à quantifier en partie le ruissellement au niveau des bassins versants. Les valeurs les plus fortes seront plus propices à l’écoulement de surface (zone contributive) que les faibles valeurs (Beven et Kirkby, 1979).Un abaissement de cet indice stimule l’extension des zones saturées au cours d’une averse. Grâce à cet indice, nous voyons que la saturation est en revanche corrélative à la pente. Ceci est tout à fait normal, car plus la pente est forte, plus le ruissellement sera important et moins il y aura d’eau stockée en surface. Une étude approfondie des caractéristiques pédologiques du sol s'avère aussi nécessaire pour déterminer de façon plus convaincante l'indice de saturation du sol (Bergaoui et Camus, 1995 ; Mahjoub et al, 1991 et 2001).
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Figure 20: Carte de l’indice topographique de Beven, calculé à l’échelle d’une maille élémentaire et micro bassins
5. Une relation antonyme entre la potentialité du ruissellement et l’indice de végétation
D’après (Le Bissonnais et al, 2002), le ruissellement correspond à l’écoulement par gravité de l’eau à la surface du sol suite à des précipitations. Selon (Druais, 2009), l’eau coule de manière diffuse, ou concentrée, selon la structure du paysage (fossés, talweg, talus, sillons de passages d’engins agricoles ...). A la suite d’une telle concentration des écoulements superficiels que le creusement de ravines et autres figures d’érosion des sols sont constitués (Ambroise, 1996).
Le tableau N°5 présente les coefficients du ruissellement utilisés par (Druais, 2009) ; ils ont été déterminés pour chaque type d'occupation du sol. Ces valeurs sont développées aussi par le Service de conservation des sols (SCS) du ministère de l'Agriculture des États-Unis (USDA) depuis 1979 (Monfet., 1979). Pour les coefficients du ruissellement qui sont calculés en fonction de la pente et de l’indice de végétation sont utilisés dans le manuel de drainage des routes (MEH, 1981) et sont en tableau N°6.
Occupation du sol Coefficient du ruissellement
Cultures 0,30
Prairies 0,10
Forêts 0,10
Zones urbanisées 0,90
Tableau 5: Coefficients du ruissellement (Cr) selon le type d’occupation du sol (D’après Druais, 2009)
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Tableau 6: Coefficients du ruissellement (Cr) selon la pente et l’indice de végétation (D’après le manuel de drainage des routes MEH, 1981)
En adoptant ces valeurs, les analyses statistiques et spatiales de quatre paramètres de base à savoir la pente, l’occupation du sol, le taux de recouvrement de végétation et le degré d’imperméabilité des sols, ont donné une valeur moyenne du coefficient du ruissellement pour chaque maille élémentaire de 4 km². Cinq classes ont été définies (fig.21). Pour les zones déprimées, le coefficient est nul. Ces aires sont des zones d’épandage et de stagnation des eaux pendant une bonne période de l’année.
Une superficie de 66% de la zone d’étude est caractérisée par un couvert végétal faible à très faible. Au contraire, les terres couvertes par des forêts sont inférieures ne représente que 6%.
Au fil des ans, plusieurs interventions sur la couverture végétale primitive ont changé sa structure et ont accéléré la dégradation des terres à travers la mécanisation de l’agriculture.
Suite de défrichements et de surpâturage, ne subsistent que des broussailles sur une grande surface des bassins à l’exception de Sejnène et la partie Nord du Douimis. Pour ces bassins versants ont plus que 80% des terres qui sont couvertes par une végétation moyennement dense à dense de type matorral (fig.22) et sont donc exposées à un ruissellement faible à nul, autrement dit à une érosion hydrique faible. Inversement aux bassins Ghezala et Melah, sont exposés aux eaux du ruissellement où nous enregistrons des valeurs qui atteignent un coefficient du ruissellement élevé de (0.6) dans presque la majorité de leurs terres défrichées et cultivées notamment la partie amont du bassin versant de Ghezala.
Pente Indice de végétation Coefficient du
ruissellement Faible - plus de 50% de la surface couverte de végétation 0,30
- de 30 à 50% couverte de végétation 0,40 - moins de 30% couverte de végétation 0,50 Forte - plus de 50% de la surface du bassin couverte de
végétation
0,40 - de 30 à 50% couverte de végétation 0,50 - moins de 30% couverte de végétation 0,60
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Figure 21: Carte des coefficients du ruissellement, calculés à l’échelle d’une maille
Figure 22: Carte du taux de recouvrement de végétation
6. Détermination de l’Indice de perméabilité (Ip)
Ce paramètre est évalué à partir de la carte agricole de 2003 au 1/50 000 et une série de cartes pédologiques de la zone, issue de la Direction Générale de l'Aménagement et de la Conservation des Terres Agricoles (DG/ACTA).
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On distingue trois types de texture des sols ; grossière, moyenne et fine. Une texture fine riche en argile et en limon domine les bassins versants, présente une imperméabilité très élevée des sols. Ces sols génèrent un ruissellement important. Cette texture augmente la sensibilité du terrain à l’érosion hydrique. Plus de 50% du bassin Melah sont développés dans cette texture.
La superficie moyenne de la texture fine présente environ 34% pour tout le complexe Ouest.
Tenant compte de la répartition des terres dans la texture grossière, on note seulement 3.5%
comme surface moyenne pour les quatre bassins, avec 0.7% dans le bassin versant de Douimis. Ceci prouve qu’une grande surface de la région est imperméable, de très faible infiltrabilité des eaux du ruissellement. En conséquence, elle est très sensible au détachement et au transport solide (tab.7).
Texture Type Taux en % Moyenne
Bassin Douimis
Bassin Sejnène
Bassin Melah
Bassin Ghezala Grossière Limono-sableuse et sablo-
limoneuse
0,7 3,7 5,9 3,7 3,5
Moyenne
Limono-argileuse, argilo- sableux, sablo-argileuse, limoneuse (équilibrée)
72,7 61,9 43,3 74,8 63,2
Fine Argileuse et argilo-limoneuse 27 34,3 50,7 21,5 33,4 Tableau 7: Texture des sols et leur représentativité par bassin versant
Dans le modèle SCS, les sols sont classifiés en fonction de leur capacité d'infiltration. Quatre grandes classes du sol sont ainsi créées en se basant principalement sur la texture (tab.8). Les graviers et les sables grossiers qui bénéficient d'un bon drainage interne forment la classe A, leur capacité d'infiltration est très élevée. Les sables moyens et fins présentent généralement un taux de percolation et d'infiltration moindre, ils se retrouvent en classe B. Selon la classification des groupes hydrologiques des sols, réalisée selon la SCS et la formule de (Kostyukov, 1979), nous avons pu déterminer un indice de perméabilité (Ip) à l’échelle de chaque unité spatiale (4 km²).
Une cartographie a été effectuée (fig.23) montre une étendue très claire des sols imperméables intensifiant l’action du ruissellement. Plus de 80% des terres du complexe Ouest se développent sur des sols à texture limoneuse et argileuse d’une capacité faible d’infiltration.
Ces terres sont menacées par un ruissellement fort favorisant l’ablation des sédiments.
La classe C est constituée de sables fins mal drainés, de sols limoneux et de sols perméables mais minces. Les argiles lourdes mal drainées se retrouvent en classe D, tout comme les sols très minces reposant sur la roche mère selon la carte de texture des sols établie par la (DG/ACTA, 2003) (Couches numériques de la carte agricole).
Tableau 8: Classification des groupes hydrologiques des sols selon le modèle de SCS Groupes
hydrologiques Texture Taux minimum
d’infiltration Capacité
d’infiltration Drainage
A Sableuse 0,30 - 0,45 Elevée Excellent
B Limono-sableuse 0,15 - 0,30 Modérée Bon
C Limono-argileuse 0,05 - 0,15 Faible Moyen
D Argileuse 0,00 - 0,05 Très faible Médiocre
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Figure 23: Carte des indices de perméabilité(Ip), calculés à l’échelle d’une maille
V. Discrétisation spatiale des bassins en Zones à Risques Hydro- sédimentaires (ZRHS)
Le traitement des données altimétriques et planimétriques des bassins versants, nous ont permis d'extraire les différentes caractéristiques du terrain nécessaires pour l'analyse hydro géomorphologique et la modélisation.
Par le croisement des paramètres topographiques à l’échelle des micro-bassins versants (pente, altitudes moyennes, indice de Beven….), nous avons extrait automatiquement les formes du terrain qui conditionnent les eaux du ruissellement. La couche résultat « la morphologie du terrain » sera combinée en second temps avec des paramètres hydrologiques (direction d’écoulements, surfaces drainées et coefficient du ruissellement…).
Pour les Unités Hydrologiques Homogènes (UHH) définies sont au nombre de quarante cinq types de zones auxquelles, il faut superposer l’indice de végétation et la perméabilité des sols pour retenir finalement un zonage des aires homogènes à risques hydro-sédimentaires. Huit unités homogènes ont été arrêtées.
Le schéma de (Schumm, 1977) permet de définir trois zones, la zone amont, qui « est une zone de fourniture associée à une ablation et une mobilisation des sédiments, une zone du transfert, qui est une zone du transit et de dépôt partiel de sédiments, et une zone aval, qui est une zone d'accumulation de sédiments ». Par cette modélisation numérique de terrain, nous avons pu déterminer deux grandes zones, celles d’érosion, en amont là où se produisent les sédiments et d’autres en aval, où ils se déposent.
La carte relevée (fig.24) permet d’identifier deux grandes classes :
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- « zones propices à l’écoulement » qui constituent les zones contributives des sédiments soit très forte, forte, moyenne, faible et très faible et du transport des particules par l’action des eaux du ruissellement.
- « zones saturées » ou de stagnation des eaux pluviales qui caractérisent essentiellement les dépressions et les plaines. Elles sont à risque hydro-sédimentaire faible, en constituant des zones de dépôts ou d’accumulation sédimentaire soient faiblement, moyennement et fortement saturées.
Figure 24: Carte des Unités à Risques Hydro- Sédimentaires (URHS) du complexe Ouest du lac Ichkeul, suite à une modélisation numérique du terrain
Conclusion
La méthodologie prédestinée est une analyse à la fois multidimensionnelle et multi-scalaire.
L’information a été recherchée à plusieurs dimensions spatiales (pixel, maille, micro-bassin versant, sous bassin, bassin versant, complexe Ouest). En fait, c’est l’apport des SIG, qui donnent une grande possibilité de définir ce mode d’échantillonnage. Un maillage triangulaire, dont le TIN du MNT, et un maillage généré automatiquement à partir des points de mesure, choisi selon notre finalité ont été utilisés. De plus, avec la modélisation nous avons pu créer plusieurs autres modes de représentation adaptés à notre thématique, celle dans notre cas « une discrétisation spatiales des aires homogènes » selon une analyse spatiale des critères topographiques et hydrologiques en particulier.
Dans cette étude, le MNT a été utilisé pour modéliser l’écoulement et les sédiments. Une modélisation du cheminement des eaux en fonction de la morphologie du terrain a donné un premier découpage des bassins occidentaux en 196 micro-bassins versants. Le croisement de différentes couches d’informations (indice de Beven, pente, surfaces drainées, direction d’écoulement, densité de drainage, indice de perméabilité du sol, indice de végétation….) a permis un zonage hydro-sédimentaire. Huit zones « homogènes » dont cinq zones émettrices
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d’écoulement ou sources de sédiments et trois zones de saturation ou de dépôts sédimentaires sont identifiées.Ce zonage homogène et les variables géomorphométriques dérivées notamment du Modèle Numérique du Terrain et de différentes couches, analysées par un SIG serviront plus tard comme support dans la modélisation quantitative de perte en terre par les eaux du ruissellement. De plus, avec cette contribution, nous avons essayé de dégager les relations possibles des dynamiques amont-aval que pourraient être transférées ou transposées entre bassins étudiés ou ailleurs dans d’autres systèmes similaires.
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