Cartographie du potentiel d infiltration des sols du Bassin Versant du Gardon d Anduze

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1 Cartographie du potentiel d infiltration des sols du Bassin Versant du Gardon d Anduze Étude réalisée dans le cadre du projet de Recherche 02EAUR01 Décembre 2002 BRGM/RP FR 0

2 Cartographie du potentiel d infiltration des sols du Bassin Versant du Gardon d Anduze Étude réalisée dans le cadre du projet de Recherche 02EAUR01 J.F. Desprats, D. Pinel, N. Dubreuil, C. King, N. Dorfliger Décembre 2002 BRGM/RP FR

3 Mots clés : télédétection, imagerie haute résolution SPOT, Bassin Versant, Gard, potentiel d infiltration, SIG En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Desprats J.F., Pinel D., Dubreuil N., King C., Dorfliger N. (2002) Cartographie du potentiel d infiltration des sols du Bassin Versant du Gardon d Anduze. Rapport BRGM/RP FR, 42 p, 19 fig., 4 tab. BRGM, 2002, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM. BRGM/RP FR 2

4 Avant propos Cette étude s inscrit dans le cadre du projet «Structure et fonctionnement des systèmes karstiques» (02EAUR01), module «Cartographie du ruissellement et inondation». Financée par le BRGM dans le cadre de ses activités de Recherche Scientifique, elle fait suite : au projet PACTES sur le bassin versant de l Hérault pour lequel le BRGM a été coordonnateur scientifique ; à différentes actions de Recherche et de Service Public menées par le BRGM dans le département du Gard avec le Service d Annonce de Crue (SAC) du Gard ou/et la ville de Nîmes. Ce projet, orienté plus spécifiquement sur l apport de la télédétection et des SIG afin d appréhender l information «Potentiel d infiltration des sols» se veut complémentaire du travail de thèse réalisé par Mr Ayral (Ecole des Mines d Alès) pour le compte du SAC 30. BRGM/RP FR 3

5 Synthèse C ette étude s inscrit dans le cadre de la mission du Service d Annonce de Crue du Gard (SAC30) qui vise à améliorer et préciser les prévisions de crue sur les différents bassins versants du département. Le modèle de prévision ALHTAÏR utilisé au SAC est basé essentiellement sur des données morphologiques et ne prend pas en compte l occupation du sol, la géologie des terrains et leurs caractéristiques pédologiques, paramètres qui interviennent dans la capacité d infiltration de l eau dans le sol. Le bassin versant du Gardon d Anduze a servi de zone test pour la cartographie du potentiel d infiltration des sols. La méthodologie mise en place est basée sur l intégration dans un Système d Information Géographique : d une carte de l occupation du sol issue d une classification d images satellitales SPOT ; de données géologiques ; de données pédologiques ; de données de terrain. La carte du potentiel d infiltration des sols résultant de l étude montre 4 grandes classes de sols, dont trois sont significativement différentes de par leur vitesse d infiltration. Ce niveau d information, fondamental afin de mieux apprécier le comportement des eaux de ruissellement, devra être précisé d un point de vue quantitatif (fourchettes de valeurs pour chaque classe) après la réalisation de mesures in situ à l aide de simulateurs de pluie. Différents tests pourront alors être réalisés afin d intégrer ce résultat dans des modèles de ruissellement (phase 2 du projet) : le modèle STREAM, développé par l INRA en milieu agricole (Normandie) et testé ici en région méditerranéenne ; le modèle Althaïr, utilisé par le SAC 30 en opérationnel. Les résultats préliminaires des tests menés avec STREAM sont proposés dans le dernier chapitre. BRGM/RP FR 4

6 Sommaire Introduction Contexte de l étude et objectifs un contexte favorable aux crues rapides Le modele Althaïr du SAC objectifs Elaboration d une base de données sig Cartographie de l occupation des sols par télédétection Les données satellitales Travail préliminaire : élaboration des différents masques La classification supervisée Calage de la classification sur le terrain Résultat : carte de l occupation des sols sur le bassin versant du.. Gardon d Anduze Cartographie des formations géologiques Délimitation des contours géologiques Regroupement des unités géologiques intégration des données pedologiques Autres données intégrées au SIG Cartographie du potentiel d infiltration par analyse multicritère La campagne de terrain Choix d un système de mesures Description de l infiltromètre Acquisition des mesures Résultats et intégration dans le SIG analyse des résultats BRGM/RP FR 5

7 Analyse en composantes principales Attribution des codes de perméabilité par analyse qualitative des résultats Attribution des codes de perméabilité par analyse qualitative des résultats Cartographie du potentiel d infiltration Modélisation des écoulements à l aide du logiciel STREAM Le modèle stream stream est-il transférable sur un bassin mediterranéen? Simulations réalisées Conclusion Bibliographie BRGM/RP FR 6

8 Introduction L a pluviométrie forte et intense, caractéristique du climat méditerranéen, provoque de fréquentes inondations dans les bassins versants cévenols du Gard. Le Service d Annonce de Crue du Gard (SAC30), responsable des prévisions de crue dans le département, cherche à améliorer et optimiser les techniques en place, en prenant mieux en considération, outre les pluies et la morphologie du terrain, le potentiel du sol à favoriser ou pas l infiltration. La prévision des crues en temps réel est un objectif qu il cherche à atteindre dans un projet qu il a entamé autour de son modèle de prévision actuel. Cette étude sera donc articulée autour : de la mise en place d un Système d Information Géographique ; de la classification de l occupation du sol à partir de données satellitales ; de la cartographie du potentiel d infiltration des sols, après la réalisation de mesures in situ ; de simulations de ruissellement réalisées à l aide de STREAM. Des simulations de ruissellement à partir d ALTHAÏR seront réalisées lors de la seconde phase du projet. BRGM/RP FR 7

9 1. Contexte de l étude et objectifs 1.1. UN CONTEXTE FAVORABLE AUX CRUES RAPIDES La région Languedoc-Roussillon est sujette à des pluies souvent violentes, typiques du climat méditerranéen, pouvant occasionner des crues soudaines et des inondations. Comme nous pouvons le voir dans la figure suivante, le Gard et plus précisément la région du Mont Aigoual présente les plus fortes hauteurs de précipitations de la région (cf. Figure 1 ). Par ailleurs, nous pouvons citer comme exemple la forte crue du 29 Septembre 2000 sur l ensemble des Cévennes où un débit de 545 m 3 /s a été atteint sur le Gardon de Saint Jean du Gard (crue décennale) et de 690 m 3 /s sur l Hérault à Laroque (crue biennale), sans toutefois causer de grosses difficultés locales (d après le site internet du bulletin hydrologique en Languedoc-Roussillon). Des débits records de 3000 m 3 /s ont été enregistrés à Anduze lors des crues des 8 et 9 septembre Secteur d étude Figure 1 : Hauteurs de précipitations en millimètres par an, moyennes annuelles de 1970 à 1990 dans le Languedoc-Roussillon (carte obtenue sur le site de la BD sol du Languedoc-Roussillon) BRGM/RP FR 8

10 1.2. LE MODELE ALTHAÏR DU SAC 30 L annonce de crue dans le département du Gard est basée sur des modèles globaux de type pluies-débits ou débits-débits. En effet, le SAC 30 développe un modèle de prévision pluie/débit dénommé ALHTAÏR (ALarme Hydrologique Territoriale Automatisée par Indicateur de Risque) qui utilise la pluie radar spatialisée comme donnée d'entrée et intègre la capacité d'infiltration des sols par la loi de Horton (loi qui permet d exprimer en fonction du temps la capacité instantanée d infiltration). Pour cela, le SAC30 utilise trois outils (cf. Figure 2) : Le système CALAMAR qui donne toutes les 5 minutes une mesure de la pluie tombant sur chaque km 2 de la zone d étude par exploitation de données radar. Le logiciel HYDROKIT qui permet de déterminer automatiquement les caractéristiques hydrologiques de n importe quel bassin versant du département. Pour un bassin versant donné et pour chaque pixel le constituant (50 m * 50 m), la distance hydraulique séparant ce dernier de l exutoire est déterminée en considérant que l écoulement s effectue dans le sens de la plus grande pente. De plus, la trame constituée par les pixels du Modèle Numérique de Terrain (topographie), affectée d un temps de propagation constitue, sur la base d hypothèses simplificatrices, la grille d entrée du module de transfert qui calcule les temps de propagation des eaux ruisselant sur les bassins versant à l exutoire. Le logiciel ALHTAÏR qui permet de calculer un hydrogramme à l exutoire de tout bassin versant du département du Gard touché par une pluie détectée au radar. BRGM/RP FR 9

11 CALAMAR (pluie en temps réel) HYDROKIT (caractérisation des bassins versant) - distance hydraulique par rapport à la pente, temps de propagation) ALHTAÏR (calcul d hydrogramme de crue) Hydrogramme de crue Figure 2 : Schéma synthétique du fonctionnement du modèle développé par le SAC30 Pour caler son modèle de production (infiltration) le SAC 30 procède par deux approches: - un macro calage en confrontant les résultats du modèle avec des crues enregistrées sur les bassins versant instrumentés (jaugés) du Gard ; - un micro calage in situ sur des zones test des bassins versant afin de confirmer les résultats du modèle et essayer de comprendre comment la capacité d'infiltration du sol évolue avec sa nature géologique et pédologique. Pour l instant, le modèle ne prend pas en compte d autres aspects que la topographie pour l écoulement de l eau. Conscient des forts contrastes naturels existants (géologie, pédologie, occupation du sol), il faudrait pouvoir définir une classification représentative des sols affectant à chacun un coefficient de ruissellement (coefficient de Horton) selon la famille de comportement homogène à laquelle il aura été rattaché. Si cet objectif peut être atteint, il pourrait alors être envisagé d'utiliser ALHTAÏR sur des bassins versants non jaugés pour peu que l'on connaisse leur topographie (MNT), la nature des sols qui les constituent, et qu'ils soient à portée d'un radar météorologique. BRGM/RP FR 10

12 Le but d ALHTAÏR, outil de protection civile, n est pas de déterminer avec précision la cote qui serait atteinte mais de savoir suffisamment tôt quelle serait la rapidité de montée des eaux, le moment du maximum et de pouvoir qualifier en terme d indication de risque l ampleur des submersions. Devant l'intérêt que représente pour lui cette double démarche de micro et macro calage pour la mise au point de son modèle ALHTAÏR sur l'ensemble du territoire du Gard, le SAC 30 souhaite intensifier cette recherche afin d'essayer d'aboutir à une connaissance exhaustive du potentiel d'infiltration des sols. L'objectif pratique est de constituer une classification des sols par famille de comportement homogène à l'infiltration, ce comportement étant vraisemblablement fonction de paramètres prépondérants comme la géologie, la pédologie et l occupation du sol mais aussi fonction des conditions initiales des surfaces en terme d humidité, de porosité,. Cette connaissance doit se structurer sous deux formes : en termes de contenant il faut définir (1) si possible les enveloppes de sols à comportement supposé identique et (2) en terme de contenu le paramétrage de ces comportements en terme de potentiel d infiltration. Sans ce registre, l idéal serait de construire les abaques du potentiel d infiltration selon les conditions préalables qui ont contraint les surfaces et les volumes. (cf. Figure 3) CALAMAR HYDROKIT Essais «terrain» ALTHAÏR SIG Infiltration Annonce de crue en temps réel Figure 3 : Schéma du futur fonctionnement du modèle pour une annonce de crue en temps réel (d après Ayral - EMA) BRGM/RP FR 11

13 1.2. OBJECTIFS L objectif global est l élaboration par SIG d un premier niveau d information sur le potentiel d infiltration d eau dans le sol, permettant de contraindre partiellement le modèle d écoulement. L objectif du module conduit par le BRGM sera donc l obtention d une cartographie du potentiel d infiltration : (1) cartographie de l occupation du sol ; (2) définition de zones homogènes après croisement avec la géologie et la pédologie ; (3) mesures du ruissellement à l aide d un infiltromètre double anneau selon une densité à définir sur 2 saisons ; (4) intégration de mesures de pluies simulées réalisées par les autres partenaires (notamment l Ecole des Mines d Alès) ; (5) extrapolation des coefficients d infiltration aux conditions initiales considérées. Le bassin versant étudié se situe dans la partie Nord Est du Languedoc méditerranéen, principalement dans le département du Gard mais aussi dans le Sud de la Lozère. Il est situé en amont d Anduze et de Saint Jean du Gard. La zone représentée est d environ 30 km sur 20 km (640 km 2 ). Au niveau de l exutoire d Anduze, l altitude est de 131 m et le sommet du bassin versant est à 1036 m. Les pentes sont supérieures à 10%. L ensemble de la région est drainé du Nord-Ouest au Sud-Est par les Gardons d Alès et d Anduze qui confluent en aval des Tavernes, pour former le Gard ou Gardon, affluent du Rhône. Ce cours d eau est l exutoire d un haut bassin développé sur les formations cristallines et métamorphiques de la chaîne des Cévennes. Celui-ci circule ensuite dans une région de plaine ne comportant que quelques faibles reliefs. Cette disposition du réseau hydrographique et le caractère typiquement méditerranéen du climat auquel il est soumis conditionnent le régime des eaux et surface et par contrecoup celui des eaux souterraines selon la nature et la situation des divers réservoir aquifères. BRGM/RP FR 12

14 2. Elaboration d une base de données sig Un Système d Information Géographique (SIG) est une base informatique permettant la manipulation de données spatiales. Ce système implique que toute donnée doit être géoréférencée dans un système de projection commune (ici en Lambert 2 étendu). Nous avons utilisé le système d information géographique (SIG) Arc View, (ESRI) CARTOGRAPHIE DE L OCCUPATION DES SOLS PAR TELEDETECTION Une analyse multitemporelle réalisée sur les images SPOT acquises sur la zone d étude permis d élaborer une classification de l occupation du sol Les données satellitales La classification de l occupation des sols a été élaborée à partir de l analyse de deux images satellitales SPOT, dont les caractéristiques sont regroupées dans le tableau suivant (cf. Tableau 1). Date KJ/Sat Heure incidence Centre 28 mai /1 10 :48 : R N E août /1 11 :06 : L N E Tableau 1 : Caractéristiques des images SPOT Ces images couvrent l ensemble du bassin versant à différentes saisons, ce qui permet d analyser la végétation à des stades différents et donc de discriminer plus précisément les composantes de l occupation des sols. Le travail de géoréférencement et de superposition a été contrarié par la forte incidences de l image d août (25.46 L). De plus, le fort relief de la zone accentue ces difficultés. Aussi, la classification de l occupation du sol du bassin versant a été réalisée : en monodate sur les parties du bassin à fort relief à partir de l image de mai (SPOT mai quasi verticale), en bidate sur l aval du bassin versant où le relief est modéré et où la superposition a été possible (SPOT mai et août). BRGM/RP FR 13

15 Travail préliminaire : élaboration des différents masques Un travail préparatoire aux traitements des images a été réalisé à l aide du logiciel SIG ArcView aboutissant à l obtention de deux strates : une strate forêt obtenue par interprétation des images SPOT ; une strate urbaine obtenue à partir des cartes IGN numériques (1/25000). Les deux strates ont été faites de façon à pouvoir appliquer une classification du sol différente selon que l on se trouve en zone forestière ou en zone agricole d une part, en zone urbaine ou non urbaine d autre part. Cette stratification, isolant les zones urbaines, sert à éviter de faire des confusions entre bâti industriel et sol nu agricole par exemple, ou encore de ne pas confondre des jardins urbains avec des cultures industrielles La classification supervisée La classification de l occupation des sols est une classification supervisée selon le maximum de vraisemblance. Elle est basée sur la recherche de parcelles d entraînement. Chaque classe est représentée par plusieurs polygones répartis de manière homogène sur l image et comportant en totalité un minimum de 150 pixels afin d obtenir une représentativité statistique correcte. Pour analyser l occupation du sol, 55 classes radiométriquement différentes ont été photointerprétées : 13 classes pour la classification de la strate «forêt» ; 12 classes pour la classification de la strate «ville et village en zone forestière» ; 17 classes pour la classification de la strate «surface agricole» ; 9 classes pour la classification de la strate «villes et villages en zone agricole» ; 4 classes pour la classification de la strate «nuages» (les nuages masquant les objets au sol il faut une classification spéciale). Ces différentes classes ont fait l objet d une validation avant d être intégrées dans la classification finale. Pour chaque classe donnée on a pu ainsi voir la proportion de pixels qui se trouvaient bien classés. Ces statistiques nous ont donc permis de vérifier si les classes photointerprétées étaient judicieusement choisies c est à dire si elles étaient radiométriquement différentes (proportion de pixels bien classés > 90%). Plusieurs classifications ont du être réalisées ou affinées avant d être validées par les statistiques. Ces classes, ensuite intégrées dans une classification finale ont été regroupées dans 8 catégories d occupation du sol ( garrigue, forêt, sol nu, eau, urbain, cultures hiver, vignes et jardins) aboutissant ainsi à la carte d occupation du sol (cf ). La figure suivante (cf. Figure 4) montre un algorithme simplifié du passage de l analyse des images Spot à l obtention de la cartographie de l occupation du sol. BRGM/RP FR 14

16 SPOT 2001 Mai SPOT 2001 Mai SPOT 2001 Mai SPOT 2001 Août SPOT 2001 Août Masque forêt - urbain - agricole Classif agricole (bidate) Classif forêt (monodate) Classif urbaine (forêt et agricole) Si masque = «Forêt» alors Classif forêt si masque = «Urbain» alors Classif Urbaine sinon Classif Agricole Classif finale Figure 4 : Algorithme synthétique pour l obtention de la cartographie de l occupation du sol BRGM/RP FR 15

17 Calage de la classification sur le terrain La validation de la classification s est faite par observation de la végétation et localisation précise des sites à l aide d un GPS Magellan 320 sur le terrain (précision décamétrique). La confrontation de ces observations à la classification établie a permis de valider cette dernière. Certaines classes ont été changées de catégories, de plus certaines catégories ont été renommées. En effet la catégorie garrigue a été basculée en forêt arbustive (essentiellement chênes verts (4 5 m) et buissons), les catégories «forêt» et «vignes» ont été élargies respectivement à «forêt + prairies» et «vignes + vergers». La distinction entre ces différents types d occupation du sol par télédétection est toujours délicate car leurs couvertures végétales sont voisines Résultat : carte de l occupation des sols sur le bassin versant du Gardon d Anduze La Figure 6 est le résultat intégré au SIG (sous Arc View) de la classification du sol appliquée aux images SPOT. Comme nous pouvons l observer, l occupation du sol est globalement composée de 95% de forêt (forêt dense de châtaigniers et forêt arbustive de chênes, avec un gradient de densification vers l ouest du bassin versant) et les cultures, essentiellement de la vigne et des jardins, sont concentrées au niveau des villes (surtout Saint Hippolyte-du- Fort et Anduze). Une étude du recensement agricole 2000 au niveau des communes du bassin versant montre que la surface des vignes représente 0.86% de la surface totale (ensemble des communes). BRGM/RP FR 16

18 Quelques villages sont clairsemés au milieu de la forêt comme nous le montre la photo suivante. Mialet Forêt de chênes verts E O Figure 5 : Photographie de Mialet prise de la D450 en revenant du site Les Puechs BRGM/RP FR 17

19 Figure 6 : Cartographie de l occupation du sol (1/230000) BRGM/RP FR 18

20 Le bassin versant étudié, relativement homogène, fournit un couvert végétal qui peut être un paramètre important au niveau du potentiel d infiltration des sols (capacité de rétention de l eau). C est pourquoi il est intéressant d intégrer l occupation du sol dans le SIG et de la confronter aux autres données acquises pour caractériser le potentiel d infiltration des sols du bassin versant CARTOGRAPHIE DES FORMATIONS GEOLOGIQUES Une cartographie des formations géologiques a été établie sous le logiciel ArcView avec, comme support visuel, différentes données au format numérique : cartes géologiques et IGN scannées et carte de vulnérabilité des sols Délimitation des contours géologiques Pour réaliser les contours géologiques au niveau du bassin versant, nous avons utilisé comme support les cartes géologiques au 1/50000 ème d Anduze, du Vigan, d Alès mais il manquait la carte de Saint-André de Valborgne pour couvrir tout notre secteur d étude. Pour déterminer les unités géologiques situées au niveau de cette dernière zone nous nous sommes appuyés sur des cartes IGN au 1/25000 (repérage des vallées pour les dépôts alluviaux) et sur la carte de vulnérabilité des sols ( BRGM SGR/ Languedoc- Roussillon version 2001). Le traçage des contours ayant été effectué pour chaque unité géologique, nous avons pu créer une topologie de polygones qui ont pu ensuite être affectés d un code géologique Regroupement des unités géologiques Les différentes unités géologiques ont été regroupées en 10 formations. Ce regroupement a été validé par l expertise de l hydrogéologue régional. Le tableau suivant montre les regroupements proposés (cf. Tableau 2). BRGM/RP FR 19

21 Code des unités géologiques recensées Formations géologiques Code géologique affecté F, Fz Alluvions récentes 1 Fy Alluvions anciennes 2 E, U Eboulis, tufs, travertins 3 γ, ζ, Q Granite, granodiorite, quartz, 4 gneiss Ko, ξ Schistes, charbon, dépôts 5 anthropiques Trias et Lias Argile, grès et poudingues du 6 t2, t3-5, t3-9, t8-9, t10, t7-9, l1 Trias, Lias, Jurassique, Crétacé et Tertiaire t6-7, t7, l6,l6-7, l6-8, l6-j1, l8-j1a, j3, j5, j6, n2, n2b, g1a, g2-3,g1-3 Trias, Lias, Jurassique t3-6, l1-2, l2, l2b, l3-4a, j2 Lias, Jurassique, Crétacé l2a, l3, l3-4, l4, l5, j7, j8, j9, n4u Crétacé (Valanginien,Hauterivien) n1, n2a, n3a, n3b, n3 Trias Marnes et poudingues du Tertiaire Dolomies 8 Calcaires 9 Calcaires marneux et argileux 10 Tableau 2 : Formations géologiques du bassin versant Chaque polygone a été affecté d un code. La figure suivante représente la carte des formations géologiques du bassin versant (cf. Figure 7). La partie Nord du bassin versant est essentiellement schisteuse (57,58% de la superficie du bassin versant), la partie centrale est granitique (14,18%), le Sud et l Est concentrent les formations calcaires ( 7.2%), dolomitiques (9%), marneuses ( environ 3%)et argilogréseuses (environ 3.5%). 7 BRGM/RP FR 20

22 Figure 7 : Cartographie des formations géologiques du bassin versant (1/230000) BRGM/RP FR 21

23 2.3. INTEGRATION DES DONNEES PEDOLOGIQUES La BDSols (données pédologiques par unité pédopaysagère), relative à notre bassin versant, a été acquise auprès de la Chambre Régionale de l Agriculture. En effet, le bassin versant est divisé en unités pédologiques cartographiques (UCS) (cf. Figure 8). Chaque UCS est composée d une ou plusieurs unités de sol (US) auxquelles sont affectées les caractéristiques suivantes: description du type de sol, la profondeur (minimum, moyenne, maximum), le type de végétation en place, l épaisseur, les pourcentages de pierrosité, de sable, de limon, d argile. Ces US représentent une proportion statistique des UCS. Figure 8 : Composition des UCS Après analyse, nous avons associé à chaque UCS l US la plus représentative. La figure suivante (cf. Figure 9) nous montre, au final, l accès aux différentes informations que nous pouvons avoir en consultant la carte des pédopaysages. BRGM/RP FR 22

24 Figure 9 : Accès à la base de données pédologiques sous Arc View BRGM/RP FR 23

25 2.4. AUTRES DONNEES INTEGREES AU SIG Les autres données sont les suivantes : Le modèle numérique de terrain (MNT) et les limites du bassin versant fournis par le SAC 30 (cf. Figure 10). L altitude varie de 131 m à l exutoire (Anduze) à 1036 m à l ouest du bassin versant. Les routes, les limites de communes et les cours d eau provenant de la Bdcarto (IGN). Figure 10 : Visualisation sous Arc View du MNT, des limites du BV, du réseau routier et hydraulique. BRGM/RP FR 24

26 3. Cartographie du potentiel d infiltration par analyse multicritère 3.1. LA CAMPAGNE DE TERRAIN Choix d un système de mesures Le milieu naturel doit être découpé en zones homogènes, afin de caractériser chaque unité avec plusieurs essais d infiltration. Une discussion avec l INRA (P. Andrieux, département Science des Sols à l INRA) a constitué le préalable à la mise en place des mesures in situ. Différents essais peuvent être envisagés : essais avec un simulateur de pluie : cette approche est certes idéale mais ce système est assez lourd à mettre en place. Une surface de 8m 2 est arrosée et il est possible ainsi de caractériser un état de surface de 1m 2 (zone saturée en eau). Avec ce système, l eau est lâchée à une hauteur de 4,5m de façon à approcher les conditions naturelles (pour un simulateur de type «ORSTOM»). Il y a une énergie cinétique proche d une pluie méditerranéenne (intensité de 30mm/h) générant une dégradation du sol. C est le seul système capable de reconstituer l évolution temporelle de la dégradation de l état de surface. essais avec une poire de douche : l eau est lâchée à une hauteur de 2m. Les conditions naturelles ne sont pas retrouvées ; il n y a plus la même énergie cinétique ni la même dégradation du sol. La mesure est alors relative. essais avec l infiltromètre double anneau (type Müntz) : cet appareil de mesures permet de déterminer l infiltration de l eau dans le sol de façon très locale (diamètre de l appareil : environ 40cm). On ne peut faire encore que du relatif. De plus, il est nécessaire de faire par zone entre 3 et 5 points de mesure afin d obtenir une bonne représentativité du site. Commentaire [ND1] : Le projet mené à l échelle du bassin versant nous impose des hypothèses simplificatrices pour une extrapolation des résultats à l ensemble de l unité considérée comme homogène. En effet, différents facteurs interviennent au niveau de l infiltration de l eau dans le sol : des facteurs permanents externes : la pente (la dynamique de l écoulement), la nature et la profondeur du sol (carte des pédopaysages) ; des facteurs permanents internes : la nature des terrains géologiques sous-jacents ; des facteurs conjoncturels : l occupation des sols ; les conditions initiales juste avant la pluie étudiée : la pratique culturale, l évolution dans le temps des états de surface du sol, la rugosité, la teneur en eau du sol. BRGM/RP FR 25

27 La méthodologie mise en place est basée sur l utilisation d un infiltromètre double anneau, avec un minimum de trois essais par site (surface homogène). L intérêt de ce procédé est d atteindre des ordres de grandeurs et nous pouvons ainsi obtenir une échelle d infiltration relative. En parallèle, l Ecole des Mines d Alès effectue actuellement des essais avec un prototype de simulateur de pluie mis en place par la DDE/SAC30 sur le site de Tourgueille, à l ouest du bassin versant. L intérêt de ce procédé est quantitatif (plus proche des conditions naturelles). Ultérieurement, il sera nécessite de chercher une relation entre les résultats qualitatifs de cette approche, et les mesures précises mais ponctuelles devant être réalisées à l aide de simulateurs de pluie en différents points Description de l infiltromètre L appareil de mesures utilisé est donc un infiltromètre double anneau à réglette ( «CERAS Réglette» ) (cf. Figure 11). Cet infiltromètre est utilisé pour mesurer des vitesses d infiltration supérieures à 10-6 m/s. Il se compose de : 1 anneau de garde en PVC de 315mm de diamètre, muni de 3 poignées et relié par 3 voiles à un centreur de 100 mm de diamètre 1 anneau de mesure en acier, de diamètre interne 150 mm 1 ensemble flotteur tube guideur en PVC (tube guide de 80 mm de diamètre, le flotteur de 74 mm de diamètre et de hauteur 70 mm est muni d une règle de lecture (graduée de 0 à 110 mm) BRGM/RP FR 26

28 Argile pour colmater les bords de l infiltro -mètre Fiche de mesures chronomètre 10 cm Infiltromètre prêt pour l essai Figure 11 : Photographie de l appareil de mesure. Les mesures ont été effectuées sur des surfaces non travaillées (garrigue, forêt, prairies). De plus, lors de la mise en place de l infiltromètre, nous avons veillé à conserver les états de surfaces des terrains. L anneau de garde puis l anneau en acier sont enfoncés de quelques cm dans le sol de façon à être à l horizontal (vérification avec un niveau visible sur la photo ci-dessus). L anneau de garde est colmaté à l intérieur avec de l argile pour éviter les pertes d eau latérales et assurer un bon maintien de la charge. Les deux compartiments sont remplis d eau et on met en place le flotteur au niveau de la partie centrale. Le chronomètre enclenché, l essai commence. Cet appareil donne directement une lecture en hauteur d eau dans la cellule de mesure. Le principe est de suivre l'évolution du niveau d'eau en fonction du temps dans l'anneau interne pour connaître la vitesse d'infiltration sur chaque pas de temps. Notons que durant toute la mesure on doit veiller à ce que le niveau d'eau entre les deux anneaux restent le même (au besoin, on rajoute de l eau dans le compartiment externe). On peut alors supposer que sous l'anneau interne l'infiltration est verticale. Nous pouvons lors de l essai relever les valeurs de la règle à différents temps et ainsi obtenir un coefficient d infiltration verticale (en mm/s). Ce coefficient d infiltration nécessite une interprétation pour obtenir une perméabilité au sens de la loi de Darcy. BRGM/RP FR 27

29 La figure suivante montre un essai qui a bien fonctionné. En effet il n y a plus d eau à l intérieur du cylindre central alors que le compartiment externe est rempli d eau (cf. Figure 12). Compartiment interne quasi vide Flotteur avec réglette de mesure Compartiment externe rempli d eau Figure 12 : Visualisation de l absence de communication entre les deux compartiments de l infiltromètre Acquisition des mesures Etant donné l homogénéité du secteur d étude du point de vue de l occupation du sol essentiellement forestière, nous avons choisi nos sites d observation et de mesures d infiltration d après la nature des formations géologiques en optimisant les trajets et l accès aux sites mais aussi en prévoyant où se réapprovisionner en eau. Ainsi, plusieurs essais d infiltration ont été réalisés, dans des endroits différents, pour chacune des unités homogènes présentes sur le secteur d étude. Au niveau de chaque site nous avons relevé les informations suivantes : les coordonnées en Lambert 3 à l aide du GPS ; si des mesures d infiltration ont été effectuées (oui/non) ; les observations sur l occupation du sol ; la géologie des terrains (lithologie, présence de fractures ) ; la pédologie (épaisseur et couleur du sol...). 42 sites (trois par jours en moyenne) ont fait l objet d observations et des mesures d infiltration (au moins trois essais par site). BRGM/RP FR 28

30 Résultats et intégration dans le SIG L analyse des mesures a permis de calculer pour chaque site les coefficients d infiltration, la moyenne des différents essais (en mm/s) et l écart type. Une fiche d observations de terrain a pu être complétée par les valeurs d infiltration. Dans un premier temps, nous avons intégré les coordonnées des sites dans le SIG de façon à pouvoir confronter nos observations de terrain à la cartographie des formations géologiques, à celle de l occupation du sol et aux données pédologiques. La confrontation des observations de terrain aux autres données déjà intégrées au SIG a permis de valider la cartographie géologique, de modifier la carte de l occupation des sols et de changer, pour certains sites, l US caractérisant l UCS de la carte des pédopaysage. En effet, certains sites étaient mieux représentés par les informations portées par une unité de sol (US) de moindre poids statistique au sein de l unité cartographique (UCS). La figure suivante montre la répartition des différents sites au sein du bassin versant (cf. Figure 13). Figure 13 : Visualisation de la répartition des sites d observations et de mesures ainsi que la table informative rattachée à chaque site BRGM/RP FR 29

31 3.2. ANALYSE DES RESULTATS Analyse en composantes principales Les méthodes multifactorielles d analyse des données permettent d obtenir des représentations graphiques qui constituent le meilleur résumé possible de l information contenue dans un grand tableau de données. Nous avons fait une Analyse en Composantes Principales (ACP) sur les différentes données quantitatives que nous avions pour voir s il y avait un lien entre elles. Les données étaient : l infiltration moyenne, la profondeur, l épaisseur du sol, la pierrosité, le pourcentage en sable, limon, argile. Les coefficients de corrélation obtenus, faibles, n ont pas montré de relations directes entres différents paramètres. Ainsi, cette analyse n a pas pu mettre en évidence des paramètres quantitatifs susceptibles d expliquer la variabilité sur le terrain. Nous pouvons expliquer cela par le fait que les paramètres quantitatifs utilisés proviennent essentiellement de la BD Sol et sont assez généraux ; ils sont en effet rattachés à des US dont le positionnement n est pas certain, mais répond à une possibilité statistique (niveau de représentativité de l US dans l UCS considérée). Il faudrait multiplier les mesures d infiltration et disposer des caractéristiques pédologiques correspondant précisément aux sites où ont été effectuées les mesures d infiltration pour aborder une analyse statistique de cette sorte Attribution des codes de perméabilité par analyse qualitative des résultats L occupation du sol s avère peu influente, car particulièrement homogène sur ce bassin versant. L extension à d autres bassins beaucoup plus agricoles ou viticoles renforcera probablement le poids de l occupation du sol. Le croisement entre les formations géologiques et les unités pédologiques issues de la BS Sols confirme une redondance logique comme démontré sur les schistes, les granites et les calcaires-dolomies qui représentent 90 % du bassin versant. (1) Les schistes (géologie) sont occupés : à 42 % par l UCS 632 D («Sol développé sur schistes et micaschistes. Pente moyenne. Châtaigneraie. Cévennes. / Sol de type A/C/R. L'horizon A1 est moyennement profond (30-40 cm), sablo-limoneux, caillouteux (20-30%), brun olive, moyennement humifère, à structure grumeleuse. L'horizon C d'altération est épais d'environ cm») ; BRGM/RP FR 30

32 à 48 % par l UCS 632 C («Absence de sol sur schistes, crêtes rocheuses. Quelques châtaigniers, landes, surfaces dénudées / Roche affleurante sur les dorsales cévenoles»). (2) Les granites (géologie) sont occupés : à 63 % par l UCS 549 E («Sol développé sur granite partiellement arénisé : massif des Albères, des Aspres et des Cévennes. Pentes moyennes à faibles, nombreux replats de cultures, châtaigneraie et chênaie. / Sol moyennement profond (40-70), de type A/B/C. L'horizon A00 humifère est très mince, voire absent. Texture sablolimoneuse avec très peu d'éléments grossiers. Structure polyédrique dominante, très poreux, brun pâle») et ; à 13 % par l UCS 549 D («Sol absent sur granite, pente forte, sans couvert végétal significatif. Cévennes / Roche affleurante). (3) Les dolomies sont occupées : à 39 % par l UCS 559 A («Sol sur marnes de l'eocène et de l'oligocène parfois colluvionnées par de la terre fine et par des galets de poudingues (calcaires dominants et quartz). Pente faible à nulle. Culture. / Sol profond à très profond, limono-argileux à argilo-limoneux, généralement peu caillouteux (galets démantelés du poudingue). Brun jaune. Très calcaire (40 à 90%). Structure polyédrique subanguleuse à polyédrique.») ; à 13 % par l UCS 554B («Sol établi sur les formations hétérogènes polychromes du Lias-Trias (marnes, calcaires, dolomies). Bordure cévenole, Corbières Centrales. Pelouses, bois de feuillus. / Sol peu épais (20-40 cm), de type A/C ou A/R selon la résistance du substrat. Sol aux propriétés physiques variables selon la roche-mère. Sol toujours carbonaté à très carbonaté.»). (4) Enfin les calcaires sont occupés : à 33 % par l UCS 559 A (cf dolomies) ; à 37 % par l UCS 554 B (cf dolomies). En fait, il s avère que seuls 6 types d UCS couvrent à eux seuls 82 % du bassin. L occupation du sol étant homogène, nous nous sommes à ce stade de l étude basés sur les formations géologiques (paramètre le plus discriminant) comme élément majeur de découpage du bassin, en analysant les formations pédologiques développées sur chaque type géologique. Ainsi nous avons regroupé les moyennes d infiltration des différents sites correspondant à chaque formation géologique et effectué leur moyenne. Nous avons également fait une synthèse des données pédologiques et de l occupation du sol observées. Nous avons abouti au tableau de synthèse ci-dessous (cf.tableau 3). BRGM/RP FR 31

33 Attribution des codes de perméabilité par analyse qualitative des résultats Formations géologiques Nombres de sites Moyenne infiltration (mm/s) Ecart type Occupation du sol Unité de sol profond pierreux texture Alluvions récentes prairies 127 oui (120 cm) moyen (35%) limonoargilosableux limoneux Alluvions anciennes agricole 539 peu (25 cm) moyen (25%) Granites châtaigniers 525 moyen (50cm) non (5%) limonosableux Schistes châtaigniers 607 moyen (35 cm) moyen limoneux (30%) Argiles, grès, chênes 539 peu (20 cm) moyen limoneux conglomérats verts, (35%) conifères Marnes conifères, prairies Dolomies chênes verts, buissons Calcaires forêt de chênes verts Calcaires marneux, argileux Eboulis, tufs, travertins 515 oui (110 cm) non (7.8%) limonoargileux 519,682, peu oui limoneux , 540 moyen (30 cm) oui (37.5%) limoneux agricole 425 moyen (50) moyen (40%) Tableau 3 : Synthèse sur les mesures d infiltration Quatre classes majeures de formations superficielles basées sur le regroupement des différentes formations géologiques présentent des infiltrations moyennes de même ordre de grandeur. Pour chaque classe, une nouvelle moyenne d infiltration est ainsi calculée et un code de perméabilité peut alors être affecté (perméabilité décroissante de 1 à 4) (cf. Tableau 4). Si la carte géologique a servi de base au niveau du terrain en particulier, il est important de constater que l analyse suivante a été faite en fonction des sols développés sur ces formations géologiques, le sol constituant naturellement un interface majeur entre la pluie et les formations profondes, de part sa nature (plus ou moins argileux, compact ou caillouteux, filtrant) et son importance (plus ou moins épais) Par exemple, les granites, selon leur niveau de fracturation sont considérés comme des formations géologiques peu perméables. Cependant, les arènes granitiques, formations sableuses, présentant une plus forte porosité, développées par altération des granites, vont constituer un sol particulièrement perméable, ce qui a été confirmé par les mesures d infiltration in situ. A l inverse, les sols argileux ou marneux développés sur les argileux/ limonoargileux BRGM/RP FR 32

34 formations calcaires (karstifiées) vont plutôt favoriser le ruissellement, ce qui se traduit au niveau des mesures par de faibles perméabilités. Formations superficielles Nombres de sites utilisés Moyenne infiltration (mm/s) Ecart type Code de perméabilité Altérites sur granite, éboulis (1505 mm/h) Sols sur dolomies et (912 mm/h) calcaires Sols sur schistes et (607 mm/h) argiles grès Alluvions sur (243 mm/h) terrasses, sols sur marnes, calcaires marneux argileux Tableau 4 : Synthèse des mesures et attribution des codes de perméabilité L histogramme suivant permet de mieux nous rendre compte de la marge d erreurs de ces valeurs moyennes d infiltration (cf. Figure 14). Fourchettes d erreurs ( infiltration moyenne + ou l écart type) Figure 14 : Visualisation des écarts types de l infiltration pour les 4 classes de perméabilité Nous pouvons constater à la vue de cet histogramme que, hormis la classe «sols sur dolomies et calcaires», les fourchettes d erreurs ne se chevauchent pas, ce qui traduit une bonne séparation des classes. Par ailleurs les trois classes bien différenciées (de code de perméabilité 1, 3, 4) représentent 84% de la surface du bassin versant étudié. BRGM/RP FR 33

35 L écart type, important au niveau de la classe «sols sur dolomies et calcaires», peut s expliquer par les différents sols rencontrées sur ces formations (sols très peu épais et caillouteux très filtrants-, à accumulations d argile et particules fines dans les dépressions peu filtrants -) CARTOGRAPHIE DU POTENTIEL D INFILTRATION Sous Arc View, nous avons pu établir la carte du potentiel d infiltration des sols (cf. Figure 15) correspondant au tableau de synthèse ci-dessus. Figure 15 : Carte du potentiel d infiltration BRGM/RP FR 34

36 4. Modélisation des écoulements à l aide du logiciel STREAM Le Service d Annonce des Crues a intégré Althaïr comme modèle de prévision. Aussi des simulations seront ultérieurement réalisées afin de valider l impact de la cartographie réalisée sur la modélisation du ruissellement. 4.1 LE MODELE STREAM Défini, calé et validé en Normandie par l INRA pour étudier le ruissellement sur les sols limoneux agricoles, STREAM est un modèle de type expert qui s appuie sur une connaissance des mécanismes élémentaires de genèse du ruissellement. Il intègre les paramètres suivants : 1. La pente dérivée du Modèle Numérique de Terrain de l IGN (pas de 50 m) ; 2. La cartographie de l occupation du sol. 3. La répartition des sols sensibles à la battance ; 4. L hypothèse d une pluie homogène sur l ensemble du bassin versant ; 5. La prise en compte des antécédents pluvieux ; 6. La croûte de battance ; 7. La rugosité du sol ; 8. Le sens du travail du sol ; 9. Les motifs agraires ; Echelle bassin versant : Pluie Paramètres du réseau de circulation Antécédent pluvieux Occupation du sol Croûte de battance (faciès) Rugosité Type de sol j-2 j-1 j Bilan R/I = P - P imb - (Capacité Inf durée) Ruissellement amont pluie Pente Sens de travail du sol Motifs agraires infiltration Ruissellement aval SORTIE : Calcul du volume ruisselé cumulé dans chaque maille Figure 16 : Principes du modèle STREAM (d après Lecomte) BRGM/RP FR 35

37 Le bilan du ruissellement répond donc à la loi suivante : Ruissellement = Pluie Antécédent pluvieux (capacité d infiltration du sol * durée) Bien que STREAM ait été développé pour l étude du ruissellement sur des sols limoneux en zone agricole, il est apparu intéressant à ce stade du projet de tester le principe de ce modèle sur le bassin versant méditerranéen et forestier du Gardon d Anduze. Mais cet essai s est fait avec certaines simplifications encore préliminaires. Nous avons fait l hypothèse abusive que le fonctionnement du ruissellement est le même qu en Normandie, c est à dire de type hortonien. En effet, dans les conditions de mise au point du modèle, le ruissellement par saturation du sol est inexistant. Et rien n est pris en compte. Par contre, dans le contexte de cette étude, le débordement d un réservoir «sol» est décrit par plusieurs acteurs locaux. Il faudrait en tester la validité et réfléchir ultérieurement à une adaptation du modèle STREAM EST-IL TRANSFERABLE SUR UN BASSIN MEDITERRANEEN? Compte tenu des sols en présence, nous faisons l hypothèse que la battance est inexistante, et que la variation de rugosité induite par les pratiques agricoles est peu importante à l échelle du bassin ; de même, compte tenu de la faible extension du parcellaire agricole, le sens du travail et les motifs agraires seront négligés à ce stade de l étude. Par ailleurs différentes hypothèses simplificatrices doivent être faites. (1) Les valeurs de perméabilité données par la carte finale doivent être étalonnées par rapport à différentes mesures précises d un point de vue quantitatif. Seules des mesures à partir d un simulateur de pluie permettent d accéder à cette information. Or à ce jour, seule la zone de schistes bénéficie d un simulateur, avant l équipement en 2003 par l Ecole des Mines de systèmes supplémentaires. Une relation linéaire a donc été testée entre les mesures du simulateur de pluie DDE et les mesures réalisées avec le double anneau. Il conviendra naturellement de vérifier voire de corriger cela avec la disponibilité future de mesures par simulateurs sur sols développés sur schistes et argiles grès, altérites sur granite, et sols sur dolomies et calcaires (2) La prise en compte d une pluie d imbibition n a pu être faite à ce jour, par manque de données. La pluie d imbibition peut être évaluée sur les schistes à l aide des mesures réalisées avec le simulateur DDE, mais l absence de mesures sur les autres formations ne peut être compensée. Ici encore, les mesures 2003 par simulateurs permettront d accéder à ce paramètre. (3) Le modèle STREAM, développé sur de petits bassins versants fait l hypothèse que la répartition de la pluie est homogène. Or sur le bassin d Anduze (640 km²), l hétérogénéité des pluies peut être très forte, lorsque celui-ci est soumis à des orages méditerranéens. A titre d exemple, lors des événements de septembre 2002, BRGM/RP FR 36

38 il est tombé environ 650 mm à Anduze, mais moins de 100 mm sur les versants situés à l Ouest du bassin. Si les essais mis en place à ce jour ne peuvent prendre en compte qu une pluie homogène, il sera impératif d incorporer dans STREAM les grilles de pluie kilométriques CALAMAR SIMULATIONS REALISEES La simulation réalisée s est faite en trois étapes, selon les hypothèses suivantes : - pas d antécédent pluvieux (pluie d imbibition nulle) ; - pluviométrie homogène de 100 mm en 1 heure. Il s agit là de résultats préliminaires, qui nécessiteront d une part une analyse basée sur les simulations Althaïr et d autre part une amélioration des paramètres intégrés (simulateurs de pluie pour préciser la carte de perméabilité, grilles de pluie à la place d une pluie homogène). Phase 1 : proposition d un recalage de la carte du potentiel d infiltration à partir des mesures du simulateur de pluie DDE installé à Tourgueille. Figure 17 : Capacité d infiltration des sols BRGM/RP FR 37

39 Phase 2 : Réalisation d un bilan Infiltration / Ruissellement Légende -68 mm -20 mm 20 mm 98 mm Figure 18 : Bilan Infiltration / Ruissellement Le bilan Infiltration / Ruissellement permet donc de calculer pour chaque maille : I/R = Pluie Pluie d imbibition Coefficient d infiltration * durée Coefficient d infiltration * 1 A ce stade, les sols développés sur les granites et les calcaires ont infiltré la pluie reçue, contrairement aux sols développés sur schistes, aux marnes et zones alluviales qui ruissellent dans des proportions variables. BRGM/RP FR 38

40 Phase 3 : Estimation du ruissellement produit Résultats préliminaires m 3 Figure 19 : Estimation des volumes ruisselés m 3 L analyse par STREAM permet alors de produire une estimation du ruissellement pour chaque bassin versant identifié. Cette estimation est un travail préliminaire qu il convient désormais de comparer à des estimations Althaïr, puis de préciser par une optimisation des coefficients d infiltration. BRGM/RP FR 39

41 L Conclusion approche par analyse multicritère de la sensibilité des sols au ruissellement permet de prendre en compte, sur de larges surfaces, différents paramètres contributifs au ruissellement : la géologie, la pédologie, l occupation du sol. Ce dernier paramètre est obtenu à partir de données de télédétection SPOT qui permettent une cartographie objective et à jour de l occupation du sol sur une zone d étude conséquente (640 km²). Sur le bassin versant du Gardon d Anduze, le paramètre géologique, et plus précisément les formations superficielles développées par altération du sous-sol, apparaît prépondérant. En effet, l occupation du sol, très homogène sur ce bassin versant à 95% forestier, n est pas un facteur susceptible de modifier spatialement les conditions d infiltration. Pour mener cette étude, la réalisation de mesures d infiltration sur le terrain et la confrontation des résultats aux autres données sont indispensables. La cartographie finale propose donc une hiérarchisation en 4 classes du bassin versant selon le potentiel d infiltration. Cette couche d informations pourra être intégrée dans la caractérisation du bassin et in fine dans le modèle ALHTAÏR, objectif du SAC30. D ores et déjà, ce résultat préliminaire permet : - d aborder une approche continue depuis l hypothèse d une pluie répartie et du cheminement de ruissellement différencié par les conditions locales du potentiel d infiltration des terrains ; - de produire une estimation du volume d'eau ruisselé durant l'évènement pluvieux considéré. On voit apparaître des différences significatives selon les bassins versants. Dans un deuxième temps il sera nécessaire : - de poursuivre les mesures sur le terrain et utiliser des moyens complémentaires (simulateur de pluie) pour affiner la spatialisation de la perméabilité sur le bassin versant ; - de découper les formations proposées lors de cette étude à partir des unités pédologiques, et plus particulièrement l épaisseur des sols ; - d intégrer la variabilité de l infiltration selon les conditions initiales des sols. Enfin le résultat devra faire l objet de simulations dans Althaïr à l aide de jeux de données existants (pluies Calamar et débits mesurés lors d évènements passés). BRGM/RP FR 40