CHAPITRE 1. INTRODUCTION

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1 1 CHAPITRE 1. INTRODUCTION L'eau représente une des ressources nécessaires à la vie. L'exploitation démesurée et la dégradation de cette ressource par la pollution engendrée depuis le début de l ère industrielle nous obligent, par égard pour les générations futures, à entreprendre une gestion mieux ordonnée. Souvent présentée comme le château d'eau de l Europe, la Suisse est particulièrement concernée par ce problème. La mise en oeuvre d une telle gestion passe par une bonne connaissance du cycle de l eau. La complexité des processus impliqués est à la base de nombreux modèles hydrologiques élaborés par la communauté sientifique depuis le milieu des années 60. Depuis, les progrès de l informatique et l arrivée des Systèmes d Information Géographiques (SIG) ont permis de franchir de nouvelles étapes pour la compréhension général du système. Pour bien cerner cette problématique il est nécessaire de faire quelques rappels. L ensemble des points ainsi relevés permet ensuite de comprendre les objectifs que nous nous sommes fixés. 1.1 Le cycle de l eau Tous les traités généraux d hydrologie et/ou d hydrogéologie (Shaw, 1994; Ward & Elliot, 1995;...) contiennent une large description de l ensemble des principes de base régissant la répartition et le transfert de l eau entre les différents compartiments naturels tout au long de son cycle. Il en existe de nombreuses représentations. Il a été choisi de présenter ici celle de Castany (1963) car elle a le grand mérite d être simple (figure 1.1). Il est possible de décomposer ce cycle en un ensemble de flux dont la direction et l'intensité sont liées à trois composantes principales: 1) l environnement support: énergie: 2) les facteurs climatiques énergie: 3) l'eau qui entre dans le système - topographie - occupation du sol - géologie (pédologie, lithologie) - topographie (différence de potentiel) - rayonnement solaire - vent - précipitations (unique apport si l on considère que le système est fermé).

2 2 Figure 1.1 Le cycle de l eau (tiré de Castany, 1963) En simplifiant: Cycle de l eau = ensemble de flux = moteurs + support + vecteur [1] Les moteurs étant le rayonnement solaire et la gravité, le support: le milieu naturel et le vecteur: l eau. Vouloir cerner la dynamique des systèmes d écoulement à l échelle d un basin versant signifie connaître la répartition et l intensité de ces flux, à savoir: - les précipitations, - l interception, - l infiltration et le ruissellement, - l évapotranspiration, - la recharge des zones saturées, - les écoulements souterrains. Lorsque l on veut approcher le bilan hydrique, Il faut encore ajouter à cette liste l ensemble des réservoirs, momentanés ou permanents, qui stockent une partie de l eau que ce soit dans le sol ou à ciel ouvert. Même si certains des processus impliqués dans la répartition de ces flux sont simultanés, il existe une certaine chronologie dans leur succession. La liste ci-dessus en tient compte. L emplacement de l évapotranspiration peut être discuté car celle-ci peut se produire en même temps que l interception, l infiltration ou le ruissellement, et continuer bien après. Il existe également un certain arrangement vertical de ces flux de par leur localisation dans le milieu naturel; de haut en bas nous avons: - les précipitations qui se produisent dans l atmosphère, - l interception dans la couche de végétation,

3 3 - la séparation entre infiltration et ruissellement au niveau du sol ou en subsurface, - la recharge des zones saturées et les écoulements souterrains dans le sol, L évapotranspiration représente un cas particulier car elle agit en même temps au niveau du couvert végétal et au niveau du sol. Une description plus détaillée des différents processus impliqués dans le cycle de l eau a été placée au début de chaque chapitre traitant de leur spatialisation. Il aurait été redondant d en refaire le tour dans ce chapitre et nous nous sommes donc contenté d une brève description des notions générales régissant ce cycle. La séparation entre les flux se produisant en dessus du sol et les flux souterrains est à la base de la différenciation entre l hydrologie (étude des eaux de surface) et l hydrogéologie (étude des eaux souterraines). Notons que pour avoir une bonne connaissance des écoulements souterrains, il est nécessaire de connaître les entrées en eau liées aux eaux de surface. En ce qui concerne la direction de ces flux, il est possible de considérer qu elle est toujours plus ou moins verticale à l exception du ruissellement et de l écoulement souterrain qui sont également latéraux. Du fait des différents compartiments traversés par l eau, la liste des disciplines concernées par le cycle de l eau comprend encore: - la météorologie, - la géographie physique, - la botanique, - la pédologie, - la géologie. Chacune de ces disciplines a sa propre philosophie: les approches utilisées peuvent donc être très différentes. Ces différences ainsi que la complexité des processus impliqués ont été à la base du fractionnement de l étude du bilan hydrique. Ce fractionnement a eu pour conséquence principale la création de nombreux modèles dont les spécificités, tant au niveau de l échelle spatio-temporelle qu au niveau de la typologie, rendent difficile toute intégration à l échelle globale du système. Il ne faut cependant pas oublier que l utilité première de l étude du bilan hydrique est de permettre l évaluation de la répartition des ressources en eau dans l espace et le temps afin de pouvoir en assurer une gestion et une protection optimale. Il est donc nécessaire de s appuyer sur une approche spatialisée, interdisciplinaire et basée sur la meilleure connaissance possible des processus impliqués. Ce genre d approche nécessite cependant des outils performants. Il y a encore peu de temps, la quantité de données qu il était possible de traiter était limitée. L évolution de l informatique a conduit à la mise à disposition de machines et de logiciels de plus en plus performants. Ces nouveaux outils ont permis de traiter un nombre de plus en plus important de données et d inclure de mieux en mieux les composantes spatiales et temporelles.

4 4 1.2 L outil SIG Définition Parmi les nombreuses définitions que l on trouve dans la littérature, celle de Collet (1992) a été retenue pour introduire la notion de SIG: «Les systèmes d information géographique se proposent en tant qu environnement d analyse multidisciplinaire et spatiale. Ils offrent des outils de saisie et de gestion de l information sous une forme numérique, des outils d analyse, de modélisation et de représentation cartographique». Par environnement d analyse il faut comprendre un assemblage organisé d équipements informatiques, de logiciels, de méthodologie et de personnel (Jaquet, 1996) Les modes de représentation de l information Au sein des SIG, il existe deux modes principaux de représentation des données (figure 1.2): - le mode vectoriel, - le mode raster. Mode vecteur Mode raster Figure Les deux modes de représentation SIG (d après Frischknecht, 1993) Chacun de ces deux modes présente des caractéristiques propres qui en font des outils plus ou moins adaptés aux différentes problématiques que l on peut rencontrer. Ces deux modes sont bien souvent complémentaires (Stauffacher, 1994) et de plus en plus de fabricants de logiciels les associent au sein d un même produit. Dans le cadre de l étude des éléments du bilan hydrique, le mode de représentation le plus adapté est le mode raster. Ce choix s appuie sur les points suivants: - la structure des données est simple et l aisance offerte au niveau de l analyse spatiale est un plus non négligeable - une grande partie des données de base (modèle numérique d altitude, cartes climatiques) sont créées en mode raster,

5 5 - du fait de l interconnexion des différents compartiments naturels et des processus impliqués dans le bilan hydrique, il est nécessaire de superposer aisément différents plans d information, - sa mise en oeuvre, tant au niveau hardware que software demande un coût moins élevé que le format vecteur. Si à l heure actuelle le débat principal autour des SIG ne se situe plus au niveau du choix du mode de représentation, il reste cependant encore quelques sujets délicats. Parmi ceux-ci, l origine et la transformation des données utilisées est un point important. Une couverture SIG qui ne contient pas d information sur l origine des données ni sur la méthode utilisée (méta-information) est un document dont la valeur ne peut être jugée. Il est alors souvent dangereux de l utiliser dans le cadre d autres études. De nos jours, il existe de nombreuses façons pour arriver à la création d un même document. Ces différences sont liées aux données qui sont de plus en plus nombreuses (images satellites, photos aériennes, cartes papiers, données ponctuelles,...), aux outils SIG qui permettent d effectuer de plus en plus d opérations, aux problématiques et finalement aux utilisateurs. Il est donc important, lorsque l on traite des documents SIG, de pouvoir se référer à des données d origine ainsi qu à une liste des opérations effectuées jusqu à la création du document final. 1.3 Les modèles hydrologiques Le premier modèle hydrologique informatisé daterait de 1966 (Fortin et al, 1995). Si au début le bassin versant n est considéré que comme un tout non subdivisé, dès 1971 apparaissent des modèles permettant de tenir compte des variabilités observées à l intérieur de ces limites (Ibidem). L'avancée informatique réalisée depuis allait permettre la création de nouveaux outils informatiques performants. Parmi ces outils, il en est un qui allait trouver une application directe dans le domaine des sciences naturelles de l'environnement, il s'agit des Systèmes d'information Géoréférée ou SIG. Les possibilités de spatialisation offertes par ces outils allaient donner une nouvelle dimension à la modélisation hydrologique. Les modèles créés jusqu alors n étaient pas conçus pour traiter les données provenant des SIG. Il a donc été nécessaire de développer une nouvelle génération de modèles utilisant ces données et donc capables de simuler la variabilité spatiale des processus sur la surface d un bassin versant. Des modèles comme IHSI (De Smedt, 1997), HYDROTEL (Fortin et al, 1995) ou les dernières versions de MIKE SHE (l ogiciel développé par Danish Hydraulic Institute) en sont de bons exemples. L approche développée dans le cadre de la présente étude appartient à ce nouveau courant de pensée.

6 6 CHAPITRE 2. FORMULATION DES OBJECTIFS Comme nous venons de le voir, le cycle de l eau est constitué d un ensemble de processus complexes. Pour autant que l on développe une approche adaptée, les SIG peuvent s avérer être des outils utiles pour l étude de la variabilité spatio-temporelle de ces processus. Le but de cette présente recherche est donc de développer une approche logique et cohérente, utilisant la potentialité des SIG pour approcher les systèmes d écoulement à l échelle du bassin versant dans un contexte de zone tempérée humide. Cette approche s appuie entre autres sur les résultats du travail de diplôme précédemment réalisé dans la plaine du Rhône à la hauteur de Pramont en Valais (Ebener, 1994; Ebener et al., 1998). Afin d être utilisable dans le cadre de la gestion ou/et de la protection des ressources en eaux, cette approche se devait d être simple, facilement exportable d un bassin versant à l autre et basée sur des données existantes ou facilement collectables. Pour intégrer les informations récoltées dans la littérature et tester les modèles retenus, cette démarche devait être appliquée sur la surface d un bassin versant représentatif des conditions que l on peut rencontrer en Europe centrale.

7 7 CHAPITRE 3. CADRE DE L ETUDE 3.1 Le bassin versant test Une «zone test» a été choisie afin de pouvoir développer et tester notre approche. Il est très difficile de trouver une surface qui soit représentative de toutes les particularités que l on peut rencontrer dans ce genre de problématique. Une chose est cependant claire: cette zone doit au minimum couvrir la totalité d un bassin versant hydrographique. Un bassin versant de taille moyenne, pour lequel il existait des données, a donc été recherché. Notre choix s est finalement porté sur le bassin versant de l Allondon pour les raisons suivantes: - bassin hydrographique de taille moyenne (147 km 2 ), - grande quantité de données à disposition, notamment en liaison avec la construction des accélérateurs du CERN, - bassin versant très hétérogène du point de vue des condition naturelles et /ou anthropiques rencontrées (topographie, ocupation du sol, géologie,...), - présence de deux systèmes hydrogéologiques distincts: système karstique dans le Jura et poreux sur le plateau, - proximité géographique de la zone d étude permettant une bonne observation in vivo des conditions rencontrées, - situation transfrontalière: surface du bassin à cheval entre la France (92 %) et la Suisse (8 %), - intérêt des autorités pour la protection et la sauvegarde de ce cours d eau. Les différents documents de base assemblés dans le cadre de cette étude ayant apporté de nombreuses informations sur les caractéristiques du bassin, seuls sa situation, les caractéristiques de son réseau hydrographique ainsi que les éléments qui nous ont guidé dans le choix des limites de la zone à étudier sont présentés dans ce chapitre. Le cadre géologique, l occupation du sol ainsi que les autres éléments cartographiés seront repris dans les chapitres concernant plus particulièrement l élaboration des documents de base Situation géographique Le bassin versant hydrographique de l Allondon (figure 3.1) est localisé au nord-ouest du canton de Genève (Suisse). A cheval sur la frontière franco-suisse, sa partie suisse (13 km 2 ) touche les communes genevoises de Dardagny, Russin et Satigny. Sur sa partie française (133 km 2 ), il touche quelques uns des cantons du département de l Ain à savoir ceux de Collonge, Ferney-Voltaire et Gex. Orienté parallèlement au premier chaînon du Jura, il mesure 17 km de long (axe nord-est - sudouest) sur 8.3 km de large. Le Crêt de la Neige, avec ses m, représente le point

8 8 culminant de ce bassin hydrographique alors que l exutoire de l Allondon dans le Rhône, situé à 350 m, en représente le point le plus bas. L altitude moyenne du bassin est de 740 m Hydrographie du bassin versant Le réseau hydrographique de ce bassin versant est dense (figure 3.1). Il se compose de plusieurs types de cours d eau (Martinez, 1986): - les cours d eau majeurs. Les émergences qui leur donnent naissance sont situées au pied du Jura. Nous avons ainsi du nord vers le sud: - le By et la Varfeuille (sources temporaires, nord d Echenevex) - l Allondon (tari lors des périodes sèches, Naz dessus), - le Fion (sources temporaires, Sergy-dessous) - l Allemogne (Source à la base des volumes d eau annuel les plus conséquents, Allemogne). - la source du Maire (Thoiry) - un grand nombre de torrents empruntant les ruz situés sur le versant sud du premier chaînon du Jura et qui draine le flanc lors des épisodes pluvieux violents et durant la fonte des neiges. Le tracé de ces ruisseaux s arrête avant la plaine à une altitude de 600 m environ. - le Journans qui est un peu particulier car il prend sa source en dessus de 600 m dans le Creux-de-l Envers (au-dessus de Gex). Il atteint la plaine et connaît des écoulements de surface permanents. - les cours d eau dont la source située en plaine est liée à l affleurement de nappes souterraines. Les plus importants sont le Lion et la Janvoin. La circulation des eaux à l air libre se fait essentiellement par le Journans, le Lion, l Allondon et l Allemogne qui se rejoignent en plaine pour se jeter dans le Rhône à aval du barrage de Verbois. Lorsque l on examine la structure de ce réseau hydrographique, on peut se demander pourquoi l on parle du bassin versant de l Allondon alors que le tracé le plus long est parcouru par le Journans.

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10 Choix des limites de la zone d étude Quelques études (BRGM, 1992; Martinez, 1986) laissent à penser que les limites hydrogéologiques du bassin versant de l Allondon sont très certainement situées en dehors des limites du bassin hydrographique. En l absence d informations précises concernant l extension que pouvait présenter le bassin versant hydrogéologique il a été décidé d étendre les limites de la zone étudiée bien en dehors de celle du bassin versant hydrographique. La zone finalement choisie est de forme rectangulaire (cadre de la figure 3.1). Le côté sudouest de cette zone est situé aux coordonnées suisses / et le côté nord-est aux coordonnées / , ce qui représente une superficie globale de 420 km 2 (73,4 en Suisse et 346,6 en France). Cette superficie est totalement couverte par les feuilles Chancy, Gex et Col de la Faucille de la carte nationale au 1: (OFT, 1992) Résolution spatiale et échelle temporelle de l étude Une approche quadri-dimensionnelle est nécessaire pour aborder l ensemble des éléments du bilan hydrique: - pour une zone donnée, les processus évoluent de façon continue dans le temps. - l intensité et la direction de ces processus varient géographiquement et verticalement. Le but de cette recherche n étant pas l étude de certains événements particuliers demandant un traitement en continu, mais bien de cerner le comportement général du système, il a fallu se décider pour des résolutions spatiales et temporelles pertinentes Le choix de la résolution spatiale En ce qui concerne la résolution spatiale, il existe deux facteurs qui vont conditionner ce choix: - le premier est d ordre technique: pour une surface donnée, l augmentation de la résolution entraîne automatiquement une augmentation de la quantité des données à traiter, - le deuxième concerne les données à disposition: si l on veut que le résultat soit représentatif pour l échelle choisie, il faut que les données de base soient disponibles à cette même échelle. Il s agit donc de trouver le meilleur compromis possible entre ces deux facteurs afin d obtenir la résolution spatiale optimale tout en gardant une cohérence au niveau des données à disposition. Le tout est de construire un modèle représentatif de la variation latérale des processus et des paramètres impliqués. Dans notre cas, c est essentiellement le deuxième facteur qui a été décisif. Quand il a fallu prendre cette décision, au début de l étude, nous n avions pas encore une idée précise de

11 11 toutes les données qui existaient pour la surface étudiée. Le seul document en notre possession était le modèle numérique d altitude (MNA) fourni par l Office Fédéral de Topographie (OFT). Sa résolution de 25 m nous fixait déjà une limite. Il n était pas possible d augmenter la résolution de ce document sans diminuer sa représentativité. Pour illustrer ceci prenons par exemple une surface quelconque de terrain de 625 m 2 (25*25 m). Imaginons qu à l échelle du mètre carré l altitude varie entre 345 et 348 m. Dans le cas du MNA de l OFT, cette surface serait représentée par un unique pixel dont la valeur serait une moyenne des altitudes observées sur la surface (imaginons 347 m). Si l on rééchantillonnait ce pixel pour obtenir une grille ayant une résolution de 1 m, toutes les cellules de cette surface auraient la même valeur: 347 m. Nous perdrions de l information. Dans le cadre de notre étude, il n était donc pas souhaitable d augmenter la résolution audessus de 25 m. En mode raster, il est clair que la représentation correcte des éléments dont la taille est inférieure à 25 m devient difficile. Cela concerne essentiellement tous les éléments linéaires telles que les routes et les rivières. Ces éléments étant cependant très importants, il sera nécessaire de trouver un moyen permettant d en tenir compte. Tous les documents de base ont donc été créés avec cette résolution et les différents processus traités à cette échelle. Il serait dangereux de vouloir en trouver une application pour des résolutions plus fines Le choix de l échelle temporelle Si avec les SIG en mode raster le choix de la résolution spatiale ne pose pas de problème technique, il n en va pas de même pour le choix de l échelle temporelle. En effet, chaque image représente un état du système pour un temps donné. En utilisant un modèle de calcul en continu, il est possible de simuler l évolution des processus tout en affichant l état du système à un temps t dans un SIG. Cette approche impliquerait cependant l utilisation ou le développement d un modèle hydrologique informatisé, ce qui n est pas le but poursuivi. De plus, la quantité de données nécessaire serait immense et demanderait une infrastructure matérielle importante. Le deuxième point dont il faut tenir compte est la variation temporelle des différents paramètres impliqués dans le cycle de l eau (terrain, climat). Plus l échelle temporelle choisie sera fine plus on tiendra compte du «relief» de l information. Plus elle sera grossière plus l information sera «lissée». Il ne faut cependant pas oublier qu en dessous d une certaine échelle il est difficile de trouver de bonnes corrélations d une année à l autre. Finalement, il s agit de savoir à quelle résolution temporelle les données sont disponibles. Ce dernier point concerne essentiellement les données climatiques (pluviométrie, température, rayonnement solaire,...).

12 12 Ce dernier point étant techniquement le plus limitant, nous allons l aborder en premier. Le pas de temps de mesure le plus court pour lequel on peut obtenir des données est l heure. L utilisation de l appareillage permettant ce genre de mesure reste cependant très peu fréquente et ne concerne que des périodes de mesures récentes. Pour la pluviométrie par exemple, la mesure horaire ne se fait que depuis 1980 à la station de Cointrin. De plus, ce genre de mesure ne concerne que très peu de stations de mesures, limitant ainsi fortement les possibilités de spatialisation. Avec l échelle journalière on augmente sensiblement la quantité d informations disponibles ainsi que le nombre de stations de mesure. Cette échelle impliquerait cependant la création de 365 cartes par paramètre pour en faire le traitement annuel. L échelle hebdomadaire réduirait le nombre de cartes à créer (52). Cette valeur reste cependant encore très élevée. Il reste encore de nombreuses autres possibilités parmi lesquelles on citera essentiellement: l échelle mensuelle, l échelle saisonnière et l échelle annuelle. Le grand avantage avec cette dernière possibilité c est la réduction considérable de la quantité de données à traiter. Bien que souvent utilisée, cette approche nous semble cependant mal adaptée à l analyse des systèmes d écoulement. En effet, la grande variation spatiale des processus climatique au cours de l année engendre des changements importants dans la distribution de l intensité et de la direction des différents flux concernés. En utilisant l échelle annuelle on passe à côté de ces variations et l on risque ainsi de se donner une image trop lissée de la réalité. Le pas de temps élémentaire doit donc être une fraction de l'année suffisamment petite afin de représenter correctement les fluctuations des événements climatiques et le cycle annuel de la végétation (Bajard, 1971). Dans les bandes de latitude moyenne, comprise entre 25 et 65 environ, les climats sont assez nettement subdivisés en quatre saisons égales qui peuvent être caractérisées par des valeurs représentatives des éléments du climat. La saison trimestrielle est donc la plus grande fraction qui permet de représenter les variations du climat et de la végétation au cours de l'année. La plus petite fraction qui pourra être utilisée est le mois, car si l'on choisit la décade, le retard de la végétation sur les événements climatiques n'est plus négligeable ( Bajard, 1971). Entre ces deux fractions, c est finalement la dernière qui a été retenue pour les raisons suivantes: - les données météorologiques à disposition pour cette échelle sont nombreuses, - si l on choisit une échelle fine, on peut toujours la dégrader par la suite, - le mois représente un pas de temps permettant de faire des corrélations d une année à l autre, - ce découpage permet suffisamment de finesse pour la représentation des changements météorologiques, de l évolution du couvert végétal ou de l action de l homme.

13 Remarques finales Les points que nous venons de passer en revue nous permettent de cerner un peu mieux le cadre technique de l étude. Il s agit d une approche mensuelle de la répartition des différents flux du bilan hydrique en mode raster. Cette approche est basée sur des documents dont la résolution est de 25 m. Toutes les méthodes utilisées dans le cadre de ce travail pour la création des documents de base et la spatialisation des différent éléments du bilan hydrique sont décrites au fur et à mesure des chapitres les concernant. Il est important de préciser les points suivants concernant la philosophie suivie dans le cadre de cette recherche: - une grande importance a été donnée à la qualité de la répartition des différents paramètres nécessaires à la spatialisation des composants du bilan hydrique. Comme le mentionne Charbonneau et al (1981), ce point est bien plus important que le choix du modèle employé, - une recherche bibliographique nous a permis d avoir un bon aperçu des modèles mathématiques ou physiques existants pour choisir les paramètres pertinents à spatialiser. Daian (1971) : «le secours des méthodes mathématiques qui se bornent à rechercher des relations formelles entre deux variables mesurées, en sautant l étape de l analyse physique, semble indispensable. La physique peut néanmoins guider la recherche mathématique et notamment lui désigner les paramètres à prendre en compte», - le modèle choisi ou créé a ensuite été appliqué sur la surface de la zone d étude.

14 14 CHAPITRE 4. ELABORATION DES DOCUMENTS DE BASE Dans la description du cycle de l eau (chapitre 1.1), il a été montré que l intensité et la direction des flux étaient liées à trois composantes principales, à savoir: l environnement, les facteurs climatiques et l eau qui rentre dans le système. Sur cette base, une première liste des documents cartographiques qui nous semblaient nécessaires pour régionaliser les éléments du bilan hydrique a été dressée. En fonction des besoins en information liés à l avancée de la recherche, d autres documents sont venus s y ajouter. Cette progression de la demande en information devait tout d abord être mentionnée dans le texte et suivre ainsi une sorte de chronologie dans l étude. Ce choix aurait malheureusement amené une trop grande complexité dans le texte et il a finalement été choisi de présenter le matériel informatique utilisé, la méthode d élaboration et l ensemble des documents de base constitués dans un seul chapitre. Cette solution présente l avantage de condenser l information de base au début de l étude permettant ainsi d alléger le texte des chapitres traitant de la spatialisation des éléments du bilan hydrique. 4.1 Matériel et méthodes utilisés Ce chapitre fait tout d abord le tour des principaux éléments informatiques (matériel, logiciels), utilisés pour l élaboration des documents de base. Dans un deuxième temps les différentes méthodes utilisées sont présentées Description de la partie informatique Afin de mener à bien ce genre d étude, on profite des possibilités offertes par l avancée technologique réalisée dans le domaine informatique. Ceci concerne aussi bien la partie logicielle que le matériel lui même (PC, imprimante,...) Les outils SIG Notre choix de représentation des données numériques s étant porté sur le mode raster, un outil SIG, permettant la représentation, l analyse et le traitement des données dans ce mode, a tout d abord été choisis. L outil finalement retenu est le logiciel Idrisi pour Windows (version 1.0 et 2.0). Les raisons de ce choix sont: - sa facilité d accès, - sa stabilité, - sa large distribution dans le monde, - sa large gamme d outil d analyse intégrée, - sa possibilité d utilisation sur un PC. Système minimal requis: Windows 3.11, carte

15 15 graphique 256 couleurs, 8 MB de RAM, processeur DX 80386, une souris, - ses possibilités d exportation/importation de données vers/depuis les logiciels comme Arc/Info, ERDAS, GRASS, Surfer,... - son faible coût. Ce produit développé par le «Clark Labs for Cartographic Technology and Geographic Analysis» présente donc de nombreux avantages. Parmi ceux-ci, on soulignera sa facilité d accès qui est une des conditions fixées au début de cette étude. Pour plus de renseignements, voir: La résolution choisie pour l élaboration des données étant assez fine (25 m) et le mode raster n étant pas le mode permettant la meilleure des précisions, le mode vecteur a été retenu pour la création de la plupart des documents de base. Dans le mode vectoriel, nous avons travaillé avec le logiciel ArcInfo pour station de travail (ver 7.0 open VMS) installé sur une des stations de l Unité de Télédétection de l Université de Genève. Ce logiciel professionnel développé par la maison ESRI est très performant. Il est également coûteux et demande une infrastructure matérielle assez importante. En utilisant cet outil, nous sortons du cadre fixé au début de l étude et limitons ainsi les possibilités d accès à la méthode. Il aurait également été possible d utiliser le logiciel de digitalisation fourni avec Idrisi (TOSCA). Cependant nous souhaitions tester les possibilités offertes par les scanners pour la vectorisation automatique. Cette méthode, décrite dans le chapitre suivant, nécessitait l utilisation d ArcInfo. Parallèlement, le logiciel ArcView (ver 3.0a) a été utilisé; SIG desktop, il permet la visualisation, la présentation et dans une moindre mesure la modification des données cartographiées. Logiciel, au départ, à vocation vecteur, il a été récemment complété par un outil raster, Spatial Analyst. Ce module n a pas été employé dans le cadre de cette recherche. La partie vecteur a été utilisée pour: - la visualisation des documents créés dans ArcInfo, - la création d autres documents vecteurs à l écran, - l analyse visuelle de données vectorielles, raster (sous forme d images) et ponctuelles, - la mise en page et l impression de documents vecteurs, - la réalisation de plusieurs des figures de ce travail Autres logiciels A part les outils SIG, de nombreux autres logiciels PC ont été utilisés lors de la création des différents documents de base. à savoir: - Excel (ver 5.0); ce tableur a permis le traitement et l analyse graphique de la plupart des données tabulaires récoltées. Cet outil ne permet cependant pas le traitement de plus de lignes!. - SigmaPlot (ver 4.0, 1997); autre type de tableur, permettant le traitement de lignes. Ce logiciel a principalement été utilisé pour traiter les très grands fichiers, pour certains types de graphiques et pour sa grande librairie d équations de régression.

16 16 - Surfer (ver 5.0, 1994); ce logiciel PC développé par «Golden Software» permet l interpolation de surfaces à partir de données ponctuelles. - Physitel; logiciel en cours de développement à l INRS-Eau de Québec. Ce produit sert à la préparation des données topographiques pour le logiciel HYDROTEL également développé par le même Institut). Il a été possible d utiliser ce produit dans le cadre d une collaboration. - NCSS60 (ver 6.1.0, 1995), outil d analyse statistique essentiellement retenu pour l évaluation des corrélations existantes entre différentes séries de données climatiques. - Paint Shop Pro (ver 3.0, 1995); logiciel de dessin qui nous a permis de créer différents caches en format TIF importables dans Idrisi La partie Hardware Du fait de la grande variété des logiciels et des lieux de travail utilisés, la liste du matériel informatique employé est longue. En nous limitant à décrire les caractéristiques minimales du matériel requis pour la réalisation de tous les documents présentés, nous avons évité une fastidieuse énumération technique. Le logiciel ArcInfo pour station de travail (ver 7.0) demande une station de travail puissante. A titre de comparaison, la version PC de ce produit tourne au Conservatoire et Jardin Botanique de la ville de Genève sur une machine présentant les caractéristiques suivantes: - Pentium Pro 300MHz dual processor, le deuxième processeur permettant de faire autre chose lorsque ArcInfo modélise MB de Ram - 9 GB de disque - carte vidéo avec 8 MB En ce qui concerne les autres logiciels tournant sur PC, une machine un peut plus puissante que celle recommandée pour l utilisation minimale d Idrisi est recommandée. En effet, le traitement de grands fichiers ainsi que la gestion de projets ArcView importants amène forcement une baisse de rendement avec un tel système. Pour l élaboration d un SIG sur PC, il convient de ne pas négliger les points suivants: - un écran de bonne qualité. A la base de la visualisation des données, il est préférable de ne pas travailler sur un écran de taille inférieure à 17. Une carte graphique de 2 MB est alors nécessaire. - suffisamment de mémoire vive. Les nouveaux systèmes d exploitation étant de plus en plus gourmands et certains projets SIG prenant beaucoup de place mémoire il est conseillé de choisir une configuration avec 32 MB. - une bonne capacité de calcul. Lorsque l on souhaite procéder à des interpolations avec un nombre important de points, il faut compter sur un calculateur rapide pour éviter les trop long temps d attente. A l heure actuelle, un processeur Pentium 133 est un minimum.

17 17 - suffisamment de capacité de stockage. L étude multitemporelle d un bassin versant demande la création d une multitude de données qu il faut stocker. Dans le cadre de notre étude, le volume total de données représente 1.7 GB. Si l on rajoute les logiciels et le système d exploitation on en arrive à 3 GB!!... - une bonne imprimante. Afin de permettre un bon rendu papier des documents créés, une imprimante couleur de format A3 est à conseiller. - une table à digitaliser ou un scanner haute résolution. Cela dépend de la qualité et du type de documents que l on veut créer. En plus de tous ces éléments, une unité de stockage mobile telle qu un lecteur Zip peut s avérer un outil peu coûteux et rendant de nombreux services. Au vu de la taille des documents créés, la capacité d une disquette 3,5 ne suffit plus et ce produit présente donc une bonne solution de remplacement Méthodes d élaboration des documents de base A part pour le modèle numérique d altitude, nous avons eu à effectuer deux types de travaux pour arriver aux documents finaux: - la numérisation de documents papier existant, - la création de cartes à partir de données ponctuelles. Dans les deux cas le but était d obtenir des documents raster, utilisables dans Idrisi, recouvrant la surface étudiée La numérisation de documents papier existants Les informations existantes sous forme de cartes papiers ont été numérisées pour être intégrées dans le SIG. L élaboration de ces documents numériques a demandé un nombre important d opérations. Cette succession représente un intérêt certain pour toutes les personnes souhaitant constituer un SIG sur la base de documents papier. Une série de documents a donc été constituée: - L annexe 2 (Ebener, 1997) présente l ensemble des opérations suivies pour obtenir une couverture vecteur dans ArcView à partir d un document papier en utilisant ArcInfo sur station de travail. Dans le cas présent, il s agit de la création de la carte lithostratigraphique du bassin versant de l Allondon. On peut bien évidement transposer cette démarche pour d autres types de documents. Pour certaines opérations, ce document présente plusieurs variantes en fonction de la plateforme utilisée (UNIX, PC,...). - L annexe 3 présente quant à elle les opérations à effectuer pour rasteriser un document vecteur ArcInfo depuis la station de travail. A titre d information, l annexe 4 présente les opérations de transformation d une image raster Idrisi pour pouvoir la

18 18 visualiser sous la forme d un fichier image dans ArcView. Signalons que cette opération transforme les pixels extérieurs en un cadre noir (largeur 1 pixel). L information est ainsi perdue sur le pourtour de l image. Du fait de son caractère particulier, des éléments supplémentaires concernant l étape de la vectorisation sont présentés maintenant. Vectorisation automatique avec un scanner Cette méthode est récente. Généralement, on utilise une table à digitaliser pour vectoriser les limites les différents objets que l on souhaite utiliser. Parfois, cette démarche peut s avérer assez fastidieuse (nombre important de polygones, petites tailles des polygones). Cette situation étant présente pour différentes couvertures de notre étude, nous avons utilisé un scanner pour simplifier cette étape de la numérisation des données papier. Après avoir rencontré de nombreuses difficultés lors de la correction du tracé vecteur, une série d essais sur plusieurs paramètres qui, à notre avis, pouvait influencer la qualité du résultat final, ont été réalisés. Le rapport contenant l ensemble des observations relevées fait l objet de l annexe La création de cartes à partir de données ponctuelles Dans le cas de la création des cartes climatiques à l échelle mensuelle, il a été nécessaire de régionaliser l information sur la base de données ponctuelles. Dans ce cas la démarche suivie est bien différente de celle énoncée précédemment. En fait, chacun des documents a demandé une attention particulière en fonction: - du type de données concernées, - de la densité et de la qualité des données à disposition. Il serait donc difficile de décrire une seule marche à suivre. Chaque cas sera traité séparément dans les chapitres qui vont suivre. Il est cependant possible de décrire l armature générale de la démarche suivie: - recherche de toutes les données disponibles concernant le paramètre à spatialiser, - analyse des données à disposition, - recherche d une méthode de spatilisation (interpolation, modélisation), - application de la méthode choisie.

19 Les documents de bases Dans son étude, Tóth (1970) définit la notion d environnement hydrogéologique comme «l ensemble des paramètres qui vont directement influencer la géométrie et l intensité de l écoulement d une nappe». Cet environnement se caractérise par: - sa topographie, - sa géologie, - son climat, - son réseau hydrographique. D un point de vue hydrologique, cette notion d environnement se caractériserait alors par: - la topographie, - l occupation du sol, - la géologie (sol, sous-sol), - le climat, - les écoulements de sub-surface Il y a donc une connexion directe entre ces deux notions. Bien souvent traités de manière séparée, ces deux systèmes ne font en fait partie que d un seul et unique environnement. A partir de là, la liste des éléments qui doivent être cartographiés est déjà définie. Les documents de base vont nous permettre d avoir une idée précise de la structure 3D de l environnement étudié: - la topographie (altitude, pente, orientation) va nous permettre de construire le relief du bassin, - l occupation du sol va venir couvrir ce relief, - la géologie (pédologie et lithologie) va remplir le volume ainsi créé. Avec tous ces éléments nous aurons une idée de l ensemble des supports physiques que vont emprunter les différents systèmes d écoulement. Il est alors possible d y introduire le vecteur eau et d en suivre le cheminement. C est dans ce cadre qu interviennent les principaux facteurs climatiques que sont les précipitations, la température et l ensoleillement. C est en respectant cette succession que nous avons élaboré les différents documents de base. Les différentes données ont été compilées pour couvrir la totalité de la zone rectangulaire définie préalablement. L analyse des documents élaborés s est d abord faite à cette échelle avant de passer, grâce à l application d un cache, à l échelle du bassin versant hydrographique.

20 La topographie La topographie est un paramètre essentiel dans l étude des systèmes d écoulement. La morphologie du paysage (altitude et pente) délimite des différents bassins versants hydrologiques. Elle conditionne les directions préférentielles de l écoulement de l eau. L altitude est également à la base des différences de potentiel créant un déplacement de l eau (en surface ou dans le sol) des points hauts vers les points bas. Finalement, la topographie joue un rôle important sur la répartition des facteurs climatiques Données à disposition L Office Fédéral de Topographie (OFT) a établi un modèle numérique de terrain pour toute la Suisse. A partir de l information altimétrique contenue sur le découpage au 1: du territoire national (courbes de niveau, points cotés), un modèle matriciel a été interpolé avec une maille de 25 m: le MNT25. Ce document raster représente l altitude brute de la surface terrestre, sans la hauteur de la végétation ni celle des constructions De ce modèle d altitude il est possible de tirer toute l information voulue concernant les pentes, à savoir: - leur inclinaison, - leur orientation. Dans Idrisi (ver 2.0), l élaboration de ces documents est simple. Les deux commandes nécessaires sont regroupées au sein de l opérateur de contexte SURFACE placé dans le menu ANALYSIS. Il suffit de préciser le nom du fichier du MNA, celui du fichier de sortie ainsi que le facteur de conversion concernant les unités et de lancer l opération pour que le logiciel l effectue automatiquement La qualité du MNT de l OFT En constituant les cartes de pente pour la surface du bassin versant de l Allondon, un nombre important d artefacts sont apparus lors de l utilisation du document produit par l OFT. Afin de savoir si ces artefacts étaient liés aux transformations opérées sur le plan de base ou à la qualité de ce dernier, une analyse visuelle a été entreprise. Ces artefacts se rencontrent essentiellement au niveau des surfaces planes ou faiblement inclinées. A partir de la carte des pentes, exprimées en pourcents, une zone faiblement inclinée, contenant de nombreux artefacts, a été choisie (figure 4.1).

21 Figure 4.1 Carte des pentes en (MNA25 de l OFT) Sur cette zone les artefacts apparaissent sous la forme de croix orientées Nord-Sud et Est- Ouest. Si on prend une représentation ombrée du MNT qui a servi de base pour créer cette carte (figure 4.2) on retrouve les mêmes artefacts. L erreur se situe donc bien dans le document de base. Figure Présentation ombrée du MNT de la zone considérée.

22 22 Cet effet en croix provient du choix de l algorithme employé par l OFT, ce dernier favorisant les axes nord-sud et est-ouest (Wyler, 1997). Il semble que l OFT aie depuis entrepris une campagne de correction de leur produit afin d éliminer ces artefacts. Malheureusement, cette démarche ne concernait pas encore les document recouvrant la surface du bassin versant de l Allondon et nous avons donc du apporter des améliorations aux produits proposés Essais d amélioration du document de base Dans son étude, Wyler (1997) a créé un nouveau modèle numérique d altitude (MNA) à partir de toutes les données altimétriques à disposition (points cotés, courbes de niveaux). Nous avons donc essayé de suivre sa démarche pour notre zone test. Comme pour le modèle de l OFT, les données à disposition sont les courbes de niveau et les points côtés que l on peut récupérer du fond topographique au 1/ points ont ainsi été digitalisés sur les 16 km 2 de la surface de test en suivant les courbes de niveau. Après avoir importé les points numérisés dans ArcInfo (ver 7.1.1, station de travail), l interpolation s est faite avec le module TOPOGRID. Le résultat obtenu a ensuite été importé dans Idrisi. Comme le montre la carte des pentes réalisée dans Idrisi (figure 4.3) cette importation ne conserve pas la forme du fichier initial et l on obtient une carte de répartition des classes d altitude (ce qui explique cette représentation en escalier). Les documents ainsi créés ne peuvent donc pas être utilisés dans le logiciel Idrisi. Figure 4.3 Carte des pentes obtenues avec TOPOGRID après importation dans Idrisi

23 23 Même si cette méthode est bien meilleure que celle utilisée par l OFT, elle crée également des artefacts et demanderait donc, dans notre cas, un travail important d amélioration des données ponctuelles (localisation, nombre). Afin d éviter ces problèmes d importation, une série d essais a ensuite été effectuée à l aide du logiciel Surfer (ver 5.0) pour savoir si une des méthodes d interpolation proposées pouvait donner de meilleurs résultats que l algorithme de l OFT. L évaluation de ces différentes méthodes a été faite de façon visuelle en superposant les points digitalisés aux courbes de niveau obtenues avec Surfer (exemple sur la figure 4.4). Figure 4.4 Exemple de superposition des points digitalisés (croix) sur le résultat de l interpolation (lignes) Les meilleurs résultats ont été obtenus par Krigeage et par l utilisation de la méthode «radial basis fonction» comme le montre la figure 4.5a. La carte des pentes résultant de cette interpolation dans Surfer est présentée sur la figure 4.5b. L importation dans Idrisi de la grille interpolée dans Surfer se fait en suivant la séquence d opérations décrites dans l annexe 6.

24 24 a) b) Figure 4.5 a) Représentation ombrée du nouveau MNA et b) carte des pentes correspondante (en ) La méthode du krigeage a permis l élimination des croisillons mais a amené d autres genres d artefacts. On peut minimiser ces erreurs en effectuant les opérations suivantes: - c est la répartition des points qui est importante et non pas leur nombre. Il faut donc choisir de mettre les points d interpolation à chaque cassure de courbe. Dès que deux courbes de la même altitude sont très proches l une de l autre il faut densifier le nombre de points pour garder une cohérence. En effet, le tracé des courbes de niveau interpolées se fait toujours avec le point le plus proche. Dans notre cas, la meilleure interpolation a été obtenue en ne gardant que 1115 des 4164 points initiaux. - lisser la grille en utilisant le module «matrix smothing». Le meilleur résultat a été obtenu avec la méthode «Average» et en spécifiant «Nbr of rows» et «Nbr of columnns» = 1. Le résultat final, après lissage, est présenté sur les figures 4.6a (résultat de l interpolation dans Surfer, 4.6b (vue ombrée du MNA dans Idrisi) et 4.6c (carte des pentes de ce même fichier) a) b) c) Figure 4.6 Résultat de l interpolation dans Surfer (a), ombré du MNA dans Idrisi (b) et carte des pentes correspondantes (c).

25 25 En conclusion, notre situation, au niveau des données de base, ne correspondant pas à celle de l étude de N. Wyler, le travail demandé par l utilisation du module Topogrid et la bonne qualité obtenue avec le logiciel Surfer, nous ont finalement décidé à utiliser le dernier modèle présenté. Il ne faut cependant pas oublier que la topographie est un paramètre non-stationnaire (variation des moyennes locales sur la zone, paramètre montrant une tendance). Il aurait donc fallu utiliser une autre méthode d interpolation, par exemple la méthode du FaiK ou les réseaux neuronaux, pour essayer d approcher ce problème (Cressie, 1991). Un essai a d ailleurs été effectué avec cette dernière méthode par le prof Kanevski de l IBRAE de Moscou (commun. écrite). La grille de calcul était moins dense que pour les exemples précédents (100 x 100). Comme on peut le constater, le résultat obtenu (figure 4.7) est très différent des cartes présentées jusqu à présent. Même si on reconnaît la morphologie générale, les contours de lignes sont plus carrés et la topographie n est pas en continu mais plutôt en escalier. Figure 4.7 Courbes de niveau obtenues avec les réseaux neuronaux Le but poursuivi étant d améliorer le MNA en éliminant l effet de croisillon et non pas de créer un document parfait (cas qui demanderait une étude détaillée en soi), il est largement atteint en utilisant Surfer Le cas des régions plus montagneuses Dans le cadre d une collaboration avec l INRS-Eau de Québec (Canada), nous avons recréé un MNA pour la partie nord-ouest de la zone d étude. Le premier chaînon du Jura se trouvant sur cette zone, il a été intéressant de voir si les observations faites en terrain plat pouvaient également s appliquer dans le cas de pentes plus fortes. Afin de réduire au minimum le travail demandé par une digitalisation manuelle de toute cette zone, nous avons essayé d utiliser directement les fichiers vecteurs fournis par l OFT.

26 26 En utilisant la commande ARCPOINT d ArcInfo, il a été ainsi possible d extraire plus de point des courbes de niveau. Contrairement aux points précédemment digitalisés pour la partie basse du bassin, ces points n étaient donc pas forcément placés aux points d inflexion des courbes. Cependant, le résultat obtenu est de très bonne qualité. En effet, le «persillage» observé en plaine lors de l utilisation d un trop grand nombre de points n apparaît pas dans l interpolation des versants du premier chaînon. En ce qui concerne le lissage de la matrice, un meilleur résultat a été obtenu en utilisant 2 lignes et 2 colonnes. Il est nécessaire de considérer une approche différente suivant la nature du terrain (terrain plutôt plat ou en terrain présentant des pentes plus importantes). Dans le premier cas, on a besoin de beaucoup plus de précision pour la composante verticale Application de la méthode retenue pour la plaine Il a finalement été décidé de corriger la partie basse du bassin versant de l Allondon tout en gardant les données de l OFT pour la partie haute. La zone corrigée s étend sur la partie sud-est du rectangle étudié et sa limite ouest est représentée par la courbe de niveau des 690 m. Il s agit de l altitude au-dessus de laquelle les artefacts en croix n apparaissent plus sur le MNT de l OFT. La zone à corriger a été subdivisée en 15 parties afin de faciliter la digitalisation des points. Suite aux observations effectuées précédemment, les points sélectionnés ont été placés aux points d inflexion des courbes de niveau. Cette opération a été effectuée à l aide d une petite table à digitaliser SummaSkecht TM de format A3 pilotée par un logiciel en basic tournant sous Qbasic points ont ainsi été digitalisés sur la base des courbes de niveau des feuilles aux 1/ (feuilles 1260, 1280 et 1300). La cote de ces points a été rentrée manuellement à l aide du logiciel Excel. Une vérification visuelle a ensuite été effectuée en utilisant ArcView. Après ce contrôle, les points ont été importés dans Surfer afin de pouvoir effectuer l interpolation. L interpolation a été effectuée sur l ensemble de la surface en une seule fois pour éviter des décalages au niveau des bordures entre chacune des 15 parties. Cette interpolation s est faite en utilisant la méthode «radial basis function» en gardant les paramètres standards. En ce qui concerne les limites de la zone sur laquelle l interpolation a été effectuée, il est important de préciser ici quelques détails concernant l utilisation de Surfer et le transfert des grilles vers Idrisi: - Surfer n accepte que des coordonnées entières. - Dans Idrisi la valeur est placée au centre du pixel. De ce fait les coordonnées géographiques spécifiées dans ce logiciel sont toujours décalées de 12,5 m vers l extérieur. Lorsque l on choisit les limites de la grille d interpolation dans Surfer il faut toujours faire en sorte que les coordonnées choisies correspondent au centre du pixel