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Principes des modèles hydrologiques
Un modèle hydrologique est classiquement composé de deux concepts : la fonction de production et la fonction de transfert. La fonction de production permet de caractériser la transformation de la pluie brute (lame d’eau précipitée) en pluie efficace (lame d’eau qui participe réellement au débit de crue). Selon le modèle, on prend en compte différents facteurs comme l’interception par les arbres, l’infiltration dans le sol, la surface imperméabilisée et le niveau de saturation de sol, etc. Le modèle calcule la quantité d’eau disponible pour le transfert jusqu’à l’exutoire. Dans un modèle distribué, la fonction de production estime cette pluie efficace pour chaque objet élémentaire de modélisation La fonction de transfert a pour objet de transférer cette pluie efficace jusqu’à l’exutoire du bassin versant.
Les caractéristiques du milieu périurbain
Pour déterminer l’approche adaptée au milieu périurbain il faut d’abord faire connaissance avec les particularités du terrain. Quelles sont les similarités et les différences de ce milieu par rapport au milieu rural d’une part, et au milieu urbain d’autre part ? Un bassin versant rural se distingue d’un bassin versant urbain par plusieurs points :
• Le taux de surface imperméabilisée varie . En ville, la surface imperméabilisée est plus abondante ce qui crée un écoulement en surface qui donne une réponse hydrologique plus rapide en rouge : périmètre mouillée
• La taille de l’élément unitaire peut-être différente. Dans le modèle urbain URBS, l’élément unitaire correspond à une parcelle cadastrale, car le réseau hydrographique constitué des routes et du réseau d’assainissement est suffisamment dense. En milieu rural, le réseau est moins dense et la connexion des parcelles cadastrales à ce réseau est plus difficile à définir ; l’élément unitaire pourrait correspondre à la surface contributive d’un tronçon d’ordre 1. Néanmoins, dans le cadre de ce travail qui porte sur l’analyse de la morphologie du réseau hydrographique, l’élément unitaire restera la parcelle cadastrale pour la transposition du modèle URBS au milieu périurbain.
• Dans les cas étudiés dans la littérature, la distribution de pente n’est pas forcément la même en ville et en milieu rural. Moussa (1991) a observé en milieu rural que l’écoulement commence dans les tronçons d’ordre 1 avec une pente forte qui s’affaiblit en aval alors qu’en milieu urbain, dans les bassins nantais étudiés (Rodriguez et Andrieu 2003), les pentes sont faibles au début des cheminements hydrologiques et deviennent plus marquées à la fin. Au passage entre le réseau surfacique et le réseau souterrain on remarque également une forte pente sur une petite distance.
• L’organisation du réseau hydrographique se fait de façon différente. En milieu urbain, l’eau pluviale qui arrive sur les surfaces imperméabilisées, longe les routes et se jette ensuite dans le réseau d’assainissement. Pour constituer le réseau hydrographique, URBS utilise les objets géographiques qui représentent les tronçons de routes et d’assainissement. Par définition, l’assainissement collectif n’existe pas en milieu rural. L’eau pluviale longe les fossés et les routes pour être transportée dans les cours d’eau naturels jusqu’à l’exutoire. L’écoulement se forme également sur de petits thalwegs qui sont activés que lors de conditions hydrologiques très humides. Les objets géographiques qui sont utilisés pour l’approche objet en milieu rural sont des tronçons de fossés, de routes et de cours d’eau.
Association des cotes aux coordonnées des extrémités
Ce problème concerne les cotes de la voirie de St. Etienne de Montluc et les cotes du radier de l’assainissement. Ce sont les données dont les cotes sont connues, mais pour lesquelles le lien entre les coordonnées (x,y) et (z) n’est pas connu. Un traitement automatique a été réalisé à l’aide d’un programme Mapbasic. Ce traitement vérifie cette localisation x, y des cotes en prenant en compte le sens de l’écoulement et en comparant les coordonnées avec celles des tronçons voisins. Aux endroits des intersections complexes, les valeurs des cotes ont du être vérifiées manuellement (Annexe1).
Echelle de la zone amont de Sautron
Ce sous-bassin rural du bassin versant de la Chézine est le seul endroit où toutes les données nécessaires pour les trois approches élaborées sont disponibles. Ce sous-bassin de possède une surface totale de 4 km² et une surface imperméabilisée de 0,8 km². La longueur du cours d’eau le plus long est d’environ 4km.
Approche objet « pur » En considérant que les routes représentent des chemins de l’eau, l’approche objet du milieu urbain peut être transposée au milieu périurbain de la façon suivante : Le réseau hydrographique est constitué des routes et des cours d’eau. Quand un tronçon de voirie se trouve à proximité (moins de 8m) d’un tronçon de cours d’eau, une connexion est créée entre les deux. Par conséquent, l’eau qui est transportée par un tronçon de route peut se déverser dans un cours d’eau (mais pas l’inverse). Ce principe est celui qui est déjà appliqué dans le modèle URBS, où la voirie est connectée de la même façon à l’assainissement. Tous les tronçons de routes qui sont directement connectés à un tronçon de cours d’eau comme décrit plus haut, et tous les tronçons qui mènent indirectement vers un tronçon de cours d’eau sans former une dépression locale, font également partie du réseau hydrographique de la zone amont de Sautron.
Approche de validation Dans cette approche, le réseau hydrographique est constitué des fossés qui ont été digitalisés à partir des observations du terrain et des cours d’eau en milieu rural. En comparant la morphologie de ces deux approches, on voit que certains petits affluents de la Chézine ne sont pas bien représentés dans l’approche objet pur. Une approche mixte a alors été élaborée, dans laquelle la Chézine de la BD Topo sera remplacée par la Chézine issu du MNT, dont la densité est choisie en fonction des besoins du modèle hydrologique utilisé. Malgré l’absence de ces affluents, la densité totale du réseau est plus faible dans l’approche de validation que dans l’approche objet « pur ». Cela pose la question de la qualité des observations qui ont été faites sur le terrain : elles dépendent des conditions météorologiques et sont parfois insuffisantes pour connaître précisément les chemins de l’eau pluviale et la direction du ruissellement rapide.
Approche mixte Dans cette approche, le cours d’eau est déterminé par l’analyse de la topographie du bassin versant, en utilisant une densité de traitement suffisamment fine pour représenter les petits cours d’eau. La comparaison entre les figures 19 et 20 montre que quasiment tous les chemins de l’eau de l’approche de validation sont représentés dans l’approche mixte. Cela n’est pas valable pour l’approche objet « pur », mais la densité du réseau hydrographique de l’approche mixte est nettement supérieure à celle de l’approche de validation, mais aussi à celle de l’approche objet « pur ». Si on superpose le réseau hydrographique obtenu par cette approche avec la totalité des fossés digitalisés sans prendre en compte s’ils sont connectés au réseau hydrographique, on observe que les deux sources de données sont concordantes. Probablement, la direction de l’écoulement d’eau est très bien représentée dans l’approche mixte. Seulement, cette approche est incapable de sélectionner uniquement les chemins de l’eau qui ne sont ni obstrués, ni interrompus par des obstacles et qui ont par conséquent seulement un caractère stockant. La comparaison de ces trois approches à l’échelle du sous-bassin versant rural montre d’une part que l’approche mixte représente un plus grand nombre des cours d’eau figurant dans l’approche de validation que l’approche objet « pur », et que d’autre part l’approche objet « pur » possède une densité du réseau hydrographique plus proche de l’approche de validation que celle de l’approche mixte. Si l’approche de validation représente une référence en tant que « vérité terrain », il semble donc difficile de trancher sur la pertinence d’une approche par rapport à l’autre, et cela d’autant plus que l’approche de validation est peut être insuffisamment renseignée, comme cela a été constaté plus haut.
Parcelles masquées
Deux types de parcelles sont distinguées : les parcelles viaires et les parcelles masquées
• Les parcelles viaires sont connectées au tronçon de route, d’assainissement ou de cours d’eau le plus proche.
• Les parcelles qui ne sont pas voisines du réseau hydrographique sont appelées dans URBS parcelles masquées .
En milieu urbain, les parcelles masquées ne sont pas très nombreuses. Pour cette raison, elles ont été connectées à la parcelle viaire voisine la plus proche (en fonction du centre de gravité de la parcelle). Par itération, toutes les parcelles masquées sont connectées à une parcelle viaire. La condition de connexion est alors en priorité la proximité à la voirie. En milieu rural, le réseau hydrographique est beaucoup moins dense et la plupart des parcelles sont des parcelles « masquées ». En ce qui concerne le sous-bassin situé sur la zone amont de Sautron, dans l’approche de validation qui possède le réseau hydrographique le moins dense, 63 % des parcelles sont des parcelles masquées, dans l’approche mixte, la plus dense, ce sont 29,5 %. Ces données concernent la zone amont de Sautron qui est purement rurale. Dans le bassin versant de la Chézine, les parcelles masquées représentent encore 18,6% si on applique l’approche mixte. Par la méthode qui est utilisée en milieu urbain on risque de ne pas seulement modifier le cheminement de l’eau mais également la taille du bassin versant, car si une parcelle qui fait en réalité partie du bassin versant se trouve plus près d’un tronçon de route qui ne contribue pas au réseau, elle ne peut pas contribuer au ruissellement du bassin versant. Une application a été développée pour connecter plus correctement les parcelles, en se basant sur la cote du centre de gravité de chaque parcelle. Une parcelle est connectée alors d’abord à une autre en fonction de la topographie, en recherchant une parcelle viaire la plus proche. Dans un premier temps, toutes les parcelles qui touchent la zone tampon de 15m autour du réseau hydrographique sont connectées à celle-ci. Ensuite, on sélectionne pour chaque parcelle son voisin le plus bas des tous ces voisins qui se trouvent à un niveau inférieur de cette parcelle. Si toutes les parcelles voisines de cette parcelles se trouvent à un niveau supérieur, mais qu’il existe une parcelle viaire parmi eux, elle est connecté à celle-ci. Certaines parcelles ne trouvent pas de connexion à ce moment. On les ignore momentanément et, par itération, on trouve pour chaque parcelle connectée le chemin à travers les parcelles connectées jusqu’à une parcelles viaire. Le tableau est mis à jour pour attribuer à chaque parcelle connectée le nom du tronçon de connexion. Les parcelles qui n’ont pas été connectées sont entourées d’une zone tampon de 100m qui est intersecté avec le réseau hydrographique pour trouver une connexion directe avec un tronçon de voirie ou de cours d’eau. On recalcule le cheminement pour toutes les parcelles qui ne sont pas encore arrivées jusqu’à un tronçon. Après ce pas, certaines parcelles sont toujours pas connectées parce qu’elles se trouvent dans une dépression locale loin du réseau hydrographique. Pour celle-ci, on choisit la parcelle voisine la plus basse sans prendre en compte la différence de niveau avec elle-même. Si cette parcelle voisine est une parcelle déjà connectée, la recherche de chemin est finie, si ce n’est pas le cas, on cherche pour la parcelle voisine un voisin de la même façon forcée (sans prendre la parcelle de laquelle on part) etc. jusqu’à ce qu’on tombe sur une parcelle qui a déjà trouvé son cheminement jusqu’à un tronçon. La figure 24 montre que ce nouveau traitement des parcelles masquées arrive à connecter des parcelles rurales au réseau hydrographique qui ne l’ont pas été par l’ancienne méthode (la méthode du modèle urbain URBS). Certaines des parcelles qui se trouvent dans le bassin versant défini par le traitement du MNT mais qui n’ont pas été connectées au réseau hydrographique, notamment celles qui se trouvent au Sud-ouest de Sautron, sont connectées aux dépressions locales des routes. La méthode de la reconstruction du réseau hydrographique développé pour le milieu urbain, ne permet pas de savoir si ces dépressions locales du réseau viaire font partie du bassin versant. Ceci est un exemple qui illustre les conséquences du problème de la sélection des parcelles (chapitre 5.4.3).
Comparaison de l’hydrogramme unitaire avec des données de pluie
La validation de l’hydrogramme unitaire déduit de l’analyse de la morphologie du réseau hydrographique n’est pas évidente à faire sur des bassins versants ruraux. Une méthode classique consiste à estimer un hydrogramme unitaire à partir de données hydrologiques observées de pluie et de débit. Par exemple, certains travaux de recherche ont montré que l’hydrogramme unitaire pouvait être validé en estimant une fonction de transfert observée par la méthode de la DPFT (Rodriguez et al., 2003). Mais l’estimation d’une fonction de transfert « observée » semble pour l’instant difficile sur ce bassin versant de la Chézine, et il a été choisi de comparer qualitativement les résultats obtenus pour cette fonction de transfert déduite de la morphologie du bassin versant, avec un événement pluvieux représentatif. Cet événement pluvieux a été choisi avec des conditions météorologiques particulières : c’est un événement qui a lieu au sein d’une période sèche, et défini comme un événement d’état hydrique sec (Furusho 2008). Un événement d’état hydrique sec est indiqué sur la figure 40. La forme de l’hydrogramme unitaire des deux approches qui ont été appliquées à l’échelle du bassin versant correspond bien à la forme de cet événement pluvieux. Le premier pic arrive environ en même temps dans cet événement pluvieux et dans la fonction de transfert simulé dans l’approche objet « pur ». Ce pic correspond à la zone rurale Nantaise. Le reste du bassin versant répond plus tôt dans l’hydrogramme unitaire de l’approche objet « pur » que dans l’événement pluvial choisi. Dans l’approche mixte le bassin versant entier réagit encore plus vite à la pluie efficace que dans l’approche objet « pur ».
Conclusion et Perspectives
Intégré dans le projet AVuPUR, ce travail s’intègre aux recherches menées en hydrologie sur le comportement hydrologique des espaces périurbains et propose de déterminer le réseau hydrographique en milieu périurbain à l’aide de données géographiques classiques. Un travail préalable a été réalisé pour améliorer la qualité des données géographiques nécessaires à la mise en œuvre de la modélisation hydrologique. Les premiers chapitres de ce rapport se concentrent sur la création et le traitement des données. Des données relatives aux chemins de l’eau sur le bassin versant périurbain ont été digitalisées à partir d’observations faites sur le terrain. Les données issues des banques des données urbaines étaient incomplètes et erronées. Plusieurs traitements automatiques ont été développés pendant ce stage pour traiter les problèmes rencontrés. Trois approches ont été mises en œuvre pour segmenter l’espace étudié à partir de données vectorielles. La première utilise les fossés digitalisés et le cours d’eau issu des banques de données urbaines (BD Topo) (approche de validation). Deux autres approches combinent des données de cours d’eau avec des données de route pour reconstituer le réseau hydrographique ; la route est dans ce cas considérée comme un chemin d’écoulement préférentiel. On appelle approche objet « pur », l’approche qui utilise le cours d’eau issu de la BD Topo et approche mixte, l’approche qui utilise un cours d’eau avec une densité élevée, obtenu par traitement MNT. Le réseau hydrographique périurbain a été déterminé selon ces trois approches par des méthodes automatiques intégrées à un SIG. Des améliorations ont été apportées à ces méthodes afin de prendre en compte les spécificités du milieu périurbain. Ces approches sont comparées à deux échelles : à l’échelle de la zone où on dispose de toutes les données (zone amont de Sautron), on étudie les trois approches, à l’échelle du bassin versant de la Chézine on compare les approches objet «pur » et mixte. La comparaison de ces approches s’appuie sur la détermination de signatures morphologiques – la fonction largeur et le profil en long- ainsi que sur la fonction de transfert déduite des données géographiques. Les différentes approches montrent des différences plus ou moins marquées qui dépendent en général du choix des objets utilisés pour décrire le réseau hydrographique. En utilisant différentes sources de données, le cheminement de l’eau pluviale à travers les parcelles et les tronçons du réseau hydrographique est différent. L’approche objet «pur» permet de reconstituer le réseau hydrographique en trouvant une densité de réseau similaire à celle de l’approche de validation, mais les objets et leur localisation ne sont pas les mêmes dans le cas présent. L’approche mixte reconstitue presque la totalité des objets utilisés dans l’approche de validation, mais le nombre total des tronçons et la densité du réseau hydrographique sont plus élevés. Cette densité élevée ne permet pourtant pas de représenter de façon réaliste le réseau des fossés et cours d’eau qui contribuent réellement au ruissellement, mais elle permet de décrire le comportement hydrologique du bassin versant de façon détaillée. Les différences observées sur les différentes signatures morphologiques et dans les fonctions de transfert ne sont pas seulement visibles à l’échelle de la zone amont de Sautron, ce qui aurait pu être du à sa petite taille, mais aussi à l’échelle du bassin versant entier : on observe un décalage de 30 min à certains endroits entre la fonction de transfert de l’approche mixte et celle de l’approche objet «pur». Ce décalage est lié à un cheminement différent dans les deux approches à proximité de l’exutoire. La fonction de transfert représente une réponse hydrologique impulsionnelle, qui peut être assimilée, sous certaines conditions, à la réponse du bassin lors d’un événement orageux court et intense. Sur le bassin versant de la Chézine, une comparaison avec un événement pluvieux de courte durée et typique de conditions climatiques sèches pour ce bassin versant a été réalisée. Elle montre une forme assez similaire à celles obtenues par les fonctions de transfert, mais les pics des fonctions de transfert sont plus rapides par rapport à ceux de l’événement pluvieux. L’approche objet «pur» semble la plus proche de l’événement pluvieux en ce qui concerne la synchronisation des pics. Toutefois, cette comparaison est simplement qualitative, car la fonction de transfert ne représente que les processus d’écoulement de surface du ruissellement produit par les surfaces contributives. Une modélisation hydrologique complète utilisant la fonction de production serait nécessaire pour mieux valider cette démarche de modélisation. Ce travail sera réalisé dans la suite du projet AVuPUR. Une autre piste de travail consisterait à faire varier l’activité des chemins de l’eau en fonction de l’état hydrique du sol, pour compléter la fonction de transfert basée sur l’approche mixte. Cela permettrait de prendre en compte les interactions entre les processus de production et de transfert. Cela pourrait être fait en faisant varier le taux de tronçons d’affluents qui contribuent activement au ruissellement, similairement à l’étude de l’activité des fossés faite pour l’approche de validation (cf chapitre 5.5) : par exemple on pourrait considérer que le taux de tronçons « actif » varie en fonction de la surface contributive amont ou en fonction de la distance d’écoulement jusqu’au cours d’eau principal. La prise en compte des chemins de l’eau observés sur le terrain, et en particulier des fossés semblait a priori utile pour valider l’utilisation de données géographiques classiques (routes, cours d’eau) en ce qui concerne la construction du réseau hydrographique. Cependant, la création de ces informations relatives aux fossés est coûteuse et n’est pas toujours la plus pertinente : ces données ne peuvent pas renseigner avec sûreté sur le cheminement de l’eau lors de n’importe quel événement pluvieux. Les observations faites sur le terrain sont en effet valables pour des conditions météorologiques données et pour un entretien des fossés donné. Un grand nombre de fossés étaient partiellement ou entièrement obstrués lors des relevés faits sur la zone rurale. Certains d’entre eux sont peut-être entretenus régulièrement, certains sont bouchés plus rapidement, mais les pratiques d’entretien peuvent être très variables dans le temps et dans l’espace : cet entretien est parfois réalisé par les agriculteurs, mais aussi par les services techniques chargés de la voirie. Un premier test de sensibilité a été réalisé en ce qui concerne cet entretien, mais il pourrait être complété pour montrer l’influence potentielle de cet entretien sur le comportement hydrologique.
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Table des matières
1) Introduction
2) Contexte scientifique et milieu étudié
2.1) Contexte scientifique
2.2) Les caractéristiques du milieu périurbain
2.3) Le bassin versant de la Chézine
3) Données géographiques disponibles
4) Traitement de données
5) Construction du réseau hydrographique
5.1) Introduction et méthodologie
5.2) Echelle de la zone amont de Sautron
5.3) Echelle du bassin versant
5.4) Transposition du modèle urbain au milieu périurbain
5.5) Contribution des fossés
6) Résultats des analyses morphologiques
6.1) Classification du réseau hydrographique selon le schéma de Horton Strahler
6.2) Les signatures morphologiques du bassin versant
6.3) Fonctions de transfert du bassin versant
7) Conclusion et Perspectives
Références Bibliographiques
Annexes
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