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Table des matières
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Partie IV - Apport des nouvelles technologies
Utilisation de la télédétection en hydrologie
Cartographie des états de surface
Modélisation hydrologique
Utilisation conjointe des systèmes d'information géographiques et des modèles numériques de terrain numériques de terrain
Conclusion - perspectives
On pense généralement que l'amélioration de l'estimation des ruissellements de la zone sahélienne viendra de la meilleure connaissance des aptitudes au ruissellement des sols (Rodier et al., 1984). L'une des façons de répondre à cette attente a été de mesurer l'aptitude au ruissellement des surfaces élémentaires par simulation de pluies dans toute l'Afrique de l'Ouest. Une typologie générale a été proposée sous la forme d'un catalogue: "Les états de surface de la zone sahélienne" par Casenave et Valentin (1989). Une autre réponse possible concerne l'utilisation des outils de connaissance spatiale qui se développent à travers l'approche "télédétection", notamment en haute résolution spatiale, et les systèmes d'information géographiques (SIG).
De nouvelles technologies permettent désormais des approches informatiques spatialisées lesquelles dépassent ou complètent les approches classiques.
Cette partie du document se veut une ouverture sur les nouvelles méthodes qui se développent pour améliorer l'estimation des apports et des crues des petits bassins versants en zone sahélienne et tropicale sèche. Nous y développerons plus particulièrement tout ce qui provient de l'approche spatiale et des moyens nécessaires pour mettre en oeuvre:
• la description au sol des états de surface;
• l'utilisation de la télédétection pour la cartographie des états de surface;
• une modélisation simplifiée utilisant les relations du catalogue des états de surface et leur intégration à l'échelle des unités hydrologiques et des bassins versants pour l'estimation des lames ruisselées;
• l'utilisation des modèles numériques de terrain (MNT) pour l'analyse du relief.
Ce chapitre ne se veut pas exhaustif quant à la description de ces méthodes, d'autant plus qu'elles ne sont qu'embryonnaires. Elles font encore partie du domaine de la recherche et les méthodologies proposées sont encore incomplètes. Ces approches doivent être conçues comme un complément et non comme une substitution aux approches classiques.
Utilisation de la télédétection en hydrologie
Télédétection et bassins versants sahéliens
Choix méthodologiques
La recherche d'une liaison télédétection - hydrologie est une mise en relation de deux ensembles de données de nature très différente: les données issues des prises de vues satellitaires, d'une part, et les données résultant d'observations hydrologiques à l'exutoire des bassins versants d'autre part.
La télédétection satellitaire à haute résolution propose actuellement des images au pas d'espace de 20 m (SPOT XS) ou 30 m (LANDSAT TM) où chaque élément (pixel) est connu à travers sa radiométrie, respectivement selon 3 ou 7 bandes spectrales. L'information fournie se limite à la strate superficielle visible. L'accès aux couches inférieures ne peut se faire indirectement que par corrélation avec des éléments révélateurs en surface de la structure profonde du sol ou du sous-sol.
Les informations potentiellement utilisables en hydrologie concernent deux axes complémentaires: la connaissance spatiale à un instant donné (par exemple, image à haute résolution pour l'occupation du sol ou la position relative des unités hydrologiques) et la connaissance temporelle à travers des images multidates (par exemple images NOAA, à basse résolution et haute répétitivité, pour l'évolution de la végétation au cours de l'année). Le traitement des images consiste à définir soit des classes radiométriquement homogènes, auxquelles est rattaché chaque pixel individuellement, soit des zones cartographiques formées d'agrégats de pixels hétérogènes organisés en structures. Cette information est à l'origine visuelle. Elle doit être sinon conforme, du moins révélatrice des objets thématiques recherchés: tout en s'appuyant sur des méthodologies éprouvées et générales, le traitement d'image est donc a priori spécifique de la thématique étudiée.
Pour les petits bassins non jaugés, la détermination des caractéristiques hydrologiques est, jusqu'à présent, surtout globale. L'utilisation de données nouvelles, issues d'images de télédétection, ouvre des possibilités multiples soit à travers les modèles existants (par l'amélioration de la détermination des paramètres d'entrée des modèles), soit à travers des modèles nouveaux mieux adaptés à l'utilisation de la télédétection (et donc, a priori, de type spatialisé).
Télédétection et bassins versants sahéliens
Un contexte favorable
Des limites liées à la complexité du paysage
Pour l'aide à l'estimation des ruissellements, le Sahel peut être considéré comme une zone, a priori, favorable à l'utilisation de la télédétection, par plusieurs aspects: géographique, climatique et hydrologique. On note, en effet:
Un contexte géographique et climatique favorable:
• peu de relief, entraînant à la fois une grande homogénéité climatique et peu de déformations géométriques dans les images;
• peu de nuages, ce qui est important pour une visibilité sur de longues périodes;
• une opposition forte entre saison des pluies et saison sèche pendant laquelle la rareté de la végétation permet de voir la surface du sol.
Un contexte de faibles connaissances par les méthodes traditionnelles:
• peu de cartes précises (faible couverture au 1/50 000) ce qui justifie l'utilisation la télédétection à haute résolution qui devient alors particulièrement compétitive.
Un contexte hydrologique particulier:
• des pluies violentes, de courte durée et de faible étendue, tombant sur un sol souvent peu couvert, qui conduisent à la formation de sols encroûtés et génèrent un fort ruissellement de surface. D'où la caractéristique prédominante des crues: "au Sahel, le ruissellement de surface est prépondérant" (Rodier, 1992).
Dans le contexte sahélien, le lien entre télédétection et hydrologie va se faire selon le constat que les états de surface sont primordiaux pour la connaissance des ruissellements: toute méthodologie utilisant la télédétection passera dès lors par une cartographie préalable des états de surface.
Des limites liées à la complexité du paysage
Les thèmes à déchiffrer sur les images sont liés à la fois aux possibilités de vision des images (résolution, bandes spectrales) et aux besoins de repérage des objets thématiques sur le terrain (taille, forme, réflectance, présence en surface), objets utiles pour la suite de l'étude.
Dans les zones sahéliennes, le paysage est un amalgame complexe d'entités dont la taille, la densité et la répartition varient de façon discontinue: rares sont les endroits où des limites précises sont observées; les seules entités vraiment nettes correspondent souvent au réseau hydrographique. On rencontre des zones naturelles composées de différents types de savanes plus ou moins arborées, des zones de culture à faible couverture arborée ou des ensembles à faible densité de végétation. Il n'y a qu'exceptionnellement, au Sahel, des zones qui apparaissent totalement homogènes sur les images satellitaires: plans d'eau, dunes, forêts denses, brûlis.
Les caractères descriptifs de chaque classe, issue de la télédétection, se présentent alors comme un ensemble de critères quantitatifs: densité de végétation, proportion de sol de telle catégorie, pourcentage de culture, etc. La description au sol des états de surface doit donc définir les proportions des différentes composantes de chaque élément de paysage: strates de végétation, types de sol, types d'organisations superficielles et occupation du sol.
Les démarches possibles sont fondées sur le choix préalable de l'échelle de modélisation hydrologique en relation avec les possibilités de transformation de l'information spatiale caractérisant le milieu (états de surface) en information de ruissellement. Elles suivent les étapes suivantes:
1. Choix du modèle hydrologique (en premier lieu, fonction de production, échelle d'application).
2. Etape télédétection et choix du type d'image: cartographie des états de surface.
3. Lien télédétection-hydrologie: caractérisation hydrologique des états de surface.
4. Passage au bassin versant: transfert des ruissellements.
Nous présentons ci-après quelques possibilités d'utilisation de ces nouvelles technologies pour la prédétermination des crues (volumes et hydrogrammes), d'une part, et des apports à des intervalles de temps plus longs, d'autre part. Deux modèles d'agrégation sont proposés à partir d'une même fonction de production. Les étapes 1 (choix d'échelle) et 2 (télédétection) étant similaires, nous les développerons simultanément dans le paragraphe "Cartographie des états de surface ". Les étapes 3 et 4 seront détaillées séparément dans le paragraphe "Modélisation hydrologique".
Cartographie des états de surface
Hiérarchie des paramètres selon le climat
Procédure proposée
Hiérarchie des paramètres selon le climat
En zone de savane humide (800 < P < 1 600 mm)
En zone de savane sèche (400 < P < 800 mm)
En zone sahélienne sèche (200 < P < 400 mm)
En zone subdésertique (P < 200 mm)
Nous avons choisi comme référence la typologie des états de surface établie par Casenave et Valentin (1989). Le terme "état de surface" désigne un système de surfaces élémentaires à un instant donné, système qui constitue un ensemble homogène au sein duquel les différentes parties entretiennent des relations fonctionnelles quant au ruissellement et à l'infiltration.
Les mesures hydrologiques effectuées sous pluies simulées en Afrique de l'Ouest ont mis en évidence l'influence déterminante de trois facteurs principaux sur le comportement des sols à l'infiltration et au ruissellement: le type de sol, le couvert végétal, l'organisation superficielle du sol.
En zone de savane humide (800 < P < 1 600 mm)
La couverture pédologique, la strate herbacée et les organisations superficielles du sol (croûtes et microrelief) jouent des rôles équilibrés sur l'aptitude des sols au ruissellement et à l'infiltration. Le fonctionnement hydrique des sols est donc complexe et sujet à des variations saisonnières importantes.
En zone de savane sèche (400 < P < 800 mm)
La strate herbacée et les organisations superficielles du sol semblent seules déterminer le comportement hydrodynamique superficiel des sols. Le pourcentage de couverture végétale est ici le principal facteur explicatif du ruissellement et de l'infiltration.
En zone sahélienne sèche (200 < P < 400 mm)
Le couvert végétal herbacé se raréfie. A la fois moins dense et plus fugace, il perd son rôle primordial au profit des organisations pédologiques superficielles.
En zone subdésertique (P < 200 mm)
Seules les organisations pédologiques superficielles conditionnent l'infiltrabilité des sols.
En zone de savane humide (P>800mm), la couverture végétale, souvent abondante, cache le sol qui ne peut être caractérisé directement à partir des images. En revanche, la répartition des types de sols sur le terrain étant en relation étroite avec le relief (notion de toposéquences), le modèle numérique de terrain (MNT) devient une aide précieuse pour leur cartographie.
Pour une pluviométrie annuelle inférieure à 800 mm, la végétation étant moins couvrante, la cartographie des états de surface pourra être établie sans l'utilisation d'un MNT.
Observations de terrain: description au sol des états de surface
Traitement d'image: Décodage primaire
Traitement d'image: Décodage secondaire
Observations de terrain: description au sol des états de surface
Ces observations sont effectuées par blocs contigus d'observation de 100 m x 100 m, le long d'une section, longue de 2 à 3 km, où ont été relevés deux types d'observations:
• primaires: densité de végétation, type et couleur des sols, occupation du sol; informations qui servent au décodage des images de télédétection en plans élémentaires ("végétation", "sols", "occupation du sol") qui seront associés pour définir des classes d'états de surface;
• secondaires: pourcentages des types de surfaces élémentaires dans chaque bloc. Ils servent à déterminer la composition statistique des classes d'états de surface en surfaces types élémentaires.
On étudie de 10 à 20 sections par bassin versant, soit un taux de sondage de 1 à 3 %, pour des bassins de 30 à 400 km2. Le positionnement de ces observations sur le terrain est facilité par l'emploi d'appareil de positionnement par satellite (Global Positioning Systems [GPS]).
Traitement d'image: Décodage primaire
Les classifications d'images sont faites sur un mode dirigé en utilisant les traitements d'image usuels (par exemple la méthode du maximum de vraisemblance), selon trois classifications donnant trois plans thématiques:
• un premier plan dit "végétation", élaboré sur la base de classes de densité du couvert végétal;
• un plan "occupation du sol", séparant les zones de culture des zones naturelles;
• un plan "types de sols" différenciant les sols par la taille des éléments en surface: cuirasses, blocs, graviers, gravillons, sables grossiers, sables fins, limons et argiles.
Les essais effectués sur les bassins de Manga, Thyssé Kaymor et Ndorola (Puech et Delahaye, 1991) apportent des précisions tout à fait convenables dans la reconnaissance des thèmes.
Traitement d'image: Décodage secondaire
Cette étape vise à l'obtention des cartes d'états de surface et des fonctions de production qui leur sont associées (cf. figures 63 et 64).
FIGURE 63 - Schéma général de traitement d'images
Pour chaque pixel de l'image, ou pour chaque unité cartographique définie par le traitement de l'image, le passage des trois variables primaires (sol, végétation, occupation du sol) à la composition en surfaces types élémentaires se fait par utilisation d'une liaison statistique établie à partir des observations de terrain sur les sections.
Nous partons de l'hypothèse que les critères secondaires (composition en surfaces types élémentaires) sont corrélés de manière stable aux critères primaires dans le contexte du bassin versant étudié. Cette hypothèse doit être validée.
Les corrélations définies entre critères primaires et secondaires conduisent, à l'issue de cette étape, à associer une composition en surfaces élémentaires à tout pixel ou à toute unité cartographique.
Détermination des fonctions de production à l'échelle élémentaire
Agrégation à l'échelle des unités cartographiques et du bassin versant
Intégration des nouvelles technologies dans les méthodes existantes: détermination des classes d'infiltrabilité de la méthode Orstom (crues décennales)
Détermination directe des lames ruisselées
Approche de la fonction de transfert: utilisation des modèles numériques de terrain
La cartographie des états de surface d'un bassin versant constitue l'étape de télédétection d'une modélisation spatialisée des apports et des crues.
L'étape suivante est la modélisation hydrologique que l'on peut scinder en deux parties traitant séparément de la fonction de production et de la fonction de transfert.
FIGURE 64 - Exemple de traitement d'image
La définition des fonctions de production à l'échelle élémentaire (pixel) permet d'estimer:
• des paramètres globaux de perméabilité à l'échelle d'unités cartographiques ou de bassins versants, utilisés dans les méthodes ou modèles existants;
• un "potentiel de ruissellement" qui sera introduit dans des méthodes nouvelles, avec un passage à l'échelle des bassins par agrégation.
L'association de la carte des états de surface avec un MNT représentant le relief du bassin versant et son réseau hydrographique, permet une approche de la fonction de transfert pour la reconstitution des hydrogrammes de crues.
Crues ou apports annuels
Le calcul des apports annuels repose sur l'estimation du débit de base et des volumes ruisselés au cours de la saison des pluies. Sous une pluviométrie inférieure à 600 mm, le ruissellement représente en moyenne plus de 90% de l'écoulement total observé; sous une pluviométrie annuelle de 900 mm, le ruissellement couvre 70 à 80% des apports. Sous une pluviométrie annuelle égale à 1200 mm, sa part dans l'écoulement global n'est plus que de 50 à 60 %.
Le calcul des apports annuels doit reposer sur la sommation des volumes écoulés durant la période considérée. Cela nécessite une bonne simulation des crues et une connaissance même sommaire des fluctuations du débit de base. La grande variabilité saisonnière des conditions de ruissellement se traduit par l'emploi de coefficients de calage entre lames ruisselées calculées et observées, variables en cours de saison.
Compte tenu du niveau de développement des modèles utilisant ces nouvelles technologies, il n'est possible d'envisager actuellement le calcul des apports que pour des bassins jaugés.
Détermination des fonctions de production à l'échelle élémentaire
Les types de surfaces élémentaires ayant été soigneusement répertoriés et décrits au cours des relevés de terrain, ils peuvent être identifiés dans le catalogue des états de surface de la zone sahélienne (Casenave et Valentin, 1989), ce qui permet d'associer à chaque type de surface élémentaire une relation hydrodynamique du type:
Lr = (a + b IK) Pu + c IK - d
où:
Lr est la lame ruisselée en mm,
Pu est la pluie utile en mm,
a, b, c et d sont des paramètres caractéristiques du sol, de sa couverture végétale et de son organisation superficielle,
IK est l'indice des précipitations antérieures correspondant à un indice d'humectation; l'indice du jour j (IKj) est déterminé à partir de l'indice du jour j-1 (IKj-1) par:
t est l'intervalle de temps en jours séparant la pluie journalière Pj de la pluie journalière Pj-1, et a est un coefficient estimé à 0,5 en zone sahélienne.
La pluie utile est définie comme la hauteur pluviométrique de l'averse dont l'intensité est supérieure à l'intensité de pluie limite du ruissellement, autre valeur caractéristique de la surface élémentaire.
Agrégation à l'échelle des unités cartographiques et du bassin versant##§#
L'agrégation sur une surface donnée est faite au prorata de la présence de chaque surface type élémentaire. La formulation mathématique du potentiel de ruissellement de l'unité hydrologique est alors la suivante:
Avec
Où:
Lru est la lame ruisselée de l'unité hydrologique u.
Lri,u est la lame ruisselée de la surface élémentaire i de l'unité hydrologique u.
si,u est le coefficient de pondération de la surface élémentaire i sur l'unité hydrologique u.
Pui,u est la pluie utile de la surface élémentaire i sur l'unité hydrologique u.
La formulation proposée ci-dessus est très générale. Elle permet, par le calcul de la pluie utile, de ne faire intervenir que des intensités pluviométriques susceptibles de ruisseler. Elle permet également, si on dispose de plusieurs pluviomètres sur le bassin versant, de rattacher les états de surface aux différents pluviomètres en fonction de leur localisation spatiale.
La lame ruisselée ainsi calculée doit être considérée comme un potentiel de ruissellement, moyenne pondérée des ruissellements à l'échelle des surfaces élémentaires. On opère ici un changement d'échelle du comportement hydrologique puisqu'on passe d'une référence implicite de 1 m2 (taille de la mesure à la simulation de pluie) au comportement sur une surface beaucoup plus grande. La lame ruisselée "réelle" à la nouvelle échelle n'est pas la somme des lames élémentaires. La plupart du temps, elle lui sera nettement inférieure. En d'autres termes, le ruissellement spécifique diminue lorsque la superficie étudiée augmente.
La principale difficulté rencontrée lors de l'utilisation des méthodes Orstom et CIEH consiste à déterminer le coefficient de ruissellement de fréquence décennale. Il parait donc judicieux de proposer, à cet effet, l'utilisation des nouvelles technologies.
Dans ce but, Rodier (1992) a proposé de définir les classes d'infiltrabilité des bassins versants par le calcul des lames ruisselées pour une pluie utile égale à 50 mm (Pu = 50 mm) et un indice d'humidité égal à 5 mm (IK = 5 mm).
Un tableau de correspondance (cf. tableau 22) a été dressé à partir d'un échantillon de petits bassins versants expérimentaux. Il permet de transformer les lames ruisselées provenant de la cartographie des états de surface et de l'agrégation brute à l'échelle des bassins versants en classes globales d'infiltrabilité. Les classes globales d'infiltrabilité correspondent aux lames ruisselées globales observées à l'exutoire des bassins.
TABLEAU 22 - Définition classes d'infiltrabilité de la méthode Orstom
Lame ruisselée en mm pour Pu = 50 mm et IK = 5 mm |
Classes d'infiltrabilité |
> 40 |
Très imperméable (TI) |
30-37 |
Particulièrement imperméable (PI) |
24-26 |
Imperméable (I) |
12-18 |
Relativement imperméable (RI) |
6-9 |
Perméable (P) |
1-5 |
Très perméable (TP) |
TABLEAU 23 - Lames ruisselées de fréquence décennale déterminées par l'utilisation des nouvelles technologies
Bassins versants |
Superficie en km2 |
Pluie annuelle moyenne en mm |
Classe d'infiltrabilité (*) |
Lame ruisselée de fréquence décennale |
|||
Observée |
Agrégation avec P10 |
Méthode ORSTOM |
Agrégation et calage |
||||
Dougbé (BF) |
19 |
1 100 |
P |
- |
35 |
12,2 |
12,6 |
Kuo (BF) |
59 |
1 100 |
RI |
15,8 |
31 |
23 |
16,6 |
Dougo (BF) |
158 |
1 100 |
RI - P |
6,4 |
29 |
21 |
13,3 à 6,4 |
Bindé (BF) |
9,7 |
950 |
RI à I |
32 |
34 |
30 |
24 à 31 |
Taïma (BF) |
104 |
450 |
I |
19 |
29 |
14 |
17,0 |
Polaka (BF) |
9,6 |
450 |
I |
22 |
32 |
35 |
30,0 |
Tchalol (BF) |
10,5 |
450 |
I |
42 |
32 |
36 |
30,0 |
Thyssé (Sen) |
16 |
800 |
RI |
20 |
28 |
22 |
18,6 |
(*) calculée par agrégation des lames ruisselées avec une pluie de 50 mm et un IK = 5
BF = Burkina Faso, Sen = Sénégal.
Ce tableau permet de transformer le résultat de l'agrégation des lames ruisselées élémentaires (S Lr) en un indice global de perméabilité que l'on peut utiliser ensuite dans la méthode Orstom de détermination des crues décennales.
Les classes d'infiltrabilité définies par Rodier correspondent à des bassins versants types caractérisés par des conditions régionales moyennes de ruissellement sur les versants et des conditions normales de transfert dans le réseau hydrographique.
Pour tenir compte des conditions particulières propres au bassin versant étudié, il conviendra d'utiliser la check-list présentée en annexe 1 de ce manuel. Ces conditions particulières concernent l'existence de zones à forte perméabilité à l'échelle des versants, de zones endoréiques locales, d'un pourcentage élevé de mise en culture ou d'une dégradation plus ou moins prononcée du réseau hydrographique.
L'application des modèles développés a donné les résultats consignés au tableau 23.
Deux régions climatiques sont représentées dans ce tableau:
• la zone de savane humide, avec les bassins versants du Kuo, du Dougo et Dougbé (peu cultivés) et les bassins versants de Bindé et de Thyssé (très cultivés);
• la zone sahélienne sèche avec les bassins versants de Taïma, de Polaka et de Tchalol.
Les bassins versants du Kuo, de Bindé et de Polaka ont fait l'objet de relevés détaillés de leurs états de surface. Les bassins versants de Taïma et de Tchalol ont été uniquement traités à partir des observations effectuées sur le bassin voisin de Polaka, inclus dans la même image. Il est donc possible, pour des bassins similaires (géologie, végétation, etc.) et représentés sur une même image satellitaire, de traiter globalement ces bassins à partir de données de terrain collectées sur l'un d'entre eux.
L'estimation est excellente pour certains bassins (par exemple, Bindé et Thyssé), assez nettement sous-estimée pour le bassin de Tchalol (- 24%) et surestimée pour les autres bassins. En particulier pour les bassins de la région de Ndorola (Kuo, Dougo et surtout Dougbé), cette surestimation est très importante et révèle les limites de la méthode.
On peut donc affirmer, à partir des quelques exemples traités, que l'utilisation des nouvelles technologies pour la détermination des lames ruisselées de fréquence décennale (ou des coefficients de ruissellement) conduit à des résultats comparables à ceux obtenus par d'autres méthodes bien que la méthodologie proposée ne tienne pas compte des transferts le long des versants, ni des phénomènes de dégradation ou de stockage dans le réseau hydrographique.
L'utilisation de ces technologies de mise en oeuvre lourde et onéreuse en ce qui concerne la télédétection peut se justifier pour des études régionales d'aménagements hydrauliques ou des recherches méthodologiques de détermination des crues ou de compréhension des écoulements. Pour de petits aménagements isolés, il faudrait remplacer la télédétection satellitaire par l'utilisation de photographies aériennes.
