SIG en milieux aquatiques IMACOF – mars 2010

Objectifs Jour1 AM : Prise en main d’ARCVIEW9 Jour1 PM : Prise en main de SPATIAL ANALYST - les Modèles Numériques de Terrain Jour2 AM : Prise en main de ARCHYDROTOOLS les Modèles hydrologiques et hydrauliques Jour2 AM : Suite matinée – les modèles morphologiques Jours SUIVANTS : Trois grands axes : Variables morphologiques tracé du réseau théorique, bassin-versant, écoulement zone inondable potentielle Buffer by rise Zone d'érosion potentielle

Projets Acquisition des données Vulnérabilité à l'inondation Vulnérabilité à l'érosion Production de pollution Potentialité paysagère (?) Prise en main d'ARCGIS (Spatial Analyst, ArcHydroTools) Constitution des bases de données SIG

Acquisition des données Digitalisation Occupation des sols, Pédologie, Géologie, Hydrographie, route, pont Intégration des données MNT, INSEE, Corine, Création des donnés Pente, hydrographie

SIG en milieux aquatiques Rappel

Architecture ARCGIS

ArcGIS Extensions classiques

ArcGIS Extensions classiques

Échelles et objets géographiques Taxinomie des entités emboîtées 3 thèmes majeurs les structures physiques naturelles, les structures ou «réponses» biologiques, les modifications ou «pressions» anthropiques. 3 échelles principales : l’échelle macro ou «bassin versant» l’échelle locale ou «tronçon» l’échelle ponctuelle ou «habitat» 3 objets géographiques d’intégration le bassin versant, unité surfacique ; le tronçon, unité linéaire. l’habitat, unité ponctuelle

Échelles et objets géographiques Zone d'étude 1.4 km!

Echelles et objets géographiques 50cm OrthoPhoto

Tronçon Longueur de rivière considérée comme une et une seule entité hydrologique Exemple: une longueur de rivière entre deux confluences Representé par une polyline dans un "shapefile" ou "couche“ vectorielle

Lacs un volume d’eau ayant une surface plane. Largeur significative comparée par rapport à la longueur. Exemples: Lac, étangs, reservoires, estuaires, baies. Representé par un polygone dans un "shapefile" ou "couche“ vectorielle.

Réseau hydrographique Réseau de drainage Representé par une “couche “ vectorielle, comprenant spécifiquement des polylines pour chaque objet. Les tables attributaires donnent les informations cconcernant les liens amont-aval de chaque arc.

Bassin versant Ligne de crêtes. Exutoire Contour fermé topographiquement Representé par une couche vectorielle de polygone Associé à un exutoire

Sous bassin versant Différence scalaire Un bassin versant à l’intérieur d’un autre Associé à un exutoire.

Bassin versant unitaire

Zones hydrographiques

Modèle de données Système Drainage Réseau Hydro Series Chrono Flux, Débit Temps Series Chrono Système Vallée Caractéristiques Hydro

Modèle de données

Spatial Analyst et raster

Données MNT / BD Alti (50m*50m) BD Carthage BD Hydro Cartes géologiques Orthophoto-aériennes Images satellites

SIG - Raster Structure des objets Résolution Nombre de lignes Nombre de Colomnes (X,Y) Résolution NODATA pixel

Modèle Numérique de Terrain (MNT) Digital Elevation Model (DEM) 67 56 49 46 50 12 11 53 44 37 38 48 58 55 22 31 24 61 47 21 16 19 34

Cellule, Pixel, Grid, Grille, Résolution Taille pixel 50 67 56 49 46 50 12 11 53 44 37 38 48 58 55 22 31 24 61 47 21 16 19 34 (valeur pixel) pixel

SIG - Raster Format, Importation, exportation Pentes des versants Contour Aspect Orientation Relief Visibilité Autres méthodes

Standard Slope Function b c d e f g h i

ARCHYDROTOOLS et TauDEM

ARCHYDROTOOLS et TauDEM ARCHYDROTOOLS Pr MAIDMENT http://www.ce.utexas.edu/prof/MAIDMENT/ http://www.crwr.utexas.edu/gis/archydrobook/Archydro.htm http://www.crwr.utexas.edu/giswr/hydro/ArcHOSS/index.cfm TauDEM Pr TARBOTON http://www.engineering.usu.edu/cee/faculty/dtarb/ http://hydrology.neng.usu.edu/taudem/

Logiciels et extensions ArcHydroTools

Modèle de données Graphic courtesy of Maidment et al., ArcHydro team

Modèle de données Graphic courtesy of Maidment et al., ArcHydro team

Fonctions Enfoncement, Burning Fill Flow Direction Flow Accumulation Basin / Drainage / Watershed / Outlet Stream / Network

Enfoncement Burning ou recoditionning + =

Fill

La pente (slope) - hydrologique Méthode de la ligne de la plus grande pente 30 30 67 56 49 52 48 37 58 55 22 67 56 49 52 48 37 58 55 22 Pente:

(ii) The 8 direction pour point model

Sens d'écoulement

FlowDirection Sens d'écoulement (Dhuit vs. Dinf.) 32 16 8 64 4 128 1 2 5 6 3 7 2 1 8 ESRI encodage Band/GRASS/TARDEM encodage

(ii) The 8 direction pour point model

FlowDirection Flow Direction Grid 2 4 8 1 16 128 Sens d'écoulement (infini)

The D Algorithm  Tarboton, D. G., (1997), "A New Method for the Determination of Flow Directions and Contributing Areas in Grid Digital Elevation Models," Water Resources Research, 33(2): 309-319.) (http://www.engineering.usu.edu/cee/faculty/dtarb/dinf.pdf)

(iii) The D method This does not fit in the triangle so the angle chosen is along the diagonal with slope same as D8, i.e.

Constitution du réseau

FlowAccumulation Surface Drainage > 5 pixels Détermination des cellules amont 1 4 3 12 2 16 25 6 1 4 3 12 2 16 6 25 Surface Drainage > 5 pixels

100 grid cell constant support area threshold stream delineation

200 grid cell constant support area based stream delineation

Stream Segmentation 1 3 2 4 5 6 5 5

Delineation of Channel Networks and Subwatersheds 500 cell theshold 1000 cell theshold

Quelques variables Morphologiques Largeur fond de vallée, Trace du fond de vallée Pente du cours d’eau, pente de la vallée Sinuosité du cours d’eau, de la vallée Hydrologiques Indice topographique Flow path (max) Zones humides Indice de Kirkby (Wetness Index) Fill Inverse

Zone d'inondation potentielle Elévation du cours d'eau au dessus du fond de vallée

3) Altitude rivière ; si (riv exist,MNT,0) 4) Allocation euclidienne du 3 (cf diapo suivant) 5) MNT du 2 – Allocation du 4 6) Sélection des pixels < au seuil ex:2

Logiciels et extensions

Logiciels et extensions CRWR PREPRO V.2 ArcView-based preprocessor for HEC-Hydrologic Modeling System (HEC-HMS) HMS Basin File Digital Elevation Model Stream Map Control point locations Soil and Land Use Maps

Flow Direction

FlowAccumulation Surface Drainage > 5 pixels Détermination des cellules amont 1 4 3 12 2 16 25 6 1 4 3 12 2 16 6 25 Surface Drainage > 5 pixels

ARCVIEW et morphologie

Méthodes - Variables Les variables calculées 1. Largeur du fond de vallée 2. Altitudes (amont-aval de chaque tronçon) 3. Distance à la source (PK amont-aval, PK aval-amont) 4. Pente des cours d’eau 5. Pente vallée 6 Sinuosité 7. Rang de cours d’eau (3 méthodes : Strahler, Schreeve, Scheiddegger) 8. Taille du bassin versant

Méthodes - Variables Les variables dérivées 9. Largeur cours d’eau 10. Rapport Largeur du fond de vallée par Largeur cours d’eau 11. Q2- Q2 spécifique (débit de fréquence de retour de 2 ans) 12. Puissance - puissance spécifique

Méthodes – Outils & calculs Utilisation des programmes SIG spécifiques Basé sur ArcView et Spatial Analyst

Résultats – Typologie 1 Niveau I : largeur fond de vallée

Résultats – Typologie 1 Niveau I : largeur fond de vallée

Résultats – Typologie 1 Niveau I : largeur fond de vallée 5 Classes de largeur FdV: 0-500 m 500-1000m 1000-5000m > 5000m

Résultats – Typologie 1 Niveau I : largeur fond de vallée

Résultats – Typologie 1 Niveau I : largeur fond de vallée Marne : 515 km 170 tronçons 3 km de moyenne Tronçon i Tronçon i+1 Niveau I : SECTORISATION (Unités Spatiales d’Intégration)

Résultats – Typologie 2 Sinuosité Longueur développée du cours d’eau = --------------------------------------------------- Longueur développée de la vallée Sinuosité

Résultats – Typologie 2 Sinuosité

Résultats – Typologie 3 Pente de la vallée

Résultats – Typologie 2 Rang des cours d’eau Strahler Schreeve Scheiddegger Notion de taille de cours d’eau

Résultats – Typologie 2 Rang des cours d’eau Strahler Schreeve

Résultats – Typologie 2 Taille des bassins versants MNT R2 = 0.86 Largeur estimée du plein bord Lpb = 0.4043 Tbv^0.9827 R2 = 0.86

Résultats – Typologie 2 Taille des bassins versants – Largeur estimée ?

Résultats – Typologie 2 Largeur estimée 5 Classes de largeur : 0-10 m

Résultats – Typologie 2 Amplitude de divagation 3 Classes d’amplitude : < 5*largeur 5-12*largeur >12*largeur

Résultats – Typologie 2 R2 = 0.96 Q2 = 0.6227 Tbv^0.698 Taille des bassins versants Débit du plein bord # Q2 Q2 = 0.6227 Tbv^0.698 R2 = 0.96

Résultats – Typologie 2 Débit de plein bord

Résultats – Mobilité 1 Puissance spécifique (W. m-2) = φ*g*Q2*Pente / Larg φ est la masse volumique de l’eau (1000 kg.m-3), g l’accélération de la gravité (9.8 m.s-2), Puissance moyenne Forte > 35 W/m2 Faible < 35w/m2 Caractéristique du tronçon Capacité du chenal à éroder ses berges* Incapacité du chenal à éroder ses berges Score 5 1 Code couleur  

Résultats – Mobilité 1 Amplitude de divagation : Fond de vallée / Largeur Amplitude de divagation > 20 >10 <10 Caractéristique du tronçon Très large plaine alluviale Large plaine alluviale Plaine alluviale restreinte Score 5 3 1 Code couleur  

Résultats – Mobilité 1 Pente de la vallée Pente moyenne de vallée > 0.5°% < 0.5°% Caractéristique du tronçon Possède une énergie suffisante pour mobiliser les sédiments Ne possède pas une énergie suffisante pour mobiliser les sédiments Score 5 1 Code couleur  

Résultats – Mobilité 1 Sinuosité Indice de sinuosité X < 1.05 Caractéristique du tronçon Chenal rectiligne à berges peu cohésives Chenal sinueux à berge semi-cohésives Score 5 3 1 Code couleur  

Résultats – Mobilité 1 Activité potentielle du tronçon Actif Moyennement actif Non actif Caractéristique du tronçon Fort intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Peu d'intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Score > 15 15 > X > 10 < 10 Code couleur  

Résultats – Mobilité 1 Intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Peu d'intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Fort intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté

Morpho-écologie Couplage Pente * Largeur * T° Eau Zonation Huet (etc.) Altitude Distance à la source Température de l’air

Perspectives Granulométrie Berges Fonds

Perspectives