Mise en place d’une méthodologie et d’outils d’analyses à ...

Master SIG et Gestion de l’Espace

Parcours Professionnel

Mise en place d’une méthodologie de travail et d’outils d’analyse pour l’étude du

fonctionnement des hydrosystèmes à partir du logiciel libre Q-GIS

Rapport de stage

Emilien Delaigue

Septembre 2013

Encadrant: Thierry Joliveau

Maître de stage: Stéphane Petit

Véodis-3D est un bureau d'étude spécialisé dans l'acquisition, le traitement et l'analyse de données 3D dans le secteur de la géomorphologie fluviale. Ce rapport décrit la mise en place d'un protocole d'étude dans ce domaine sous un logiciel libre: Quantum-GIS.

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Remerciements

Je tiens à remercier tout d’abord Thierry Joliveau, qui, en tant qu'encadrant principal du stage,

s'est toujours montré à l'écoute et très disponible tout au long de sa réalisation. Je le remercie

également pour sa collaboration fructueuse et son soutient qui aura permis l’aboutissement

de mon travail de recherche.

Je souhaite adresser mes remerciements les plus sincères à mon maître de stage, Stéphane

Petit, pour son accueil, ses conseils et sa confiance qu’il m’aura accordés dès mon arrivée. Je

salue l’expérience enrichissante et pleine d’intérêt qu’il m’aura fait vivre au cours de ces cinq

mois de stage au sein de Véodis-3D.

Je tiens à remercier Bernard Etlicher, qui, en tant que co-encadrant de mémoire, a toujours su

me guider avec attention et gentillesse dans mon travail. Je le remercie également pour

l'inspiration, l'aide et le temps qu'il a bien voulu me consacrer.

Je rends hommage à tous les membres de Véodis-3D qui ont su m’épauler et me soutenir dans

la réalisation de ce stage. Je remercie plus particulièrement Mohamed Abadi pour ses

nombreux conseils et recommandations.

Même s’ils sont anonymes dans ce rapport, je salue tous les intervenants des différents

forums SIG, pour leurs interventions pertinentes et sensées, et sans qui mon travail n’aurait

très certainement pas pu aboutir. Je pense particulièrement aux membres de Géorézo et du

forum de Géomatique-Expert.

Je remercie également toutes les personnes de l'unité de recherche Image Société Territoire

Homme Mémoire Environnement de Saint Etienne ainsi que celles de la Maison des Sciences

de l’Homme de Clermont-Ferrand, qui ont toujours étés très attentives à mes

questionnements.

J'exprime ma gratitude à toutes les personnes qui ont pu contribuer, de près ou de loin, à

l'élaboration de ce mémoire.

Je n'oublie pas mes parents et ma famille pour leur soutien et leur patience. Enfin, j'adresse

mes plus sincères remerciements à tous mes proches et amis, qui m'ont toujours soutenu

et encouragé au cours de la réalisation de ce mémoire.

Merci à toutes et à tous.

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Préambule

Véodis-3D est un bureau d'étude spécialisé dans l'acquisition, la modélisation et l'analyse de

données 3D en dynamique fluviale, principalement dans le domaine de la géomorphologie des

cours d'eau.

Le stage gravite autour de cette discipline. La finalité est de comprendre le fonctionnement

global des hydrosystèmes et d'appréhender l'intégralité du déroulement d'une étude

géomorphologique-fluviale. Ce type d'étude faisant continuellement appel aux techniques des

systèmes d'information géographique, il s’agit, sur un cas concret, de développer un protocole

de travail sous Q-GIS.

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1 Table des matières Index des tableaux .............................................................................................................. 6

Index des figures ................................................................................................................. 6

Glossaire ............................................................................................................................ 8

Introduction ....................................................................................................................... 9

Contexte organisationnel .......................................................................................................... 9

Description de la problématique ............................................................................................ 10

1 - La démarche choisie ................................................................................................ 12

1.1 Le site d'étude ............................................................................................................. 12

1.2 Description d'une étude géomorphologique fluviale ................................................. 13

1.3 Etat des lieux de la donnée ......................................................................................... 15

1.4 Méthodologie établie .................................................................................................. 16

2 - La description des solutions ..................................................................................... 18

2.1 Travail préparatoire .................................................................................................... 18

2.1.1 A l'échelle de la rivière et du tronçon: synthèse de données qualitatives et

quantitatives issues de l'étude Epteau 1998. ..................................................................... 18

2.1.2 A l'échelle du site: préparation des données spatiales pour l'étude diachronique.

19

2.2 Production des données quantitatives nécessaires à l'étude géomorphologique

fluviale. .................................................................................................................................... 22

2.2.1 Taux d'enrochement ........................................................................................... 22

2.2.2 Erosions de berges et abandons de sédiments ................................................... 23

2.2.3 Sinuosité du chenal ............................................................................................. 26

2.2.4 Largeur de bande active ...................................................................................... 29

2.2.5 Puissance spécifique ........................................................................................... 32

2.2.6 Profils en travers ................................................................................................. 32

2.3 Acquisition des données manquantes ........................................................................ 36

2.3.1 Granulométrie des sédiments ............................................................................. 36

2.3.2 Altitude de la ligne d'eau .................................................................................... 39

2.4 Production cartographique ......................................................................................... 43

2.4.1 Méthodologie ...................................................................................................... 43

2.4.2 Cartes réalisées ................................................................................................... 45

3 - L’évaluation de ces solutions ................................................................................... 49

3.1 Avantages .................................................................................................................... 49

3.2 Inconvénients .............................................................................................................. 50

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3.3 Evolutions .................................................................................................................... 50

Postface: l'Algèbre spatial pour le calcul tridimensionnel. .................................................. 52

Conclusion ........................................................................................................................ 54

Bibliographie .................................................................................................................... 55

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Index des tableaux Tableau 1: Taux d'enrochement de l'Allier au droit du site en 2010 .......................................... 23

Tableau 2: Taux d'érosion et d'abandon de l'Allier sur le site d'étude entre 1946 et 2009 ....... 24

Tableau 3: Tableau de croisement, valeurs de reclassement des pixels de 2012 et 2013, rivière

Artière, Clermont-Fd ................................................................................................................... 25

Tableau 4: Résultats du croisement entre la bande active 2012 et 2013, rivière Artière,

Clermont-Fd ................................................................................................................................ 25

Tableau 5: Indice de sinuosité par segment en 1946 ................................................................. 28

Tableau 3: Indice de sinuosité par segment en 2009 ................................................................. 28

Tableau 4: Evolution de la sinuosité de l'Allier au droit du site d'étude entre 1946 et 2009. .... 28

Index des figures Figure 1: Numérisation d’une plaine d'inondation à l'aide d'un scanner laser, rivière Allier ....... 9

Figure 2: Installation du dispositif de prise de vues aériennes, photogrammétrie multi-images,

aéroport d'Aulnat. ......................................................................................................................... 9

Figure 3: Localisation du site d'étude au sud-est de Clermont-Fd ............................................. 10

Figure 4: Principaux types de chenaux caractérisant une rivière ............................................... 11

Figure 5: Puits de captages du Cendre, 10 km au sud-ouest de Clermont-Fd ............................ 12

Figure 6: Prise de vue réalisée lors de la crue trentennale du 3 décembre 2012. Champ captant

au niveau des flèches (source : DREAL) ...................................................................................... 12

Figure 7: Schéma descriptif de l'écoulement de l'eau, du bassin versant au lit fluvial. Source

ONEMA ........................................................................................................................................ 13

Figure 8: Equilibre dynamique d'un cours d'eau, "la balance de Lane", source ONEMA ........... 14

Figure 9: Profil transversal d’une plaine alluviale, source UVED ................................................ 16

Figure 10: Les trois échelles de travail de l'étude géomorphologique. ...................................... 17

Figure 11: Dynamique spatio-temporelle d'un cours d'eau, source ONEMA ............................. 19

Figure 12: Orthophotographie de l'Allier à hauteur du site d'étude (Cournon). Cliché argentique

IGN de 1946................................................................................................................................. 20

Figure 13: Trois types de données raster différentes couvrant la même zone (gravières des

Martres-de-Veyres, en amont immédiat des puits de captages) ............................................... 20

Figure 14: Résultat de la digitalisation du chenal et des bancs (2009) ....................................... 21

Figure 15: Comparaison des couches produites à partir du chenal et des bancs (2009) ........... 21

Figure 16: Vue des enrochements au niveau de la première partie de la zone de captage du

Cendre et sur la totalité des 6km du site d'étude. ...................................................................... 22

Figure 17: Schéma des zones d'érosion et d'abandon d'un méandre (source Jacques

Beauchamp, Université de Picardie Jules Verne) ........................................................................ 23

Figure 18: Rasterisation de la bande active sous GRASS aux deux dates d'études successives,

rivière Artière, Clermont-Fd ........................................................................................................ 24

Figure 19: Zone de dépôt, d'érosion et de maintien du lit entre 2012 et 2013, rivière Artière,

Clermont-Fd ................................................................................................................................ 25

Figure 20: Description de l'indice de sinuosité. .......................................................................... 26

Figure 21: Axe de la bande active et du chenal pour le segment 6 (à hauteur des premiers puits

captant) ....................................................................................................................................... 26

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Figure 22: Axe de la bande active et du chenal pour le segment 6 (à hauteur des premiers puits

captant) ....................................................................................................................................... 27

Figure 23: Axes du chenal et de la bande active à hauteur du captage n° 0 et n°1, segment 6 du

site d'étude. ................................................................................................................................ 27

Figure 24: Découpage du site d'étude en 9 segments de 500m. ................................................ 27

Figure 25: Vue aérienne du segment 6 en 1965 ......................................................................... 29

Figure 26: Vue aérienne du segment 6 en 1978 ......................................................................... 29

Figure 27: Lit mineur, bande active, plaine alluviale (source ONEMA)....................................... 30

Figure 28: Bande active, axe et segments de largeur à hauteur du champ captant. ................. 30

Figure 29: Diagramme en boite à moustaches représentant la répartition des largeurs de

bande active par années (1946 à 2009) ...................................................................................... 31

Figure 30: Illustration schématique de la création d'un profil en travers de rivière .................. 32

Figure 31: Schéma illustrant la projection verticale de l'altitude d'un profil en travers ............ 33

Figure 32: Vue en plan de la topographie et des structures pouvant modifier l'écoulement de

l'eau à hauteur des puits. ............................................................................................................ 34

Figure 33: Modèle numérique de terrain (MNT) de la plaine d'inondation du site d'étude

(représentation par ombrage). En bleu le chenal 2009, en rouge l'emplacement des puits du

champ captant du Cendre ........................................................................................................... 34

Figure 34: Position choisie des profils en travers à hauteur du champ captant ......................... 35

Figure 35: Aperçu du rendu final d'un profil en travers créé avec Q-GIS et exporté sous

Inkscape pour habillage. ............................................................................................................. 36

Figure 36: Méthodes de transport des solides, source DEGOUTTE, Gérard, Notes de cours

hydraulique, dynamique et morphologie fluviale, Université de Paris VI .................................. 37

Figure 37: Les 3 axes spatiaux d'une particule ............................................................................ 37

Figure 38: Position des prélèvements granulométriques, méthode Wolman ............................ 38

Figure 39: Courbe granulométrique des deux placettes d'étude ............................................... 38

Figure 40: Ligne d'eau à hauteur du tronçon VI de l'étude Epteau en 2000, 2005 et 2009

(graphique tiré des données existantes)..................................................................................... 39

Figure 41: Base GPS sur trépied (Ashtech Proflex 500) .............................................................. 40

Figure 42: Mobile GPS sur canne carbone (Ashtech Promark 500) ............................................ 40

Figure 43: Mobile GPS embarqué pour le levé cinématique de la ligne d'eau. .......................... 41

Figure 44: Profil en long de la ligne d'eau (rendu final) .............................................................. 42

Figure 45: Intégration du fichier de points de la ligne d'eau sous Q-GIS, ici une zone de masque

à hauteur des puits ..................................................................................................................... 43

Figure 46: Confrontation du MNT et de la Carte d’Etat-major pour déceler les traces d'un

ancien chenal. ............................................................................................................................. 44

Figure 47: Activation du panneau "Ordre des couches" de Q-GIS. Dans sa dernière version, le

logiciel peut désormais différencier la position hiérarchique d'une couche dans l'arborescence

et son ordre d'affichage. ............................................................................................................. 44

Figure 48: Aperçu des outils du module Sextante de Q-GIS ....................................................... 49

Figure 49 : Comparaison du découpage réalisé sous Q-GIS et de la segmentation théorique

nécessaire.................................................................................................................................... 51

Figure 50: Exemple d'image infrarouge couleur. Ici le bassin stéphanois. ................................. 51

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Glossaire

DIREN Ancienne "Direction régionale de l'environnement", aujourd'hui appelée DREAL

DREAL Direction régionale de l'environnement, de l'aménagement et du logement

ESRI Environmental systems research institute

GEOLAB Laboratoire de géographie physique et environnemental (Clermont-Fd)

GPS Global positioning system (constellation nord-américaine)

LIDAR Light detection and ranging (scanner laser aéroporté)

MNT Modèle numérique de terrain

NGF Nivellement général de la France

PAST Paleontologia software package for education and data analysis (logiciel statistique)

PPR Plan de prévention des risques

SIVOM Syndicat intercommunal à vocations multiples

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Figure 1: Numérisation d’une plaine d'inondation à l'aide d'un scanner laser, rivière Allier

Introduction

Contexte organisationnel Véodis-3D est un bureau d’étude spécialisé dans la réalisation de mesures et la modélisation

de données 3D à caractères environnementales. La société réalise des expertises et des suivis

environnementaux principalement en géomorphologie fluviale, dans l’écologie du paysage et

dans l’évolution des territoires. Elle emprunte des éléments de méthode et diagnostic à la

géographie physique. Ses analyses se basent essentiellement sur l’utilisation d’outils SIG.

Véodis-3D fut créée par Stéphane Petit, dans le

Puy-de-Dôme à Clermont-Ferrand, en février

2009. Ses savoir-faire sont issus de la

recherche universitaire, notamment du

Laboratoire de Géographie Physique et

Environnemental de Clermont-Fd

GEOLAB/CNRS. Les compétences de l’entreprise

ont été développées dans le cadre de

programmes de recherches nationaux et

internationaux. Depuis 2012, Véodis-3D s’est

diversifié et compte désormais une branche recherche. Véodis-3D est une EURL au capital de

20000 euros, dont la gestion est assurée par son associé unique : Stéphane Petit.

En terme d’acquisition de données,

l’entreprise est compétente dans les

mesures dimensionnelles de type LIDAR1.

Dans le domaine de la photogrammétrie,

la société est capable de réaliser ses

propres acquisitions aériennes.

L’utilisation des GPS2 et du matériel de

topographie standard fait aussi partie des

compétences du bureau. En ce qui

concerne l’activité principale du bureau,

la bathymétrie est incontournable pour

acquérir les données nécessaires à

l’étude des cours d’eaux.

Parmi les commanditaires de prestations nous retrouvons des établissements et organismes

publics comme le CNRS , la Région Auvergne et ses départements. Sont aussi présents des

syndicats des eaux, des parcs naturels et des établissements publics territoriaux. La ville et

l’agglomération de Clermont-Ferrand croient aussi aux compétences de l’entreprise.

1 LIDAR: Light Detection and Ranging (scanner laser)

2 GPS: Global Positioning System (constellation nord-américaine)

Figure 2: Installation du dispositif de prise de vues aériennes, photogrammétrie multi-images, aéroport d'Aulnat.

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Description de la problématique Tout d'abord, rappelons la problématique: "Mise en place d’une méthodologie de travail et

d’outils d’analyse pour l’étude du fonctionnement des hydrosystèmes à partir du logiciel libre

Q-GIS".

Selon de Dictionnaire encyclopédique des sciences de la nature et de la biodiversité un

hydrosystème fluvial est un "ensemble écologique constitué par un cours d'eau et les habitats

au moins temporairement inondés qui le jouxtent [...]" (Ramade,2008).

Ainsi, l'objectif du stage est d'appréhender les étapes d'une étude géomorphologique, de

l'acquisition des données sur le terrain à leur interprétation, en réalisant un protocole sous

Quantum-GIS. Selon Arnaud-Fassetta, la géomorphologie fluviale relève d'un champ

disciplinaire qui contribue à "identifier les dynamique fluviales holocènes 3construisant et

régissant les plaines alluviales des fonds de vallée." (Arnaud-Fassetta, Laganier; 2009).

Pour répondre à la problématique, je dois travailler sur un site d'étude particulier: les puits de

captage du Cendre, alimentant en eau potable une partie de l'agglomération Clermontoise.

En ce qui concerne la dynamique (ou "géodynamique") fluviale, Il est indispensable de bien

intégrer certaines notions:

- L'indice de sinuosité, qui définie le type de chenal de la rivière: rectiligne, en tresses ou

à méandres.

- La puissance spécifique, qui dimensionne la capacité de travail (érosion) du cours

d'eau.

- La largeur de bande active, correspondant au lit moyen de la rivière, qui est un des

éléments de base pour suivre l'évolution d'un cours d'eau.

3 Holocène: période géologique s'étendant sur les 10000 dernières années (Holocène;2013)

Figure 3: Localisation du site d'étude au sud-est de Clermont-Fd

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Selon Pautou, Piégay et Ruffinoni: "le cours d'eau est considéré comme un système

longitudinal dans lequel la zone en aval est liée aux processus de l'amont en fonction d'un

écoulement multidirectionnel de l'eau et des matériaux" (Pautou, Piégay, Ruffinoni, 2003).

Dans leur ouvrage, ils abordent la notion de "système physique" que d'autres auteurs

appellent "tronçon" ou "secteur fonctionnel" (Bravard, Petit, 2000). Ces tronçons sont

principalement définis par des caractères physiques relativement homogènes comme

l'écoulement, la morphologie du chenal, le transport sédimentaire et la taille des particules.

Afin d'avoir une vision d'ensemble de la rivière et prendre en compte cette notion de tronçon,

il est nécessaire de conduire un raisonnement à plusieurs échelles:

1. Sur la globalité de la rivière (une ou plusieurs centaines de kilomètres).

2. Au niveau du tronçon ou secteur fonctionnel (une ou plusieurs dizaines de

kilomètres).

3. A l'échelle du site d'étude (un à plusieurs kilomètres).

Une fois ces différents concepts appréhendés, je devrai développer une méthodologie

d'analyse sous le logiciel libre Quantum GIS. Le protocole abordera plusieurs points:

- La prise en compte de l'altitude (gestion de MNT4).

- L'analyse diachronique.

1. Quantitative (tableau de contingence).

2. Spatiale.

- La gestion de profils en longs et en travers (reclassement spatial).

- L'extraction de données permettant différents calculs propres à la géomorphologie-

fluviale: bande active, sinuosité, taux d'érosion, puissance spécifique... etc

L'objectif initial est d'automatiser au maximum ce protocole en essayant de créer sous Q-GIS

des modèles de traitement cartographique de type "Model Builder" d'ESRI5. Si nécessaire, il

pourra être utile de réfléchir aux développements de routines de traitements avec l'aide d'un

collaborateur.

4 MNT: modèle numérique de terrain

5 ESRI: Environmental Systems Research Institute

Figure 4: Principaux types de chenaux caractérisant une rivière

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1 - La démarche choisie

1.1 Le site d'étude L'étude est commandée par le Syndicat

des eaux d'Issoire (SIVOM6). Elle concerne

un site précis, la zone de captage en eau

potable du Cendre, située à hauteur de

Clermont-Ferrand sur la rivière Allier. Le

dispositif est composé de huit puits de

captage alimentant en eau potable

environ 40 000 personnes. Ces forages

prélèvent l'eau douce dans la nappe

alluviale de la rivière. Ils sont disposés

dans son lit mineur7, alignés sur 700 m

environ et à moins de 100 m du chenal.

Ces forages sont néanmoins exposés à certains risques, principalement l'aléa inondation. En

effet, en 2003, suite à une montée des eaux importante, l'intégralité des puits a été

recouverte. La crue a même brisé des protections en places et des détériorations importantes

ont rendu un puits inexploitable.

Figure 6: Prise de vue réalisée lors de la crue trentennale du 3 décembre 2012. Champ captant au niveau des flèches (source : DREAL

8)

6 SIVOM: syndicat intercommunal à vocations multiples

7 le lit mineur d’un cours d’eau est la zone où les eaux s’écoulent en temps normal. Ce lit est souvent

délimité par une ripisylve (forêt bordant une rivière), si celle-ci n’a pas été arrachée. 8 DREAL: Direction régionale de l'environnement, de l'aménagement et du logement

Figure 5: Puits de captages du Cendre, 10 km au sud-ouest de Clermont-Fd

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Cet évènement est couplé à la diminution récurrente du niveau de nappe ces dernières

années. Cela a incité le SIVOM d'Issoire à réaliser une étude complète du cours d'eau à hauteur

de ses puits, afin de répondre à certaines questions: quel est le devenir du site? La rivière va-t-

elle se stabiliser ou les puits sont-ils amenés à disparaitre? Les protections sont elles

suffisantes? Faut-il en rajouter ou au contraire en enlever? La présence (proche) de gravières

influence-t-elle la rivière? Quels peuvent être les scénarios à venir? L’enjeu est de taille:

l'alimentation en eau potable de presque 10% de l'aire urbaine de Clermont-Fd (440 000hab).

L'objectif de l'étude géomorphologique est donc le suivant: analyser les potentialités de

divagation de la rivière Allier au droit du site du champ captant du Cendre.

1.2 Description d'une étude géomorphologique fluviale Du grec "Gaïa": la Terre, "morphe": la forme et "logos": l’étude; la géomorphologie est l'étude

scientifique des reliefs et des processus qui les façonnent (Géomorphologie,2013). Les

géomorphologues analysent les paysages pour en comprendre l'histoire. Ils cherchent à

comprendre leurs évolutions et à anticiper les changements futurs au travers d'une

combinaison d'observations de terrain, d'expérimentations en laboratoire et de modélisations

numériques.

Lorsque cette science

est appliqué aux cours

d'eau, elle appartient

aux disciplines de la

dynamique fluviale:

géomorphologie,

géologie,

sédimentologie,

hydraulique, hydrologie,

biologie et écologie

fluviale (Dynamique

fluviale;2013).

Figure 7: Schéma descriptif de l'écoulement de l'eau, du bassin versant au lit fluvial. Source ONEMA

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La balance de Lane (d’après E. W. Lane,

et W. Borland) illustre le principe

d’équilibre dynamique de la rivière. Un

cours d’eau, présentant un fort débit

liquide et/ou une forte pente, se charge

en un point précis en matériaux solides.

Quand le débit liquide baisse et/ ou la

pente diminue, le cours d’eau perd de

l’énergie et dépose les matériaux

transportés jusque-là. Les éléments fins

se déposent pour un débit plus faible que

les éléments grossiers. Le profil en long

de la rivière est stable lorsqu’il existe un

équilibre entre les sédiments qui partent

et ceux qui arrivent.

La rivière est un système physique énergétique contrôlé par les débits liquide et solide. Un

fonctionnement en équilibre dynamique se caractérise par une oscillation régulière entre

érosion et dépôt. Ce concept est schématisé par la balance de Lane.

Techniquement, les observations de terrain

se manifestent par l'acquisition de données

dimensionnelles topographiques (semi de

points 3D), des données sédimentologiques (granulométrie de bancs alluvionnaires) ou encore

par des mesures hydrauliques (hauteur d'eau, débit). Il est aussi nécessaire de réaliser un

travail d'observation visuel du site afin de repérer tout indice propre au fonctionnement de la

rivière (marque d'érosion, banc, radier, enrochement, obstacle, végétation, affleurement

marneux ...etc).

Ces observations sur la morphologie du lit de la rivière permettent de mettre en évidence son

fonctionnement. Par exemple, sur un cours d'eau rectiligne (Cf figure 4) tel que l'Allier à

hauteur de Clermont-Fd, la bibliographie indique clairement le lien existant entre "la

topographie du lit" et "la géométrie du flux" (Bravard,Petit, 2000) (p.131). Dans son chapitre

intitulé "dynamique des lits mobiles", Jean-Paul Bravard et François Petit parlent de processus

établis comme l'alternance entre seuil et mouille. Ce paramètre est étroitement lié à la

topographie du chenal d'étiage9. Il est donc primordial lors de l'acquisition des données.

La dynamique fluviale, et plus particulièrement la géomorphologie, permet donc de mettre en

relief les tendances d'un cours d'eau afin d'anticiper son devenir. En outre, cela donne lieu à

l'identification des zones préférentielles d’érosion et de dépôts.

Sur notre site du Cendre, une telle étude a une vocation clairement définie: quelle est la

tendance de l'Allier au droit des puits de captages? Quelles peuvent être les évolutions à venir

et quelles en seront les conséquences? Ces questions sont extrêmement importantes dans un

9 niveau moyen le plus bas d'un cours d'eau (Etiage,2013)

Figure 8: Equilibre dynamique d'un cours d'eau, "la balance de Lane", source ONEMA

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contexte de croissance urbaine où la consommation en eau potable de Clermont-Ferrand ne

cesse d'augmenter. En effet, l'INSEE prévoit une augmentation de 10% de la population de

l'agglomération puydômoise en 2040, soit 40 000 habitants supplémentaires (INSEE;2012).

1.3 Etat des lieux de la donnée Les données disponibles sont diverses (vecteurs, rasters, photos, études ...etc), elles peuvent

être spécifiques au site d'étude ou sont plus globales. En voici une liste exhaustive:

- Une étude approfondie de l'Allier a été réalisée en 1998 par le bureau d'étude

EPTEAU10 pour le compte de la DIREN 11Auvergne. Elle couvre plus de 200 km de

rivière sur les 425 km du cours total. De cette analyse j'ai à ma disposition:

1. L'occupation des sols de la plaine alluviale (lit majeur de la rivière), 15 couches au

format ArcGIS.

2. Les limites de divagation de l'Allier: espace optimal et minimal, 2 couches au

format ArcGIS.

3. Le rapport final de l'étude (EPTEAU,1988), au format PDF (scanné).

- Les aléas de crue du PPR12 inondation, il s'agit de la crue de référence retenue pour le

PPR (septembre 1866), ainsi que les aléas de crue d'une période de retour trentennale

(hq30) et décennale (hq10), au format MapInfo.

- Les enveloppes de crues 2003 et 2008 ainsi que les côtes NGF 13des laisses de crues, au

format MapInfo.

- Un fichier Excel contenant l'altitude de la ligne d'eau à période d'étiage sur les 20

dernières années (1989-2009). Les points sont généralement mesurés à hauteur

d'ouvrages (station de mesure).

- Les enrochements mesurés par Véodis-3D en 2010, au format MapInfo.

- Les digues issues d'un relevé LIDAR de 2007, au format MapInfo.

- Le MNT de la plaine d'inondation de l'Allier issu d'un relevé LIDAR de 2007, sur le site

d'étude, 27 dalles en Lambert 2 étendu, soit environ 30 km² à une résolution de 1

mètre, au format ASCII.

- Les othophotos de 2009, 2005, 2000 et 1983 des 200 km de rivière, en Lambert 2

étendu, au format ECW.

10

bureau d'études entièrement dédié au cycle de l'eau, localisé dans l'Ain 11

DIREN: Direction régionale de l'environnement 12

PPR: Plan de Prévention des Risques 13

NGF: Nivellement Général de la France. Actuellement en vigueur: le système de référence NGF "IGN-1969"

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Figure 9: Profil transversal d’une plaine alluviale, source UVED14

1.4 Méthodologie établie Le plan que nous allons mettre en place pour l'étude géomorphologique de l'Allier se déroule

selon une approche géographique à trois échelles:

1. A une échelle globale.

Cette approche couvre l'ensemble du cours d'eau analysé dans l'étude Epteau (EPTEAU,1998),

soit 217.5 km sur 425 km du cours d'eau total. Le site s'étend de la sortie des gorges de l'Allier

à Vieille-Brioude (Haute-Loire), jusqu'à sa confluence avec la Loire à Nevers.

A ce niveau, le travail portera sur les résultats de l'étude Epteau 1998. Il consistera à établir un

inventaire exhaustif des données nous concernant, synthétiser ces résultats et mettre en

lumière le fonctionnement hydraulique de l'Allier à cette échelle.

2. A l'échelle du tronçon.

L'étude Epteau subdivise l'Allier en 12 parties "homogènes" (EPTEAU,1998)(pp.15). Ces

éléments sont appelés "tronçons" ou "secteur fonctionnel" comme nous l'avons vu en

introduction lors de la description de la problématique.

Les puits de captage du Cendre se trouvent dans le tronçon VI (23.1 km de Longues à Pont-du-

Château). Nous réaliserons dans ce secteur le même travail de synthèse des données de

l'étude Epteau qui nous concernent.

3. A l'échelle du site.

14

l’Université Virtuelle Environnement & Développement durable (UVED) est une des sept Universités Numériques Thématiques (UNT) soutenues par le Ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche. (UVED,2013)

P a g e | 17

Nous accomplirons tous les travaux nécessaires à l'acquisition des données et à leurs

interprétations. Le projet consiste à réaliser une étude géomorphologique de la rivière Allier

sur une distance de 3km en amont et 3km en aval des puits.

Figure 10: Les trois échelles de travail de l'étude géomorphologique.

Les deux premières échelles correspondent donc à une étude bibliographique, mais l'échelle 3

nécessite la mise en œuvre d'un réel travail d'investigation.

En ce qui concerne les calculs, certaines données nécessaires à notre étude n'existent pas.

C'est le cas de l'altitude de la ligne d'eau et d'un relevé granulométrique. Véodis-3D étant

spécialisé dans l'acquisition de données tridimensionnelles, nous effectuerons ces mesures

nous mêmes. Concrètement, nous produirons des documents graphiques (profils en longs et

en travers) et numériques (tableaux de calculs). En matière d'atlas, l'objectif souhaité est la

réalisation de quatre cartes au droit du site:

- La carte de divagation du chenal de l'Allier de 1946 à 2009.

Cette carte nécessite un travail diachronique, à partir d'orthophotographies aériennes. Une

mission de digitalisation sera nécessaire afin d'extraire des données quantitatives du site. Elles

approvisionneront différents calculs géomorphologiques (indice de sinuosité, largeur de bande

active, puissance spécifique...etc.)

- La carte du relief de la plaine d'inondation de l'Allier.

Pour cette réalisation, j'ai à disposition un levé LIDAR de la plaine d'inondation. Aucun levé

complémentaire ne sera nécessaire.

- La carte hydraulique des aléas de crue.

De la même manière, les données d'impacts de crues sont disponibles (PPR inondation). Je

n'envisage donc aucun levé terrain.

- La carte de synthèse des tendances morphologiques de la rivière Allier.

Pour celle ci, il est nécessaire d'envisager une sortie terrain afin d'apprécier visuellement le

cours d'eau et relever sur site toutes traces morphogènes (érosions, dépôts, laisses de

crues...etc.).

P a g e | 18

2 - La description des solutions L’étude morphométrique15d’un cours d’eau, ou plus précisément d’un tronçon

géomorphologique homogène de cours d’eau, consiste à décrire un certain nombre de ses

caractéristiques en plan.

La plupart des données nécessaires à l'analyse géomorphologique sont des données

géographiques. Pour répondre à la problématique, je tacherai de trouver des solutions de

réalisation et d'exploitation sous les logiciels libres Quantum-GIS et GRASS. Leurs dernières

versions étant Q-GIS 1.8.0-Lisboa et GRASS GIS 6.4.3.

J'intègrerai l’ensemble des données (disponibles ou collectées) dans un Système d’Information

Géographique. Elles seront rattachées au système de coordonnées planimétriques Lambert II

étendu. L'altitude sera rattachée au système en vigueur: IGN69. J'ai sauvegardé toutes les

couches dans un dossier racine. J'ai choisi comme formats le ".shp" pour les données vecteur

et ".tif" pour les rasters, car les deux font partie des plus répandus, mais aussi car ils sont très

bien gérer par Quantum.

2.1 Travail préparatoire

2.1.1 A l'échelle de la rivière et du tronçon: synthèse de données qualitatives et

quantitatives issues de l'étude Epteau 1998.

Nous l'avons vu, l'étude réalisée sur l'Allier par le bureau EPTEAU en 1998 est une source très

abondante de données. L'objectif de notre travail préparatoire est de synthétiser celles

propres à notre site d'étude qui nous seront utiles.

Epteau 1998 nous permet aussi de mettre en perspective notre site d'étude dans

l'environnement global de l'Allier. En effet c'est une rivière qui compte parmi les plus actives

de France. Depuis le 20ème siècle, le style morphologique de l’Allier est en mutation, avec un

passage progressif d’un style en tresse, caractéristique d’un fort transport de charge solide, à

un style sinueux. Cette modification du style fluvial peut s’expliquer par différents facteurs :

- La modification, au début du 20ème siècle, des variables de contrôle avec une

diminution des débits liquides et solides liée à la fin du petit âge glaciaire (XIIIème-

XIXème siècle).

- Les actions anthropiques sur le chenal et la plaine d’inondation avec, en particulier,

une modification de l’occupation du sol sur les bassins versants, les aménagements de

berges qui tendent à corseter le chenal (enrochements, réalisation d’ouvrage de

franchissement, etc.) et les extractions de granulats dans le chenal et sur la plaine

d’inondation sur la période 1950-1980.

Ces actions ont pour principale conséquence un approfondissement généralisé du lit de l’Allier

(qui, en beaucoup d’endroits, court maintenant sur le substratum marneux) et une perte de

mobilité latérale de la rivière.

15

Morphométrie: analyse de la géométrie.

P a g e | 19

2.1.2 A l'échelle du site: préparation des données spatiales pour l'étude

diachronique.

Le lit mineur d'une rivière se déplace et migre au sein de sa plaine alluviale. Dans la formation

et l'évolution des méandres, deux processus entrent en ligne de compte: l'érosion latérale et le

recoupement des méandres (Bravard, Petit, 2000)(pp.118).

L'étude diachronique du site consiste à suivre l'évolution spatiale du lit mineur de la rivière au

cours du temps. Cela nous permet de suivre la migration latérale du lit dans la plaine

d'inondation et de localiser d'anciens chenaux, susceptibles de favoriser un recoupement de

méandres.

Il est préférable de choisir des données espacées d'un même laps de temps. Les vitesses

d'érosion latérales en rivière, bien que variables, restent faibles. Je choisirai donc un pas

d'environ 10 ans, en essayant de remonter le plus loin possible.

J'ai à disposition les othophotos de 2009, 2005, 2000, 1983 rattachées en Lambert 2 étendu.

Une fois chargées sous un nouveau projet Quantum-GIS, paramétrées dans le même système

de coordonnées, j'ai digitalisé les chenaux et les bancs sous forme de polygones. Pour les

orthophotos plus anciennes, il est nécessaire de rechercher les campagnes d'acquisitions de

l'IGN couvrant la zone. Il en existe quatre: 1978, 1965, 1954 et 1946.

Figure 11: Dynamique spatio-temporelle d'un cours d'eau, source ONEMA

P a g e | 20

Une fois acquis, les clichés argentiques

doivent être scannés puis géoréférencés afin

d'être intégrés au SIG. J'ai utilisé le module de

géoréférencement de Q-GIS en choisissant le

type de transformation d'Helmert et

l'algorithme du plus proche voisin16. Pour

contrôler le géoréférencement, je me suis

appuyé sur des points durs n'étant pas censés

bouger au fil du temps (angle de bâtiment,

pile de pont...etc).

A titre indicatif, j'ai aussi géoréférencé la

carte d'Etat-major de 1866 que l'IGN met à

disposition librement sur le Géoportail. La

digitalisation sera logiquement moins précise

au regard de l'échelle 1:40000.

Figure 13: Trois types de données raster différentes couvrant la même zone (gravières des Martres-de-Veyres, en amont immédiat des puits de captages)

Le produit de cette digitalisation se résume à la production de deux types de couches

polygonales: le chenal et les bancs. Cela donne 18 couches pour 9 dates différentes de 1866 à

2009, exportées au format SHP (ESRI) pour des commodités d'utilisations. Pour les analyses,

seule la géométrique de la couche sera sollicitée, les couches ne comportent donc pas de

données attributaires. Le chenal et les bancs servent de base aux calculs qui vont suivre.

16

Méthode et algorithme préconisés dans la documentation du logiciel, lorsque les transformations à effectuer sur une image ne sont pas trop importantes.

Figure 12: Orthophotographie de l'Allier à hauteur du site d'étude (Cournon). Cliché argentique IGN de 1946.

P a g e | 21

Figure 14: Résultat de la digitalisation du chenal et des bancs (2009)

En ce qui concerne les calculs (que nous aborderons dans le paragraphe suivant) comme la

sinuosité de la rivière, la largeur de bande active ou la puissance spécifique, il est nécessaire de

créer plusieurs autres couches à partir du chenal et des bancs:

- La bande active de la rivière, couche polygonale correspondant à la fusion des bancs et

du chenal.

- L'axe du chenal, couche linéaire.

- L'axe de la bande active, couche linéaire.

Figure 15: Comparaison des couches produites à partir du chenal et des bancs (2009)

P a g e | 22

2.2 Production des données quantitatives nécessaires à l'étude

géomorphologique fluviale.

2.2.1 Taux d'enrochement

Un enrochement est une structure de blocs rocheux empilés, disposés le long de la berge qu'il

protège. On les retrouve principalement où les enjeux aux abords immédiats du cours d'eau

sont importants (pont, barrage, route...etc.). Ils ont pour objectif de lutter contre les effets

locaux des processus érosifs liés aux cours d’eau.

Pour un tronçon donné, le taux d'enrochement est un rapport entre la somme de la longueur

de la rive gauche et de la rive droite et le linéaire cumulé d'enrochement présent sur ces rives.

Nous avons vu d'après l'étude Epteau que le tronçon VI est particulièrement touché par

l’enrochement. A l'échelle de notre site, nous pouvons calculer ce taux en nous basant sur les

données mesurées par Véodis-3D en 2010 à l'aide d'un récepteur GPS de précision

décimétrique.

Figure 16: Vue des enrochements au niveau de la première partie de la zone de captage du Cendre et sur la totalité des 6km du site d'étude.

On trouve le linéaire d'enrochement en comptabilisant la somme des longueurs de polylignes à

l'aide de la calculatrice de champs. On obtient la somme rive gauche et rive droite.

Pour calculer la longueur des berges, il faudrait digitaliser la rive gauche et droite dans son

ensemble. Par gain de temps je préfère prendre pour longueur totale des berges rive gauche

et droite, deux fois la longueur de l'axe de la bande active. En effet, dans un méandre, les

longueurs développées des rives convexes (intérieures, plus petites) et concaves (extérieures,

plus grandes) se compensent à l'axe, l'écart est donc acceptable.

P a g e | 23

Longueur de l'axe de la bande active (m) 6207

Longueur des deux berges (m) 12414

Longueur d'enrochement rive gauche (m) 3006

Longueur d'enrochement rive droite (m) 2353

Longueur totale d'enrochement (m) 5359

Pourcentage d'enrochement 43.169

Tableau 1: Taux d'enrochement de l'Allier au droit du site en 2010

A l'échelle du site, les résultats donnent un taux d'enrochement de 43%. Il faut savoir que les

protections de berges «en dur» ne ralentissent pas les courants. Au contraire ils accélèrent sur

ces surfaces plus lisses. Ceux-ci dissipent donc leur énergie en érodant plus en aval.

2.2.2 Erosions de berges et abandons de sédiments

Comme nous l'avons vu, une rivière est un système physique énergétique qui tend vers un

équilibre dynamique (CF balance de Lane Partie 1-2). Selon Jean-Paul Bravard et François Petit

(2000), l'équilibre dynamique est "lié au fait que les entrées d'eau et de matière sont égales

aux sorties". Dans la recherche de cet équilibre,

un système fluvial va dissiper un excédent

d'énergie par érosion ou au contraire traduire

une diminution d'énergie par un dépôt.

Dans les rivières il existe des zones plus rapides

et plus lentes causé par la géomorphologie du lit

et des berges. Les zones plus rapides

entraîneront une érosion tandis que les zones

plus lentes entraîneront un dépôt des

particules. Les dépôts résulteront en des bancs,

des plages où des îles.

Nous pouvons généralement observer ce phénomène au sein d'un méandre (Schéma ci-

contre). Il présente dans la plupart des cas une zone d'accrétion sédimentaire en intérieur de

virage (faible vitesse d'écoulement) et une zone d'érosion de berges en extérieur de virage (là

où les vitesses d'écoulement sont les plus élevées).

Il est donc important de quantifier ce paramètre pour connaitre la dynamique du cours d'eau.

Pour cela il faut comparer l'évolution de la surface de la bande active sur deux dates

successives:

- L'augmentation de la surface de la bande active traduit une érosion de berge.

- La diminution de celle-ci est significative de dépôts sédimentaires.

Cette évolution est relativement simple à obtenir sur les six kilomètres du site d'étude. Il suffit

de récupérer la surface de bande active dans les propriétés de la couche. Nous obtenons les

résultats suivants:

Figure 17: Schéma des zones d'érosion et d'abandon d'un méandre (source Jacques Beauchamp, Université de Picardie Jules Verne)

P a g e | 24

Date 1946 1954 1965 1978 1983 2000 2005 2009

Surface de la bande active en km²

0.5777 0.4961 0.4829 0.5811 0.5174 0.3898 0.3869 0.3696

Date 1946 1954 1965 1978 1983 2000 2005 2009

Evolution de la surface en km²

0.0816 0.0132 -0.0982 0.0637 0.1276 0.0029 0.0173

Evolution de la surface en hectare (1ha = 0.01 km²)

8.16 1.32 -9.82 6.37 12.76 0.29 1.73

Etat Abandon Abandon Erosion Abandon Abandon Abandon Abandon

Taux annuel en ha/an

1.02 0.12 -0.76 1.27 0.75 0.06 0.43

Tableau 2: Taux d'érosion et d'abandon de l'Allier sur le site d'étude entre 1946 et 2009

La détermination des surfaces d'érosion et d'abandon reste relativement simple lorsque l'on

souhaite un résultat global. Mais si l'on veut spatialiser et quantifier précisément cette

information, il est nécessaire de réaliser une étude d'évolution d'occupation des sols et faire

un tableau croisé.

Pour cela, le plus simple est de travailler en raster sous GRASS. Je prendrais ici l'exemple d'une

étude sur la rivière Artière, à hauteur de Clermont-Fd, réalisée en juin 2013.

Dans un premier temps il faut rasteriser la bande active de la rivière aux deux dates

successives que l'on souhaite étudier. J'attribue ensuite une valeur unique à chacune des

quatre classes résultantes en reclassant les pixels (fonction r.reclass sous GRASS).

Figure 18: Rasterisation de la bande active sous GRASS aux deux dates d'études successives, rivière Artière, Clermont-Fd

P a g e | 25

J'effectue ensuite un produit croisé de valeurs catégorielles (fonction r.cross de GRASS).

J'obtiens un raster recatégorisé qui met en lumière les changements de valeurs entre 2012 et

2013. Il correspond donc aux zones de dépôt, d'érosion et de maintien du lit. Il suffit alors

d’observer les statistiques du raster (fonction v.rast.stat de GRASS) pour obtenir les surfaces

d’érosion et d’abandon correspondantes.

Figure 19: Zone de dépôt, d'érosion et de maintien du lit entre 2012 et 2013, rivière Artière, Clermont-Fd

Année Classe Valeur du pixel

2012 Berge 1 BA 2

2013 Berge 3 BA 4

Tableau 3: Tableau de croisement, valeurs de reclassement des pixels de 2012 et 2013, rivière Artière, Clermont-Fd

Résultats du croisement

Valeur description Interprétation Surface (m²)

1 catégorie 1; catégorie 3

- -


Erosion 38


Dépôt 2


Maintien du lit

286

Tableau 4: Résultats du croisement entre la bande active 2012 et 2013, rivière Artière, Clermont-Fd

P a g e | 26

2.2.3 Sinuosité du chenal

Le taux de sinuosité du chenal permet de classifier celui-ci: chenal rectiligne, en tresses ou à

méandres.

Le coefficient de sinuosité permet donc de caractériser un tronçon donné. J.C.Brice propose

en 1964 de choisir l'indice de sinuosité comme étant le rapport entre la longueur du talweg17

sur la longueur de l'axe de la bande de méandrage (Brice,1964). Dans notre cas, cela

correspond au rapport entre la longueur de l'axe du chenal et la longueur de l'axe de la bande

active (CF schéma ci-après).

Figure 20: Description de l'indice de sinuosité.

Grâce à l'étude Epteau, nous connaissons l'indice de sinuosité à l'échelle du tronçon n° VI, la

valeur de 1.21 indique un chenal sinueux.

Les 6km du site d'étude s'inscrivent dans les 23.1 km du tronçon VI. Pour suivre la logique

d'échelles d'études, nous avons décidé de subdiviser le site en plusieurs segments. Pour cela il

faut définir un axe de coupe. Cet axe est celui de la plaine d'inondation de la rivière. Il

correspond dans notre cas à un segment droit nord-sud de 4.5 km. Afin d'obtenir une dizaine

de tronçons environ, je l'ai sectionné en 9 segments de 500 m chacun.

17

Talweg: Ligne joignant les points les plus bas d'une vallée. En dynamique fluviale il s'agit du chenal d'étiage (période de basses eaux).

P a g e | 27

Figure 24: Découpage du site d'étude en 9 segments de 500m.

Figure 23: Axes du chenal et de la bande active à hauteur du captage n° 0 et n°1, segment 6 du

site d'étude.

Figure 22: Axe de la bande active et du chenal pour le segment 6 (à hauteur des premiers puits captant)

P a g e | 28

Je récupère la longueur des deux axes pour chaque segment en calculant celle-ci dans un

nouveau champ de la table attributaire. Je répète l'opération pour les huit dates successives

(1946-2009). En appliquant la formule dans un fichier Excel, j'obtiens l'indice de sinuosité pour

chaque segment à chaque date. Je peux aussi faire une moyenne pour l'ensemble du site.

1946 1954 1965 1978 1983 2000 2005 2009

Indice de Sinuosité

1.06 1.04 1.04 1.05 1.03 1.02 1.02 1.02

Type de chenal

sinueux rectiligne rectiligne rectiligne rectiligne rectiligne rectiligne rectiligne

Tableau 7: Evolution de la sinuosité de l'Allier au droit du site d'étude entre 1946 et 2009.

On s'aperçoit que les indices de sinuosité sont presque tous similaires. Ils ne varient quasiment

pas au fil du temps et indiquent un cours d'eau rectiligne sur l'ensemble du site et au sein de

chaque segment d'étude.

Seul le chenal 1946 est classé comme sinueux. Mais en l'observant de plus près, il n'y a en

réalité que deux segments sur neuf ayant une valeur supérieure à 1.05 (1.37 et 1.17), ce qui

augmente fortement l'indice général mais n'est pas représentatif de l'ensemble.

On peut tout de même noter que dans une diminution globale de l'indice de sinuosité (passant

de 1.06 en 1946 à 1.02 en 2009), celui-ci a brusquement raugmenté en 1978 (1.05). En

observant le détail de la période 1965-1978, on s'aperçoit que l'augmentation est

exclusivement liée au segment n°6 (celui des quatre premiers puits de captage). En analysant

l'orthophographie aérienne, je me suis rendu compte que cette période correspond d'une part

à la création du champ captant et d'autre part à l'ouverture de plusieurs gravières dans le lit de

l'Allier, dont une en aval immédiat des puits. Ceci a engendré l'entrée du chenal dans la

gravière et amorcé sa divagation.

Année 1946

Segment longueur bande active

(m)

longueur chenal

(m)

Indice de

sinuosité

Type de chenal

1 518 534 1.03 rectiligne



4 812 1110 1.37 sinueux


6 1038 1214 1.17 sinueux




Année 2009

Segment longueur bande active

(m)

longueur chenal

(m)

Indice de

sinuosité

Type de chenal

1 525 557 1.06 sinueux





6 1385 1440 1.04 rectiligne




Tableau 6: Indice de sinuosité par segment en 2009

Tableau 5: Indice de sinuosité par segment en 1946

P a g e | 29

2.2.4 Largeur de bande active

La bande active correspond à l’emprise des chenaux en eau et des bancs de galets non

végétalisés (par une végétation pérenne). Elle se situe dans le lit mineur de la rivière. Cette

surface est entièrement sous eau lors des débits de plein bord, juste avant le débordement de

crue dans la plaine alluviale.

La largeur de la bande active témoigne de l'élargissement ou du rétrécissement du lit de la

rivière. Une rivière divaguera naturellement au regard du processus d'érosion latérale. Cette

divagation peut être stoppée si l’interface eau-matière résiste à l'abrasion: substrat rocheux ou

protections de berges. L'étude de l'évolution des largeurs de bande active dans le temps

permet de mettre en lumière l'intervention de l'homme sur l'effet de "canalisation" d'un cours

d'eau.

Cette évolution se base sur l'étude de segments définissant la largeur de bande active, ils sont

perpendiculaires à l'axe et espacés régulièrement. On peut ainsi les assimiler à un axe de profil

en long et ses axes de profils en travers.

Figure 25: Vue aérienne du segment 6 en 1965

Figure 26: Vue aérienne du segment 6 en 1978

P a g e | 30

Figure 27: Lit mineur, bande active, plaine alluviale (source ONEMA)

Sous SIG, techniquement, il faut tracer des droites perpendiculaires à l'axe de la bande active

et espacées régulièrement de 100m, puis faire leur intersection avec celle-ci.

Figure 28: Bande active, axe et segments de largeur à hauteur du champ captant.

Le tracé des segments de largeurs perpendiculaires à l'axe, tous les 100m est un travail

récurant. Je ne suis pas arrivé à trouver de solution pour automatiser ce procédé sous Q-GIS.

Sur d'autres logiciels, des fonctions permettant le tracé de profils en travers le long d'un axe de

P a g e | 31

profil en long existent. J'ai donc utilisé cet outil sous Mapinfo pour aboutir à mes fins. A partir

des 8 axes (8 dates) et d'un point d'origine commun à tous, j'ai obtenu les droites de profil en

travers. J'ai ensuite fais une intersection avec la bande active pour obtenir les bonnes

longueurs. Les axes de bandes actives n'étant pas tous de même longueur, le nombre de

segments varie entre 57 et 61.

Pour réaliser l'analyse statistique sur l'évolution de la largeur de bande active entre 1946 et

2009, j'ai utilisé le logiciel libre PAST18, mais un tableur aurait convenu.

J'ai utilisé la représentation graphique de type "boite à moustaches" ou "box plot". La boîte à

moustaches résume seulement quelques caractéristiques de position du caractère étudié

(médiane, quartiles19, minimum, maximum). Ce diagramme est utilisé principalement pour

comparer un même caractère dans plusieurs populations de tailles différentes.

Figure 29: Diagramme en boite à moustaches représentant la répartition des largeurs de bande active par années (1946 à 2009)

On remarque ainsi que la largeur de bande active à tendance à rétrécir, et l'amplitude des

valeurs extrêmes à diminuer au fil du temps. On note une stabilisation depuis 2000, témoin

d'un lit "fixé" par de nombreuses protections de berges. A l'instar du paramètre de sinuosité,

l'année 1978 met en relief un changement. On y relève la plus forte valeur maximum et une

augmentation globale de la largeur que ce soit à la médiane ou aux quartiles. Cela s'explique

principalement avec l'apparition des gravières et la capture de l'Allier par celles-ci.

18

PAST: Paleontologia software package for education and data analysis, freeware. 19

Le 1er quartile sépare les 25 % inférieurs des données ; le 2eme quartile est la médiane de la série et le 3eme quartile sépare les 25 % supérieurs des données

P a g e | 32

2.2.5 Puissance spécifique

La puissance spécifique est une mesure de la capacité du cours d’eau à éroder ses berges et

transporter les sédiments. Elle permet de connaître l’état actuel d’un système et traduit la

variabilité des formes fluviales en mettant en évidence le fort caractère dynamique du chenal.

Son calcul est utile pour la prédiction de l’érosion limite, de la migration du chenal, du

transport des sédiments, des dépôts sédimentaires et la forme du lit.

La puissance spécifique (ω exprimée en W/m2) se présente sous la forme suivante :

ω= (g ρ Q S) / w

avec Q le débit (en m3.s-1), w la largeur du lit (en m), S la pente longitudinale (en m.m-1), ρ la

masse volumique du fluide (en kg.m-3) et g l’accélération de la pesanteur (en m.s-2). Afin de

permettre des comparaisons entre différentes rivières, on retient généralement comme débit,

le débit à plein bord, auquel cas w est la largeur prise entre les berges au niveau du

débordement.

La puissance spécifique est donc un élément essentiel permettant de qualifier le cours d'eau.

C'est pour calculer cette puissance que nous avons déterminé les largeurs de bande actives, et

que nous calculerons la pente de la ligne d'eau.

2.2.6 Profils en travers

L'objet d'étude morphologique est la plaine d'inondation, c'est une surface suivant un linéaire

plus ou moins sinueux. On l'analyse en quelque sorte de la même manière que la largeur de

bande active. Une solution consiste à sectionner cette étendue à distance plus ou moins

régulière; puis on "met à plat" ces coupes afin de visualiser la ligne d'élévation du terrain.

Figure 30: Illustration schématique de la création d'un profil en travers de rivière

Ce sont des profils en travers topographiques. On les crée sous SIG en projetant verticalement

l'information altitude de la surface sur l'axe du profil. On obtient ainsi une table à deux

informations pour chaque point de surface: la distance (horizontale) à l'origine du profil,

l'altitude de la surface correspondante.

P a g e | 33

Figure 31: Schéma illustrant la projection verticale de l'altitude d'un profil en travers

On peut alors utiliser ces données pour tracer un graphe ayant pour abscisse la distance à

l'origine et pour ordonnée l'altitude.

Techniquement sous Q-GIS, je me suis appuyé sur le MNT 2007 issu d'un relevé LIDAR20. Grâce

à lui, j'ai pu modéliser le MNT de l'ensemble de la plaine d'inondation du site d'étude. Il faut

ensuite déterminer les endroits où nous avons besoin de créer des profils en travers. En effet,

nous n'allons pas les créer sur l'intégralité du chenal. Cela prendrait beaucoup de temps et la

quantité d'informations serait difficile à gérer. N'oublions pas que nous nous servons des

profils en travers pour valider des hypothèses et avoir une vue plus précise de la plaine

alluviale et des structures pouvant modifier l'écoulement du flux (enrochement, digue,

gravière) à hauteur du champ captant.

20

LIDAR: Light retection and ranging (scanner laser aéroporté)

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Figure 33: Modèle numérique de terrain (MNT) de la plaine d'inondation du site d'étude (représentation par ombrage). En bleu le chenal 2009, en rouge l'emplacement des puits du champ captant du Cendre

Figure 32: Vue en plan de la topographie et des structures pouvant modifier l'écoulement de l'eau à hauteur des puits.

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A première vue, un ancien chenal semble être positionné juste à côté des puits de captages,

dans la plaine d'inondation de la rivière. A hauteur des puits, le chenal actuel semble bloqué

contre les terrasses quaternaires 21(à droite sur l'image). Le long du site, on distingue la

présence de cordons de protections (digues et enrochements).

J'ai donc positionné les profils sur la zone d'enjeux. J'ai choisi de placer 3 grands profils

(1000m) courant dans la plaine alluviale afin d'intersecté l'ancien chenal. J'ai aussi créé 5

autres profils plus petits (300m) couvrant les enrochements en amont immédiat du site et les

puits 0,1 et 2, qui sont les plus touchés par les inondations. J'ai calé tous les profils d'est en

ouest sur les anciennes terrasses qui bloquent la divagation du lit.

Figure 34: Position choisie des profils en travers à hauteur du champ captant

J'ai utilisé l'extension "Terrain profile" du Q-GIS pour créer les profils en choisissant le MNT

comme raster élévation. Terrain profile permet de récupérer le tableau de points (distance à

l'origine/ altitude), elle autorise aussi l'exportation du profil au format SVG (Inkscape22) de

manière à réaliser un habillage personnel.

21

Le Quaternaire est la troisième période géologique du Cénozoïque et la plus récente sur l'échelle des temps géologiques. Elle se caractérise par le retour des glaciations, l'apparition du genre Homo et l'Extinction de l'Holocène. (source Wikipédia) 22

Inkscape est un logiciel libre de dessin vectoriel

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Figure 35: Aperçu du rendu final d'un profil en travers créé avec Q-GIS et exporté sous Inkscape pour habillage.

Remarquons qu'un profil en travers de rivière, couplé à une station de mesure de hauteur

d'eau permet de calculer la section d'eau. Celle-ci joint à la vitesse d'écoulement rend

possible le calcul du débit liquide du cours d'eau.

2.3 Acquisition des données manquantes Ces acquisitions in situ, conjuguées à l’analyse diachronique, nous permettrons d’analyser

finement la répartition spatiale des changements et de définir la trajectoire d’évolution du

chenal au droit du secteur d’étude.

2.3.1 Granulométrie des sédiments

En morphologie fluviale, la granulométrie est un outil servant à qualifier le transport solide

d'une rivière. Combiné à la pente et au débit, elle permet de déterminer le mode de transport

sédimentaire. Selon Jesse Schnobb en 2010, il existe 3 principaux moyens par lesquels les

alluvions sont transportés ou non.

1) Repos : la vitesse du courant étant faible, il n’y a pas de transport.

2) Charriage : la vitesse du courant un peu plus forte, fait rouler, rebondir et glisser les

matériaux du fond du lit à moins de 1 mètre par heure.

3) Suspension : La vitesse du courant est plus rapide, les matériaux sont emportés par le

courant et voyagent à la même vitesse que celui-ci.

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Toujours selon Schnobb : "Un grain débutera son transport lorsque la contrainte de son poids

et du frottement sera dépassée par la contrainte d’emportement et de la poussée

d’Archimède". Plusieurs autres facteurs influencent ces contraintes, notamment, l'angle du

granulat, ses dimensions, la pente de la rivière, etc.

Le transport par suspension organise ainsi la répartition des sédiments dans la rivière: en

amont le lit sera composé de gravier grossier et de particules plus fines en aval. On observe

aussi que les gros grains sont généralement au fond du lit, les grains moyens sur les plages et

les grains fins sont sur les parties hautes des berges.

La granulométrique amène à définir des valeurs numériques représentatives du dépôt

sédimentaire du fond du chenal ou des bancs. Elle consiste à analyser la distribution

statistique des tailles de particules sur un échantillon terrain. Les sédiments ayant une forme

hétérogène, on les caractérise dans l'espace selon 3 axes. On mesure le diamètre passant du

sédiment, c'est à dire le plus petit diamètre permettant son passage au travers d'une maille de

tamis (axe c du schéma ci contre).

Figure 37: Les 3 axes spatiaux d'une particule

Nous avons décidé de faire deux séries de mesures granulométriques des bancs alluviaux au

niveau des puits de captages: la première à l'abord immédiat des puits n°0 et n°1 (là où les

marques d'érosions sont les plus visibles), la seconde dans l'axe du chenal de crue coupant le

banc en aval de ces mêmes puits (CF schéma ci-dessous). Nous avons pour cela réalisé un

échantillonnage par placette de type Wolman.

Figure 36: Méthodes de transport des solides, source DEGOUTTE, Gérard, Notes de cours hydraulique, dynamique et morphologie fluviale, Université de Paris VI

P a g e | 38

Figure 38: Position des prélèvements granulométriques, méthode Wolman

La méthode consiste à prélever 100 échantillons en respectant une grille. Le prélèvement

s'effectue en ligne droite, définie au hasard dans la longueur du banc. Selon la taille de celui-ci,

l'opérateur choisi un pas de mesure. Ici nous avons choisi 20 cm soit une longueur de 20m

pour 100 mesures. Sur le terrain, nous déroulons un ruban d'arpentage que nous déposons au

sol. Tous les 20 cm, nous prélevons la particule à la verticale du ruban et nous mesurons son

diamètre passant à l'aide d'un pied à coulisse. Toutes les données sont arrondies au

millimètre.

On classe ensuite les 100 diamètres de la série par ordre croissant. Le cinquantième (d50) et le

quatre-vingt-dixième (d90) permettent d'évaluer la série.

Figure 39: Courbe granulométrique des deux placettes d'étude

P a g e | 39

2.3.2 Altitude de la ligne d'eau

L'altitude de la ligne d'eau est une donnée essentielle pour la caractérisation d'un cours d'eau.

En effet, elle permet de calculer sa pente afin de déceler les alternances entre seuils et

mouilles. Elle est aussi un moyen de quantifier les accélérations de l'eau par tronçon pour

calculer la puissance spécifique du système hydraulique. Celle-ci est alors représentative du

transport solide et des capacités érosives de la rivière. La comparaison d'une ligne d'eau sur

plusieurs années permet aussi de déceler les zones d'enfoncement ou d'exhaussement du lit.

En effet, elle est mesurée en période d'étiage. La faible épaisseur d'eau épouse alors le fond du

chenal de manière homogène. La variation de la ligne d'eau est ainsi synonyme de variation du

fond.

La représentation graphique d'une ligne d'eau est un profil en long. Les données existantes

m'ont permis de matérialiser cette ligne d'eau à l'échelle du tronçon VI de l'étude Epteau, de

1989 à 2009. Le graphique donne une bonne visualisation d'ensemble du tronçon de 23 km

mais ne permet pas une étude approfondie à l'échelle du site. En effet les points altimétriques

sont connus uniquement à hauteur des ouvrages d'art soit tous les 2 km environ.

Figure 40: Ligne d'eau à hauteur du tronçon VI de l'étude Epteau en 2000, 2005 et 2009 (graphique tiré des données existantes)

Pour obtenir des données plus fines à l'échelle des 6 km du site d'étude, il nous est donc

nécessaire d'acquérir nos propres mesures. Le calcul altimétrique de la ligne d'eau doit être le

plus précis possible. Nous utiliserons donc un système de positionnement satellite

centimétrique. Ce type de système est dit "GPS différentiel".

P a g e | 40

C'est un ensemble constitué de deux antennes réceptrices:

- l'une est appelée "base" ou "pivot", elle est disposée sur trépied et reste fixe.

- l'autre est appelée "mobile", elle est fixée sur une canne et c'est avec celle-ci que

l'opérateur prend les mesures.

Les deux antennes doivent pouvoir communiquer en temps réel par radio, elles ne doivent

donc pas être trop éloignées l'une de l'autre (maximum 10km) et marcher simultanément. Ces

instruments fonctionnent avec les constellations de satellites américains (GPS), russes

(GLONASS) et très prochainement européens (GALILEO en 2014). La meilleure réception

possible des signaux est nécessaire. Il ne doit pas y avoir de masque à proximité des antennes

(végétation, bâtiment). Le temps d'observation statique du pivot est au minimum d'une heure.

A contrario, il ne faut qu'une seconde pour mesurer un point avec l'antenne.

A l'échelle du site d'étude, les tronçons sont de 500m. Dix points par tronçons seraient

suffisant pour calculer la pente soit un point tous les 50 m de rivière. Nous pourrions acquérir

ces mesures par accès terrestre au cours d'eau depuis les rives, mais le relief et la végétation

empêchent par endroit le passage et la bonne réception des signaux satellites. Nous avons

tout intérêt à utiliser le protocole habituel de Véodis-3D pour lever la ligne d'eau. Il s'agit

d'installer le mobile sur une embarcation et acquérir les données GPS de manière cinématique

lors de la navigation. Le mobile enregistre alors un point toutes les secondes, le bateau

navigue à une vitesse moyenne de 5 m/s, on obtient ainsi une précision d'environ 1 point tous

les 5 m, ce qui est bien au-dessus de la précision minimale souhaitée et nous assure un rendu

correct.

Figure 42: Mobile GPS sur canne carbone (Ashtech Promark 500) Figure 41: Base GPS sur trépied (Ashtech Proflex 500)

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Figure 43: Mobile GPS embarqué pour le levé cinématique de la ligne d'eau.

Les données brutes GPS doivent ensuite être post-traitées à l'aide du logiciel GNSS-Solution

(Ashtech). Le rendu final est un fichier texte de points (XYZ) en Lambert 2 étendu.

Je peux alors spatialiser ces données sous Q-GIS, créer graphiquement le profil en long sous

Excel, puis le mettre en forme sous Inkscape. Le SIG me permet de localiser les structures

principales enjambant l'Allier pour les positionner sur le profil en long et ainsi faciliter sa

compréhension.

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Figure 44: Profil en long de la ligne d'eau (rendu final)

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Il arrive malgré tout que le GPS fonctionne mal:

- soit à cause d'une mauvaise communication radio entre le mobile et la base.

- soit à cause de masques au niveau du récepteur (arbre, falaise et pont) empêchant la

bonne réception des signaux satellites.

Il est donc impératif de naviguer au centre du chenal afin de s'éloigner au maximum de la

végétation et des berges.

Figure 45: Intégration du fichier de points de la ligne d'eau sous Q-GIS, ici une zone de masque à hauteur des puits

2.4 Production cartographique

2.4.1 Méthodologie

Etape cruciale de l'analyse spatiale, la cartographie à proprement parlé est indispensable dans

l'analyse géomorphologique fluviale. En respectant ses codes (Confère Sémiologie Graphique

de Jacques Bertin), la spatialisation de l'information est nécessaire pour plusieurs raisons.

Au commencement, elle permet la création d'une donnée qui n'est pas forcément visible au

premier abord. Dans notre cas la création de la carte du relief nous a permis de voir que le

champ captant du Cendre était situé exactement dans l'axe d'une dépression linéaire qui

semble être un ancien chenal. Par ailleurs, il faut que la carte cible une problématique précise.

Elle doit faire ressortir l'information essentielle et surtout éviter tout excès de données.

Ensuite, la représentation graphique de cette information nous donne la liberté d'émettre des

hypothèses et de les valider par recoupement d'informations. A titre d'exemple la carte d'Etat-

major de 1866 vient confirmer la présence d'un ancien chenal en aval immédiat des puits.

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Figure 46: Confrontation du MNT et de la Carte d’Etat-major pour déceler les traces d'un ancien chenal.

Enfin la réalisation de "belles cartes" est indispensable pour communiquer l'information.

L'information est importante si elle peut être communiquée, pérenne et renouvelable. Avant

de s'engager dans la production cartographique il est nécessaire de réfléchir sur l'usage de la

carte et le public visé. En l'occurrence, les cartes produites sont destinées au SIVOM. Le

syndicat est composé d'experts et de novices en matière de géomorphologie fluviale. Elles

devront être suffisamment claires et complètes, mais aussi compréhensibles par tous.

Techniquement j'ai réalisé l'intégralité des cartes en utilisant seulement le composeur

d'impression Q-GIS. J'ai uniquement utilisé Inkscape (logiciel libre de dessin vectoriel) pour

compléter l'habillage de la carte de synthèse sur les tendances morphologiques de l'Allier. En

terme de gestion de couches, j'ai défini l'ordre d'affichage de chacune à l'aide du panneau

d'ordre des couches, qui permet de conserver l'arborescence de classement souhaitée (raster-

vecteur, classement par usage puis par type)

Figure 47: Activation du panneau "Ordre des couches" de Q-GIS. Dans sa dernière version, le logiciel peut désormais différencier la position hiérarchique d'une couche dans l'arborescence et son ordre d'affichage.

Pour la sémiologie, j'ai sauvegardé les propriétés de chaque couche (le style) dans un fichier

".qml". J'ai utilisé différents degrés de transparence pour comparer les données par

superposition. Je me suis appuyé sur le site Colorbrewer pour déterminer les variations de

teintes afin de matérialiser la diachronie, en particulier pour la divagation du chenal sur 8

dates consécutives.

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2.4.2 Cartes réalisées

Carte hydraulique des aléas de crue

La planche graphique 2 présente les enveloppes de crues de décembre 2003 et l’aléa de crue

défini par le modèle hydraulique du laboratoire régional des ponts et chaussées pour la crue

de référence de 1866 (crue de période de retour supérieure à 100 ans).

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Carte du relief de la plaine d'inondation de l'Allier

Les données topographiques sont un des éléments essentiel au diagnostic hydro-

morphologique. En SIG, les cartes du relief donnent une bonne indication sur l'altitude d'un

terrain, qui est une information difficile à communiquer. Elles permettent d'avoir une vue en

plan du relief.

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Carte de divagation du chenal de l'Allier de 1946 à 2009

Elle se fonde sur une analyse diachronique des limites des chenaux au cours des 50 dernières

années. L’étude des documents cartographiques (cartes et images aériennes) permet de

reconstituer la dynamique spatiale du chenal et de mettre en évidence la tendance évolutive

du site d’étude.

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Carte de synthèse des tendances morphologiques de la rivière Allier

Cette carte fait la synthèse des enjeux présents sur le site d'étude (puits, protections de

berges, gravières). Elle résume les risques d'érosion et localise les deux principaux scénarios

d'aménagement possibles pour la protection des puits: la mise en place de végétation ou d'un

épis déflecteur.

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3 - L’évaluation de ces solutions L’objectif de la problématique est de développer un protocole d’étude géomorphologique à

l’aide du logiciel libre Q-GIS. Ce logiciel gratuit présente des avantages et des inconvénients, je

vais essayer d’en dresser une liste principale.

3.1 Avantages L'avantage principal de Q-GIS est sa gratuité. En effet, il est l'un des logiciels libres le plus

complet du marché. D'autre part, c'est un logiciel développé depuis quelques années (2002) et

régulièrement mis à jour. Son fonctionnement repose sur l'utilisation de modules

complémentaires régulièrement actualisés. Ainsi, la communauté du libre met à la disposition

de tous de nombreuses extensions interrogées directement sur server. Quantum-GIS est aussi

équipé d’une console Python permettant à l’utilisateur de créer ses propres scripts.

Parmi ces extensions, on peut noter principalement la possibilité d’utiliser GRASS sous un

environnement Q-GIS, et donc accéder à toutes les fonctionnalités du logiciel, très performant

en traitement raster.

A l’instar du « Model Builder » de la société ESRI, Q-GIS propose le module Sextante. Il offre la

possibilité de créer une chaine de traitements, en utilisant les fonctionnalités de base du

logiciel, mais surtout en reprenant les fonctions d’autre logiciels comme GRASS,

SAGA,GDAL...etc.

Figure 48: Aperçu des outils du module Sextante de Q-GIS

En plus de son interopérabilité reconnue, le logiciel est relativement bien performant en

matière de production cartographique. En effet, l’habillage des cartes grâce au composeur

d’impression permet un rendu abouti (carroyage géoréférencé, échelle dynamique,

légende…etc), même s’il est parfois nécessaire d’effectuer quelques retouches à l’aide d’un

logiciel de dessin vectoriel.

P a g e | 50

En ce qui concerne les données topographiques, le module Terrain Profile est relativement

bien abouti pour la création des profils. La précision souhaitée est définie en fonction du pas

de la région GRASS : si la taille du pixel est de 5cm, l’altitude sera interpolée sur le raster tous

les 5cm. On peut ainsi soit récupérer le document graphique du profil au format PDF et SVG 23

ou obtenir un tableau de points (distance à l’origine – altitude) nous permettant une

interprétation sous tableur.

3.2 Inconvénients Q-GIS présente aussi quelques inconvénients. Le plus gros est, à mon sens, sa difficulté à gérer

de grandes quantités de données. Dans mon cas j’ai pu observer un temps de latence allant de

quelques dixièmes de secondes à plus de 5 secondes. Cela devient relativement embêtant

lorsqu’il s’agit juste de zoom ou de déplacement dans le SIG. J’ai eu aussi la malheureuse

expérience de connaître à plusieurs reprises un plantage machine lors du couplage Q-GIS–

GRASS avec l’impossibilité totale de rouvrir le projet Quantum ou de charger la région GRASS

dans un autre projet. Autrement dit, cette situation rime avec la perte totale de toutes les

couches crées dans la geodatabase GRASS. La prévention de ce risque implique l’obligation

d’exporter l’intégralité des couches produites sous GRASS, dans le dossier racine Q-GIS. C’est

donc un travail récurant, qui prend beaucoup de temps et nécessite un stockage plus

volumineux.

En ce qui concerne la création de profils topographiques, nous avons vu que le logiciel était

très puissant dans leurs créations à partir de surfaces au format raster (MNT). En revanche, je

n’ai pas trouvé de solution pour créer les profils directement à partir de couches vectorielles

de points en ligne. En effet, lorsque l’on mesure un profil en long ou en travers, on obtient un

semi de points relativement linéaire (par exemple la ligne d’eau). Ils pourraient nous servir à

interpréter directement ces profils sous Q-GIS. Néanmoins je suis, pour l’instant, toujours

obligé de créer graphiquement ces profils sous Excel. En plus d’être sous licence propriétaire,

cette technique reste lourde et chronophage malgré un gabarit établi.

3.3 Evolutions Une des évolutions serait de travailler avec une vraie base de données spatiale. En effet, tout

au long de mon projet, j’ai utilisé Q-GIS pour créer des couches indépendantes et je les ai

chargées « à la volée » dans plusieurs projets différents. Pour respecter le choix des logiciels

libres, on pourrait par exemple travailler avec une base de données PostGIS-PostgreSQL et

interroger celle-ci sous Q-GIS. Je reste néanmoins sceptique qu’en à l’utilisation de Q-GIS en

client lourd dans une telle architecture, au regard des soucis que j’ai pu rencontrer et

principalement le plantage logiciel et la perte totale des données.

Un autre changement possible serait d’automatiser au maximum les étapes permettant les

calculs morphologiques (création des axes de bande actives et du chenal, segmentation en

tronçons). Le découpage d’un linéaire en plusieurs secteurs est par exemple une étape

manuelle qu’il serait bien d’automatiser.

23

SVG : format vectoriel du logiciel Inkscape. L’export en .svg permet d’habiller le profil

P a g e | 51

Pour la question des données topographiques, un effort de recherche peut être fait afin de

trouver une solution pour traiter directement sous Q-GIS les profils issus d’alignements de

points (reclassement, écrémage, détection d’éventuels de pics d’erreurs GPS, tracé).

Figure 49 : Comparaison du découpage réalisé sous Q-GIS et de la segmentation théorique nécessaire

A mon sens, l’évolution essentielle serait d’intégrer la télédétection dans la création des deux

données principales nécessaires à l’analyse diachronique : le chenal et les bancs (les deux

forment la bande active). En effet, ce qui prend le plus de temps est la création de ces données

par digitalisation.

Figure 50: Exemple d'image infrarouge couleur. Ici le bassin stéphanois.

P a g e | 52

Concernant le chenal, l’eau est sans aucun doute l’élément le plus fiable et le plus facile à

extraire en traitant une image aérienne infrarouge couleur. Certes ce type d’image est plus

onéreux, mais si l’extraction précise de dizaines de kilomètres de rivière ne prend que

quelques secondes avec un logiciel de télédétection, elle nécessite souvent de nombreuses

heures de digitalisation à partir d’orthophotographies classiques. A l’instar de la détection

automatique du chenal, les surfaces nues et la végétation chlorophyllienne sont facilement

identifiables. Comme les bancs (nus) sont compris entre la bande active et (presque toujours)

la végétation rivulaire, ils pourraient facilement être télé-détectés. D’autre part, Véodis-3D

réalise déjà l’acquisition de ses propres clichés aériens et la production d’ortho-photographies

par photogrammétrie multi-images. On pourrait envisager d’installer sur l’avion un capteur IRC

en complément de la camera classique.

Postface: l'Algèbre spatial pour le calcul tridimensionnel. Le stage étant ouvert sur l'étude géomorphologique fluviale dans sa globalité, j'ai eu la chance

de pouvoir travailler sur d'autres cours d'eau que l'Allier. La notion même de géomorphologie

rime avec analyse tridimensionnelle. En effet, dans la majorité des cas il est nécessaire de

comprendre la forme du lit de la rivière afin de suivre son évolution dans l'espace et dans le

temps: érosion du lit et dépôt de sédiments. Il est donc nécessaire de dimensionner ces

mouvements de matières dans les trois dimensions. Je me suis intéressé à cette problématique

en utilisant l'algèbre spatial. Je vais décrire rapidement le protocole que j'ai mis en place

permettant le calcul de cubatures par traitement raster.

Les données de départs sont deux MNT d’un même cours d’eau à deux dates. L’objectif est de

spatialiser les zones d’érosion et de dépôts, et de quantifier les volumes déplacés. J’ai travaillé

avec GRASS sous Q-GIS.

La première chose à faire est de définir la région GRASS couvrant intégralement la zone

d’étude. On choisit une taille du pixel approprié dont dépendra la précision des calculs.

P a g e | 53

P a g e | 54

Conclusion Une étude géomorphologique s’appuie sur des données dimensionnelles quantitatives et

qualitatives. Elles existent ou sont l’objet d’acquisitions terrains. Ce sont des données spatiales

hétérogènes (photos, notes d’expertises, mesures GPS…). Leur gestion est facilitée grâce à la

centralisation sous système d’information géographique. Le SIG est indispensable d'une part

pour produire une partie de ces données, mais aussi pour les représenter et permettre leurs

compréhensions.

En matière de logiciel, Quantum-GIS est relativement performant au regard de ses nombreux

plugins (profil topographique, géoréférencement, habillage …etc.), ou la possibilité d’appeler

les fonctions d’autres logiciels (GRASS). Néanmoins, cet outil est limité sur certains points

comme l’existence d’un temps de latence ou sa difficulté à traiter une grande quantité de

données. Leader des logiciels open source et favori de la communauté du libre, il reste promis

à un bel avenir.

En ce qui concerne la mise en place d’une méthodologie de travail et d’outils d’analyse pour

l’étude du fonctionnement des hydrosystèmes à partir du logiciel libre Q-GIS, l’objectif est en

partie atteint, mais reste cependant à développer. En effet, si la manipulation de données

rasters et vectorielles ne pose aucun problème, l’automatisation du procédé reste quant à lui à

privilégier. Je pense principalement à l’utilisation du module Sextante (l’équivalent du Model

Builder d’Esri) ou à la création de routines Python. Quant à l’évolution sur la digitalisation de

données rasters, la télédétection avec l’utilisation de photographies infrarouge-couleur me

semble être pertinente pour classer la bande active de la rivière (chenal et bancs alluviaux).

Le SIG n’a de valeur que si la donnée peut être exploitée, réactualisée et communiquée. La

cartographie est l'outil de communication de cette information. Rappelons que les cartes

produites sont à destination d’un syndicat mixte composé d'experts et de novices en matière

de géomorphologie fluviale. La difficulté réside dans la nécessité de trouver le bon compromis

entre un message complet et compréhensible par tous. Pour cela, un travail de vulgarisation

de l'information est essentiel. Il faut veiller à ne pas submerger l’auditeur dans un excès de

renseignements, tout en lui communiquant les données suffisantes à la compréhension du

problème.

Enfin, comme dans tout travail de recherche, les résultats permettent de justifier les

conclusions du spécialiste. Le SIG est avant tout un outil de travail, permettant l’interprétation

graphique de son raisonnement. Une erreur humaine ou logicielle est possible, ce qui impose à

l’expert de toujours contrôler ses résultats.

P a g e | 55

Bibliographie

Ouvrages

Amoros,C;Petts,G,E; (1993); Hydrosystèmes fluviaux; Ouvrage

publié aux éditions Masson, à Paris, en 1993, collection Ecologie

n°24; 300.p

aucun aperçu

Arnaud-Fassetta,G, Laganier,R; (2009); Les géographies de l'eau,

Processus, dynamique et gestion de l'hydrosystème; Ouvrage

publié aux éditions l'Harmattan, à Paris, en 2009; pp.182

Bravard,J,P,Petit,F; (2000); Les cours d'eau, Dynamique du système

fluvial; Ouvrage publié aux éditions Armand Colin, à Paris, en 2000;

222p.

Brice,J,C; (1964); Channel patterns and terraces of the Loup river in

Nebraska; U.S.G.S.; Prof paper 422D; 41p.

P a g e | 56

EPTEAU; (1998); Etude de l'Allier entre Vieille-Brioude et Villeneuve;

Rapport d'étude sur la rivière Allier réalisé par le bureau Epteau,

dans l'Ain, en 1988; 92p.

Pautou,G, Piégay,H, Ruffinoni,C; (2003); Les Forêts riveraines des

cours d'eau, écologie, fonctions et gestion; Ouvrage publié par

l'Institut pour le développement forestier, à Paris, en 2003; pp.17-

18

Ramade,F; (2008); Dictionnaire encyclopédique des sciences de la

nature et de la biodiversité; Ouvrage publié aux éditions Dunod, à

Paris, en 2008; pp.296

Shnobb,J; (2010); Hydraulique, dynamique et morphologie fluviale,

Résumé des travaux du cours "hydraulique, dynamique et

morphologie fluviale" de Gérard Degoutte, ingénieur au Cemagref;

Université du Québec à Chicoutimi; 38p.

P a g e | 57

Sites WEB

Dynamique fluviale; (2013); Etude caractérisant la

dynamique fluviale; En ligne sur le site de l'ONEMA (par lien

uniquement)

http://www.onema.fr/IMG/Hydromorphologie/3_conn1_dy

nfluv_vbat.pdf

Etiage; (2013); Article définissant l'étiage d'une rivière; En

ligne sur le site du dictionnaire Larousse

http://www.larousse.fr/dictionnaires/francais/%C3%A9tiage

/31455

Géomorphologie; (2013); Article définissant la

géomorphologie; En ligne sur le site de l'encyclopédie

Wikipédia

https://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9omorphologie

Holocène; (2013); Article définissant l'holocène; En ligne sur

le site de l'encyclopédie Wikipédia

http://fr.wikipedia.org/wiki/Holoc%C3%A8ne

INSEE; (2012); Les territoires auvergnats face aux nouveaux

enjeux démographiques; Etude publiée en 2012 par l'Institut

National de la Statistique et des Etudes Economique, en

ligne sur le site de l'INSEE

http://www.insee.fr/fr/themes/document.asp?reg_id=10&r

ef_id=19079#inter8

Lit mineur; (2013); Article définissant le lit mineur d'une

rivière; En ligne sur le site du magazine Futura-Sciences

http://www.futura-

sciences.com/magazines/sciences/infos/dico/d/geographie-

lit-mineur-6297/

http://www.onema.fr/IMG/Hydromorphologie/3_conn1_dynfluv_vbat.pdf

http://www.onema.fr/IMG/Hydromorphologie/3_conn1_dynfluv_vbat.pdf

http://www.larousse.fr/dictionnaires/francais/%C3%A9tiage/31455

http://www.larousse.fr/dictionnaires/francais/%C3%A9tiage/31455

https://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9omorphologie

http://fr.wikipedia.org/wiki/Holoc%C3%A8ne

http://www.insee.fr/fr/themes/document.asp?reg_id=10&ref_id=19079#inter8

http://www.insee.fr/fr/themes/document.asp?reg_id=10&ref_id=19079#inter8

http://www.futura-sciences.com/magazines/sciences/infos/dico/d/geographie-lit-mineur-6297/



P a g e | 58

UVED; 2013; Les risques naturels "aquatiques", Les enjeux

liés à la gestion des risques d’inondation; Article en ligne sur

le site de l’Université Virtuelle Environnement &

Développement durable

http://www.uved.fr/fileadmin/user_upload/modules_introd

uctifs/module3/risques/2.1.2/html/2_1.html

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Mise en place d’une méthodologie et d’outils d’analyses à ...

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