Bultatfn d« Nabon du CtEH n° 90, oetobr» 1992

TELEDETECTION ET APTITUDE AU RUISSELLEMENTDES BASSINS VERSANTS SAHEUENS

Par Christian FUECH et Olivier DEL AHA YE »

RESUME

Les méthodes classiques de détermination des débits de crues sur les petits bassins versants du Sahel sont très impréciseset il est reconnu que c'est la mauvaise connaissance de l'aptitude des bassins au ruissellement qui est responsable de cetteimprécision. L'objectif de cet article est de préciser l'apport de la télédétection dans cette connaissance et dans ladétermination du ruissellement. Le choix de la référence pour la liaison type de sol/ruissellement a été celui du cataloguedes états des diverses surfaces du Sahel de Casenave et Valentin, qui synthétise les résultats du mini-simulateur de pluiesur une dizaine d'années dans la région. Les étapes de la démarche sont les suivantes :

1) détermination des plans élémentaires «densité de végétation», «type de sol» et «culture/non culture» à partir d'imagesLandsat TM de saison sèche (Décembre 1988) et de mesures de terrain par transects ;

2) reconnaissance sur le terrain des différents états de surface type, par mesures de terrain précises, dites «lignes» ;

3) passage des plans élémentaires à la cartographie des états de surface types par corrélation entre les deux résultatsprécédents ;

4) obtention d'une équation de lame ruisselée pour chaque pixel, donnant par exemple la lame ruisselée décennale.

Au delà de cette cartographie des lames ruisselées, nous avons tenté une modélisation des écoulements sur les bassinsversants de Manga (10, 55 et 98 km2) au Burkina Faso, en nous servant du cheminement des eaux, dicté par un modèlenumérique de terrain. Les résultats obtenus sont encourageants.

Nous nous penchons dans cet article sur les raisons qui permettent de penser qu'au Sahel le contexte est favorable pourl'utilisation de la télédétection pour résoudre ce problème, mais aussi sur tous les écueils de la méthode proposée qui nesont pas entièrement contournés.

Mots clés : télédétection, hydrologie, bassins versants, Sahel.

ABSTRACT

Conventional methods for flow discharge determination in the small watersheds in Sahel are very imprecise. It is wellknown that insufficient knowledge of the natural capacity of watersheds for run-off is responsible for that imprecision.The aim of this article is to precise the contribution of remote sensing to this knowledge and thus to run-off determination.Soil type/run-off binding reference has been chosen in the superficial conditions in Sahel listing by Casenave and Valentin.This listing synthezises the results of the rain mini-simulator obtained since about ten year measurements in the region.Steps for the study are the following :

1) Determination of elementary plans «vegetation density», «soil type» and «crop/no crop» from Landsat TM images duringdry season (Dec. 1988) and on field measurements along transects.

2) Site investigation of the different types of superficial conditions, by precise field measurements, named «lines».

3) Transfer from elementary plans to typical superficial conditions survey by correlation between the two preceding results.

4) Elaboration of an equation giving the run-off depth for each pixel, e.g. giving the décennal run-off depth.

Beyond this run-off depths cartography we tried to modelize streaming on the Manga water-sheds (10, 55, and 98 km2)in Burkina Faso, using traversing of waters given by a numerical site model. Achieved results are attractive.

In this article we examine reasons which allow to think that context in Sahel is propitious to the use of remote sensing tosolve this problem. Yet all the snags in the method are not already solved.

Key words : remote-sensing, hydrology, watersheds, Sahel.

(n Laboratoire commun de télédétection LCT CEMAGREF/ENGREF. Communication présentée aux 4*™ journées scientifiques du réseautélédétection de l'UREF, «Télédétection appliquée à la cartographie thématique et topographique». Montréal - Octobre 1991.

Bulletin de liaison du CIÊH n* 90, octobre 1992

INTRODUCTION

Les méthodes classiques de détermination desécoulements sur les petits bassins versants sahéliens seheurtent à la difficulté d'appréciation de l'aptitude auruissellement. Lesméthodes d'estimation élaborées pourla détermination des crues (Rodier- Auvray, 1965, Puech-Chabi, 1983) et pour celle des apports (Rodier, 1975-76)considèrent le bassin versant de façon globale.

La précision globale des estimations peut être médiocre,les résultats dépendant de la détermination des paramè-tres de description des bassins qui est relativementsubjective, notamment la perméabilité. La détermina-tion de ce dernier paramètre dépend grandement del'expertise de l'hydrologue et l'ingénieur de projet peutse sentir démuni face à ce problème.

Il est aussi des cas où la répartition des zones perméableset imperméables sur le bassin versant est inversée parrapport aux bassins ayant servi de base à l'élaborationdes méthodes. Ainsi, on peut dire que c'est de la mau-vaise connaissance de l'aptitude au ruissellement queviennent la plupart des difficultés d'estûn ation des débitssur ces bassins versants.

Nous nous sommes posé la question de savoir en quoi latélédétection et les techniques de description spatialeassociées pouvaient aider à une connaissance plus cor-recte de ces bassins, plus indépendante de l'opérateur et,partant, à une meilleure détermination des critères deruissellement. Nous décrivons ici l'état actuel de notrerecherche en ce sens.

UN DOMAINE A PRIORI FAVORABLE A L'UTILI-SATION DE LA TELEDETECTION

La perspective d'utilisation de la télédétection part d'uncertain nombre de constatations faisant a priori du Sahelune zone où les informations satellitaires peuvent êtrefacilement valorisées dans le contexte de la connaissancedes ruissellements. Ces constatations sont les suivantes :

- grandes étendues sans données précises ;- écoulement souterrain négligeable devant le

ruissellement au cours des crues ;- ruissellement essentiellement fonction de facteurs

de surface ;- éléments de surface décryptés facilement sur les

images satellites du fait de l'alternance des saisonssèche et pluvieuse et de la faible couverture arbo-rée ;

- précision très médiocre des méthodes de calcul desdébits de crue sur petits bassins.

Dans ce projet nous tentons d'utiliser cette conjonctiond'éléments favorables pour permettre une approchenouvelle de l'estimation du ruissellement. Notre efforts'est porté sur plusieurs niveaux de recherche, autant demaillons permettant d'aller des données images jus-qu'aux valeurs de débits.

NIVEAU GLOBAL

Une première utilisation possible de la télédétectionpour la connaissance des débits pour les bassins du Sahela été exposée lors des Journées Techniques del'AUPELF-UREF à Ouagadougou en Mars 1990 (".Elle consiste à utiliser les images satellites pour définirles états de surface de la zone d'étude et de relier chacunde ces états à un critère de perméabilité. La connais-sance de la répartition spatiale des états de surface surles bassins à étudier permet alors de déterminer unparamètre global de perméabilité sur l'ensemble dubassin, au prorata de la répartition des divers états desurface rencontrés. On peut opérer de la même façonpour la connaissance du facteur pente à partir d'une sériede photos aériennes et/ou d'un modèle numérique deterrain si l'on dispose des éléments pour le calculer. Dèslors, il devient possible d'utiliser ces renseignementsdans une détermination des débits qui utilise les métho-des classiques.

Dans cette méthodologie, la télédétection est utiliséecomme aide à l'estimation des paramètres ; elle se placeen quelque sorte comme un garde fou à opposer auxestimations plus ou moins subjectives habituelles.

Les résultats obtenus par cette méthode, appliquée surle bassin versant du Baongo près de Titao au BurkinaFaso, ont été validés à 2 niveaux :

- Validation de la carte des états de surface obtenusà partir de l'image SPOT XS du 21.10.1988 parcomparaison à des photos aériennes basse altitude.concomitantes à la fois aux observations de terrainet à l'image satellite.

- Validation des débits estimés, en les comparant audébit observé sur le terrain lors d'une crue pratique-ment décennale. Le débit observé (52,5 m3/s) esttrès proche des estimations effectuées à l'aide desméthodes classiques dans lesquelles on a injecté lesparamètres estimés comme indiqué ci-dessus (res-pectivement 47,8 et 60 m'/s). Mais il est difficile deconclure sur une seule observation.

(1) Communication reprise dans le n° 81 du bulletin de liaison du CIEH de juillet 1990.

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Bulletin de liaieon du CIEH n ° 90, octobre 1992

Au cours de cette première étude ont été abordés lesproblèmes de méthodologie de terrain et de décodagedes images dans un contexte de «paysage ouvert» où lesentités à décrypter au sol ne correspondent pas à uncritère unique et précis (tels que «blé», «maïs», . . .) , maisà une juxtaposition sur le terrain d'entités différentes enpourcentages variables : sols nus, savanes, cultures,habitations, arbres divers, composant à l'intérieur mêmed'un pixel SPOT (20*20 m) un amalgame souvent com-plexe.

NIVEAU SPATIALISE

Nous abordons dans cet article une deuxième approchepossible de l'utilisation des images satellites, visant cettefois une connaissance spatialisée de l'aptitude auruissellement de ces bassins.

L'hypothèse de base est d'essayer de récupérer lesinformations sur les transformations élémentaires pluie-débit fournies par l'appareil dit «mini-simulateur depluie» que l'ORSTOM utilise dans le Sahel depuis unebonne dizaine d'années. Il se trouve en effet qu'unesynthèse sur les états de surface du Sahel donnant pourchacun d'entre eux une équation de lame ruisselée enfonction de la pluie a été récemment réalisée parl'ORSTOM (Casenave et Valentin, 1989). Malgré tousles défauts de cette connaissance, dus essentiellement àla taille de la mesure effectuée (seulement lm!), il estapparu intéressant d'essayer de coupler ce type derenseignement à ceux issus de la télédétection.

La méthodologie a consisté à déterminer à l'aide d'ima-ges satellites la composition en «états de surface types»représentative de chaque pixel. A partir de cette con-naissance il est possible de connaître pour chaque pixelélémentaire la fonction de production associée à unepluie donnée, ce qui conduit à une cartographie despossibilités de ruissellement du bassin versant.

Au delà de ce but simplement cartographique, il estintéressant de voir dans quelle mesure il est possible depasser à la connaissance des débits sur l'ensemble dubassin versant avec tous les problèmes, liés au change-ment d'échelle, qui en découlent.

Mini-simulateur de pluie et états de surface

Le mini-simulateur de pluies de l'ORSTOM est unappareil qui simule une pluie sur un carré élémentaire delm . Les essais sont menés de façon à pouvoir relier lalame ruisselée aux valeurs de pluie P et à l'Indice de pluieantérieure Ip caractérisant l'état d'humidité du sol. Unprotocole précis de pluie en fontion du temps est appli-quée.

Les résultats de ces simulations permettent, en théorie,d'associer à chaque type de surface de taille lm2, uneéquation hydrologique reliant la pluie, l'indice des pluiesantérieures et la lame ruisselée, de la forme suivante :

Lr = a.P + b.Ik + c.P.Ik + d (1)

dans laquelle :Lr = valeur moyenne de la lame ruisselée pour le type

modal (mm)P = pluie journalière de récurrence annuelle ou

décennale (mm)a, b, c, d coefficients dépendants du sol.Ik = indice des précipitations antérieures (de Kohler),

fonction de la pluie et de l'indice de la veille.L'indice du jour n est calculé à partir de l'indicedu jour n-1 par :

^11= (^n-i + pn-l) e"x t @) avect = le temps en joursx = coefficient d'ajustement, généralement pris égal

à0.5

Le mini-simulateur a été utilisé sur de nombreux états desurface du Sahel, à tel point que Casenave et Valentinont pu en sortir une synthèse en 1989.. Cette synthèse faitressortir les points connus précédemment, à savoir quela présence d'une croûte de battance sur le sol modifiegrandement les conditions du ruissellement. Plusieurstypes de croûtes ayant été définis, chacun avec sa propreréponse, il apparaît important de pouvoir les distinguerconvenablement. Le catalogue présenté à l'avantage deproposer une base de références homogène et stable surla zone en question, et il semble donc a priori intéressantde chercher à s'y ramener.

Tableau I : Classes des états de surface types

Code

ClC2C3TERVERDESST1ST2ST3ERODECGRORUIEOL

Désignation

Cultures 1Cultures 2Cultures 3Termites et ver»VersCroûte de dedicationCroûte structurale à 1 horizonCroûte structurale a 2 horizon*Croûte structurale à 3 horizonsCroûte d'érosionCroûte décantationCroûte grossièreCroûte de ruissellementCroûte de dépôts éblien»

On trouve le premier écueil de la méthode quand on sepréoccupe de savoir quelles observations sont nécessai-res pour définir sans ambiguïté ces états de surface types.On s'aperçoit alors que la détermination des différentestypes de croûtes observables nécessite la connaissance

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BultaOn dslMtwidu CIEH n* 90, oetobr* 1992

de paramètres tels que culture/non culture c'est-à-diredes éléments a priori détectables sur image satellite,mais aussi une série d'autres observations qui sont, aucontraire, d'une finesse trop grande pour être détermi-nées à partir des images : par exemple le nombre de

micro-horizons, la présence de termites,... (Cf. figure 1).Il en ressort que les images satellites ne pourront pasnous donner directement les renseignements voulusmais qu'il faudra opérer par étapes successives.

Figure 1 : Clef de détermination des types de surfacesd'après Casenave et Valentin (1989)

Les principales surfaces Élémentaires

oui

S-30%

(CULTURE ]

>30%

>20%

non

kwrfculM

<20%

oui

non

CULTURALE 1

CULTURALE 2

CULTURALE 3

TERMITES ET VERS

VERS

DESSICCATION

STRUCTURALE 2

STRUCTURALE 3

DECANTATION

Ottoeh»Ou de cuirau*

GROSSIERE

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Bulletin de liaison du CICH n° 90, octobre 1992

figure 2 : Situation des bassins versants étudiés et des images satellites utilisées

i-v

Bassin

8OUKOUMASIANGHAZEGUEDEGUENYITENGANAGBANGREOUEDBILALOURE/MANG/TIEBELE

Tailleen Km*

43075030

49010045015010030

P/an

5507007007008008008509001150

Da

IMAGE

23 11 887 11 88

18 128818 128823 11 88

18 12 8818 12 88

teRelevés deterrain

juillet 90fin mai 90

novembre 90mai 90mars avrif 90

fév avril 90avril 90

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BulletindaliawonduCIEHn° 90,octobre 1992

Télédétection et résultats cartographiques associés

Zone d'étude

La zone d'étude couvre tout le Sahel. Cependant nousavons privilégié deux axes pour nos calculs de faisabilité :

- Un premier axe nord-sud au Burkina Faso quiconcerne une dizaine de bassins versants de 10 à 400km^ sous une pluviométrie annuelle moyenne al-lant de 400 mm à 1200 mm (Cf. figure 2). Lesdonnées satellitaires correspondant à tous les bas-sins de cet axe ont été traitées, et nous présentonsici les résultats du groupe de Manga, contenanttrois bassins très proches dont 2 emboîtés : lesbassins de Louré, Kazanga, Binndé (Cf. Tableau 2pour leurs caractéristiques).

- Un deuxième axe de support d'étude est en cours :il concerne 4 groupes de bassins du Sénégal auBurkina Faso, et doit nous aider à voir les limitesdans le cas de variations des types de sols. Dans cedeuxième groupe, nous avons gardé les bassins deManga, présentés ici, afin de pouvoir relier lesrésultats de cette série à ceux de la série précédente.

Images satellites utilisées

Dans cette approche, nous avons préféré les imagesLandsat TM aux images SPOT, pour les raisons suivan-tes :

- Le changement de résolution en passant de SPOT(20 m) à Landsat TM (30 m) ne nous a pas sembléfondamentalement gênant dans ces paysages«ouverts» sahéliens combinant plusieurs entitésdistinctes superposées. La détection parfaite detoutes les composantes individuelles au sol deman-derait en fait une résolution compatible avec cha-que arbre individualisé, ce qui n'est ni possible avec

Tableau 2 : Caractères physiques et morphologiques des bassinsde la région de Manga

les satellites civils d'observation de la terre actuel-lement en service, ni peut-être souhaitable quandon s'intéresse à la caractérisation de bassins ver-sants de dizaines voire de centaines de kilomètrescarrés.

- L'apport de TM nous a paru, par contre, intéressantpar la gamme plus complète de longueurs d'onde etla possibilité de décoder des informations plusnombreuses à partir d'une seule image.

- Enfin, un des critères de choix et non des moindres,est la possibilité d'avoir sur la même image, à lamême date, des bassins versants contigûs ou emboî-tés, et donc de pouvoir couvrir l'ensemble de la zoned'étude avec une seule et même classification d'ima-ges.

La date d'image retenue est le début de la saison sèche,car elle permet à la fois de bien caractériser les sols,élément essentiel de notre quête, et de différencierculture/non culture ce qui est aussi nécessaire pourutiliser la grille d'états de surface types. Pour les bassinsversants de Manga qui vont servir, d'exemples à notredémarche, l'image utilisée est la kl 95 j52du 18.12.1988.

Méthodologie de terrain mise en oeuvre (figure 4)

La méthodologie de terrain s'inspire à la fois de ce quenous avons mis au point dans l'étude globale précitée, etdes nécessités nouvelles imposées par la grille de con-naissance des états de surface types. Dans la pratiquenous avons réalisé une double mesure de terrain :

Une première série de mesures était destinée à décoderles images de télédétection en plans élémentaires physi-ques tels que «végétation», «sols», «occupation du sol».Etant donné les difficultés de positionnement sur leterrain, il est exclu de vouloir faire des observations deterrain avec la précision d'un pixel et nous avons dû nous

résoudre à faire des mesures sur deszones homogènes ayant une taille deplusieurs pixels contigûs.

Superficie en km"Périmètre en kmIndice de compacitéRectangle (Squivolniil

Longueur en kmLargeur en km

Cote minimum en mCote maximum en niCote 95% de surtacnCote 5% d<> surfaceIndice global do pente

Louré

98.04 2,01.19

14,07,0

260330316,6270,13,32 m/km

Kazanga

54,832,01.21

11.05.0

269330319,1274,54,09

Binndé

9,713.81,24

4.931,97

299330324,5300.-54,87

C'est pourquoi nous avons opéré par«transects» avec des blocs d'observa-tion ayant une échelle compatible avecla taille des pixels utilisés : on a retenudes carrés de 100 x 100 m le long deparcours de 2000 m. Ont été relevés defaçon aussi précise que possible leséléments de type et densité de végéta-tion, de type, couleur et occupation dusol, chacun en pourcentage sur le carréde mesure.

16

Bultodn <to llataon du CIÇH n" M , ootobr* 1M2

Figure 3

, i - OJ

17

BulMbi «to IWwn du CKH n" M, ootobr* 1M2

Le nombre de transects étudiés a varié de 10 à 20 selonla superficie des groupes de bassins versants étudiés (de30 à 400 km*).

Par exemple sur le bassin versant de Louré-Manga (98km1), 12 transects d'une longueur totale de 18.000mètres ont été étudiés (Cf. figure 3). Ceci corresponddonc à une «surface enquêtée» de 1,8 km2 pour unesuperficie de 30 km2 (soit un taux d'échantillonnage de1,8/30 - 6%).

Une deuxième série démesures, sur une échelle plus fineet un nombre de paramètres plus grand, a aussi été faiteconjointement afin de connaître, localement, la liaisonentre les paramètres visibles sur images satellitaires etceux nécessaires à l'utilisation de la grille des états desurface types. Ces mesures ont été faites par «lignes» de250 m de long, et l'on a associé une «ligne» à chaque«transect» défini plus haut.

Un grand problème s'est révélé lors des premièresmanipulations : le positionnement exact des transectsdans l'image s'est révélé être très délicat par l'absence depoints de repère précis dans ces zones, et l'absence decartes topographiques adaptées, et ceci malgré l'utilisa-tion conjointe de photographies aériennes. Dans cer-tains cas, le positionnement du transect par l'équipe deterrain s'est révélé avoir dérivé de 1000 à 1500 m parrapport à la position exacte (insuffisance de points derepère ou déplacement de pistes entre la date de réali-sation des divers documents et celle du contrôle deterrain). La solution, très satisfaisante, mise ensuite enpratique a été l'utilisation systématique d'un appareil depositionnement par satellite (GPS : Global PositioningSystem), qui, utilisé en relatif, a donné les positions avecune précision meilleure que 20 m, c'est-à-dire unemesure totalement compatible avec la taille du pixelsatellite.

Dépouillement des images (Partie II du schéma général,figure 4)

Les classifications d'images ont été faites sur un modedirigé, sur logiciel «multiscope» en utilisant la méthodedu maximum de vraisemblance, et l'on a cherché àdéfinir une série de classifications différentes donnantdes plans physiques d'explication élémentaires.

L'apprentissage a été fait essentiellement à partir desmesures de terrain par transects, en nous basant sur laportion de relevés présentant une stabilité du critèreétudié sur un ensemble d'au moins 3 carrés consécutifs(300 m). Il a été complété à partir d'éléments évidents del'image : eau, village, cuirasses latéritiques, marigots...

Un premier plan dit «végétation» a été élaboré sur labase de 5 classes de densité de végétation séparées parles seuils 2 %, 5 %, 15 % et 40 %. La précisiongéographique, par exemple sur le bassin d̂ e Louré-Manga, est de 71 %, 90 %, 31 %, 30 % et 69 % pour les5 classes de végétation et 92 % pour l'eau.

De même a été défini le plan «occupation du sol»cherchant à séparer les zones de culture, jachère et«nature». Après regroupement de classes on arrive à uneprécision géographique de 71 % pour la classe culturemajoritaire et 70 % pour celle de nature majoritaire.

Enfin, le plan «types de sols» a différencié les zonessuivantes : affleurements rocheux et cuirasses, blocs etgraviers, gravillons, sables grossiers, sables fins, limons.La précision géographique par classe varie de 54 % à 90

Les confusions auxquelles on arrive sont tout à faitconvenables surtout si l'on se place dans le contexte deprise d'information de cette zone. En effet les matricesde confusion dont nous venons de donner quelquesrésultats ci-dessus, ne sont pas adaptées à la détermina-tion de la qualité de décodage de l'image satellite avec cetype de paysage et des parcelles d'apprentissage de cettetaille.

Prenons un contre-exemple simple : supposons uneparcelle d'apprentissage (100 x 300 m2) à laquelle nousavons attribué une densité de végétation moyenne declasse 3 (5 % à 15 %). Dans la réalité cette parcelle peutêtre composée d'un mélange de pixels de classes 2,3 et4 dont la densité moyenne est comprise entre 5 et 15 %.La classification, au contraire, individualise chacun despixels et les range dans la classe correspondante. Aussi,quand on comptabilise à la fin du calcul les pixels bienclassés, même si le calcul est parfait, on doit observer surla matrice de confusion une dérive de pixels vers leszones voisines : classe 3 vers classes 2 et 4 dans l'exempleà-dessus.

C'est en fait ce que l'on a observé sur les matricescalculées et ceci nous permet de dire que la qualité dedécodage de l'image est peut être bien meilleure quecelle indiquée par les chiffres ci-dessus. La seule façonde trancher sera de procéder à des validations autres deces résultats.

Obtention des cartes d'états de surface et de l'aptitude auruissellement (Partie III du schéma général, figure 4)

Arrivés à cette étape, nous connaissons pour chaquepixel de l'image l'état de sa surface par le triplet sol/végétation/occupation du sol. Nous l'appellerons SVC,C pour le plan Culture/non culture qui est un dérivé del'occupation du sol (Cf figure 6).

18

BuMbi tfeMaon duCPEH n' M, octobre 1992

Figure 4 : Schéma de la méthode utilisée pour décoder les images

l. TRAVAIL DE

Cat*loque desétats de surface

au Sahcl (US)

Répartition des étatsde surface (ES) lelong des "lignes"

Observations lelong des lignes :...sol-vcgot-culture (SVC)et critères * finspour définir les ES

Observations le longdes "transects" :

sol-veget-culturc,(SVC)

C16 de passage visuellesur le terrain :S,V,c -> ES

Répartition des états desurface ES le long des

"transects"

% . TELEDETECTION.

Informations ObservationsIMAGE SATELLITE + évidentes de 1 ' image 4 de type

(plans d'eau, forêts, "transects"

Plan :Occupation du sol

simplifié en plan cculture - nature

1

Plan S :Types do sols

Plan VDensitévégétât

de

XMge résultatintégrant les

informations SVC

PASSAGE AUX LAKES R0T6SELEES

Répartition des états desurface ES le long des

"trans«cts"

Observations le longdes "transects" :

«ol-veget-culture SVC

Image résultatintégrant les

informations SVC

Recherche d'une clé depassage statistique

SVC - > ES

Application de cetteclé a l'image SVC

Image des ES«t

laage des LrlO

19

Bulletin d« liaison du CIEH n' 90, octobre 1992

C'est id que nous faisons intervenir la deuxième série demesures de terrain, qui nous donne pour le bassinversant étudié, des statistiques sur l'apparition simulta-née des critères «grossiers» (S VC) déjà cartographies etde ceux plus fins nécessaires à l'utilisation de la grille dedétermination.

Nous partons de l'hypothèse que, localement, la pré*sence ou l'absence de micro horizons, termites et autrescritères «fins» ... est associée à la description grossièredes paysages. Et que si, localement, on£ pu déterminerla combinaison d'états de surface types associée à teltriplet SVC, on suppose que dans toute l'image onretrouvera la même association.

Il suffit donc de trouver localement une règle statistiquede passage entre les triplets SVC et les combinaisonsd'états de surface. On peut, si le bassin versant est grandet la stabilité statistique non assurée, travailler en partiesd'images segmentées.

Ainsi à tout triplet SVC, donc à tout pixel est associé uneéquation de lame ruisselée de forme ;

Lr = a.P + b.Plp + d p + d

a, b, c, d sont des coefficients fonction du triplet, doncdépendants du type d'état de surface.

Le passage à une carte des valeurs de ruissellement nepose alors plus de problèmes puisqu'il suffit de fairel'hypothèse d'une pluie donnée et d'un indice de pluiesantérieures donné pour avoir la cartographie de laproduction élémentaire au niveau du pixel. La figure 7est un exemple d'un tel résultat pour les bassins deManga, avec une pluie de 120 mm et un indice de pluiesantiérieures de 20 mm.

Essai d'utilisation de cette carte dans une connaissanceglobale des débits sur le bassin versant

L'extrapolation de ces résultats élémentaires à unesurface hétérogène plus grande, comme le bassin ver-sant, pose de grands problèmes.

Détermination du volume de crue

La méthode la plus simple consiste à faire cette extrapo-lation par la somme des équations des lames élémentai-res, pondérées au prorata de leurs étendues respectives.

Lrc = Si (Lri • s)/S (Lame ruisselée calculée)Krc =Si (Lri • s)/S/P10 (Coefficient de

ruissellement

où Lri est la lame ruisselée produite par le pixel i,S la surface du bassin, s la surface du pixel,P10 est la pluie décennale pour un événement.

Or, on sait bien que le ruissellement global d'un bassinn'est pas la somme des ruissellements partiels. Unedérive certaine se produit, que l'on peut appeler «effetd'échelle», ou de globalisation, et qui vient du compor-tement différent de parcelles juxtaposées ... ce qui faitque, théoriquement, on n'a pas le droit de faire cetamalgame.

Ce problème d'échelle est, pour l'instant, le point le plusobscur de la démarche qui atteint ici ses limites : un telpassage, de 1 m à la taille d'un petit bassin de l'ordre de10 à 100 km', correspond à un facteur d'échelle de 107 à10* ! Or, il est déjà évident que le comportementhydrologique d'un mètre carré est très différent de celuid'un champ ou d'un versant. Que dire alors quand onpasse au bassin en entier ? De plus cette méthodologiene tient pas compte :

- des pentes : heureusement celles-ci sont générale-ment faibles dans le Sahel et leur influence sur leruissellement moins importante que celle des étatsde surface;

- de la modification des infiltrations due auruissellement provenant de l'amont du carré demesure ;

- de la succession des perméabilités lors du chemine-ment des eaux : la présence d'une zone sableuse n'apas le même effet en haut de versant et en bas depente.

C'est pourtant la solution que l'on retrouve habituelle-ment dans les documents de l'ORSTOM, qui contournepar l'aval la difficulté en utilisant un «coefficient decalage» : rapport entre valeurs calculées et valeursobservées, qui rattrape ou cache tous les défauts de laméthode. Ce coefficient est établi à partir de mesureshydrologiques (débits) qui sont comparées aux résultatscalculés par mini-simulation de pluie étendue au bassinversant.

Ce coefficient de calage nécessaire pour raccorder cetteestimation à la réalité peut s'exprimer sous forme d'unerégression linéaire :

(Lr.observée) - A * (Lr.calculée) + B (3)

La validité de la méthode n'est donc pas résolue puisquece coefficient de calage est une «boîte noire» déterminéea posteriori et qui englobe tout ce que ce modèle ne saitpas encore quantifier, comme en particulier la hiérarchi-

20

Bulletin <to liaison du CIEH n* 90. octobre 1992

BASSINS VERSANTS DE MANGABURKINA FASO

MODELE NUMERIQUE DE TERRAIN

IMAGE DES CLASSES D'ETATS DE SURFACE

v-»»•„-•

1 ••

• • • • « • • • « * • « * » •h ' s u r e BASSINS DE BINNDE ET KAZANGA

IMAGE DES LAMES RUISSELLEES CORRESPONDANTA LA PLUIE DECENNALE DE 120 MM

Figure 6

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sa «a ?e s» > Figure 721

Bulatln d« RaiMn du CIEH n° 90, ootobr* 1992

sation des états de surface au sein du bassin venant, leseffets de pentes,... Déplus, ces coefficients de calage sontnon seulement variables dans l'espace (d'un bassin àl'autre), mais aussi dans le temps (d'une année à l'autresur le même bassin).

Malgré ces graves inconvénients, on garde l'espoir deparvenir directement de la mesure locale à l'estimationde la lame ruisselé* a l'échelle du bassin versant (Albergel1987).

Sur les 3 bassins de Manga, nous avons établi cettefonction de calage en comparant les résultats bruts delames ruisselées données par notre détermination et lesobservations hydrologiques effectuées sur le terrain en1963-65 et 1983-85 par les équipes de l'ORSTOM. On aobtenu (Cf la figure 8 qui montre le calcul effectué surLouré) :

Tableau 3 : Paramètres des hydrogrammes-type

Bassin versant Z. •

Dorée de l'averse unitaireTemps de montée .Temps de réponseTemps de baseDébit max par lame de 1mmCoefficient de forme Qm/Ob

1 h4h '.53h 4525h4,94,5

Kazanga

20 mn70 mn90 mn6h 207,83,3

Binrdé

10 mn30 mn40 mn3h -102,92.7

Tableau 4 : Résultats de 1967 des études des crues

Pluie journ. ponctuelle d'occurence annuelleCoefficient d'abattementPluie annuelle moyenneCoefficient do ruissellement'annualDébit 8nnuel

Hyétogramme à un corpsHyétogramme à deux corpsValeur adoptée

Pluie journ. ponctuelle d'occurence décennalCoefficient d'abattementPluie décennale moyenneCoefficient de ruissellement décennalDébit décennal

Hyétogramme à un corpsHyôtogramme à doux corpsValeur adoptée

Lame ruissclée Décennale Lrç g 32,

Louré

630,82S231 %

115861 0 0

100,60,7878,541 %

2531817.17

î 33.0

Ka/anqn

630.805129 %

79657?

100,60,808041 %

15713514632.1 mrr

Oinndé

S3 mm0.8654 mm25 %

38 m3/s2933 m3/s

100,6 mm0,8484,5mm38 %

87 rr,3/S6476 , m3/S

Tableau 5 : Comparaison des coefficients de ruissellement pour une averse décennale obtenus par les différentes méthodes

Bassin

P-IO Prise on comptePiO «battue% des classes culture

LrJO calculéeKr-io calculé

sans vég. herbacéeavec vég. herbacée

Valeurs obtenues par mesurasXr10 par Sircoulon en 1964KriOparKIoinen 1967Kr10 par Albergel en 1984

Par la méthodo Rodier-Auvray

Louré

10179.8

55.9%33.3

42.4%28.4%

50 %41 %

36 %

I C I83.0

58.2%38.9

46.9%32.4%

S3 %41 %35.5%

40 %

Binndé

10192.4

«3.2%•n.o

44.4%28.6%

43 %38. %39 %

38 %

22

BuIMn d* IMaon du CIEH n" 90, rttobr* 1991

QtM/ques résultat»

Figure 8 : Fonction de calage sur Louréintervalle de confiance à 95 %

1:^ 1 4 4 4

r • 1 Va

1 I**™. 1

\

it » B i,

0• ' ' • " * • " " " •

rs£.... Nlimt

fc^'' 2B.flmm

Figure 9 : Evaluation du débit de crue décennaleBniiiiu de Manga

Figure 10 : Comparaison des coefficients deruissellement décennal

Bawiiu de Manga

LOUHE BINNDË

Krto C A ( I K ) E S Kno e*k(h|

Figure 11 : Cm* annuelle estimée sur Blrinde àpartir du hyétogramme décennal-type

Figure 12 : hydrogramme unitaire reconstituéBauin de Kazanga

JS

? "à i

«01

rIIIe u

\«a ito n SO 9 » >H> 4

23

Bulatin «tofiaraon du QEH n° 90,octobr. 1992

Bassin de Louré :LrO = 0.90Lrc + 1.5 r = O.81n = 23

Bassin de Kazanga :LrO = 0.53 Lrc +0.2 r = 0.64n = 72

Bassin de Binndé :LrO = 0.53Lrc-0.56 r = O.86n= 106

Appliquant ces résultats à l'averse décennale, il est alorspossible de trouver les valeurs de ruissellement décen-nales de chaque bassin, ce que Ton a synthétisé dans letableau 5 et la figure 10 ci-avant où l'on peut comparerles résultats (KrlO) calculés à ceux obtenus parl'ORSTOM sur le terrain (KrlO par Sircoulon, Klein,Albergel).

Déterminationde l'hydrogramme de crue

Pour passer du volume de crue au débit maximal de lacrue il est nécessaire d'avoir des informations sur laforme de l'hydrogramme, soit par des coefficients typesde passage du débit moyen au débit maximal, soit mieux,si c'est possible, par reconstitution de l'hydrogramme decrue.

Nous présentons ici une ébauche de modélisation derhydrogramme, effectuée surtout dans le souci de mon-trer qu'à partir d'une connaissance pixel à pixel desfacteurs de ruissellements et d'une fonction de transfertdéterminée elle aussi pixel à pixel, il était possible d'allerjusqu'au bout du calcul. Et que, grâceaux outils spatialisésque nous offrent la télédétection et les modèles numé-riques de terrain, il était possible de construire unechaîne entièrement automatisée pour déterminer ledébit de crue du bassin.

La modélisation présentée part des hypothèses déjàénoncées pour la partie volume de crue, à savoir que lalame ruisselée calculée sur chaque pixel à l'étape précé-dente est un bon index de la partie du ruissellement quiva effectivement arriver jusqu'à l'exutoire. Elle utiliseaussi de nouvelles hypothèses basées sur l'utilisationd'un modèle numérique de terrain pour la détermina-tion de la fonction de transfert associée à chaque pixel.

A partir du modèle numérique de terrain (MNT, figure5), on peut en effet calculer pour chaque pixel la distancequi le relie à l'exutoire compte tenu du cheminementhydraulique le long des pentes. Si l'on suppose, enpremière approximation, que la vitesse de propagationdes eaux est constante dans tout le bassin dès que l'eauest arrivée dans des chenaux de drainage, il est possiblede déterminer le temps mis par une goutte d'eau pouraller d'un point quelconque à l'exutoire.

Nous pouvons résumer les hypothèses utilisées de lafaçon suivante :

1. La pluie est homogène dans le temps et dans l'espacependant l'épisode pluvieux étudié (cette hypothèsen'est pas imperative mais si on l'utilise, cela limitel'emploi du modèle à des bassins de taille inférieure à120 km2).

2. Tout le débit provient du ruissellement.

3. La connaissance des paramètres d'écoulement estpossible par télédétection.

4. Les équations de lame ruisselée du catalogue des étatsde surface sont extrapolables au bassin en entier : c'estun des plus gros problèmes posés par cette méthode.On a vu qu'un coefficient de calage global étaitnécessaire.

5. Les pentes ne sont pas prises en considération pour lafonction de production : ceci vient directement desrésultats du simulateur de pluie qui n'en tient pascompte. Au Sahel les pentes sont très faibles et leurinfluence peut souvent être supposée peu importanteet homogène d'un bassin à l'autre.

6. Les vitesses d'écoulement entre chaque point et l'exu-toire sont supposées constantes, et le temps de trans-fert ne dépend que de la distance de drainage, calculéeautomatiquement à partir du modèle numérique deterrain. Le ruissellement se transporte à l'exutoireavec un simple décalage en temps : c'est le mode detransfert de type hydrogramme unitaire.

A partir de ces hypothèses un modèle de propagation aété écrit en langage Turbo. C sur micro-ordinateur etappliqué aux bassins versants étudiés. Nous donnonsquelques résultats obtenus pour les bassins de Manga(Cf. figures 9, 11 et 12).

La comparaison entre les hydrogrammes de crues esti-més à l'aide de notre méthodologie et ceux observés ouestimés de façon traditionnelle, donnent une grandecohérence globale des observations et des estimations.Les résultats que l'on observe pour les 3 bassins étudiéssont tout à fait acceptables et donc encourageants.

Suite de l'étude, validations

Notre souci pour la suite de cette recherche portesurtout sur la validation précise de chaque niveau de ladémarche, en tenant compte de variations régionalespossibles, les points essentiels étant :

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Bulletin de liawon du OEHns 90, octobre 1992

La validation du traitement des images, ce que l'on peutapprocher en comparant la carte des états de surfaceobtenue par rapport à celle définie sur le terrain.

LA validation du calcul des lames ruisselées à savoir lacomparaison cartographique des lames ruisselées élé-mentaires calculées par rapport à celles qui ont étéobtenues in situ par des mesures de l'ORSTOM, et cecidans des conditions régionales diversifiées.

La connaissance des conditions d'écoulement à la par-celle et sur un versant élémentaire. Il sera intéressant,au niveau de la parcelle, de préciser les conditionsd'écoulement, de façon à pouvoir mieux simuler lacomposition des ruissellements élémentaires. Il manqueen effet beaucoup d'informations sur le passage d'échelledu m2 au versant puis du versant au bassin : les mesuresexistantes au niveau du versant élémentaires sont quasiinexistantes. Parallèlement au niveau global du bassin ilest intéressant de connaître la stabilité temporelle etspatiale de la fonction de calage pour pouvoir éventuel-lement l'exporter sur des bassins non jaugés. Sa détermi-nation nécessite, dans l'état actuel des choses, unecampagne de mesures, mais en première approche, il estpossible qu'elle puisse être considérée comme stablepour une région où climat, sol, végétation et relief sonthomogènes.

Utilisation des images à basse résolution spatiale. Lescalculs précédents à partir des images haute résolutionnous permettent d'estimer les états de surface du bassinversant, états supposés stables dans le temps et décritssans ambiguïté. Or, ne serait-ce qu'au cours de la saisondes pluies, les états de surface du Sahel sont éminem-ment changeants. Il apparaît donc utile de pouvoirdifférencier à l'intérieur même de l'année ces variationsd'états de façon à les inclure dans les calculs du ruissel-lement. Et une des meilleures façons d'estimer cesfluctuations passe par l'utilisation des images basserésolution (1 km) mais à forte répétitivité (1 jour) dusatellite NOAA.

CONCLUSIONS

L'objectif était avant tout de définir, en la testant, uneméthode aussi fiable que possible de caractérisationhydrologique des bassins versants du Sahel pour ce quiconcerne leur aptitude au ruissellement, cette méthodedevant combiner la connaissance au sol des états desurface type ORSTOM et l'utilisation de la télédétectionsatellitaire.

Si des démarches voisines ont déjà été mises en oeuvrepour le bassin du Baongo à Titao (LCT) et pour la mared'Oursi (ORSTOM), la méthode appliquée dans cetteétude en diffète sensiblement. Un des premiers problè-mes a été de combiner les deux méthodologies : on s'estarrêté sur le choix de l'utilisation du catalogue des étatsde surface de l'ORSTOM, à coupler avec les techniquesde télédétection du LCT.

Au niveau décodage des images de télédétection, l'étudemontre qu'on s'approche plus finement de la réalité desétats de surface par une superposition de plansdescripteurs pertinents, qu'en s'appuyant sur un seulcritère intégrant les états de surface.

Le couplage télédétection-hydrologie demande encoreà être affiné, mais semble donner finalement des résul-tats cartographiques intéressants. Il faudrait toutefoisles comparer à des résultats obtenus par d'autres appro-ches pour en déduire la validité : contrôle de la validitédu catalogue des états de surface par simulation de pluiedirecte et contrôle des estimations de lames ruisseléesgrâce à des mesures hydrologiques.

Un des problèmes majeurs se rencontre au moment del'utilisation des résultats de lames ruisselées qui ne sontthéoriquement valables que pour une surface de 1 misolée du contexte. Nous avons ébauché ici les quelquespossibilités d'utilisation de ces cartographies sans toute-fois pouvoir les valider sur des données hydrologiquesconséquentes : débit à l'exutoire, modélisation som-maire des écoulements.

REMERCIEMENTS

Les recherches présentées dans cet article ont été me-nées à l'occasion d'études pour des projets de dévelop-pement soutenus par diverses institututions definancement. Parmi elles, nous tenons à remercier par-ticulièrement le Ministère français de la Coopération etdu Développement qui a pris en charge l'étude de Titao(Burkina Faso) dans le cadre de l'opération d'appui-formation à l'Association Française des Volontaires duProgrès, et le Programme des Nations Unis pour leDéveloppement qui a financé «l'Etude hydrologiqueavec traitement d'images satellitaires de neuf bassinsversants de petits barrages au Burkina Faso», étudesupervisée par le Département de la Coopération Tech-nique pour le Développement (Projet BKF/88/002) etconfiée au groupement CIEH/LCT/ORSTOM/BUNASOLS au bénéfice du Ministère de l'Eau duBurkina Faso.

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Bulftln «fetahon du Œ N n* 90, oetettra 1992

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