Analyse statistique de paramètres morphologiques - Infoterre
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Analyse statistique de paramètres morphologiques et climatiques sur les bassins versants de la Corse Mise en place du SIG au niveau régional Rapport intermédiaire BRGM/RP-56875-FR décembre 2008 Analyse statistique de paramètres morphologiques et climatiques sur les bassins versants de la Corse Mise en place du SIG au niveau régional Rapport intermédiaire BRGM/RP-56875-FR Décembre 2008 Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM PSP08CSC14 Desprats J.F. Vérificateur : Approbateur : Nom O. CERDAN Nom : M. Audibert Date : 4/12/2008 Date : Signature : Signature : Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000. I Mots clés : Corse, SIG, base de données, morphologie, bassins versants En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Desprats J.F (2008) – Analyse statistique de paramètres morphologiques et climatiques sur les bassins versants de la Corse – Mise en place du SIG au niveau régional. Rapport final RP56875-FR, 29 p., 16 ill.. © BRGM, 2008, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM. Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Avant-Propos C ette étude vise à fournir sous format SIG (Système d’Information Géographique) une série de paramètres caractérisant les bassins versants extraits du Modèle Numérique de Terrain. La base de données développée est fournie à l’ODARC au format ArcGis. BRGM/RP-56875-FR 5 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Synthèse des données morphologiques et météorologiques sous ArcGis a pour L ‘intégration objectif l’extraction par bassin versant allant d’un ordre de Strahler 4 à un ordre 10 d’une série de paramètres caractérisant la morphologie du bassin tels que l’altitude ou les pentes. Le produit fourni se veut être évolutif et permettre aux utilisateurs la définition d’autres indices résultant de la combinaison des paramètres principaux préalablement extraits. 6 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Sommaire 1. Introduction...............................................................................................................9 1.1. OUTILS ................................................................................................................9 1.2. DONNEES METEOROLOGIQUES .....................................................................9 1.3. DONNEES MORPHOLOGIQUES .......................................................................9 2. Extractions des paramètres...................................................................................11 2.1. CACUL DES PARAMETRES HYDROLOGIQUES............................................11 2.2. CALCUL DES PARAMETRES MORPHOLOGIGUES.......................................15 2.2.1. Paramètres de base .................................................................................16 2.2.2. Autres paramètres calculés à partir du MNT ............................................18 2.3. LES DONNEES CLIMATIQUES ........................................................................25 3. Restitution de la base de données........................................................................27 3.1. SOUS-REPERTOIRE VECTOR_DATA.............................................................27 3.2. SOUS-REPERTOIRE VECTOR_DATA.............................................................27 3.3. SOUS-REPERTOIRE STAT ..............................................................................28 4. Conclusion ..............................................................................................................29 BRGM/RP-56875-FR 7 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Liste des figures Illustration 1 - Températures minimales (gauche), maximales (centre) et pluviométrie – moyenne annuelle sur 30 ans (base AURHELY) ........................................................................ 10 Illustration 2 - MNT IGN et BD Carthage ..................................................................................... 10 Illustration 3 - Méthodologie d’exptraction des bassins versants etdu réseau d’écoulement ............................................................................................................................... 11 Illustration 4 - Découpage en bassin versant d’ordre 10 (gauche), 9 (centre) et 8 (droite)......... 12 Illustration 5 - BV ordre 7 : nombre de bassins ordre 6 (haut-gauche), ordre 5 (haut droite), ordre 4 (bas – gauche) et table attributaire ..................................................................... 14 Illustration 6 - BV ordre 7 : longueur du réseau de Strahler par ordre pour chaque BV ............. 15 Illustration 7 - BV ordre 8 : carte et table attributaire................................................................... 16 Illustration 8 - Indice de Gravelius sur des bassins théoriques ................................................... 17 Illustration 9 - Calcul de la surface corrigée ................................................................................ 18 Illustration 10 - Altitude : carte de base, représentation par BV d’ordre 8 : modèle et table de synthèse......................................................................................................................... 19 Illustration 11 - Pentes : carte de base, représentation par BV d’ordre 8, modèle et table de synthèse......................................................................................................................... 20 Illustration 12 - Orientation : carte de base, représentation par BV d’ordre 8, modèle et table de synthèse......................................................................................................................... 21 Illustration 13 - Longueur drainée maximale : carte de base, représentation par BV d’ordre 8, modèle et table de synthèse ...................................................................................... 22 Illustration 14 - Puissance érosive : carte de base, représentation par BV ordre 8, modèle et table de synthèse....................................................................................................... 23 Illustration 15 - Orientation de l’axe des bassins versants et table attributaire (BV ordre 10)................................................................................................................................................ 24 Illustration 16 - BV ordre 7 : calcul à partir de la pluviométrie moyenne annuelle de la valeur moyenne par bassin versant d’ordre 7 ............................................................................. 25 8 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse 1. Introduction 1.1. OUTILS Les données sont traitées sous le logiciel ArcGis. Les traitements font appel au module Spatial Analyst, ainsi qu’au logiciel de traitement de données Gridroom (BRGM) pour la définition de certains paramètres (érodibilité). 1.2. DONNEES METEOROLOGIQUES Les données météorologiques (Illustration 1) ont été acquises auprès des services de Météo-France en Corse. Ces données sont fournies sous forme de fichiers texte, avec un point tous les 1000 mètres, le tout géoréférencé en Lambert 4 Corse. Les données fournies par Météo France sont donc la pluie (hauteur), les températures minimales et les températures maximales mensuelles et annuelles moyennes (sur la base de trente années de mesures entre 1970 et 2000). Ces fichiers résultent d’une interpolation faite par Météo France sur les différents points de mesure de pluie et de températures prenant en compte l’altitude (méthode AURHELY). On a donc 39 fichiers raster générés, et importés sous ArcGis. Lors de l’import sous ArcGis, la maille a été définie à 100 m mètres afin d’avoir un compromis entre les 25 mètres de résolution du MNT IGN et les 1000 mètres d’équidistance entre les points fournis par météo France. 1.3. DONNEES MORPHOLOGIQUES Le Modèle Numérique de Terrain de l’IGN à la résolution de 25 mètres constitue la base de l’analyse morphologique (Illustration 2). Malgré cette précision, ce MNT peut poser des problèmes pour l’extraction de paramètres hydrologiques (bassins versants, réseaux d’écoulement) dans les régions de plaine. Aussi a-t-il été décidé de « creuser » artificiellement le MNT au niveau des cours d’eau cartographiés dans la base de données Carthage, afin de forcer les extractions faites dans un deuxième temps. BRGM/RP-56875-FR 9 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Illustration 1 - Températures minimales (gauche), maximales (centre) et pluviométrie – moyenne annuelle sur 30 ans (base AURHELY) Illustration 2 - MNT IGN et BD Carthage 10 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse 2. Extractions des paramètres 2.1. CACUL DES PARAMETRES HYDROLOGIQUES Les bassins versants vont constituer l’unité géographique de l’étude. A la demande de l’ODARC, les différents paramètres devront être fournis pour chaque bassin versant, et ce à différents niveaux : bassins versants d’un ordre de Strahler 10 (correspondant à un réseau de Strahler d’ordre 10) jusqu’aux BV d’un ordre de Strahler 4 (correspondant à un réseau de Strahler d’ordre 4). Des liens doivent en outre être fournis entre les fichiers de forme correspondant aux BV ordre 10, 9, 8, … Le réseau d’écoulement est extrait lui aussi à partir du MNT creusé. Seuls les ordres de 4 à 10 seront conservés. L’Illustration 3 montre l’enchainement des taches permettant la délimitation des bassins versant et du réseau d’écoulement. Illustration 3 - Méthodologie d’exptraction des bassins versants etdu réseau d’écoulement Concernant les bassins versants, un nettoyage est réalisé afin d’éliminer les micropolygones. Ce nettoyage est réalisé à l’aide d’un indice de taille (Ind) calculé à partir de l’aire et du périmètre : Ind =périmètre / surface (hectares) * 1000. - pour les BV d’ordre 8, 9 et 10, suppression des polygones ayant un indice inférieur à 50 ; BRGM/RP-56875-FR 11 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse - pour les BV d’ordre 7 et 6, suppression des polygones ayant un indice inférieur à 10 ; - pour les BV d’ordre 5, suppression des polygones ayant un indice inférieur à 5 ; - pour les BV d’ordre 4, suppression des polygones ayant un indice inférieur à 2.5. Illustration 4 - Découpage en bassin versant d’ordre 10 (gauche), 9 (centre) et 8 (droite) On a donc après élimination des polygones trop petits comme précisé ci-dessus1 bassin versant d’ordre 10, 7 bassins versants d’ordre 9, 36 bassins versants d’ordre 8, 168 bassins versants d’ordre 7, 704 bassins versants d’ordre 6, 3549 bassins versants d’ordre 5 et 12038 bassins versants d’ordre 4. Pour chaque niveau de bassin versant nous avons calculé pour chaque polygone d’ordre n le nombre de bassin d’ordre n-1. - ordre 5 nombre de bassins d’ordre 4 ; - ordre 6 nombre de bassins d’ordre 5 et 4 ; - ordre 7 nombre de bassins d’ordre 6, 5 et 4 ; - ordre 8 nombre de bassins d’ordre 7, 6, 5 et 4 ; - ordre 9 nombre de bassins d’ordre 8, 7, 6, 5 et 4 ; - ordre 10 nombre de bassins d’ordre 9, 8, 7, 6, 5 et 4. 12 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Les fonctions suivantes ont été utilisées pour atteindre ce résultat : 1. Intersection de chaque catégorie de sous-BV avec la catégorie inférieure : Ex : Intersection de BV_7 avec BV_6, BV_5 et BV_4 2. Extraction des statistiques avec l’identifiant du sous BV comme référence ; 3. Création d’une table DBF par niveau de sous bassin : 10, 9, 8, 7, 6 et 4 ; 4. Jointure de table du DBF avec la couverture de bassins versants. L’Illustration 5 permet de voir le résultat sur le niveau de Strahler 7, avec le nombre de bassins versants d’ordre 6, 5 et 4, ainsi que la table attributaire permettant ces cartographies après jointure. BRGM/RP-56875-FR 13 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Illustration 5 - BV ordre 7 : nombre de bassins ordre 6 (haut-gauche), ordre 5 (haut - droite), ordre 4 (bas – gauche) et table attributaire Le réseau de Strahler est calculé à partir du MNT creusé par la BD Carthage, puis des intersections sont faites avec les différents niveaux de bassins versants afin de connaître pour chacune de ces unités hydrologiques la longueur de réseau classé en Strahler 4, 5, 6, 7, 8, 9 et 10. 14 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Illustration 6 - BV ordre 7 : longueur du réseau de Strahler par ordre pour chaque BV Sur l’exemple de l’illustration ci-dessus, on a dans le BV n° 27 103 km de réseau de Strahler 4, 18,3 km d’ordre 6, … 2.2. CALCUL DES PARAMETRES MORPHOLOGIGUES Les différents paramètres calculés à partir du MNT sont les suivants : - aire contributive au ruissellement ; - pente ; - longueur drainée maximum ; - altitude ; - exposition ; - la puissance érosive. De plus, pour chaque BV seront calculés un indice de compacité, l’indice de Gravelius, la surface géométrique, la surface tenant compte de la morphologie du terrain et les principaux axes définissant la géométrie du bassin versant (orientation et longueur de l’axe principal, et longueur de l’axe secondaire) BRGM/RP-56875-FR 15 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse 2.2.1. Paramètres de base L'Illustration 7 montre pour les BV d’ordre 8 la table associée indiquant l’identifiant (ID), qui sera la valeur de liaison pour toutes les tables générées dans le cadre du projet, le périmètre (Perimeter), la surface (Surf_8), la surface corrigée de la pente (Surf_8_pe), l’indice périmètre/surface (Indi) ayant servi à l’élimination des polygones trop petits et l’indice de Gravelius (Gravelius). Illustration 7 - BV ordre 8 : carte et table attributaire A. L’indice de Gravelius L’indice de Gravelius est un indice de compacité tel que décrit par H. Bendjoudi et P. Huvert dans Hydrological Sciences (le coefficient de Gravelius : analyse critique d’un indice de forme d’un bassin versant, décembre 2002). Indice Gravelius = 0.28 * Périmètre * Racine carrée de la surface A titre d’exemple, l’Illustration 8 montre les valeurs de Gravelius pour une série de bassins théoriques aux formes diverses. 16 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse 7 1 3 6 2 4 5 Illustration 8 - Indice de Gravelius sur des bassins théoriques B. Surface corrigée de la pente La surface corrigée de la pente est quant à elle calculée en utilisant la carte des pentes et la taille du pixel. BRGM/RP-56875-FR 17 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Illustration 9 - Calcul de la surface corrigée A titre d’exemple, en prenant l’Illustration 9, on a : - la surface du pixel est de S = 25 * 25 = 625 m² - la pente est de (105m-100m) / 25 = 20% - la surface corrigée sera donc de : Surf(pente) = pixel * √ pixel²+(pente/4)²) = 25 * √(625 + 25) = 25 * 25.5 = 637 m² 2.2.2. Autres paramètres calculés à partir du MNT L’altitude Le paramètre « Altitude » résulte directement du Modèle Numérique de Terrain. Un croisement est réalisé selon le modèle défini dans l’ Illustration 10 pour produire une table par niveau de bassin, qui, après jonction avec la table des bassins correspondante, permet la réalisation d’analyses thématiques. Pour chaque bassin versant les paramètres statistiques indiqués sont le minimum, le maximum, la moyenne et l’écart-type. 18 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Illustration 10 - Altitude : carte de base, représentation par BV d’ordre 8 : modèle et table de synthèse BRGM/RP-56875-FR 19 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse Les pentes La carte des pentes en pourcentage est calculée sous ArcGis. Pour un pixel donné, on prend la pente la plus forte avec l’un des huit pixels situés autour. Illustration 11 - Pentes : carte de base, représentation par BV d’ordre 8, modèle et table de synthèse Les paramètres statistiques indiqués sont ici le minimum, le maximum, la moyenne et l’écart-type. 20 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse L’orientation Comme pour les pentes, la carte des orientations des versants est calculée sous ArcGis. Une représentation est proposée par classes générales d’orientation : nord, nord-est, sud, … et les statistiques sont faites sur ces regroupements. Le paramètre statistique d’intérêt pour un bassin versant sera la médiane, autrement dit l’orientation la plus représentative du dit bassin. . Illustration 12 - Orientation : carte de base, représentation par BV d’ordre 8, modèle et table de synthèse BRGM/RP-56875-FR 21 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse La longueur drainée maximale La longueur drainée maximale est calculée à l’aide de GridRoom à partir du MNT. Pour chaque pixel, il est calculé le cumul du réseau amont. (Illustration 13) . Illustration 13 - Longueur drainée maximale : carte de base, représentation par BV d’ordre 8, modèle et table de synthèse 22 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse La puissance érosive Calculée à l’aide de Gridroom, elle est basée uniquement sur le MNT La puissance érosive d’un flux hydrique dépend de l’aire drainée et du modèle d’écoulement. Elle est proportionnelle à la surface du réseau de ruissellement et à la pente des terrains. Pour une maille, la puissance érosive est égale à la racine carrée de la surface contributive multipliée par le dénivelé entre cette maille et la maille amont. Les irrégularités topographiques ou les ruptures de pente ainsi qu’un large réseau de ramifications favorisent les zones susceptibles d’être creusées ou affouillées par la circulation des eaux de surface. (Illustration 14) . Illustration 14 - Puissance érosive : carte de base, représentation par BV ordre 8, modèle et table de synthèse BRGM/RP-56875-FR 23 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse L’orientation de l’axe des bassins versants Afin de calculer ce paramètre demandé par l’ODARC, nous avons considéré chaque bassin versant comme une ellipse présentant un axe majeur et un axe mineur. (Illustration 15). La forme de l’ellipse est l’ellipsoïde optimum pour le bassin versant. Les valeurs de l’orientation sont données en degrés (0 à 180). L’orientation est définie comme un angle entre l’axe des X et l’axe majeur de l’ellipse. Les valeurs des angles de l’orientation augmentent dans le sens horaire, avec un 0 à l’Est et un 90 au Nord lorsque l’axe est vertical. Pour chaque bassin les paramètres indiqués sont donc la surface, le périmètre, le positionnement du centroïde en X et Y, la longueur et la largeur des axes principaux et secondaires, et enfin l’orientation de l’axe principal. Illustration 15 - Orientation de l’axe des bassins versants et table attributaire (BV ordre 10) 24 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse 2.3. LES DONNEES CLIMATIQUES A partir des cartes régionales de la pluviométrie, de la température maximale et de la température minimale se présentant après interpolation sous forme de grille (pixel de 100 mètres), il a été calculé la valeur de ces trois paramètres pour la totalité des bassins versants d’ordre 4 à 10, soit : 7 ordres X 3 paramètres X 13 mois (12 mois + moyenne annuelle) = 273 fichiers Pour chaque bassin versant on a donc 39 jointures possibles correspondant aux trois paramètres climatiques sur les 12 mois et sur l’année moyenne 1970-2000. Illustration 16 - BV ordre 7 : calcul à partir de la pluviométrie moyenne annuelle de la valeur moyenne par bassin versant d’ordre 7 BRGM/RP-56875-FR 25 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse 3. Restitution de la base de données Le Système d’Information Géographique, constitué de couches vectorielles et de raster et d’une série de tables d’information, est géoréférencé en Lambert 4 Corse. Les jointures seront faites au fur et à mesure des besoins par l’utilisateur, sachant que l’identifiant commun aux vecteurs (les couches de bassins versants d’ordre 4 à 10) est ID. Le répertoire SIG est donc constitué : - d’un sous répertoire « Vector_data » contenant toutes les couches vectorielles, - d’un sous-répertoire « Raster_data » contenant toutes les grilles, - d’un sous-répertoire « Image_data » contenant les images scannées telles que les fonds IGN, - d’un sous-répertoire « Stat » contenant toutes les tables info créées lors de l’étude. 3.1. SOUS-REPERTOIRE VECTOR_DATA Les fichiers de forme présents sont : - la BD Carthage sur la Corse (référence hydrographique) : BD_carthage20.shp, - les bassins versants d’ordre 4 à 10 : bv4_b.shp, bv5_b.shp, …. - les communes : communes_IGN.shp, - le contour de la Corse : corse.shp, - le réseau de Strahler extrait du MNT creusé : strah_cart_fin.shp, - la synthèse des cartes géologiques 1/25.000 complétée par le 1/250.000 sur les zones non couvertes : synth_geol.shp. 3.2. SOUS-REPERTOIRE VECTOR_DATA Les principales grilles disponibles dans ce sous-répertoire sont : - les grilles de la pluviométrie par mois avec la moyenne annuelle : pluvio_01 à pluvio_13 (mm) ; - les grilles de la température maximale par mois avec la moyenne annuelle : tmax_01 à tmax_13 (°C) ; BRGM/RP-56875-FR 27 Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse - les grilles de la température minimale par mois avec la moyenne annuelle : tmin_01 à tmin_13 (°C) ; - le Modèle Numérique de Terrain IGN brut (mnt25m_200) et creusé par la BD carthage (mnt_creuse) (mètres) ; - les grilles générées pour l’analyse morphologique : orientation, puissance érosive, pentes pour, … 3.3. SOUS-REPERTOIRE STAT Il contient toutes les tables nécessaires pour faire les jointures avec les fichiers de forme des bassins versants, le champ commun étant l’identifiant, autrement le numéro du bassin versant. Pour chaque ordre de bassin versant n, on a donc : - les tables relatives à la morphologie et l’hydrologie : bv10_alti (altitude), bv10_axes (orientation axes), bv10_erod (érodibilité ou puissance érosive), bv10_longdrai (longueur drainée maximale), bv10_nombres.dbf (nombre de bassins d’un ordre inférieur), bv10_orienta (orientation), bv10_pente (pentes), bv10_strahler (longueur des différents ordres de Strahler), bv10_surfreel (calcul de la surface corrigée de la pente) ; - les tables relatives à la pluviométrie, aux températures minimales et maximales. 28 BRGM/RP56875-FR Analyse morphologique et climatique sur les BV en Corse 4. Conclusion La définition de paramètres morpho-climatiques de la Corse sur la base géographique des bassins versants a été réalisée à travers la mise en place d’un Système d’Information Géographique sous ArcGis. La première phase a consisté en l’extraction des contours des bassins versants à différents niveaux, pour des ordres de Strahler allant de 4 (niveau très fin) à 10 (un seul bassin pour la Corse). Une série de paramètres décrivant la morphologie (pente, orientation, ..), l’hydrologie (longueur drainée cumulée, longueur de Strahler par niveau, indices de Gravelius, ..) ont été calculés. Par ailleurs des données climatiques moyennes entre 1970 et 2000 ont été acquises auprès de Météo-France (Base AURELHY). Le croisement avec les différents niveaux de bassins versants a permis de fournir des valeurs moyennes, médianes, minimales et maximales pour chacun de ses bassins versants. La base de donnée / SIG est géoréférencée en Lambert 4 Corse. BRGM/RP-56875-FR 29 Centre scientifique et technique 3, avenue Claude Guillemin BP 6009 – 45060 Orléans Cedex 2 – France Tél. 02 38 64 34 34 – Fax 02 38 64 35 18 Service géologique régional Corse Immeuble Agostini, ZI de Furiani 20600 Bastia - France Tél. 04 95 58 04 33 – Fax 04 95 30 62 10
