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Université Joseph Fourier, Grenoble
MASTER 1 Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Environnement
EEXXPPLL OORRAATTII OONN DDEE LL AA BBAASSEE DDEE
DDOONNNNEEEESS BBDDSSOOLL AARRDDEECCHHEE
Cécile Potot
Stage effectué au Laboratoire d’Etudes des Transferts en Hydrologie et Environnement de Grenoble
sous la direction de Sandrine Anquetin et Jean Pierre Vandervaere
Avril 2006
1
SOMMAIRE
Résumé - Abstract........................................................................................................................2
Introduction ....................................................................................................................................3
I. Présentation générale............................................................................................................4
1) La base de données Bdsol......................................................................................................4
2) Les logiciels utilisés................................................................................................................5
Saga GIS...................................................................................................................................5
PostgreSQL..............................................................................................................................5
II. Exploration de la base de données BDSol Ardèche....................................................6
1) Thèmes des cartes...................................................................................................................6
2) L'eau dans le sol et les paramètres hydrodynamiques........................................................7
3) Réalisation des cartes...........................................................................................................11
4) Discussion..............................................................................................................................13
III. Utilisation du modèle POWER.....................................................................................16
1) Présentation de POWER.....................................................................................................16
2) Profil de sol étudié..................................................... ..........................................................17
3) Essai de modification de la fonction K (θ).........................................................................18
4) Comparaison des résultats..................................................................................................19
Conclusion.....................................................................................................................................22
Bibliographie................................................................................................................................23
Annexes..........................................................................................................................................24
2
Résumé Ce stage s’inscrit dans le cadre d’un des objectifs scientifiques de l’ l'Observatoire Hydro-météorologique
Méditerranéen Cévennes-Vivarais (OHM-CV) qui vise à mieux comprendre la genèse et la propagation des crues
rapides en zone méditerranéennes. On s’intéresse ici à mieux représenter les paramètres d’infiltration qui sont
utilisés dans les modèles hydrologiques.
La première étape a consisté en la réalisation de cartes présentant différentes informations disponibles dans la
base de données BD Sol Ardèche sur le bassin versant de l’Ardèche à Saint Martin d’Ardèche. Nous nous sommes
ensuite particulièrement intéressés aux paramètres hydrodynamiques selon le modèle de Brooks et Corey. Deux
questions se posent : la modélisation de l’effet de la structure du sol et l’influence de la fonction de pédotransfert
utilisée.
Le modèle hydrologique POWER permet de simuler en particulier l’infiltration grâce à l’équation de Richards
et la solution numérique de Ross. Nous avons effectué des tests de sensibilité pour une colonne de sol, en faisant
varier le calcul des paramètres. Les principaux résultats montrent que des améliorations sont à apporter dans la
modélisation surtout pour modéliser l’effet de la structure. Nous espérons pouvoir par la suite réussir à faire le test
sur l’ensemble du bassin versant pour comparer les simulations avec des mesures, en cours de réalisation.
Abstract This work deals with one of the main scientific objectives of OHM-CV (Cevennes Vivarais Hydro-
Meteorological Observatory) that aims to improve the understanding of flash floods genesis and propagation in
Mediterranean areas. In my work, we have tried to better represent the infiltration parametres that are used in the
hydrological model POWER.
The first step is dedicated to the realisation of maps showing different soil information available in the
database BD Sol Ardèche, and especially for the Ardèche catchment at Saint Martin d'Ardèche. Then, we have
worked on the hydrodynamic parametres of Brooks and Corey equations. This work is twofold: how to better
model the soil structure and analyze the impact of the pedo-transfer function on the resulting simulated discharge.
The hydrologic model system POWER is used to simulate the infiltration thanks to the Richard's equation and
its numerical solution proposed by Ross. We have made sensitivity tests on a single soil column with different
parametres. The main results show we still have to improve the modelling, especially for the soil structure effect.
We hope we could run POWER on the entire catchment area to compare simulations with measures that are
currently in realisation.
3
Introduction
Au sein du LTHE, l'Observatoire Hydro-météorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais (OHM-CV)
vise à fédérer les compétences de chercheurs de disciplines variées (météorologie, hydrologie, géophysique,
géographie, mathématiques appliquées, socio économie, ... ) pour améliorer les connaissances et les capacités de
prévision du risque hydro-météorologique associé aux pluies intenses et aux crues éclairs. L'une des stratégies
développées est la modélisation des processus hydrologiques notamment par le modèle POWER (Planner
Oriented Watershed modeling system for Environnmental Responses) actuellement en cours de développement. Il
s'agit d'un modèle à base physique qui prend en entrée de nombreux paramètres du terrain, la principale limitation
étant alors liée à la disponibilité des valeurs de ces paramètres. La base de données Donesol issue du programme
de cartographie des sols, réalisée par le cabinet Sol-Conseil de Strasbourg dans le cadre du Programme Inventaire,
Gestion et Conservation des Sols (IGCS) du Ministère de l’Agriculture a donc été utilisée comme source de
données.
L'objectif de ce stage est d'explorer la base de données DONESOL sur l'Ardèche, et plus précisément sur le
bassin versant de la rivière Ardèche à Saint Martin, afin d'évaluer la répartition spatiale de différents paramètres
tels que la texture des sols ( taux d'argile, de limon, de sable), la quantité de matière organique, la structure des
sols, ceci pour mener une réflexion sur la façon d'évaluer les paramètres hydrodynamiques et par l’intermédiaire
du modèle POWER d’estimer l’infiltration dans les sols.
4
I Présentation générale
1) Présentation de la base BDSol
Dans le cadre du Programme Inventaire, Gestion et Conservation des Sols (IGCS), l'étude et la cartographie
des sols du département de l'Ardèche ont été réalisées en 2001, à partir de documents préexistants (cartes
pédologiques et autres documents concernant les sols du département) et d'une campagne de terrain (sondages à la
tarrière et description de profils). Ceci a conduit à la réalisation d'une base de données, lesquelles sont organisées
de la manière suivante :
· la carte des sols est un ensemble d’Unités Cartographiques de Sol (UCS),
· chaque UCS est constituée d’une ou plusieurs Unités Typologiques de Sol (UTS),
· une UTS peut appartenir à une ou plusieurs UCS,
· chaque UTS est constituée d’une ou plusieurs strates,
· une strate ne peut appartenir qu’à une seule UTS.
Les UCS représentent des unités pédologiques : entités morphologiques, géologiques et/ou pédologiques. Les
différences entre ces ensembles de sols s’expriment aussi par des caractéristiques agronomiques spécifiques, par
exemple la présence d’un système de culture typique.
Fig.1: Illustration de la conception et de l'organisation de la base de donnée
(http://gissol.orleans.inra.fr/programme/bdgsf/contenu.php)
La structure de cette base correspond à une structure DONESOL. Cela correspond à la fusion d'un système
standardisé pour la description des sols et des méthodes d'analyses de laboratoire, appelé : « Système de Transfert
de l'Information Pédologique et Agronomique (STIPA) », dont l'INRA s'est doté depuis 1979, et d'un système de
description des unités cartographiques de sols.
La base de données BDSol Ardèche contient également la description des profils qui ont été réalisés lors de la
campagne de terrain. Treize d'entre eux sont situés sur le bassin versant étudié. Une comparaison entre la
description de ces profils et celle des UTS est un moyen d'évaluer la cohérence des données.
Sur ces 13 profils, 7 ont été utilisés pour décrire les UTS correspondants. Pour les 6 restants, les différences
portent essentiellement sur les épaisseurs de strate, ou sur une différenciation différente des strates mais les autres
caractéristiques restent semblables. Avec cette appréciation succincte, nous admettons la validité des données.
5
2) Logiciels utilisés
Afin d’explorer cette base de données, nous avons utilisé différents outils informatiques dont voici une brève
présentation.
Ce sont des logiciels complexes dont la prise est main est plutôt compliquée : c'est pourquoi nous avons réalisé
des notices qui présentent quelques bases pour commencer à travailler avec chacun de ces logiciels. Ces notices
sont présentées en annexe.
1. SAGA GIS
SAGA GIS est un Système d’Information Géographique (SIG) libre destiné à l’analyse géoscientifique. Le but
du logiciel est de permettre d’effectuer simplement des analyses sur la base de la topographie : réalisation de
modèle numérique de terrain en 3D, analyse morphométrique (calcul des pentes, des orientations, ...), délimitation
de bassin versant, application de modèles concernant l’hydrologie, la végétation...
SAGA GIS prend en charge à la fois les données vectorielles et raster. Néanmoins, la plupart des fonctions
s’appliquent à des couches raster. SAGA GIS fonctionne sur la base d’une architecture modulaire au travers d’une
interface graphique.
Dans le cadre de ce stage, nous avons utilisé SAGA GIS pour tracer le bassin versant étudié, le réseau
hydrographique, pour situer des villes, des stations limnimétriques mais également comme outil de cartographie.
2. Postgre SQL
PostgreSQL est un SGBDR (système de gestion de bases de données relationnelles) qui se manipule grâce au
langage SQL. Le SQL (Structured Query Language) désigne un langage de requête de bases de données et par
extension une norme de base de données. SQL permet l'interrogation, la gestion et la mise à jour de la base
correspondante de telle sorte que l’on peut par exemple : accéder à un champ par une requête, créer une nouvelle
table, lire ou modifier la valeur d'un champ etc.
Grâce à sa licence libre, PostgreSQL peut être utilisé, modifié et distribué par tout le monde gratuitement
quelque soit le but visé, qu'il soit privé, commercial ou académique.
6
II Exploration de la base de données Bdsol
Cette étude se focalise sur le bassin versant de l'Ardèche à Saint-Martin d'Ardèche, en partie parce que des
mesures d’infiltration sont en cours sur le terrain du Pradel. A terme, ces 2 études devraient converger pour
évaluer la démarche de modélisation. Cet objectif sort du cadre de ce stage.
Afin de mieux comprendre la distribution, l'organisation de différents paramètres qui caractérisent le sol de
cette zone, et qui sont pour certains les entrées du modèle hydrologique, le choix a été fait de réaliser des cartes.
Elles permettent d’évaluer la répartition spatiale et la variabilité des paramètres sol.
1) Thèmes des cartes
L’ensemble des cartes est présenté en annexe 3.
Les thèmes choisis pour les cartes sont :
● les paramètres texturaux : taux d'argile, taux de limon et taux de sable
Nous supposons qu'il s'agit de la classification présentée dans le tableau suivant :
Taille des éléments Argile < 2 µm Limon De 2 à 50 µm Sable De 50 à 2 mm
Il existe un dictionnaire Donesol qui présente et définit les codes des bases de données DONESOL mais, pour
le département de l'Ardèche, les codes utilisés diffèrent légèrement de ceux présentés dans le dictionnaire,
notamment en ce qui concerne les classes granulométriques.
● La profondeur totale de sol
Celle-ci est calculée en additionnant les épaisseurs moyennes de chaque strate composant l'UTS.
● la quantité de matière organique
Ce paramètre peut être intéressant car la matière organique a des propriétés particulières de mouillabilité,
parfois d'hydrophobie, et peut favoriser le ruissellement.
● la structure de sol (définition pédologique)
La structure d'un sol peut drastiquement modifier les caractéristiques de l'écoulement notamment proche de la
saturation.
● La conductivité hydraulique à saturation Ks
C'est un des paramètres les plus importants du modèle mais le plus difficile à évaluer. Nous revenons sur cette
notion dans le paragraphe suivant.
7
2) L'eau dans le sol et les paramètres hydrodynamiques :
Fig.2 : Courbe typique de rétention d'eau (succion = f (teneur en eau) )
La figure 2 montre la courbe théorique des variations de la teneur en eau θ en fonction de la succion (ou
pression h = − succion < 0 ).
Le modèle de Brooks et Corey (1964) qui décrit les variations de θ sur cette courbe s'écrit :
(1)
Pour la conductivité hydraulique, le modèle de Brooks et Corey s'écrit :
(2)
avec θ : teneur en eau, θs et θr : teneur en eau à saturation et résiduelle, hbc : paramètre d'échelle de pression, Ks :
conductivité hydraulique à saturation, λ et η : respectivement les paramètres de forme de la teneur en eau et de la
conductivité hydraulique.
Ces 2 relations h (θ) et K (θ) sont très complexes dans la réalité car elles font intervenir de nombreux
phénomènes, à différentes échelles, liés à la texture t à la structure du sol.
Cependant, toute tentative de modélisation passe par une simplification nécessairement réductrice de cette réalité.
Les fonctionnelles (1) et (2) sont un exemple de cette simplification à 6 paramètres.
La conductivité hydraulique Ks est un paramètre difficile à mesurer or il est fondamental de la connaître pour
étudier les transferts d'eau dans le sol. En l’absence de mesures, on utilise donc des fonctions de pédotransfert qui
évaluent ces paramètres.
Nous utilisons dans un premier temps la formule de Cosby (Cosby et al., 1984) qui permet d'estimer 5
paramètres θs, hbc, Ks, λ et η à partir des taux d'argile et de sable (le modèle est simplifié en admettant que θr = 0).
Il s’agit de relations statistiques dont les coefficients sont présentés dans le tableau 1. Ces 5 paramètres sont les
données d'entrés du modèle hydrologique POWER (cf. chapitre III).
Par exemple, on effectue le calcul suivant pour obtenir une valeur de Ks
[ ]η
θθθθ
s
rs
r
KK
−−=[ ]
≤<=
≤=−−
0 pour
pour
hh
hhh
h
bcs
bcbc
rs
r
θθ
θθθθ λ
[ ]η
θθθθ
s
rs
r
KK
−−=
8
Ks = 25,4 .10 ( - 0,6 – 0,0064.(Argile) + 0,0126.(Sable)) en mm/h
= (25,4 /3,6.106).10 ( - 0,6 – 0,0064.(Argile) + 0,0126.(Sable)) en m/s
Tab.1 : Coefficients pour la détermination des paramètres d'infiltration selon la relation statistique de Cosby
La courbe de la conductivité hydraulique, courbe K(θ), a l’allure suivante d’après l’équation (2), linéaire en
log-log, typique des milieux fractals.
Fig.3 : Courbe théorique de la relation K ( θθθθ ) de Brooks et Corey
Cependant, cette formule ne prend pas en compte l'influence de la structure qui est souvent très grande. On
entend par structure la macroporosité d’origine faunique, anthropique, la porosité inter- agrégats, les fissures,... On
constate expérimentalement que la courbe K(θ) d'un sol structuré a une allure proche de la courbe de la figure 4.
Fig.4 : Courbe K ( θ θ θ θ ) qui montre notamment
la différence entre un sol limoneux (loam)
non structuré et un sol structuré à proximité
de la saturation.
Ks
Log K
Log θ
η
θθθθS
Cl: Clay=argile (%) ParamètresSa: Sand=sable (%)Si: Silt=limon (%)
Coefficients log(Hbc) θs log(Ks)
c1 1,5400 3,1000 50,5000 -0,6000c2 0,0000 0,1570 -0,0370 -0,0064c3 -0,0095 -0,0030 -0,1420 0,0126c4 0,0063 0,0000 0,0000 0,0000
(θs en %) (Ks en inch/h)
moyenne = c1+c2Cl+c3Sa+c4Si
1/λ η=2/λ +3
(hbc en cm)
9
( )( )
≤<=
≤=
satssatsat
sss
KK
KK
θθθθθ
θθθθ
η
η
pour
pour
'
Fig.5: Courbe théorique de la relation K(θ) θ) θ) θ) avec un effet de
la structure à proximité de la saturation.
L’indice s correspond à la saturation de la matrice du sol
sans la macroporosité, et l’indice sat correspond à la
saturation complète du milieu poreux.
Nous pouvons analyser la figure 5, schéma de la figure 4, comme une variation de K en 2 domaines : une
première portion où c'est la matrice du sol qui participe aux transferts d’eau avec une évolution K(θ) selon le
modèle de Brooks and Corey, puis, au voisinage de la saturation, c'est la structure qui intervient. Afin de prendre
en compte, l’effet de la structure du sol tout en conservant une formalisation mathématique économe en
paramètres, nous proposons de simplifier la 2ème partie de la courbe en une autre portion de droite. L'équation
globale de K devient :
(3)
Les Ksat restent à déterminées. Nous avons attribué des valeurs pour les rapports Ksat/Ks en fonction des
structures au sens pédologique car c'est l'information dont nous disposons dans la base de données. Ces valeurs
sont certes arbitraires et mériteraient d'être calées de façon fiable, mais nous avons évalué leurs valeurs relatives
d'après les caractéristiques (taille, porosité des agrégats composant ces structures) :
• Structure particulaire et structure continue, massive : Ksat/Ks = 1
La structure particulaire ne correspond justement à aucune structure particulière, les éléments restent
indépendants, comme dans un sol très sableux (ce que l'on observe pour l'UTS 77 où le taux de sable est supérieur
à 85%). La structure n'a donc pas d'influence.
Dans une structure massive, l'assemblage des particules est continu et cohérent, il n'existe pas de fissure ou de
face de séparation. Là encore, on peut penser que la conductivité hydraulique ne dépend donc pas de la structure.
• Structure grenue et grumeleuse : Ksat/Ks = 5
Dans ces 2 types de structures, il existe des agrégats de 0,1 à 1 mm et donc une macroporosité.
• Structure polyédrique : Ksat/Ks = 20
Il s'agit également d'une structure de type fragmentaire mais la taille des agrégats peut atteindre plusieurs
centimètres. La macroporosité est donc plus développée.
La figure 6 montre la relation entre la sorptivité S (grandeur qui caractérise la capacité d’infiltration en fonction
du temps et de la teneur en eau initiale) et la conductivité hydraulique K. On note que pour une même valeur de
sorptivité, la conductivité hydraulique des sols en place est globalement 10 à 20 fois supérieure à celle des sols
modèles. Ceci confirme le choix de l’ordre de grandeur choisi pour les valeurs des rapports Ksat/Ks proposés.
Ks
Log K
Log θ
η
θθθθS θθθθSat
Ksat η'
10
Fig.6 Relation entre la sorptivité S et la
conductivité hydraulique de sols modèles, sans
structure, et de sols en place.
Une autre démarche consiste à calculer les paramètres du modèle de Brooks et Corey grâce à une autre fonction
de pédotransfert pour l'insérer ensuite dans le modèle POWER. Il en existe de nombreuses. Nous retenons celle de
Rawls et Brakensiek (1985) car elle tient compte de la valeur de porosité φ en plus des paramètres de texture. Elle
permet de calculer les paramètres θr, hbc, Ks, λ . Les coefficients de régression pour ces calculs sont présentés dans
le tableau 2. Cette fonction de pédotransfert n'est valable dans le domaine de texture suivant : 5% < Sable < 70 %
et 5% < Argile < 60 %.
En faisant l'approximation que θs = φ (en %) et que θr = 0, on retrouve les mêmes paramètres d'entrée pour le
modèle POWER.
Function type* exp (f) exp (f) (f) exp (f) Coefficients hbc λ θr Ks
c1 5.3396738 - 0.7842831 -0.01824820 -8.968470
c2 0.1845038 0 0.00513488 -0.028212
c3 0 0.0177544 0.00087269 0
c4 - 2.48394546 -1.0624980 0.02939286 19.53480
c5 - 0.00213853 - 0.00273493 -0.00015395 -0.0094125
c6 - 0.61745089 0 0 0
c7 0 -0.00005304 0 0.00018107
c8 - 0.04356349 -0.03088295 -0.00108270 0.077718
c9 0 1.11134946 0 -8.395215
c10 0.50028060 -0.00674491 -0.00235940 0
c11 0.00000540 0 0 -0.0000035
c12 0.00895359 0.00798746 0.00030703 0.0273300
c13 - 0.00001282 -0.00000235 0 0.0000173
c14 - 0.00855375 -0.00610522 -0.00018233 -0.0194920
c15 - 0.00072472 0 0 0.0014340
c16 0.00143598 0.00026587 0 -0.00298
* fonction f = c1 + c2.[argile] + c3.[sable] + c4.φ + c5.[argile]² + c6.[argile].φ + c7.[sable]² + c8.[sable].φ + c9.φ² + c10.[argile].φ² + c11.[argile]².[sable] + c12[argile]².φ + c13.[argile].[sable]² + c14.[argile]².φ² + c15.[sable]².φ + c16.[sable]². φ² avec [argile] et [sable] sont les taux en % de ces classes granulométriques et φ la porosité également en %.
Tab.2: Coefficients de régression pour la détermination des paramètres d'infiltration selon Rawls et Brakensiek (1985)
1,00E-6
1,00E-5
1,00E-4
1,00E-3
1,00E-2
1,00E-1
1,00E+0
0,01 0,1 1 10
S (mm/s1/2)Sols modèle s (Fuentes e t a l., 1992)
Sols "en place "
11
3) Réalisation des cartes
La délimitation du bassin versant de l'Ardèche à Saint-Martin d'Ardèche s’effectue grâce au SIG. La première
étape est donc de délimiter ce bassin. A partir du modèle numérique de terrain (MNT), le bassin versant est extrait
à l'exutoire choisi. Le haut du bassin versant ainsi créé se situe dans le département de la Lozère (figure 7), or la
banque de données ne renseigne que sur le département de l'Ardèche d'où la zone sans information à l'ouest de la
zone étudiée.
Fig.7 :Carte de situation du bassin versant
étudié, sur le Modèle Numérique de Terrain,
avec le réseau hydrographique, le nom des
villes, les limites et les noms des départements.
Pour toutes les cartes, les nombres du cadre en haut et à gauche correspondent aux coordonées Lambert en mètres et les nombres en
bas et à droite correspondent à l'échelle (en m).
Dans la base de données, seules les Unités Cartographiques de Sol (UCS) sont géoréférencées, tandis que les
caractéristiques sont décrits par strate pour chaque Unité Typologique (UTS). On connait la proportion de chaque
UTS dans une UCS. Afin de pouvoir cartographier les caractéristiques de sol, nous affectons aux coordonnées de
chaque UCS les attributs de l'UTS principale, et si sa proportion au sein de l'UCS est au moins de 50%. De plus,
certains UTS n'ont aucun profil associé qui le décrive. Nous prenons donc le parti pris de ne pas les prendre en
compte dans les cartes. Ces différentes opérations ont pu être effectuées par l'intermédiaire du logiciel Postgre
SQL au moyen de requêtes. Il s'agit d'une simplification des données nécessaire pour la cartographie mais qu'il ne
faut pas oublier lors de l'interprétation des résultats.
12
Fig.8 : Carte localisant les UCS (Unités
Cartographiques de Sol) dont l'UTS (Unité
Typologique de Sol) principale a un profil
descriptif ( en jaune ) et celles dont l'UTS
n'en a pas ( en gris ) et qui ne sera donc pas
prise en compte.
Les profondeurs de sol, les différents paramètres ont pu également être calculés par des requêtes avec Postgre.
Pour le calcul du Ks selon la formule de Rawls et Brakensiek (1985), la porosité doit être déterminée. Or dans la
base de données, celle-ci se trouve sous la forme d'un terme POROSITE, décliné en trois catégories : la porosité
principale, qui correspond à la valeur rencontrée le plus souvent, ainsi que les porosités minimale et maximale, et
pour lesquelles il existe des valeurs de 0 à 5. Dans le dictionnaire DONESOL, le terme VACUITE semble être le
correspondant. Il décrit la porosité globale (pores, conduits et fentes) de l’horizon et est défini selon le codage
suivant :
0. Porosité non identifiée
1. Non poreux ( < 2 % du volume).
2. Peu poreux (2 à 5 % du volume).
3. Moyennement poreux ( 5 à 15 % du volume).
4. Poreux (15 à 40 % du volume).
5. Très poreux ( > 40 % du volume).
Par différents tests, on affecte une valeur de porosité φ selon les valeurs des attributs POROSITE_PRIN,
POROSITE_MAX et POROSITE_MIN. En exemple, si MIN = 3 et PRIN = 4 → φ = 15. Cette valeur sera ensuite
insérée dans la formule.
Ceci est un exemple de requête qu'il faut effectuer pour constituer les fichiers qui servent de base pour la
réalisation des cartes.
13
4) Discussion
Le fait de n'avoir pas représenté les UTS qui n'avaient pas de profil décrit conduit à une absence d’information
le bas du bassin (figure 9). De plus, la représentation par strates, sachant que celles-ci ont une épaisseur variable
(de 0 à 50 cm pour la 1ère strate) entraîne une observation non régulière en profondeur. S'il est tout de même
intéressant d'avoir une information en profondeur, la première strate est la seule pour laquelle nous soyons sûrs
que l'information soit continue sur l'ensemble du bassin versant.
En ce qui concerne l'information sur la profondeur de sol, les sols les plus profonds sont en bas de bassin, ce
qui parait logique, mais on trouve à côté ceux les moins profonds, notamment une grande zone transversale qui
correspond à une zone où la roche affleure (profondeur de sol nulle).
Fig. 9 : Carte de profondeur de sol (cm)
Les cartes de texture nous amènent à souligner de nouveau cette limite transversale SW-NE qui distingue au
Nord une large zone très sableuse (~70 % de sable, ~10 % d'argile, ~20 % de limon) et au Sud Est, une région plus
limoneuse (55 à 65 % de limon, 15 à 35 % d'argile, ~20% de sable).
En ce qui concerne la Matière Organique, la carte a permis de mettre en évidence le fait que les valeurs sont
globalement assez faibles (max 2% et en moyenne 1%). Nous pouvons donc penser que ces quantités ne sont pas
suffisantes pour influencer les transferts d'eau dans le sol en ajoutant une composante hydrophobe.
Pour la carte de conductivité hydraulique à saturation calculée avec la formule de Cosby (figure 10), la
première remarque concerne la variabilité des valeurs. On observe une fourchette de valeurs allant de 10-7 à 10-6
m/s - ce qui paraît très faible sur une telle surface. Ensuite malgré le peu d'information sur le bas de versant, la
tendance semble tout de même être une diminution vers le bas du bassin (ce qui est cohérent avec les textures :
plus argileux).
14
En comparaison, les valeurs de Ks calculées avec la formule de Rawls et Brakensiek (figure 11) présentent
une variabilité beaucoup plus forte, avec 8 ordres de grandeur de 10-12 à 10-4 m/s ,bien que la répartition spatiale
semble identique, les valeurs les plus faibles se maintiennent vers le bas de bassin.
Fig.10: Carte des Conductivités hydrauliques à saturation Ks
(en m/s) calculées avec la formule de Cosby pour la strate 1.
Fig.11: Carte des conductivités hydrauliques à saturation Ks (en
m/s) calculées avec la formule de Brakensiek pour la strate 1.
La méthode décrite au paragraphe précédent pour affecter les valeurs de porosité aux différentes strates
entraîne très peu de variabilité à cause du codage peu précis : la très grande majorité des strates a une porosité de
30%, ce n'est donc pas ce paramètre qui entraîne la variabilité de la conductivité.
Nous pouvons également comparer les valeurs des paramètres calculés selon les deux fonctions de
pédotransfert avec les scattérogrammes présentés dans la figure 9.
La figure 12.a prend en compte les valeurs de Ks les plus élevées, on observe que les Ks calculées avec la
formule de Brakensiek sont beaucoup plus forts que ceux calculés avec la formule de Cosby, tandis que la
comparaison des valeurs les plus faibles (figure 12.b) nous montre que ce sont les valeurs calculées avec la
formule de Cosby qui sont les plus élevées. Si la majorité des points ne se situe pas sur la droite (1:1), on peut
quand même noter une certaine corrélation, et la différence est surtout due à la plus grande variabilité des Ks
calculés avec la formule de Brakensiek.
15
0,E+00
1,E-05
2,E-05
3,E-05
4,E-05
0,E+00 1,E-05 2,E-05 3,E-05 4,E-05Ks B rakensiek
0,E+00
2,E-07
4,E-07
6,E-07
8,E-07
1,E-06
0,E+00 2,E-07 4,E-07 6,E-07 8,E-07 1,E-06Ks Br a k e nsi e k
10
20
30
40
50
10 20 30 40 50
P o ro sité (%)
0
500
1000
1500
0 500 1000 1500
H bc B RA K EN S I EK ( c m)
0
20
40
60
80
100
0 50 100Hb c B R A KEN SIEK ( cm)
De la même manière on peut comparer les valeurs de porosité φ et celles de θs calculées par la formule de
Cosby (figure 12.c), sachant que selon Rawls et Brakensiek, le θs peut être considéré comme égal à la porosité.
Aucune corrélation n’est visible. Les θs varient peu, de 38 à 48%, tandis que d’après les informations de la base de
données, la grande majorité des strates ont une porosité principale entre 15 et 40% et on leur a affecté la valeur de
30%. On peut également se poser la question de la validité de l’hypothèse φ = θs .
Fig.12 : Scattérogrammes des paramètres d’infiltration. En abscisse les valeurs calculées avec la formule de Rawls et Brakensiek, en ordonnée les valeurs calculées avec celle de Cosby. scattérogrammes des Ks (en m/s) a : sur l’ensemble des valeurs et b : pour les valeurs faibles, c : porosité / θθθθs , scattérogrammes des hbc (en m) d : sur l’ensemble des valeurs et e :
a b pour les valeurs faibles. c d e
Enfin, la seule comparaison avec une valeur réelle de Ks peut être faite d'après une mesure réalisée au domaine
du Pradel par J.-P. Vandervaere et M. Nicolas, située sur la commune de Mirabel. Le Ks mesuré est de 55 mm/h
(1,98.10-4 m/s). Le tableau 3 présente les valeurs calculées de Ks pour les différentes strates de l’UTS
correspondant (dont l'épaisseur est comprise entre 20 et 30 cm).
Les valeurs calculées par strate sont toujours plus faibles que la valeur mesurée sur l'ensemble du sol. Le Ks
mesuré avec Cosby varie peu. Celui calculé avec la fonction de Brakensiek varie sur 5 ordres de grandeur et si la
valeur calculée pour la strate 5 est la plus proche de la valeur mesurée, celle pour la strate 4 est aussi la plus
éloignée, or étant située au-dessus elle doit sans doute contrôler le flux. La modification du Ksat peut entraîner
selon les structures une augmentation par rapport au Ks, ce qui tend à rapprocher la valeur calculée de la valeur
mesurée. Il faudrait pouvoir caler avec précision les valeurs de Ksat/Ks pour différentes structures. On peut penser
que nous avons sous-évaluer les rapports Ksat/Ks.
Tab.3 Valeurs de Ks et Ksat
calculées pour l’UTS défini sur le
domaine du Pradel
(m/s) Strate 1 Strate 2 Strate 3 Strate 4 Strate 5
Ks Cosby 7,45.10-7 7,79.10-7 8,56.10-7 3,02.10-7 2,04.10-6
Ks Brakensiek 9,79.10-7 9,92.10-7 2,64.10-8 9,29.10-10 5,01.10-5
K sat (à partir de Ks Cosby) 3,73.10-6 1,56.10-5 1,71.10-5 3,02.10-7 2,04.10-6
16
III Utilisation de POWER
Pour tester les nouveaux paramètres estimés et évaluer leurs impacts sur l’infiltration et le ruissellement, nous
utilisons le modèle POWER afin de simuler la réponse du sol à une pluie donnée.
1) présentation de POWER:
POWER (Planner Oriented evaluative Watershed model for Environmental and socio-economic Responses) est
une modélisation hydrologique intégrée en cours de développement par le LTHE-Grenoble et la société
Hydrowide, en collaboration avec le Cemagref. Elle devrait permettre d’aborder la modélisation à long terme des
ressources en eau tant du point de vue de la quantité que de la
qualité. Elle s’appuie sur une discrétisation du bassin versant en
sous-bassins élémentaires (REW) obtenus grâce à l’analyse d’un
modèle numérique de terrain. Chaque REW est lui même
redécoupé en colonne élémentaire (REC) obtenue par l’analyse
combinée, à partir d’un système d’information géographique, de
l’utilisation des sols, de la géologie, de la pédologie, de la
texture des sols et des voies de communications (fig.13).
Les équations de conservation de la masse, de la quantité de
mouvement et de l’énergie, appliquées à ces REW, permettent
de calculer les écoulements dans les zones saturées et non-
saturées du sol, les écoulements de surface sur zone saturée ou
non-saturée et dans la rivière.
Fig.13: principe de la discrétisation dans le modèle POWER
Nous nous intéressons particulièrement au calcul de l’infiltration, composante primordiale du cycle
hydrologique car l’intensité du ruissellement dépend de la capacité d’infiltration du sol. Pour cela, le modèle
s'appuie sur l'équation de Richards et la résolution numérique de Ross (2003), qui permet de calculer le flux
d'infiltration aux interfaces des différentes cellules du sol.
17
cellule 1 -- cellue 2 -- ...
cellule i --
cellule 50 --
2) Profil de sol étudié
Pour des raisons de faisabilité dans le cadre de ce stage, nous nous limitons à l’étude d’une colonne de sol afin
tester les modifications envisagées sur les données d’entrée du modèle POWER
Nous définissons pour ce sol un nombre de strates. A chacune d'entre elles, il faut affecter les paramètres de
Brooks et Corey. Ce profil est redécoupé verticalement en un nombre de cellules que l'on fixe : ceci représente la
discrétisation verticale.
La figure 14 et le tableau 4 présentent le sol et les paramètres associés que nous avons choisi pour ces essais
de modélisation.
Strate 1
Strate 2 Il s'agit du sol correspondant à l'UTS 12 de Vallon Pont d'Arc.
Les Ksat sont calculés à partir des rapports Ksat/Ks définis
selon les structures au paragraphe II.2 .
Strate 3
Fig.14 : Schéma du profil de sol étudié
Strate 1 Strate 2 Strate 3
θθθθs 45,41 % 44,605 % 41,24 %
hbc - 34,554 cm - 28,80 cm - 12,47 cm
1/λλλλ 6,54 6,92 6,06
ηηηη 16,4 17,2 15,6
D'après la formule de Cosby
et al.
K s (Cosby) 2,914.10-7 m/s 3,225.10-7 m/s 6,927.10-7 m/s
K s (Brakensiek) 6,148.10-8 m/s 7,284.10-8 m/s 1,331.10-5 m/s
hbc - 125,153 cm - 112,503 cm - 14,465 cm
1/λλλλ 3,616 3,990 3,135
θθθθr 0,07 ~ 0 0,08 ~ 0 0,09 ~ 0
D'après la formule de Rawls
et Brakensiek
θθθθs ~ φφφφ 30 % 30 % 40 %
Structure Grumeleuse compacte compacte
K sat 1,46.10-6 m/s 3,225.10-7 m/s 6,927.10-7 m/s
Tab.4: Caractéristiques des strates du profil
Nous divisons ce profil en 50 cellules d'épaisseur constante égale à 100/50 = 2 cm.
Nous considérons que l'évaporation est nulle et la condition initiale est h = -10 cm ( ce qui correspond à une
condition initiale assez humide).
0
100 Profondeur (cm)
30
60
18
3) Essai de modification de la fonction K (θ) :
La première difficulté concerne la modélisation de la relation K(θ) en 2 domaines telle qu'elle est présentée au
paragraphe II.2, ceci pour des problèmes de continuité mais également car la conductivité hydraulique K
intervient à travers son intégrale, le potentiel de flux matriciel Φ régie par l’équation (4).
≥−+Φ=Φ
<Φ=Φ==Φ ∫∞−
−−
eese
h
eee
e
hhhhK
hhSh
hhdhK
),(
,)(
/11
ληλη
(4)
Dans un premier temps, la solution retenue est, non pas d'exprimer K selon 2 portions de droite, mais de
modifier la valeur de K uniquement à la saturation c'est-à-dire quand θ = θs. On définit donc la relation K-θ ainsi :
==
<
=
pour
pour
ssat
sss
KKK
K
θθ
θθθθ η
(5)
Ceci revient à considérer que θs = θsat, c’est-à-dire que le volume macroporal est petit devant le volume
matriciel.
Le modèle est testé en mettant la même valeur pour Ksat et Ks et le résultat obtenu est identique au cas initial
du modèle de Brooks et Corey, avec les paramètres de Cosby. Il ne semble pas y avoir de problème de continuité.
Nous testons également le modèle de Brooks et Corey initial mais avec les paramètres calculés avec la
formule de Rawls et Brakensiek.
Le programme permet d'obtenir en fonction du temps le flux q0 à travers la première cellule, c'est-à-dire
l'infiltration en surface, la hauteur h0 d'eau qui se forme à la surface (= le ponding) et qui sera donc disponible au
ruissellement, le drainage en bas de colonne, le degré de saturation au niveau des différentes cellules. Nous
traçons donc l'infiltration et le ponding en fonction du temps ainsi que les fronts d'infiltration. Dans cette étude,
nous ne regardons que les transferts verticaux et donc pas le ruissellement. Les lames d’eau créées en surface (h0)
sont donc artificiellement maintenues au point considéré et sont donc susceptibles de se ré infiltrer après la pluie.
Nous testons ce profil avec 3 séries de pluie
(figure 15); la première est une pluie réelle (qui
correspond à l'évènement pluvieux du 21
novembre 2002 à Vallon Pont-d'Arc) issue de
la base de données OHM-CV , la deuxième est
la pluie constante de 7,5 mm/h, ce qui est la
moyenne des précipitations réelles, et la
troisième est une pluie constante plus
importante de 10-5 m/s (ou 36 mm/h).
Fig. 15: Précipitations utilisées pour la simulation avec POWER
0
10
20
30
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Temps (h)
Pré
cipi
tatio
ns (
mm
/h)
pluie réelle Pluie cste 7,5 mm/h Pluie cste 36 mm/h
19
4) Comparaison des résultats
L’ensemble des courbes obtenues est présentée en annexe 4.
Pour les essais avec la pluie réelle :
Dans le cas où l'on utilise les paramètres calculés avec
la formule de Rawls et Brakensiek, les couches
superficielles sont vite saturées et l'humidification a du mal
à se faire en profondeur – ce qui s'explique par des valeurs
plus faibles de Ks avec cette formule (figure 16). Au
contraire, dans le cas où les paramètres sont calculés avec la
formule de Cosby, la saturation n'est pas tout de suite
atteinte et l'humidification se fait plus rapidement en profondeur. Fig.16 : Degré de saturation à 5h, pluie réelle
L'observation des courbes d'infiltration en surface (q0 en
fonction du temps, figure 17 ) nous permet de distinguer ces
2 dynamiques. Après les 2 heures de précipitations peu
importantes (3mm/h) pendant lesquelles le flux q0 est égal à
la précipitation pour toutes les situations, on observe, dans le
cas où l'on décrit l’infiltration dans le sol par le Ks de Cosby,
un pic d'infiltration qui dure jusqu'à la saturation de la
première cellule. A cet instant, le ponding commence à se
former (figure 18) ; celui-ci est maximum (1,0 cm) vers
Fig.17 : Flux q0 = f (temps) , pluie réelle
4h, après les précipitations les plus intenses, et diminue ensuite
jusqu'à être nul à 7,5h. Pendant tout le temps où il existe cette
couche d'eau en surface, l'infiltration décroît. Dans le cas d'un sol
qui est décrit par les paramètres de Rawls et Brakensiek, on
observe également un pic d'infiltration mais sa durée est
beaucoup plus petite car la première cellule est déjà saturée avant
le début de la forte pluie. Le ponding se forme donc
instantanément et l'infiltration commence à diminuer. Le
ponding atteint son maximum à la fin des précipitations, à 5h, avec Fig.18 : Ponding h0 = f (temps), pluie réelle
une hauteur d'eau de plus de 2.4 cm, puis diminue jusqu'à disparaître un peu avant 36h.
De la même façon, dans le cas du sol décrit par le Ks de Cosby, le ré-essuyage en surface est plus rapide que
dans le cas du Ks de Brakensiek, tandis que le degré de saturation continue d'augmenter lentement en profondeur.
Toutes ces observations peuvent être dues uniquement au fait que la valeur de Ks est plus élevée - l'eau
s’infiltre plus vite - donc le ponding est plus faible et qu'il se maintient moins longtemps.
En ce qui concerne l'essai avec le Ksat, on voit qu'il apporte une contribution très importante bien que seule la
strate 1 soit modifiée (on a fixé pour la structure des strates 2 et 3 - structure compacte - un rapport Ksat/Ks égal à
1). En effet, le flux d'infiltration est toujours égal aux précipitations (figure 17), il n'y a donc aucune couche d'eau
Saturation à 5h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Flux d'infiltration en surface q0
0,E+00
1,E-06
2,E-06
3,E-06
4,E-06
5,E-06
6,E-06
0 2 4 6
Tps (h)
q0 (
m/s
)
h0 Cosby h0 Brak h0 Ks-Ksat
Ponding h0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0 2 4 6
Tp s ( h)h0 Cosby h0 Brak h0 Ks-Ksat
20
qui se forme en surface. C'est donc aussi le premier à se désaturer en surface.
Pour les essais à pluie constante (7,5 mm/h) :
Le volume total de précipitation est le même que dans la situation précédente, seule leur distribution
temporelle varie. On voit peu de différence en regardant l'évolution des degrés de saturation mais davantage avec
la courbe du ponding (figure 19). Tout d’abord le retard à la
formation du ponding dans le cas Ks de Cosby est plus
important que celui obtenu avec le cas Ks de Brakensiek
dans le test avec la pluie réelle. La valeur maximum atteinte
avec Ks de Cosby est 5,86 mm (~59 % de la valeur max
avec la pluie réelle) et dans le cas du Ks de Cosby de 22,6
mm (~94 % de la valeur max de la pluie réelle).
Fig.19 : Ponding = f (temps), pluie cste (7,5 mm/h) A partir des valeurs de ponding, on peut tracer une estimation du débit spécifique Qs de la colonne de sol, en
supposant que à, chaque pas de temps, le ponding qui se forme va participer à un écoulement et va donc être
évacué. On calcule dans un premier temps la lame d’eau ruisselée (LR en m) à partir de l’équation (6). Puis on
intègre cette variable sur le temps pour obtenir le débit spécifique.
1)-(t LR(t) LR sinon
dh 1)-(t LR(t) LR (t) q (t) q sidt chaquePour
00 pluie
=+=>
(6)
dt = pas de temps (s), dh0 = variation du ponding (m), qpluie = flux de précipitation (m/s), q0 = flux d’infiltration (m/s)
Débit spécifique qs - Pluie réelle
0
0,00002
0,00004
0,00006
0,00008
0,0001
0,00012
0,00014
0 2 4 6 8 10
Tps (h)
qs (m
/s)
Cosby Brak Ks-Ksat
Débit spécifique Qs - pluie cste 7,5mm/h
0.00000
0.00002
0.00004
0.00006
0.00008
0.00010
0.00012
0.00014
0 2 4 6 8 10
Tps (h)
Qs
(m/s
)
Cosby Brak. Ks-Ksat
Fig. 20 : Débit spécifique ( en m/s ) en fonction du temps pour la pluie réelle et la pluie constante (7,5 mm/h)
La figure 20 montre que les débits spécifiques atteignent des valeurs plus élevées dans le cas de la pluie réelle
par rapport au cas de la pluie constante. Les lames d’eau ruisselées totales sont, pour le sol décrit avec le Ks de
Cosby de 0,417 m avec la pluie réelle et de 0,150 m avec la pluie constante, pour le sol décrit avec le Ks de
Ponding h0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0 2 4 6
Tps (h)
h0 (
m)
h0 Cosby h0 Brak h0 Ks-Ksat
21
Brakensiek de 0,907 m avec la pluie réelle et 0,734m avec la pluie constante.
Pour les essais à pluie constante (36mm/h):
Comme dans les tests précédents, on observe au début de l'évènement pluvieux que l'infiltration atteint une
valeur maximale identique dans les 3 cas (où le flux en surface q0 est égal à 10-5 m/s = pluie) ceci pour une durée
variable (figure 21): plus de 6 minutes pour les essais avec les
sols décrit par les Ks (Cosby et Brakensiek) et plus de 16 min
avec le sol structuré où intervient le paramètre Ksat, ceci
jusqu'au moment où le ponding se forme en surface, le flux q0
commence à décroître jusqu'à atteindre 0 (quand il n'y a plus
d'eau en surface);
La lame d'eau en surface (figure 22) augmente assez
linéairement en fonction du temps et atteint un maximum en
fin de précipitation, comme on l'observait dans le cas "pluie
Fig.21 : q0 = f (temps), pluie cste (36mm/h) constante 7,5 mm/h". Cependant, les hauteurs d'eau sont
relativement plus importantes pour le sol décrit par le Ks de Cosby, et celui avec le Ks + Ksat (sachant que le Ks
utilisé est celui de Cosby). En effet le maximum de ponding lors de la pluie réelle dans le cas Ks Cosby était égal
à 40% de celui du cas Ks Brakensiek, tandis qu'ici le rapport est de 86%.
Etant donnée l'intensité de la précipitation testée (36 mm/h), l'essai avec le Ksat à la saturation permet
d'obtenir un ponding, et sa courbe q0 qu'il décrit est assez proche de celle du sol décrit par le Ks de Cosby (figure
21) mis à part le décalage temporel dans la décroissance du flux d'infiltration.
Ponding h0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0 20 40 60 80 100
Tps (h)
h0 (m
)
Cosby Brak Ks-Ksat
Fig. 22 : h0 = f (temps), pluie cste (36 mm/h)
Flux d'infiltration en surface q0
0,0E+00
2,0E-06
4,0E-06
6,0E-06
8,0E-06
1,0E-05
1,2E-05
0 2 4 6Tp s ( h)
Cosby Brak Ks-Ksat
22
Conclusion
Les fonctions de pédotransfert sont des relations statistiques qui fournissent des estimations des paramètres du
sol. L’utilisation de l’une ou l’autre de ces fonctions fournit des valeurs qui différent sensiblement, et notamment
par leur gamme de variation possible. Cependant la valeur de la conductivité hydraulique à saturation Ks semble
avoir un impact majeur sur la cinétique de l’infiltration et par conséquence sur la cinétique et le volume de
ruissellement lors des épisodes pluvieux..
Nous avons proposé une modification du modèle de conductivité hydraulique de Brooks et Corey avec le
nouveau paramètre Ksat, prenant explicitement en compte l’information sur la structure du sol. Il serait nécessaire
de mener des campagnes de terrain pour estimer les rapports Ksat / Ks à introduire dans le modèle en fonction des
informations de la base de données BDSol.
L’introduction d’une fonctionnelle de Brooks et Corey modifiée dans le modèle hydrologique POWER reste à
faire afin d’évaluer l’impact de la structure du sol au niveau du bassin versant.
Ceci ne peut être mené à bien sans une étroite collaboration entre pédologues, physiciens du sol et
modélisateurs.
.
23
Bibliographie
1. Brooks,R. H., Corey A.T. 1964 Hydraulic properties of porous media. Hydrology Papers
No 3. Colorado State University., 29pp.
2. Cosby, B.J. et al. 1984. A statistic exploration of the relationship of soil moisture
characteristics to the physical properties of soils. Water resour. Res. 20: 682-690
3. Chaptal F. 2005. Variabilité de comportement des zones de production de crues rapides aux
échelles locales : essai de modélisation à base physique pour la localisation des zones
dangereuses, mémoire de Master2 STUE Grenoble, LTHE
4. Haverkamp, R. et al. 1999. Soil Properties and moisture movement in the unsaturated
zone, Handbook of Groundwater Engineering, chapitre5, 50p.
5. M.S.N.Carpenter 1997. Terminologie de la pédologie FR-EN, http://mcarpenter.chez-
alice.fr/SOL.htm
6. Ross P. 2003. Modeling soil water and solute transport- fast, simplified numerical
solutions. Agronomy Journal, 41p.
7. Sobieraj, J.A., Elsenbeer, H., Vertessy, R.A. 2001. Pedotransfer Functions for estimating
satured hydraulic conductivity : implications for modeling storm flow generation. Journal
of Hydrology 251,19p.
8. Rawls,W.J. and Brakensiek,D.L.1985. Prediction of soil water properties for hydrologic
modeling. Watershed Management in the Eighties. Proc. Irrigation and Drain
9. Vandervaere, J.-P. 1995. Caractérisation hydrodynamique du sol in situ par infiltrométrie à
disques. Analyse critique des régimes pseudo-permanents, méthodes transitoires et cas des
sols encroûtés. Thèse de Doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble, 329 pp.
10. http://www.w3schools.com/sql/default.asp
11. http://www.sqlzoo.net
24
Annexes
Annexe 1 : Utilisation de SAGA Gis
Annexe 2 : Utilisation de PostGre SQL
Annexe 3 : Cartes de la base de données BDSol
Annexe 4 : Résultats de tests POWER
ANNEXE 1 :UTILISATION DE SAGA Introduction – Ouverture des fichiers Il existe 3 types de fichiers :
- *.dgm : fichier grid Ce sont des grilles, avec des valeurs pour chaque maille (ex : MNT).
- *.shp : fichier shape Ce sont des informations vectorielles avec des objets lignes, polygones ou points. On les superpose au
fichier grid. - *.dbf : base de données associée au fichier shape
Lorsque les différents fichiers sont ouverts, on règle leur apparence ( : couleur et texture des objets, de leur bordure, quels attributs apparaissent sur la carte, leur police de caractère) en sélectionnant settings après un clic droit sur le shape dans la fenêtre de gauche (appelée Projects Window). Ensuite on place les shapes sur le grid : Clic gauche sur le grid > menu Settings > Overlay > Shape En cliquant sur « 0 list item(s) », une fenêtre s’ouvre ; elle permet de faire glisser vers la droite les shapes à mettre sur le grid (vers la gauche pour les retirer) et/ou de modifier leur ordre de superposition (avec les commandes Up et Down) :
Zoom d’une région et enregistrement comme un nouveau fichier grid : Menu Grid > save > save zoomed area Enregistrement d’un projet On appelle projet plusieurs fichiers associés. Il existe des projets grid et des projets shape (ex de projet shape : la carte présentant les fichiers Réseau_Hydro, Station_Limni, Bassin_Versant, etc…). Une fois ouverts tous les fichiers à mettre dans le projet avec leur setting arrangé, on sauvegarde le projet : Menu Shapes (pour un projet shape) > Project > Save ( !! Attention : ne pas oublier l’extension .sps ou ..spg après le nom du projet)
Visualisation de classes à partir des données du fichier shape On peut mettre en évidence les variations d’un paramètre (correspondant à l’un des attributs du ficher) en séparant les valeurs de celui-ci en différentes classes auxquelles on attribue une couleur. Pour cela il faut ouvrir le menu settings du shape donné La classification est automatique (soit linéaire, ou logarithmique ou logarithme inverse). On peut influencer sur les bornes max et min ( : display range) ainsi que le nombre de classes ( : en cliquant sur la ligne color class, une fenêtre s’ouvre ; on peut entrer en haut le nombre de classes et on peut modifier les couleurs). On peut visualiser la légende dans la menu Classification type > Scheme > Table
Créer un fichier Shape
A partir d’un tableau type Excel, fichier.xls, contenant au moins les coordonnées des objets à insérer (par exemple, une liste de villes), il faut enregistrer ce tableau sous format dbf : Enregister sous > fichier.dbf. (Attention, la 1ère ligne du tableau Excel doit correspondre au titre des colonnes, c’est ainsi qu’elle est interprétée dans le format dbf). Dans SAGA, on ouvre cette table : File > Open > fichier.dbf Puis on crée le fichier shape à partir de la table : Menu Module > Shapes > Tools > Create point theme From Table
On sélectionne les colonnes de la table qui correspondent aux coordonnées X et Y. Une fois le fichier créé, on peut le renommer en l’enregistrant. Extraction de bassin versant
Le bassin versant est calculé à partir du MNT et de la position d’un exutoire. Le fichier grid du MNT et le fichier shape des exutoires doivent être ouverts. On doit premièrement charger le module POWER : Menu Modules > Load module library > Power.mdl Ensuite, on effectue plusieurs modules successifs : 1°- Modules > Terrain analysis > Flow accumulation > Parallel processing Dans les entrées (Input), on doit seulement choisir pour l’élévation le fichier MNT.dgm. En sortie, ce module va créer un nouveau fichier grid Catchment area.
2°- Modules > Terrain analysis > Channels > Channel network On met à nouveau le MNT pour l’élévation, puis le fichier Catchment Area en Initiation Grid avec une valeur de seuil (threshold) supérieure à la valeur de l’exutoire (coordonnée z sur le MNT) :
Ce module crée 2 nouveaux fichiers grid, Channel Direction et Channel Network. 3°- Modules > Modelling > POWER > Representative Elementary Watershed En Input, on met toujours le MNT pour l’élévation, et le Channel Direction pour Channel Direction (logique). Le module crée 2 nouveaux fichiers grid, un autre Channel et 1 REW. Il faut maintenant cliquer à l’exutoire choisi, sur le grid du MNT, et notre Bassin Versant apparaît dans la fenêtre REW. Enfin, il faut transformer ce fichier grid en fichier shape ; l’une des méthodes est de transformer le BV en polygones. On utilise un autre module (il faut donc d’abord déselectionner le module Watershed dans le menu Modules) : Modules > Grid > Shapes > Vectorising grid class On met le fichier REW.dgm créé précédemment en entrée, et il va créer un nouveau REW.shp que l’on peut visualiser dans la fenêtre shape et que l’on peut ajouter au MNT.dgm.
ANNEXE 2 : UTILISATION DE PostgreSQL PostgreSQL est un logiciel gratuit permettant d’effectuer des requêtes qui interrogent différentes bases de données. Il existe aussi une extension permettant de traiter des données géographiques.
Télécharger PostgreSQL Aller sur le site http://www.postgresql.org et suivre les instructions de téléchargement : choisir une version parmi les latest release, cliquer sur Win32 pour une installation sur Windows, et choisir une version avec Installer en évitant si possible la version en japonais (Attention il faut des mots de passe de l’administrateur de l’ordinateur). Ne pas oublier de sélectionner l’extension pour les données géographiques. Introduction Ouvrir pgAdmin III . Double-cliquer sur PostgreSQL Database Server 8.1, puis sur OK. Il ouvre alors les différents fichiers organisés hiérarchiquement : 1°) les bases de données 2°) les schémas 3°) pleins de sous-dossiers dont les tables
On peut visualiser les tables en les sélectionnant par un simple clic, puis en appuyant sur l'icône Transformation au format sql Pour créer une table dans PostGre, il faut transformer notre fichier qui existe par exemple en format shp (format de Saga) en format sql. Pour ceci, dans l’invite de commande, on tape :
"c:\ProgramFiles\PostgreSQL\8.1\bin\shp2pgsql.exe"�- I � version du PostGre utilisée � programme pour la conversion
�"c:\...\nom_fichier.shp" �nom_schema.nom_table����>����"c:\...\nom_fichier.sql" � espace Les deux lignes en gras sont à écrire à la suite, avec juste un espace entre –I et "c:\... .
………………1°
…………...2°
……….3°
Pour ouvrir ensuite la table ainsi créée, il faut ouvrir une requête en cliquant sur l'icône et ouvrir le fichier.sql. Sélectionner le schéma sous lequel elle a été enregistrée et cliquer sur Rafraîchir l’objet sélectionné : Une table apparaît dans la liste du schéma correspondant. Requêtes On suppose qu’il existe une table, nommée schema.table1. Voici un exemple simple pour comprendre l’architecture d’une requête (ce qui est en bleu est invariable, ce sont des mots en SQL, les lignes en italique sont des commentaires)
CREATE TABLE schema.table2 AS [CREATE TABLE ..AS permet de créer un table telle que qu’on la définit par la suite]
SELECT table1.colonne1, table1.colonne4 AS colonne2 FROM schema.table1
[SELECT détermine les colonnes qui seront dans notre nouvelle table, celles-là gardent le même nom que dans la table dont elles héritent sauf si on met un alias avec un AS, FROM précède la ou les tables qui interviennent dans la requête
WHERE colonne1<5
[avec le WHERE on peut mettre une condition ou contrainte sur la requête] Si schema.table1=
alors le résultat de la requête sera : schema.table2 =
Voici la fenêtre qui s’ouvre quand on clique sur l’icône des requête. On tape la requête dans le cadre supérieur. Pour l’exécuter, il faut appuyer sur le triangle vert. Si l’on a seulement demandé une sélection, le résultat s’affiche dans le cadre en dessous, si on a créé une table, le message suivant s’affiche : “La requête a été exécutée en x ms, mais ne renvoie aucun résultat.” Il faut comme décrit au point précèdent rafraîchir le schéma concerné.
Exemple de requêtes : Pour sélectionner les réalisateurs de film qui sont anglais et qui ne sont pas morts:
CREATE TABLE réalisateurs.anglais_vivant AS SELECT film.réalisateur FROM film WHERE nationalité='anglaise' AND date_mort IS NULL
Commentaires : comme il s’agit d’une chaîne de caractère, il faut ajouter les ‘...’ pour l’égalité.
colonne1 colonne2 colonne3 colonne4 13 34 1 1.5 4 56 5 88 90 1 15 25 1 489 25 3
colonne1 colonne2
4 88 1 3
2) Autre requête plus compliquée pour une intersection “géographique” (ex données de sol sur un bassin versant) : CREATE TABLE bv_stmartin.sol AS -- � nom_schéma.nom_table de sortie -- SELECT area , perimeter, donnees_sol.bdsol.the_geom
-- � nom des colonnes qui composent la table en sortie (the_geom = nom par défaut des variables géométriques) --
FROM donnees_sol.bdsol,bv_stmartin.bv WHERE -- � nom des tables à partir desquelles on fait la requête --
donnees_sol.bdsol.the_geom && bv_stmartin.bv.the_geom AND INTERSECTS(donnees_sol.bdsol.the_geom, bv_stmartin.bv.the_geom) Dans la bibliographie deux sites sont proposés qui proposent des tutorials pour apprendre le langage SQL. Transformation du format sql en format shape : Comme pour l’exercice inverse, il faut aller sur l’invite de commande et taper la formule suivante : "c:\ProgramFiles\PostgreSQL\8.1\bin\pgsql2shp.exe"� [options]� base_de_données� nom_schema.nom_table
Les options sont décrites ci-dessous.
Toutes ne sont indispensables, on peut n’utiliser que les -f (nom du fichier.sql en sortie), -u (nom d’utlisateur de postgres),et -P (mot de passe) .
ANNEXE 3 : CARTES
(en %)
Strate 1
Strate 2 Strate 3
Strate 4 Strate 5
(en %)
Strate 1
Strate 2 Strate 3
Strate 4 Strate 5
(en %) Strate 1
Strate 2 Strate 3
Strate 4 Strate 5
Strate 1
Strate 2 Strate 3
(cm)
Strate 1
Strate 2 Strate 3
Strate 4 Strate 5
Strate 1
Strate 2 Strate 3
Strate 4 Strate 5
Strate 1
Strate 2 Strate 3
Strate 4 Strate 5
Strate 1
Strate 2 Strate 3
Strate 4 Strate 5
Strate 1
Strate 2 Strate 3
Strate 4 Strate 5
ANNEXE 4 : RESULTATS DES TESTS POWER Comparaison de la saturation - Pluie réelle
Saturation à 1h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Cosby Brak. Ksat
Saturation à 3h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 4h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 5h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 6h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 12h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 24h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 48h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 96h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à168h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Comparaison de la saturation - Pluie constante (7,5 mm/h)
Saturation à 1h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Cosby Brak. Ksat
Saturation à 3h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 4h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 5h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 6h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 12h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 24h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 48h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 96h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Saturation à 168h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur
(cm
)
Comparaison de la saturation - Pluie constante (36 mm/h)
Saturation à 1h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Cosby Brak. Ksat
Saturation à 3h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Saturation à 4h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Saturation à 5h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Saturation à 6h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Saturation à 12h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Saturation à 24h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Saturation à 48h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Saturation à 96h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Saturation à 168h
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d° de saturation
Pro
fond
eur (
cm)
Comparaison des flux d’infiltration en surface q0 et du ponding h0 sur 100 h, sur des échelles identiques :
Pluie réelle
Flux d'infiltration en surface q0
0,00E+00
2,00E-06
4,00E-06
6,00E-06
8,00E-06
1,00E-05
1,20E-05
0 20 40 60 80 100Tps (h)
q0 (m
/s)
h0 Cosby h0 Brak h0 Ks-Ksat
Ponding h0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0 20 40 60 80 100
Tps (h)h0
(m)
h0 Cosby h0 Brak h0 Ks-Ksat
Pluie constante (7,5 mm/h)
Flux d'infiltration en surface q0
0,00E+00
2,00E-06
4,00E-06
6,00E-06
8,00E-06
1,00E-05
1,20E-05
0 20 40 60 80 100
Tps (h)
q0 (m
/s)
Cosby Brak. Ks-Ksat
Ponding h0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0 20 40 60 80 100
Tps (h)
h0 (
m)
Cosby Brak. Ks-Ksat
Pluie constante (36 mm/h)
Flux d'infiltration en surface q0
0,00E+00
2,00E-06
4,00E-06
6,00E-06
8,00E-06
1,00E-05
1,20E-05
0 20 40 60 80 100Tps (h)
q0 (m
/s)
Cosby Brak Ks-Ksat
Ponding h0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0 20 40 60 80 100
Tps (h)
h0 (m
)
Cosby Brak Ks-Ksat
Comparaison des flux d’infiltration en surface q0 et du ponding h0 sur 6 h : Pluie réelle :
Flux d'infiltration en surface q0
0,E+00
1,E-06
2,E-06
3,E-06
4,E-06
5,E-06
6,E-06
0 2 4 6
Tps (h)
q0 (m
/s)
h0 Cosby h0 Brak h0 Ks-Ksat
Ponding h0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0 2 4 6
Tps (h)
h0 (m
)
h0 Cosby h0 Brak h0 Ks-Ksat
Pluie constante (7,5 mm/h) :
Flux d'infiltration en surface q0
0,0E+00
5,0E-07
1,0E-06
1,5E-06
2,0E-06
2,5E-06
0 2 4 6
Tps (h)
q0 (m
/s)
Ks-Ksat Cosby Brak.
Ponding h0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0 2 4 6
Tps (h)
h0 (m
)
Cosby Brak. Ks-Ksat
Pluie constante (36 mm/h) :
Flux d'infiltration en surface q0
0,0E+00
2,0E-06
4,0E-06
6,0E-06
8,0E-06
1,0E-05
1,2E-05
0 1 2 3 4 5 6Tps (h)
q0 (m
/s)
Cosby Brak Ks-Ksat
Ponding h0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0 1 2 3 4 5 6
Tps (h)
h0 (
m)
Cosby Brak Ks-Ksat
Lame ruisselée et débit spécifique : Pluie réelle
Lame ruisselée LR
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 2 4 6 8 10Tps (h)
haut
eur (
m)
Cosby h0 Brak h0 Ks-Ksat
Débit spécifique qs - Pluie réelle
0
0,000020,00004
0,00006
0,00008
0,00010,00012
0,00014
0 2 4 6 8 10
Tps (h)
qs (
m/s
)
Cosby Brak Ks-Ksat
Pluie constante (7,5 mm/h)
Lame ruisselée LR
0,00,10,20,30,40,50,60,70,8
0 2 4 6 8 10
Tps (h)
haut
eur
d'ea
u (m
)
Cosby Brak. Ks-Ksat
Débit spécifique Qs - pluie cste 7,5mm/h
0,00000
0,00002
0,00004
0,00006
0,00008
0,00010
0,00012
0,00014
0 2 4 6 8 10
Tps (h)
Qs
(m/s
)
Cosby Brak. Ks-Ksat
Pluie constante (36mm/h)
Lame ruisselée LR
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10Tps (h)
haut
eur
d'ea
u (m
)
Cosby Brak Ks-Ksat
Débit spécifique Qs
0,0E+00
2,0E-04
4,0E-04
6,0E-04
8,0E-04
1,0E-03
1,2E-03
1,4E-03
1,6E-03
0 2 4 6 8 10Tps (h)
Qs
(m/s
)
Cosby Brak Ks-Ksat
