7ème Colloque d'Hydrologie en Pays Calcaire et en Milieu FissuréUniversité de Franche-Comté et de Neuchâtel

Besançon 20-22 septembre 2001

TracES/View - Traçage des Eaux Souterraines :TracES/View - Traçage des Eaux Souterraines :Application SIG en milieu karstique jurassien Application SIG en milieu karstique jurassien

(Suisse)(Suisse)

Mahmoud BOUZELBOUDJEN Mahmoud BOUZELBOUDJEN 11

Pascal ORNSTEIN Pascal ORNSTEIN 22

Francesco KIMMEIER Francesco KIMMEIER 11

1 Centre d'Hydrogéologie, Institut de Géologie - Université de Neuchâtel, Suisse2 CREALP - Centre de Recherche en Environnement Alpin, Rue de l'Industrie 43, 1991 Sion, Suisse

1. INTRODUCTION1. INTRODUCTION

La réalisation finale des cartes hydrogéologiquesclassiques passe inévitablement par un travailmanuel minutieux et laborieux. Les cartes préparéessont ensuite confiées à un cartographe spécialisé.Lorsque l'hydrogéologue a terminé sa carte, ils'écoule un certain temps pour que celle-ci soitdessinée, imprimée et éditée [Pasquier,Bouzelboudjen, Zwahlen 1999]. Il est clair quedurant ce temps la demande des utilisateurs aévolué. Cette méthode ne permet pas uneréactualisation aisée de l'information, et suite à unequelconque modification la carte doit être en grandepartie redessinée.

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Certains hydrogéologues utilisent en partiel'informatique pour stocker les données (inventaire desources, etc.) et numérisent certaines informationsnécessaires pour résoudre leurs problèmes (cartesen isovaleurs, extension de l'aquifère, simulation desécoulements souterrains), [Bouzelboudjen, 1993].Cette démarche demande un effort considérable dansla «structuration» des données de base. Cependant,elle trouve ses limites quand des modificationssurgissent, et dans la plupart des cas seule lapersonne initiale au projet (si elle se rappelle lesprogrammes utilisés et des étapes de l'étude) peutintervenir [Bouzelboudjen, Király & al., 1997]. Dans laplupart des cas, il faut tout recommencer.

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SIG et Modélisation EnvironnementaleSIG et Modélisation Environnementale

Occupation du sol

Géologie

Réseau hydrographique

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Démographie

Topographie

Réseau d 'assain issem ent

Territoire à protéger

Illustration 1 : Image réalisée par Zine El Morjani, Thèse Université de Genève 2002

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Modélisation spatiale de l’information en 3 dimensionsModélisation spatiale de l’information en 3 dimensions

SIG, méthode pour :

visualiser, gérer, analyser et représenter des données spatiales

pour relier une carte à sa base de données

Couplage des SIG et des modèles dynamiques

dans les sciences environnementalesIllustration 2 : Image tirée de ESRI 1995

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Hydrographie et fractures

Nature des terrains

CommunesModèle numérique de terrain 50m

Points d’eau

5 plans d’information5 plans d’information «De la carte de synthèse aux cartes «De la carte de synthèse aux cartes

thématiques»thématiques»

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Illustration 3 : Cartographie et SIG

Utilisation du sol en mode raster 100 x 100 m (1997) Utilisation du sol en mode raster 100 x 100 m (1997) Source: Office fédéral de la statistique, NeuchâtelSource: Office fédéral de la statistique, Neuchâtel

Noir : agglomération

Orange ; zone agricole potentielle

Vert clair : pâturage

Vert foncé : fôret

Lilas : viticulture

© 1997, Office fédéral de la statistique

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Illustration 4 : SIG en mode raster

(Fig. 2) Neuchâtel situation

The geological situation of the Noiraigue basin is identical to the one of the Areusespring. The karst spring of the Noiraigue flows into the Areuse river. The outletconsidered for the Areuse drainage basin (359 km2) is at Champs-du-Moulin.

The Serrière spring drains the ground water of one syncline with a catchment of 80km2. The limits of the aquifers are relatively sure, based on structural and numeroustracer tests. The aquifers in Jurassic limestone (350 m of Malm), underlain by thequasi-impermeable marls (200 m of Argovien).

The Areuse river beginsin the western part of theVal-de-Travers, an impor-tant valley of NeuchâtelJura. Its spring is calledthe Areuse Spring. Thesubstratum of the springbasin (130 km2) containsa thick series of perme-able, fractured limestone(500 m, Sequanian-Urgonian) resting on aseries of marls of very lowpermeability.

Illustration 5 : Situation of the Areuse and Serrière basins

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Tab. 1 : Charactéristiques hydrogéologiques des aquifères karstiques de l’Areuse et de la Serrière (Eisenlohr,Bouzelboudjen, Király, Rossier, J. of Hydrol. 202 (1997), pp. 244-262.

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(a) Hydrogrammes de la source del’Areuse et de la Serrière pour lescycles hydrologiques 1984-1985. Lesdébits journaliers moyens provien-nent des stations limnimétriquesfédérales (canton de Neuchâtel,Suisse). Pluies journalières pour lamême périodeaux stations clima-tiques des Ponts-de-Martel (cantonde Neuchâtel).

(b) Auto-correlation (décharge-décharge)entre les sources de l’Areuse et de laSerrière pour 8 années hydrologiques(valeurs journalières, 1982-1989), m= 400 ; auto-correlations (precipi-tation-precipitation) à la station desPonts-de-Martel (valeurs journalière,1982-1989, m = 400, (Eisenlohr,Bouzelboudjen, Király, Rossier, J. ofHydrol. 202 (1997), pp. 244-262.

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Illustration 6 : Hydrogrammes et statistiques

Injection

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Essai de traçage des eaux souterrainesEssai de traçage des eaux souterraines

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eierIllustration 7 : Relation entre point d’injection et point de réapparition

Nous montrons à travers l'application TracES/View d'unepart l'intégration de données des essais de TRaçages desEaux Souterraines sous ORacle (TRESOR) et/ou sousACcess (TRESAC) au sein de la Base de DonnéesHYDROGEologiques spatiales numériques du canton deNEuchâtel (BD HYDROGENE) et d'autre part uneapproche permettant la sélection, l'interrogation interactive,la gestion ainsi que la représentation graphique desrésultats de ces traçages. Ce travail montre l'apport desbases de données spatiales numériques et des systèmesd'information géographique dans l'élaboration des carteshydrogéologiques basées sur la détermination dessystèmes d'écoulement souterrain [Bouzelboudjen, 1993,Bouzelboudjen & Kimmeier, 1998].

TracES/View peut servir de base aux études sur la gestionet la protection des ressources en eau souterraine duCanton de Neuchâtel et peut être appliquée à d'autrescantons ou régions.

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2. MODÈLE DE SAISIE DES DONNÉES DES 2. MODÈLE DE SAISIE DES DONNÉES DES ESSAIS DE TRAÇAGEESSAIS DE TRAÇAGE

Une première réflexion a été engagée en 1990 par leCentre d’hydrogéologie de l’université de Neuchâtel(CHYN) dans le cadre d’un travail de diplôme postgrade[Brasey, 1990]. La méthodologie retenue pourl’acquisition et la saisie des données relatives aux essaisde traçage du canton de Neuchâtel s'est largementappuyé sur les travaux réalisés en Franche-Comté parl'université de Besançon [Chauve & al., 1987]. Lapremière étape de cette réflexion a consisté à définir unmodèle de saisie des données des essais de traçagepermettant de documenter chaque essai de traçage demanière la plus complète possible.

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2.1 Bases de données des essais de traçage du canton de 2.1 Bases de données des essais de traçage du canton de Neuchâtel : TRESOR (TRaçages des Eaux Souterraines Neuchâtel : TRESOR (TRaçages des Eaux Souterraines

sous ORacle) et sous ACcess (TRESAC)sous ORacle) et sous ACcess (TRESAC)

L’inventaire entrepris par J. Brasey en 1990 a été complétéjusqu’en 1994, portant le nombre des essais actuellementrépertoriés à un peu plus de 200 [Aeschlimann-Adatte, 1994].Celui-ci englobe les essais de traçage réalisés dans le cantonde Neuchâtel ainsi qu’une trentaine d’essais réalisés dans lescantons périphériques de Berne, Vaud et du Jura. En 1994, leCHYN a initié le projet de créer une base de donnéesinformatisée pour l’archivage des essais de traçage réalisésdans le canton de Neuchâtel. Ce projet avait notamment pourbut de migrer l’inventaire existant sous FileMaker Pro 2.0[Claris, 1992] vers un véritable système de gestion de basesde données relationnelles sous ORACLE [Tollo,Bouzelboudjen, Ornstein, 1995] afin de garantir une plusgrande ouverture et une meilleure intégrité des données. En1996, la même base de données a été implémentée aussisous Access (TRESAC), [Bouzelboudjen & al., 1997].

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2.2 Intégration base de données TRESOR et Système 2.2 Intégration base de données TRESOR et Système d’Information Géographique Arc/Info d’Information Géographique Arc/Info

Les données des essais de traçages correspondent à desobjets géoréférencés : points d’injection, d’observation et deréapparition. L’utilisation d'un SIG est tout à fait adaptée pourle traitement de ces informations notamment pour leursreprésentations, leurs interrogations et leurs analyses.

Dans cette optique, un premier essai a conduit à la réalisationsous ArcInfo de l'application (TracES/Info) sur la région duVal-de-Ruz (TracES/Info VdR), [Bouzelboudjen & al., 1993],puis de la carte des essais de traçage du canton deNeuchâtel (TracES/Info Ne, Annexe 3), [Bouzelboudjen &Ornstein, 1995]. Ces deux projets combinent ArcInfo et labase de données traçage sous ORacle (TRESOR),[Bouzelboudjen, Burri, Ornstein, 1996].

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3. APPLICATION «TracES/View»3. APPLICATION «TracES/View»

L'application TracES/Info dé-crite précédemment a ététransposée sous MS Accesset ArcView (TracES/View).Cette dernière a pour but defournir un moyen d’accèsconvivial et interactif auxinformations de la base dedonnées «Essais de traçage»sans connaissances préala-bles d'Access et/ou d'ArcView(par exemple la possibilitéd’accéder aux données dir-ectement à partir d'une re-présentation cartographique àl'écran (Fig. 3) L’applicationest bâtie sur le mode client/serveur (Fig. 1).

Fig. 1 : Intégration Oracle – MS Access avec ArcInfo– ArcView : structure schématique desapplications «TracES/Info et TracES/View»en mode client/serveur

Bases de données (serveur)TRESOR (ORacle),TRESAC (ACcess)

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ArcInfo(client)

TracES/Info

ArcView(client)

TracES/View

Saisie des donnéesdes essais de traçage

Requêteset

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1. Points d'injection2. Points d'observation3. Points de réapparition

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Le lien ArcView - Access est réalisé via une liaison detype SQLconnect [ESRI, 1996]. Cette liaison permetd’accéder aux informations de la base de donnéesTRESAC (serveur) directement à partir d’ArcView(client) par l’intermédiaire de requêtes SQL (StandardQuery Language). ArcView ne stocke pasautomatiquement le résultat des requêtes maissimplement leurs définitions. Ces requêtes sontexécutées à chaque ouverture de l’application. Cettesolution offre l'avantage de créer des tablesdynamiques qui reflètent automatiquement les mises àjour apportées à la base de données (ajout,suppression, modification de données).

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(Fig. 1) Porous aquifers

La Fig. 2 illustre larequête : «Sélection desessais de traçage réalisésdans le canton deNeuchâtel» et l'Annexe 1montre la cartographiedes résultats de larequête : «Sélection desessais de traçage réalisésdans le canton de Neu-châtel dont la longueurest supérieure ou égale à4 km». De la mêmemanière, une requêtepeut être effectuée enutilisant la liste descommunes ou la liste destraceurs à travers le menu«Sélection traçages».

Fig. 2 : Sélection des essais de traçage réalisés dans le Canton de Neuchâtel.

Résultat de la requête:

La barre d’état indique le nombre d'occurrences (173) et le pourcentage correspondant par rapport au nombre d’essais recensés (85%)

Requête: «Sélection des essais de traçage réalisés dans le canton de Neuchâtel».

Sélection du canton à partir de la liste des cantons

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Une fois la liaison SQLconnect établie, la «redirection»du lien sur le serveur Access pourra être effectuée sansqu’il soit nécessaire de redéfinir les requêtes SQLservant à la création des tables ArcView.L'applicationest organisée sous la forme d'un projet. D'un point devue logique, un projet est défini comme un ensemble dedocuments (vues (Fig. 2), tables (Fig. 3), graphiques(Fig. 5), cartes (Annexes 1, 2, 3), scripts) liésdynamiquement les uns aux autres. La notion de liendynamique implique que toute manipulation del'information effectuée à l'intérieur d'un document(modification, suppression, ajout, sélection, zoom, etc.)est automatiquement répercutée par tous les documentsqui lui sont liés.

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Physiquement, chaque projet est stocké sous laforme d'un fichier unique, éditable (format ASCII).Celui-ci contient la définition et les propriétés desdifférents documents constitutifs (vues, tables,graphiques, cartes, scripts) ainsi que lesréférences aux informations spatiales, graphiques(images) et tabulaires (liaison SQLconnect etrequêtes SQL) utilisées. Le projet permetégalement de mémoriser l'état de l'applicationd'une session à l'autre.

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Les thèmes 1 à 3 (Fig.2) ont été élaborés di-rectement sous ArcViewà partir des informationsgéographiques X, Y con-tenues respectivementdans les tables «Pointsd'injection», «Points deréapparition» et «Pointsd'observation» de labase de données «Es-sais de traçage»

Fig. 3 : Interrogation interactive de la table «Points d'injection» auGouffre de Pertuis

Ces thèmes particuliers sont référencés dans ArcView en tant que«Event Themes» et les tables correspondantes comme «EventTables». Ces tables peuvent être interrogées dynamiquement ensélectionnant graphiquement un objet sur la carte affichée àl'écran (Fig. 3).

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Les tables sont créées par interrogation de la basede données «TRESAC» au travers de différentesrequêtes SQL. L'accès aux données est réalisé viaune connexion SQL (SQLConnect) préalablementdéfinie au niveau du gestionnaire ODBC (OpenDataBase Connexion) sous Windows. Le nom de laconnexion et les requêtes SQL sont stockées dansle projet et exécutées à chaque nouvelle ouverturede l'application. Ce faisant, les modificationsapportées à la base de données entre deuxsessions (par exemple ajout de nouveaux essais detraçages) sont automatiquement prises en compteau niveau des tables «Points d'injection», «Pointsd'observation» et «Points de réapparition» ainsi quedes thèmes auxquels elles sont liées.

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Les résultats des différentes requêtes dont l'utilisateur abesoin peuvent être superposés au MNT (Modèle Numériquede Terrain) ou à la combinaison du MNT et de la lithologie ducanton de Neuchâtel (Annexes 2 et 3). Les informations debase relatives à la lithologie et aux points d'eau sont tirées dela carte hydrogéologique numérique du canton de Neuchâtelau 1: 50'000 (HYDROGENE) basées sur les travaux de Kiraly[1973]. Le traitement de celle-ci s'est déroulée en trois phasesconsécutives [Bouzelboudjen, 1994] :

1. Reprise manuelle des contours lithologiques et despoints d'eau sur calques.

2. Numérisation des contours lithologiques par scannerA0. Numérisation des points d'eau, gouffres, grottesavec la table à digitaliser A0.

3. Traitement final sous Arc/Info (vectorisation, base dedonnées avec topologie et cartes dérivées).

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La partie programmation de l'application TracES/Viewa été réalisée avec Avenue, le langage deprogrammation orienté-objets associé à ArcView. Lecode est organisé sous forme de modules ou scripts.Un script est défini comme le constituant d'un projetqui contient le code Avenue. Cette application estavant tout un outil interactif de consultation de la basede données des essais de traçage du canton deNeuchâtel. Outre les fonctionnalités qui ont étéspécifiquement développées, l'utilisateur peut disposertout à fait normalement des fonctions propres àArcView, notamment des fonctions d'interrogation, derecherche et d'analyse spatiale.

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La consultation peut s'effectuer selon deux modesinteractifs complémentaires : «Carte active» (Fig. 4) etmenu personnalisé (Fig. 2). Dans les deux cas, l'accèsà l'information s'effectue à partir du point d'injection.

Outre le travail de consultation de la base de donnéesTraçages et de liaison avec le SIG, des analysesstatistiques peuvent être réalisées sur la totalité desdonnées ou sur le résultat d'une requête spatiale. Lafigure 5a illustre un exemple décrivant les statistiquessur les traceurs utilisés ainsi que la variabilité de lalongueur des traçages réussis et des temps deparcours pour le canton de Neuchâtel (Annexe 3).D'autres statistiques peuvent être calculées comme laquantité d'un traceur spécifique utilisé ou le nombre detraçages réussis effectués par chaque exécutant.

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L'application TraceES/View comme décritprécédemment est facile-ment exportable versd'autres cantons. L'An-nexe 4 montre la cartenumérique des circu-lations souterraines enmilieu karstique recon-nues par essais detraçages en Ajoie (cantondu Jura), Bouzelboudjen,Kimmeier et Grétillat[1999]. La Fig. 5b donnequelques statistiques surces essais de traçagesen Ajoie.

Fig. 4 : Consultation en mode «Carte active» :

1.- Requête spatiale effectuée à l'aide de l'outil de sélection (cerclerouge) sur une zone contenant des points d'injection (rectanglerouge)

2.- Résultats avec (a) sélection des points d'injection liés à des traçagespositifs et (b) sélection automatique des points de réapparition liés àdes traçages positifs et (c) matérialisation sous forme de ligne desconnexions entre les points d'injection et de réapparition)

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Ann. 1 : Cartographie des résultats des requêtes spatiales et alphanumériques de la base de donnéesnumériques HYDROGENE (canton de Neuchâtel, Suisse). Tiré de Bouzelboudjen et al., 1993, 1995, 1996, 1997, Brasey,1990 et Király 1973

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Ann. 2 : Nature lithologique des terrains et des manifestations hydrogéologiques de surface. Extrait de la cartehydrogéologique numérique SIG du canton de Neuchâtel 1:50'000. Application SIG sous ArcInfo, Centred'Hydrogéologie, Groupe SIGNE Université Neuchâtel [Bouzelboudjen , 1994]

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Ann. 3 : Carte numérique des circulations souterraines en milieu karstique reconnues par essais de tracagesdans le canton de Neuchâtel. Application sous ArcInfo-Oracle. Centre d'Hydrogéologie, Groupe SIGNEUniversité Neuchâtel, [Bouzelboudjen, Ornstein, 1995]

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Fig. 5a : Sélection des essais de traçage réalisés dans le Canton de Neuchâtel

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Ann. 4 : Carte numérique des circulations souterraines en milieu karstique reconnue par essais detracages en Ajoie (canton du Jura), Centre d'Hydrogéologie, Université de Neuchâtel, [Bouzelboudjen,Kimmeier & Grétillat, 1999]

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Fig. 5b : Sélection des essais de traçage réalisés dans l’Ajoie (canton du Jura)

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4. CONCLUSIONS4. CONCLUSIONS

Les essais de traçage prenant du temps et étant coûteux,l'application TracES/View combinant le Systèmed'Information Géographique (SIG) ArcView couplé avec labase de données Access permet la consultation, l'analyse etl'optimisation de la planification de nouveaux essais detraçage. Cette application offre à des non-spécialistes en SIGd'accéder facilement aux éléments de la base de donnéesdes essais de traçage d'une manière graphique intuitive etinteractive à l'écran. Utilisée conjointement avec d'autrescartes thématiques numériques (topographie, surfacesstructurales des formations géologiques, extension desaquifères, perméabilités, utilisation du sol, etc.), elle peutfournir un outil puissant d'aide à la décision pour la gestion etla protection des ressources en eau souterraines. L'étapesuivante est de mettre l'application TracES/View appliquéeaux cantons de Neuchâtel et du Jura à disposition desutilisateurs à travers Internet en utilisant ArcIMS (Arc InternetMap Server).

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Fig. 5 : Sélection des essais de traçage réalisés dans le Canton de Neuchâtel (a) et en Ajoie (b)

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