Utilisation d’Un SIG Pour l’Évaluation Des Caractéri

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Utilisation d’un SIG pour l’évaluationdes caractéristiques physiques d’unbassin versant et leurs influences surl’écoulement des eaux (bassin versantd’Oued El Maleh, Nord-Ouest d’Algérie)

Session Environnement

Nadjla [email protected] Centre National des Techniques Spatiales,Laboratoire de Télédétection, Arzew, Algérie.

Mots-clés

bassin versant, caractéristiques physiques, SIG, MNT, écoulement.

Résumé :

L’importance de l’eau en tant que ressource vitale et facteur de développement est mondialementreconnue, la protection de cette ressource nous amène à évaluer les paramètres qui jouent un rôleimportant dans l’écoulement des eaux superficielles.Ces facteurs englobent les caractéristiques géologiques, géomorphologiques, hydrologiques, etclimatiques, dont nous intéresserons, dans la présente étude, sur les caractéristiquesmorphométriques et hydrométriques d’un bassin versant.L’utilisation des outils performants tel que les SIG et la télédétection sont très nécessaire et utiles

dans le cadre de cette étude, ces outils répondent à la problématique précise de définition du réseauhydrographique et les bassins versants à partir d’un modèle numérique du terrain.Ces nouvelles techniques ont permis de donner des informations numériques caractérisant le relief etla morphométrie du bassin, elles sont utilisées dans les domaines applicatifs très variés, elles sontnotamment utilisées pour la cartographie des risques naturels tels que les risques d’inondations.Les inondations représentent, par la gravité de leurs conséquences sur le plan humain et matériel, lerisque naturel le plus important dans le monde.Pour faire face à ce risque, il est nécessaire de mettre en œuvre une prédétermination de la réponsedu bassin versant à des éléments pluvieux, et ce afin de carac tériser l’écoulement d’un bassinversant.Ce travail a été effectué sur le bassin versant d’oued El Maleh, qui est situé dans la région Nord Ouest

d’Algérie, il est d’une superficie de 787Km2.

1- Introduction :

Les techniques classiques utilisées dans l’étude du complexe physique d’un bassin versant sont baséesessentiellement sur des méthodes manuelles, dont les résultats obtenus généralement sont incorrects,avec l’apparition des nouveaux outils tel que les SIG et la télédétection, il est devenu facile dedéterminer les paramètres de forme, de relief et la typologie d’un réseau hydrographique.L’utilisation de ces nouvelles techniques a permis ainsi de répondre aux exigences d’exploitation deseaux superficielles et la prévention contre les risques d’inondation.

2- Présentation de la zone d’étude :

Le bassin versant d’Oued El Maleh est situé dans la partie Nord-Ouest du territoire national.Il est caractérisé par un climat méditerranéen aride à semi-aride avec des influences chaudes duSahara au Sud et fraîches au Nord et de l’Est.Cette région est connue par une faiblesse des pluies avec une moyenne inter-annuelle de 300 mm/an.Le bassin versant d’étude se situe au Nord-ouest de l’Algérie (figure1), soit approximativement entre(1° 9’ 24’’ et 1°26’17’’ W) de longitude et entre (35°17’22’’ et 35°16’37’’N) de latitude.Il est délimité par la mer méditerranée au Nord, les Montagnes des Berkeches au sud, lesmontagnes de Sbaa El Chioukh au Sud Ouest, les Monts de Tessala au Sud Est, la plaine de la Mlataà l’Est et le bassin de ouled El kihel à l’Ouest.

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3- Méthodologie, données et matériels utilisés :

Dans le cadre de cette étude, nous avons utilisé les images optiques ETM+ du satellite LANDSAT prisele 19- Mai 2002 d’une résolution de 30*30m, leur utilisation est nécessaire pour élaborer une mise à

jour du cheve lu hydrogr aphique.La cartographie du réseau hydrographique nécessite d’une part l ‘analyse des paramètres tel que lacouleur, la texture, la structure et enfin la forma d’un cours d’eau, et d’autre part la correction de cechevelue avec celui digitalisé à partir des cartes topographie à 1/25.000.Nous avons utilisé les cartes topographiques comme fond cartographies pour numériser les courbesde niveau et les points côtés, et ce afin d’obtenir un modèle numérique de terrainL’intérêt d’un MNT est de limiter le bassin d’étude et l’extraction automatique des paramètrescaractérisant le relief.Dans ce cas, L’utilisation des logiciels MapInfo, IDRISI et ENVI est très nécessaire pour développercette démarche.

4- Résultats et discision

L’utilisation de ces déférents paramètres et des indices morphométriques d’un bassin versant présenteun résultat très indispensable, et ce afin de caractériser l’environnement physique et leur influence surl’écoulement superficiel.Nous avons utilisé, dans le cadre de cette étude, des techniques automatiques qui facilitentl’extraction de ces indices.

4-1-Les caractéristiques de forme :

4-1-1- La surface et le périmètre :

La surface du bassin versant peut être mesurée par des techniques de digitalisation et limitation.

La surface du bassin d’étude est de 787,1 km 2.

Le périmètre du bassin est de 151,3 km.

4-1-2 La forme

l'indice de compacité de Gravelius (1914) KG est défini comme le rapport du périmètre du bassin au

périmètre du cercle ayant la même surface :

Cet indice est proche de 1 pour un bassin versant de forme quasiment circulaire et supérieure à 1lorsque le bassin est de forme allongée,A partir d’une requête géographique KC = 1.51Le cas du bassin d’oued El Maleh présente une forme allongée, cette forme induire de faibles débitsde pointe de crue.

4-1-2 Le rectangle équivalent :

Cette notion a été introduite pour pouvoir comparer des bassins entre eux du point de vue del'influence de leurs caractéristiques géométriques sur l'écoulement.

http://www.esrifrance.fr/cartographie.asp


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moyenne sur un bassin versant et donnent des indications quant au comportement hydrologique ethydraulique du bassin et de son système de drainage.La courbe hypsométrique du bassin versant d’oued El maleh est présentée sur le graphique n° 02.De forme concave, elle indique que le bassin est en état de maturité

4-2-2 Les altitudes caractéristiques :

Les altitudes maximales et minimalesElles sont obtenues directement à partir des cartes topographiques. L'altitude maximale représente lepoint le plus élevé du bassin tandis que l'altitude minimale considère le point le plus bas,généralement à l'exutoire. Ces deux données deviennent surtout importantes lors du développementde certaines relations faisant intervenir des variables climatologiques telles que la température, les

précipitations et le couvert neigeux.L’altitude maximale = 800 mL’altitude minimale =0 m

L'altitude moyenneL'altitude moyenne se déduit directement de la courbe hypsométrique ou de la lecture d'une cartetopographique. On peut la définir comme suit :

Avec :H moy : altitude moyenne du bassin [m] ;

Ai : aire comprise entre deux courbes de niveau [km2] ;

hi : altitude moyenne entre deux courbes de niveau [m] ;

A : superficie totale du bassin versant [km2].H moy : 235665.92 / 787.1 mH moy = 299m

L'altitude médianeL'altitude médiane correspond à l'altitude lue au point d'abscisse 50% de la surface totale du bassin,sur la courbe hypsométrique. Cette grandeur se rapproche de l'altitude moyenne, dans le cas où lacourbe hypsométrique du bassin concerné présente une pente régulière.L’altitude médiane dans le bassin d’oued El maleh est égale à 265 m.

4-2-3-La pente moyenne du bassin versant :

La pente moyenne donne une bonne indication sur le temps de parcours du ruissellement direct - doncsur le temps de concentration - et influence directement sur le débit de pointe lors d'une averse.Plusieurs méthodes ont été développées pour estimer la pente moyenne d'un bassin. Toutes elles sebasent sur une lecture d'une carte topographique réelle ou approximative ou bien à partir d’un MNA.La méthode proposée par Carlier et Leclerc (1964) consiste à calculer la moyenne pondérée despentes de toutes les surfaces élémentaires comprises entre deux altitudes données. Une valeurapprochée de la pente moyenne est alors donnée par la relation suivante :

Où :

i m : pente moyenne[m/km ou0 /00],

L : longueur totale de courbes de niveau [km],D : équidistance entre deux courbes de niveau [m],

A : surface du bassin versant [km2].

im = 40 * 2631.38 / 787.1 = 133.72m/kmCette méthode de calcul donne de bons résultats, dans le cas d'un relief modéré et pour des courbesde niveau simples et uniformément espacées.


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La pente moyenne est forte, ce qui présente un faible durée de concentration des eaux deruissellement dans les effluents.


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4-2-4 L'indice de pente IP :

Cet indice se calcule à partir du rectangle équivalent. Il est égal à la somme des racines carrées despentes moyennes de chacun des éléments pondérés par la surface intéressée, soit :

L: Longueur du rectangle équivalent, présente la fraction en % de la surface A comprise entre deux courbes de niveau voisines distantesde .Indice de pente de roche Ip= 3.85

L’indice global de pente. Sur la courbe hypsométrique, on prend les points tels que la surfacesupérieure ou inférieure soit égale à 5% de A. On déduit les altitudes H5% et H 95% entre lesquelles

s'inscrit 90% de l'aire du bassin et la dénivelée D = H5 – H 95L'indice global est égal à:


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la dénivelé e D = 600-50IG = 11.63Dénivelé spécifique (Ds) :Elle sert à la classification du bassin versant,Calculée par la formule suivante : Ds = IG * racine ADs= 326.22

L’utilisation d’un modèle numérique du terrain est très nécessaire, et ce afin de gain de temps dansl’extraction automatiques des indices relatifs aux reliefs du bassin et sa pente.

4-3 Le réseau hydrographique :

Le réseau hydrographique est une des caractéristiques les plus importantes du bassin. Le réseauhydrographique peut prendre une multitude de formes. La différenciation du réseau hydrographiqued'un bassin est due à quatre facteurs principaux qui sont :· La géologie : par sa grandesensibilité à l'érosion, la nature du substratum influence sur la forme du réseau hydrographique.Le climat: le réseau hydrographique est dense dans les régions montagneuses très humides et tend àdisparaître dans les régions désertiques.La pente du terrain : détermine si les cours d'eau sont en phase érosive ou sédimentaire. Dans leszones de pente plus élevées, les cours d'eau participent souvent à l'érosion de la roche sur laquelleils s'écoulent. Au contraire, en plaine, les cours d'eau s'écoulent sur un lit où la sédimentationprédomine.

La présence humaine : le drainage des terres agricoles, la construction de barrages, l'endiguement,la protection des berges et la correction des cours d'eau modifient continuellement le tracé originel duréseau hydrographique.Afin de caractériser le réseau hydrographique, il est souvent utile de reporter son tracé en plan surune carte à une échelle adéquate. L'utilisation de l’imagerie spatiale est utile à cette identification.Divers paramètres descriptifs sont utilisés pour définir le réseau hydrographique.

4-3-1 La topologie : structure du réseau et ordre des cours d'eau :

La topologie s'avère utile dans la description du réseau hydrographique notamment en proposant uneclassification de ceux-ci.cette classification est facilitée par un système de numérotation des tronçons de cours d'eau (rivièreprincipale et affluente)La codification des cours d'eau est également utilisée pour le traitement automatique des données.Il existe plusieurs types de classifications des tronçons des cours d'eau, dont la classification deStrahler (1957) qui est la plus utilisée.

Cette classification permet de décrire sans ambiguïté le développement du réseau de drainage d'unbassin de l'amont vers l'aval. Elle se base sur les règles suivantes :Tout cours d'eau dépourvu de tributaires est d'ordre un.Le cours d'eau formé par la confluence de deux cours d'eau d'ordre différent prend l'ordre du plusélevé des deux.Le cours d'eau formé par la confluence de deux cours d'eau du même ordre est augmenté de un.


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4-3-2 La longueur et les pentes caractéristiques du réseau :

La longueur caractéristiqueUn bassin versant se caractérise principalement par la longueur suivante :ü La longueur du cours d'eau principal (L) est la distance curviligne depuis l'exutoire jusqu'à laligne de partage des eaux, en suivant toujours le segment d'ordre le plus élevé lorsqu'il y a unembranchement et par extension du dernier jusqu'à la limite topographique du bassin versant. Si lesdeux segments à l'embranchement sont de même ordre, on suit celui qui draine la plus grandesurface.L = 65.1 km

Son profil longitudinal est schématisé sur le graphique ci-dessous


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La pente moyenne d'un cours d'eauLa pente moyenne d’une cour d'eau détermine la vitesse avec laquelle l'eau se rend à l'exutoire dubassin donc le temps de concentration. Cette variable influence donc le débit maximal observé. Unepente abrupte favorise et accélère l'écoulement superficiel, tandis qu'une pente douce ou nulle donneà l'eau le temps de s'infiltrer, entièrement ou en partie, dans le sol.Le calcul des pentes moyennes et partielles du cours d'eau s'effectue à partir du profil longitudinal ducours d'eau principal et de ses affluents. La méthode la plus fréquemment utilisée pour calculer lapente longitudinale du cours d'eau consiste à diviser la différence d'altitude entre les points extrêmesdu profil par la longueur totale du cours d'eau.

Où :P moy : pente moyenne du cours d'eau [m/km] ;

DHmax : dénivellation maximale de la rivière [m] (différence d'altitude entre le point le plus éloigné et

l'émissaire) ;L : longueur du cours d'eau principal [km].

P moy =585 / 65.1 = 8.98 m/km4-3-1 - Le Degré de développement du réseau : La densité de drainageLa densité de drainage, introduite par Horton, est la longueur totale du réseau hydrographique parunité de surface du bassin versant :

Avec :

Dd : densité de drainage [km/km2] ;

Li : longueur des cours d'eau [km] ;

A : surface du bassin versant [km2].La densité de drainage dépend de la géologie (structure et lithologie) des caractéristiquestopographiques du bassin versant et, dans une certaine mesure, des conditions climatologiques etanthropiques.En pratique, les valeurs de la densité de drainage varient de 3 à 4 pour des régions oùl'écoulement n'a atteint qu'un développement très limité et se trouve centralisé ; elles dépassent 1000pour certaines zones où l'écoulement est très ramifié avec peu d'infiltration. Selon Schumm, la valeurinverse de la densité de drainage, C=1/Dd , s'appelle « constante de stabilité du cours d'eau ».

Physiquement, elle représente la surface du bassin nécessaire pour maintenir des conditionshydrologiques stables dans un vecteur hydrographique unitaire (section du réseau)

La densité de drainage au niveau d'oued El maleh est égale à 1.79 km/km2 , ceci traduit que lebassin présente dans son ensemble une formation géologique perméable, dont le et l’écoulementest plutôt limité et centralisé ainsi que l’infiltration est augmentée.

La densité hydrographiqueLa densité hydrographique représente le nombre des cours d’eau par unité de surface.

Où :

F : densité hydrographique [km-2] ;


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N i : nombre des cours d'eau ; = 2110

A : superficie du bassin [km2]. =787.1F = 2.6Une faible densité de drainage et hydrographique, donc le bassin d’étude présente une région àsubstratum perméable, à couvert végétal important et à relief peu accidenté.

Le rapport de confluenceSur la base de la classification des cours d'eau, Horton (1932) et Schumm (1956) ont établi différenteslois :

Avec :RC : rapport de confluence des cours d'eau ("bifurcation ratio") ;RL : rapport des longueurs des cours d'eau ;u : ordre d'un cours d'eau u varie entre 1 et w (w est l'ordre du cours d'eau principal, classificationselon Strahler) ;N u : nombre des cours d'eau d'ordre u ;N u+1 : nombre des cours d'eau d'ordre suivant ;

Lu : longueur moyenne des cours d'eau d'ordre u ;

Le rapport de confluence est un nombre sans dimension exprimant le développement du réseau dedrainage. Il varie suivant l'ordre considéré. C'est un élément important à considérer pour établir descorrélations d'une région à une autre. Selon Strahler (1964), le RC varie de 3à 5 pour une région oùla géologie n'a aucune influence.La fréquence des cours d’eau :Elle représente le rapport du nombre du cours d’eau d’ordre 1 à la surface du bassin versant d’étude.F = 1.998D’après cette valeur on remarque que le bassin versant présente une fréquence plus au moins faible,ce qui traduit que le réseau hydrographique présente une hiérarchisation moyenne.Le coefficient de torrentialité :C’est le rapport entre la fréquence des cours d’eau d’ordre 1 avec la densité de drainage

Ct= Dd * F

Ct pour le bassin d’oued El Maleh est égale à 3.576 Km/km4.Cette valeur traduit que le bassin ne représente pas des caractéristiques morphométriques adapté àl’écoulement, ainsi qu’il est constitué par des formations perméables dont l’infiltration est importante.

5-Conclusion :

Nous avons été amenés à extraire le bassin versant en question, et à déduire ses caractéristiquesgéomorphologiques et hydrométriques, à partir d’un modèle numérique de terrain. L’extraction automatique de ces paramètres géomorphologiques et hydrométriques est une techniquetrès adaptée actuellement, en particulier que ces techniques favorisent à l’hydrographe un gain de


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temps et l’effort. Les résultats obtenus à partir de cet exe mple montrent les capacités des systèmes d’informationsgéographiques et les modèles numériques de terrain dans le calcul des paramètres qui influencent surl’écoulement des eaux de surface.L'évaluation de ces paramètres qui intervenant dans le comportement hydrologique du bassin ver santde l'oued El maleh nous a permis d'obtenir les résultats suivants :Le bassin versant d’oued El Maleh présente une forme allongée, un bassin en état de maturité, unrelief fort, le réseau hydrographique présente une hiérarchisation moyenne, une formation dans sonensemble perméable ainsi que un temps de concentration de ruissellement faible.Ces caractéristiques favorisent ainsi aux eaux superficielles le temps de s’infiltrer.Enfin, il faut souligner que, malgré tous ses mérites et les remarquables contributions des modèlesnumériques de terrain, Bien qu'elle constitue une donnée très puissante d'analyse, l'informatique ne

peut suffire à elle seule à résoudre tous les problèmes d'aménagement. Il faudrait des démarchescomplémentaires s'appuyant sur la réalité de terrain.

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http://www.esrifrance.fr/transport_express.asphttp://www.esrifrance.fr/carte_geographique.asp

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