analyse réseaux hydro

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    02-Jul-2015

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<p>MINISTERE DE LEDUCATOIN NATIONALE, DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE</p> <p>CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS</p> <p>ECOLE SUPERIEURE DES GEOMETRES ET TOPOGRAPHES</p> <p>MEMOIREPRESENTE EN VUE DOBTENIR</p> <p>LE DIPLOME DINGENIEUR E.S.G.T.par Sbastien LE PAPE</p> <p>ANALYSE ET QUANTIFICATION DU RESEAU HYDROGRAPHIQUELe rseau hydrographique comme objet vectoriel</p> <p>Soutenu le 7 juillet 1998 JURY : Prsident : M. Michel KASSER (E.S.G.T.) Membres : M. Pierre CLERGEOT (E.S.G.T.) M. Jean-Paul XAVIER (ELF-EP) M. Pierre GRUNEISEN (ELF-EP)</p> <p>E.S.G.T 2 Avenue Pythagore 72 000 Le Mans Tel : 02.43.43.31.00. Fax : 02.43.43.31.02.</p> <p>ELF-EP Avenue Larribau 64 000 PAU Tel : 05.59.83.40.00.</p> <p>LES RESEAUX HYDROGRAPHIQUES</p> <p>Sommaire</p> <p>SommaireINTRODUCTION ............................................................................................................................................2 PREMIRE PARTIE : MORPHOGENSE ET MORPHOLOGIE DU RSEAU HYDROGRAPHIQUE...........................................................................................3 1. LES PRINCIPAUX FACTEURS DE FORME DU RSEAU HYDROGRAPHIQUE.......................................................3 2. LA MORPHOLOGIE DU RSEAU HYDROGRAPHIQUE......................................................................................6 3. LANALYSE DU RSEAU HYDROGRAPHIQUE...............................................................................................13 4. LAPPORT EN GOLOGIE DE LANALYSE DU RSEAU HYDROGRAPHIQUE.....................................................19 5. CONCLUSION.............................................................................................................................................20 SECONDE PARTIE : EXPLOITATION INFORMATIQUE DU RSEAU HYDROGRAPHIQUE ....21 1. LACQUISITION DU RSEAU HYDROGRAPHIQUE ..........................................................................................21 2. LE RSEAU HYDROGRAPHIQUE COMME OBJET VECTORIEL........................................................................25 3. MODLISATION AU SEIN DUN SIG.............................................................................................................26 4. EXPLOITATION DE LA BASE DE DONNES...................................................................................................40 CONCLUSION ...............................................................................................................................................47 ANNEXE A : LES DONNES DANS LES SIG ..........................................................................................48 ANNEXE B : THORIE DES GRAPHES ET TOPOLOGIE....................................................................53 ANNEXE C : LES ARBRES ET LES ARBORESCENCES.......................................................................56 ANNEXE D : PRSENTATION DU LOGICIEL TNTMIPS ....................................................................57 BIBLIOGRAPHIE .........................................................................................................................................60 TABLE DES MATIRES..............................................................................................................................62 TABLE DES ILLUSTRATIONS ..................................................................................................................64</p> <p>1</p> <p>LES RESEAUX HYDROGRAPHIQUES</p> <p>Introduction</p> <p>IntroductionLe rseau hydrographique a t le sujet et l'objet d'tudes nombreuses et varies. Dans cette tude, nous n'apprhenderons pas le rseau hydrographique comme les hydrauliciens ou les hydrologues peuvent l'aborder. Mais nous nous attacherons plutt prsenter une modlisation et une informatisation du rseau hydrographique en vue d'une analyse quantitative. Depuis les annes 50, divers scientifiques, gologues, gographes ou gomorphologues ont dfini des modes d'analyse des rseaux hydrographiques. Le principal leitmotiv de leurs recherches tait de pouvoir utiliser la masse d'informations contenues dans la morphologie d'un rseau hydrographique. En dpit des nombreuses lois et des mthodes dveloppes, aujourd'hui encore ce type d'analyse n'a jamais vraiment t utilis autrement qu' titre exprimental ou de manire parcimonieuse. Ce peu d'utilisation s'explique alors par la longueur des calculs manuels et l'inadaptation des moyens informatiques pour l'automatisation de ce type d'analyse. En revanche, depuis les annes 80, on s'attache l'automatisation de l'extraction du rseau hydrographique partir de modle numrique de terrain (MNT). Et c'est dans cet esprit d'automatisation et d'informatisation du rseau hydrographique que nous proposons cette tude qui a pour but de concevoir un outil d'aide l'analyse. Pour ce faire, nous avons dcid de traiter le rseau hydrographique comme un objet typiquement vectoriel (possdant toute la topologie et la particularit d'une arborescence), en proposant la conception et la ralisation d'un outil informatique sous un logiciel de Systme d'Information Gographique (SIG). Ainsi, nous livrerons, dans ce mmoire, les diffrents problmes et les divers aspects que nous avons rencontrs tant sur l'utilisation du rseau hydrographique comme objet morphostructural que sur l'exploitation de l'objet vectoriel. Dans un premier temps, nous prsenterons la morphogense puis la morphologie d'un rseau hydrographique. Ensuite, dans un second temps, nous proposerons une approche plus informatique du problme. Toutefois, il est important de signaler que certains aspects ont t volontairement dlaisss. Ainsi n'a pas t reprsente une analyse altimtrique des donnes (celle des pentes par exemple) qui n'ont pas t introduites dans la modlisation ; d'ailleurs un travail sur ces donnes constituerait un sujet part entire. Egalement, il faut signaler que les rflexions relatives l'acquisition (comme l'extraction partir de MNT ou le traitement d'images) ne feront l'objet que d'un court chapitre, puisqu'elles ne reprsentent pas le vif du sujet, mme s'il s'agit d'aspects importants. Enfin, les lecteurs doivent tre prvenus que par souci de se centrer uniquement sur l'outil d'analyse, un seul exemple a t trait pour valider la programmation informatique. Cette tude se veut donc essentiellement gnrale pour tenter d'approcher de manire informatique et concrte le problme de la quantification en gomorphologie, et cela en proposant un outil d'aide l'analyse du rseau hydrographique.</p> <p>2</p> <p>LES RESEAUX HYDROGRAPHIQUES</p> <p>Premire partie : Le rseau hydrographique</p> <p>Premire partie : Morphogense et morphologie du rseau hydrographiqueAussi lmentaire que cela puisse paratre, il n'est pas ais de donner une dfinition complte du rseau hydrographique. Les approches peuvent tre trs varies. Nous avons choisi de retenir ici deux dfinitions complmentaires provenant du mme auteur, Deffontaines Benot. "Le rseau hydrographique correspond tout coulement linaire concentr sur la surface topographique qu'il transforme progressivement. Il reprsente un tat du cycle de l'eau, celui de l'coulement qui suit le chemin le plus facile, minimisant sans cesse leur entropie"1. "Le rseau hydrographique est l'ensemble des surfaces topographiques merges, situes en contrebas de tous les points voisins, sauf gnralement selon la direction d'coulement. Ces surfaces peuvent contenir de l'eau de manire temporaire ou permanente"2. Ainsi, en d'autres termes, le rseau hydrographique comporte : les talwegs3 ; les dpressions formes : endoriques 4 ou exoriques5. Dans cette premire partie, nous aborderons le rseau hydrographique dans son environnement naturel en parcourant sa morphogense, sa morphologie puis en envisageant son analyse, enfin nous dfinirons les intrts de l'analyse du rseau hydrographique pour l'approche morphostructurale.</p> <p>1.</p> <p>Les principaux facteurs de forme du rseau hydrographique</p> <p>Le trac du rseau hydrographique rsulte des interactions simultanes de facteurs la fois nombreux et complexes. Si l'eau par nature est incompressible et s'coule par le chemin le plus court du point haut (sommet, crte,..) au point bas (mer, lac, fleuve...), durant son long parcours elle rencontre des obstacles qui sont des causes modifiant son trac. Nous nous attacherons uniquement aux causes qui sont d'ordre gologique, et cela mme si le climat (paloclimat), la vgtation, l'action de l'homme ont un rle important dans l'volution du trac des cours d'eau. Ainsi, nous traiterons en premier lieu les facteurs internes, puis en second lieu les facteurs composites.</p> <p>1.1.</p> <p>Les facteurs internes</p> <p>Sont dsigns par le terme de facteurs internes, les causes uniquement gologiques, comme la nature et la structure des roches.</p> <p>1.1.1. La lithologieLa lithologie est l'tude de la nature des roches issues d'une formation gologique. La nature des roches intervient dans les modifications du relief.</p> <p>1 2</p> <p>Deffontaines (B.) (1990), p 11. Deffontaines (B.) et al (1988), p 1. 3 Fond de valles, troits ou larges, en eau ou sec, formant un rseau de talwegs. 4 Fait de ne pas avoir d'coulement des eaux vers une mer ouverte (cas des mers Noire et de Tibriade). 5 Fait d'avoir un coulement des eaux vers une mer ouverte.</p> <p>3</p> <p>LES RESEAUX HYDROGRAPHIQUES</p> <p>Premire partie : Le rseau hydrographique</p> <p>Il existe deux classes de nature : - la nature physique : l'paisseur, la duret1, la comptence2, la permabilit, la porosit. - la nature chimique : la sensibilit la dissolution, la qualit des eaux interstitielles, les phnomnes de cristallisation ou de diagense 3. En fonction de la lithologie, le comportement du rseau et son organisation vont tre diffrents.</p> <p>1.1.2. La structureLa gologie structurale (ou tectonique rgionale) est un domaine de comptence en gologie qui s'attache l'tude des dformations des roches. Elle s'intresse : l'agencement originel des roches, incluant les pendages, les alternances gologiques, les discordances4. les dformations en cours ou phnomnes notectoniques affectent la lithosphre et modifient la topographie et par consquent faonnent considrablement le rseau hydrographique (zones de divergence et de collision).</p> <p>La couche 9 est stratigraphiquement discordante sur les couches 1 7, plisses et failles ; il y a lacune de la couche 8. Figure 1-1 : Discordance5</p> <p>1.2.</p> <p>Les facteurs composites</p> <p>Les facteurs composites sont la rsultante d'une combinaison de facteurs de nature diverse. Leur importance diffre selon l'chelle laquelle on observe le rseau hydrographique.</p> <p>1.2.1. La pente rgionaleLa pente rgionale est dfinie par un sens, une direction puis une inclinaison. La pente est un lment dterminant dans l'orientation et l'organisation des cours d'eau.</p> <p>1.2.2. Le rajeunissementLe rajeunissement est le dbut d'un nouveau cycle d'rosion. Il se produit lorsqu'il y a une reprise de l'rosion sur un relief pnplan ou aplani, par abaissement du niveau aval des cours d'eau ou par surrection du niveau amont (Cf. Figure 1-2). En somme, ce phnomne a lieu lors d'une augmentation de la pente longitudinale du cours d'eau qui accrot sa dynamique et rompt son profil d'quilibre 6.</p> <p>1 2</p> <p>Roche dure ou tendre. Sensibilit l'rosion diffrentielle, matriaux meubles ou non. 3 Ensemble des processus qui affectent un dpt sdimentaire et le transforment progressivement en roche sdimentaire. 4 Repos stratigraphique d'une formation sdimentaire sur un substratum pliss ou bascul antrieurement par des efforts tectoniques et en partie rod (Cf. Figure 1-1). 5 Foucault (A.), Raoult (J.-F.) (1995). 6 Profil provisoire atteint par un cours d'eau qui ne creuse ni n'alluvionne suffisamment son lit.</p> <p>4</p> <p>LES RESEAUX HYDROGRAPHIQUES</p> <p>Premire partie : Le rseau hydrographique</p> <p>1.2.3. LeustatismeEst dsign par le terme d'eustatisme ou d'eustasie, le phnomne responsable des variations gnrales du niveau moyen des mers. De telles variations agissent sur le potentiel rosif d'un cours d'eau et donc sur sa morphologie. L'eustatisme est l'une des causes du rajeunissement (phnomne expliqu prcdemment) (Cf. Figure 1-2).</p> <p>b A B C</p> <p>a</p> <p>Le cycle d'rosion normal concerne les trois tapes successives A, B puis C. Toutefois, par un soulvement de l'ensemble(a) ou par un phnomne eustatique (b), il est possible partir de la topographie C d'obtenir celle en A.</p> <p>Figure 1-2 : Stades d'un cycle d'rosion : A. Jeunesse, B. Maturit, C. Vieillesse</p> <p>1.2.4. Les caractristiques hydrologiquesLes caractristiques hydrologiques d'un cours d'eau peuvent modifier l'allure du rseau (anastomos, tress, mandriforme, Cf. 2.1.). Ces paramtres hydrologiques sont : la puissance du cours d'eau, fonction de son dbit, permet au fleuve de franchir ou de contourner un obstacle ; la charge sdimentaire qui influence le potentiel rosif du cours d'eau ; la localisation des confluences.</p> <p>1.2.5. Les formes antrieures.Par ailleurs, la forme d'un rseau peut intgrer des lments d'une forme antrieure : rseau fossile1 ; rseau palinspastique 2 ; rseau hydrographique dans les phnomnes d'antcdence3 et de surimposition4 ; hritage de rseaux de nature trs diffrente, d'une valle glaciaire ou d'un rseau sous aquatique.</p> <p>Figure 1-3 : Phnomne d'antcdence1</p> <p>1 2</p> <p>Rseau qui a t recouvert. Avant des dformations d'ordre tectonique. 3 Cas d'un cours d'eau qui s'tablit avant le soulvement tectonique et maintient son cours pendant son soulvement (Cf. Figure 1-3). 4 Mise en place d'un cours d'eau sur une surface ou sur un manteau de dpts masquant les ingalits sousjacentes (Cf. Figure 1-4).</p> <p>5</p> <p>LES RESEAUX HYDROGRAPHIQUES</p> <p>Premire partie : Le rseau hydrographique</p> <p>Figure 1-4 : Phnomne de surimposition2</p> <p>2.</p> <p>La morphologie du rseau hydrographique</p> <p>"Les petites ruisseaux font les grandes rivires" : cette maxime fort utilise exprime parfaitement le parcours de l'eau dans l'tape de son cycle qui nous concerne, celui de l'coulement en surface. Du Mont-Blanc la Mditerrane, du pic du Midi d'Ossau l'Atlantique, du Chimborazo au delta de l'Amazone, l'eau se regroupe, dtruit, rode, se calme, s'organise en rseaux de diverse nature donnant lieu des morphologies diffrentes. Ainsi, dans cette partie, nous tenterons de cerner brivement les formes que le rseau hydrographique peut prendre entre sa source et son exutoire. Par consquent, nous essaierons d'aller de l'ensemble au dtail. Nous traiterons d'abord des grands types de chenaux fluviatiles, puis nous aborderons en dtail le chenal qui nous intresse , c'est--dire le chenal unique, en proposant diverses classifications d'ordre morphologique3.</p> <p>2.1.</p> <p>Les diffrents types de chenaux fluviatiles</p> <p>Les grands systmes fluviatiles rsultent du transport et de la sdimentation par les cours d'eau qui d'amont en aval (Cf. Figure 2-1) s'organisent diffremment selon les prcipitations, les pentes rgionales (ces dernires varient normment entre la source et l'exutoire, car si le Rhne a une longueur dj importante de 812 km, le Nil qui est le fleuve le plus long du monde lui a une longueur de 6 670 km) et enfin selon la gologie traverse. Quatre grands types d'organ...</p>