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Le réseau hydrographique théorique (RHT) français et ses attributs environnementaux

The theoretical hydrographical network (RHT) for France and its environmental attributes
Hervé Pella, Jérôme Lejot, Nicolas Lamouroux et Ton Snelder
p. 317-336

Résumés

Le réseau hydrographique théorique (RHT) est un nouveau réseau hydrographique dérivé de la BD Alti® de l’Institut Géographique National (IGN). La méthode « Agree » utilisée pour construire ce réseau permet de modifier un modèle numérique de terrain à partir d’un réseau d’écoulement pré-défini. Ainsi, le RHT est développé à partir du modèle numérique de terrain de la BD Alti® re-conditionné par le RHE (Réseau Hydrographique Étendu), qui est lui-même une simplification du réseau hydrographique de référence de l’IGN, BD Carthage®. La compatibilité entre le RHT et la BD Alti® permet d’identifier les bassins versants et de simuler des écoulements avec une meilleure précision. Cette approche permet d’intégrer un ensemble d’attributs spatialisés et de les cumuler le long du réseau. Ainsi, des attributs topographiques, hydrologiques et climatiques sont calculés et intégrés dans un système d’information géographique. Des comparaisons et des tests ont été réalisés pour décrire la couverture spatiale du nouveau réseau et valider le calcul des attributs environnementaux. Les perspectives concernent de multiples aspects de la gestion intégrée des bassins.

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Notes de la rédaction

Article soumis le 1er mars 2011, accepté le 30 juin 2011.

Texte intégral

Introduction

1L’analyse et la gestion des écoulements naturels fluviaux à large échelle (grands bassins versants, pays) nécessitent de connaître les conditions environnementales des bassins versants et des tronçons de cours d’eau dans lesquels les écoulements s’inscrivent. Il s’agit d’attributs liés à la topographie (altitude, pente), à la géographie (longueur des tronçons, surface des bassins versants, etc.), au climat (précipitation, température) et à l’hydrologie (débit liquide et solide). Ces attributs sont généralement extrapolés ou modélisés sous forme de couches vectorielles et rasters couplés à des bases de données regroupées au sein d’un système d’information géographique. L’utilisation d’un réseau hydrographique théorique permet d’intégrer spatialement les paramètres physiques cités précédemment et de les cumuler vers l’aval, pour fournir des données utiles dans les domaines de l’hydrologie, de la géomorphologie ou de l’écologie (Clark, 1998 ; Gurnell et Montgomery, 1999 ; Maidment et Djokic, 2000 ; Finlayson et Montgomery, 2003 ; Jain et al., 2006 ; Pella et al., 2008 ; Douvinet et al., 2008 ; Clarke et al., 2008 ; Alber et Piégay, 2011).

2Dans ce cadre, plusieurs travaux ont montré l’intérêt des réseaux hydrographiques théoriques dérivés de modèles numériques de terrain afin d’effectuer des modélisations environnementales. Par exemple, M.K. Joy et R.G. Death (2004) ont utilisé des réseaux théoriques (Snelder et Biggs, 2002) pour caractériser les habitats piscicoles dans la région de Wellington en Nouvelle Zélande. T.H. Snelder et al. (2005) en ont développés pour définir des typologies environnementales pour la gestion des cours d’eau. A. Alber et H. Piégay (2011) ont montré l’intérêt des procédures d’agrégation et de désagrégation d’objets géographiques à partir de la segmentation d’un réseau théorique à l’échelle du bassin Rhône-Méditerranée. Cette méthode permet de déterminer des métriques environnementales à l’échelle de segments définis sur des bases géomorphologiques (sinuosité, pente, longueur cumulée, altitude moyenne, surface des bassins versants, largeur du chenal actif). Les réseaux théoriques conçus à partir de modèles numériques de terrain (MNT) sont des réseaux topologiques créés par détermination des directions d’écoulements en chaque maille du MNT (O’Callaghan et Mark, 1984 ; Jenson et Domingue, 1988 ; Jenson, 1991 ; Charleux-Demargne, 2001 ; Olivera et al., 2006 ; Li et al., 2010). Ces réseaux retranscrivent des écoulements naturels et pour la plupart ces écoulements sont permanents. Ils ont été utilisés à différentes échelles spatiales. Par exemple, F. Olivera et al. (2006) décrivent la mise en place d’un SIG nommé « WaterNet » correspondant à un réseau topologique coulant à l’échelle du Texas (excepté les régions côtières). Ce réseau comprend environ 60 000 arcs sur lesquels deux paramètres sont calculés (les surfaces des bassins versants cumulées et les longueurs des arcs cumulées) dans le but d’étudier la contribution des sous bassins versants dans l’écoulement du réseau.

3A l’échelle du territoire français, plusieurs couches d’information existent et sont exploitées dans le domaine de l’eau, notamment la BD Carthage® (acronyme de Base de Données de CARtographie THématique des AGences de l’Eau) qui est la base de données regroupant les entités ayant trait à l’hydrographie. Ce référentiel national homogène a une précision décamétrique. L’inconvénient de celle-ci est qu’elle ne constitue pas en l’état un réseau sur lequel l’écoulement de l’eau peut être modélisé. Dans ce but, la construction d’un réseau hydrographique simplifié à partir de la BD Carthage® appelé drain principal (DP ; 99 838 km d’arcs ; Pella et al., 2006) a permis d’établir un premier réseau orienté à l’échelle nationale. Il s’agit d’un système constitué de segments (arcs) et de connections (nœuds) formant un ensemble hiérarchisé. Il reprend uniquement les arcs représentant l’écoulement naturel principal des bassins versants prédéfinis dans la BD Carthage®. Ces bassins versants sont nommés zones hydrographiques (ZH). Leurs limites s’appuient (en tout ou partie) sur celles des bassins versants topographiques (Référentiel BD Carthage® : circulaire n°91-50 du 12 février 1991). Les chenaux secondaires ainsi que les canaux de dérivation sont exclus. Un ensemble d’attributs environnementaux a été calculé sur le DP et utilisé dans des simulations nationales (Pella et al., 2008 ; Lamouroux, 2008 ; Snelder et al., 2008). Le principal inconvénient du réseau DP est un manque de représentativité spatiale à l’échelle de la France et une sous-représentation des petits cours d’eau et des cours d’eau situés en tête de bassin versant. Pour répondre à cet objectif, un second réseau hydrographique coulant (jointif et orienté, dans lequel la modélisation de l’écoulement est possible) a été développé : le réseau hydrographique étendu (RHE ; 221 077 km d’arcs ; Pella et al., 2008). Le RHE complète le DP en y intégrant les arcs naturels principaux de la BD Carthage®.

4Si la création du RHE permet une meilleure représentativité spatiale des cours d’eau, il n’existe pas de découpage hydrographique en bassin versant suffisamment précis pouvant être associé aux arcs du réseau. Cette absence de délimitation par bassin versant calculée pour chaque arc du réseau constitue le principal inconvénient du RHE. Cela exclut de fait l’analyse de variables calculées à partir d’information géographique de type surfacique. A titre d’illustration, la lame d’eau écoulée par unité de surface est rapportée au bassin versant de l’arc afin de pouvoir calculer le débit spécifique associé. De la même manière, l’analyse de la pluviométrie ou de la pente est faite à l’échelle du bassin versant. Le RHT est mis en œuvre principalement pour pallier cet inconvénient. L’objectif de ce développement est que chaque arc du réseau RHT soit correctement relié à son bassin versant. Le calcul des variables environnementales à partir d’informations surfaciques est alors possible.

5L’objet de cet article est de décrire les différentes étapes de construction d’un réseau hydrographique théorique coulant à l’échelle du territoire français, le RHT, à partir de la BD Alti® de l’Institut Géographique National (IGN) et du RHE. Nous décrivons également les méthodes mises en place pour estimer les attributs environnementaux des arcs du réseau et de leurs bassins versants. L’objectif de ce travail est de pouvoir disposer d’un réseau topologique cohérent à l’échelle de la France et d’y associer un ensemble d’attributs environnementaux pouvant être exploité par différents acteurs scientifiques et opérationnels.

Les réseaux DP et RHE : caractéristiques et applications

6Les deux premiers réseaux coulants, DP et RHE, sont une simplification du réseau hydrographique de la BD Carthage® (Pella et al., 2006, 2008). Le DP reprend les écoulements naturels les plus importants des zones hydrographiques (ZH) de la BD Carthage® (un arc par ZH). Les arcs créés représentent ainsi les cours d’eau principaux et secondaires français. Le DP est constitué de 7 386 arcs qui représentent 26 % du réseau codé de la BD Carthage® (tab. 1). Seuls les arcs codés de la BD Carthage®, c’est à dire ceux identifiés par un code hydrographique défini par les Agences de l’Eau, sont pris en considération dans le cadre des comparaisons (tab. 1). Les arcs non codés de la BD Carthage® correspondent majoritairement à des petits cours d’eau de tête de bassin, des cours d’eau frontaliers ou des tronçons non naturels (canaux). Le RHE est une extension du DP. Il reprend donc l’intégralité des arcs du réseau DP et est complété par une nouvelle sélection d’arcs de la BD Carthage®. Il est issu d’une intégration de tous les arcs naturels directement connectés au DP afin d’obtenir un réseau plus dense et possédant les mêmes propriétés topologiques, c’est à dire des arcs jointifs ayant un sens d’écoulement. Le RHE comprend 64 821 arcs, ce qui représente 62 % du réseau codé de la BD Carthage® (tab. 1). Les caractéristiques des réseaux DP et RHE par grands bassins versants sont reprises dans le tab. 1. Concernant le RHE, les linéaires de la BD Carthage® couverts varient de 49 % pour Artois-Picardie à 79 % pour Adour-Garonne. Leur emprise spatiale est illustrée sur la fig. 1.

Tab. 1 – Principales caractéristiques des réseaux DP, RHE, RHT par grand bassin et comparaison avec la BD Carthage®
Tab. 1 – Main characteristics of DP, RHE, RHT network per catchment and comparison with BD Carthage®

Tab. 1 – Principales caractéristiques des réseaux DP, RHE, RHT par grand bassin et comparaison avec la BD Carthage®Tab. 1 – Main characteristics of DP, RHE, RHT network per catchment and comparison with BD Carthage®

* Les arcs hors bassins hydrographiques ne sont pas pris en compte.

Fig. 1 – Emprise spatiale des réseaux coulants DP et RHE par bassin versant et détail des deux réseaux à l’échelle locale
Fig. 1 – Space hold of flowing DP and RHE networks per catchment and details of two networks at local scale

Fig. 1 – Emprise spatiale des réseaux coulants DP et RHE par bassin versant et détail des deux réseaux à l’échelle localeFig. 1 – Space hold of flowing DP and RHE networks per catchment and details of two networks at local scale

1 : limite des bassins ; 2 : DP ; 3 : RHE.
1: catchment area; 2: DP; 3: RHE.

7Les réseaux DP et RHE ont été utilisés pour étudier la typologie des grands bassins versants français, notamment pour intégrer l’influence du bassin amont dans le cadre de l’application de la directive cadre européenne sur l’eau (Pella et al., 2006, 2008). Sur chaque arc des réseaux ont été calculés des attributs comme la longueur, l’altitude, le rang sur le réseau, la distance par rapport à la source ou à l’exutoire. D’autres attributs physiques ont été calculés soit en parcourant le réseau soit en attribuant aux réseaux des données exogènes (climatiques, hydrologiques) provenant d’autres couches d’information (Pella et al., 2006 ; Sauquet, 2006 ; tab. 2). Il est également possible d’estimer la surface des bassins versants (à l’amont de chaque confluence) pour chacun des arcs du DP puisqu’à chaque arc correspond une zone hydrographique dont la superficie a déjà été calculée dans la BD Carthage® (Pella et al., 2006). Cela est en revanche difficile sur le RHE car les arcs de ce réseau ne sont pas compatibles avec les MNT disponibles à l’échelle nationale. Sur le DP, la connaissance des surfaces de bassin versant permet d’effectuer des simulations à partir de données portant sur les paramètres physiques des bassins. En particulier, des données hydrologiques issues des travaux de E. Sauquet (2006) ont pu être intégrés aux arcs du DP. Il s’agit de débits mensuels moyens modélisés (de janvier à décembre) issus de lames d’eau interpolées à partir d’un jeu de données de référence sur la base des chroniques de débit mensuel mises à disposition par la Banque Hydro (base de données centralisant les mesures hydrologiques à l’échelle nationale). Les données exploitées correspondent à des enregistrements continus réalisés sur une période de 20 ans (1981-2000) à partir de 965 stations de jaugeage réparties sur tout le territoire.

8Comme les attributs calculés sur le DP (tab. 2), les débits peuvent servir de variables d’entrée à des modèles de géométrie hydraulique (Leopold et Maddock, 1953) permettant des estimations de grandeurs hydrauliques des arcs comme leur largeur mouillée (Lamouroux et Capra, 2002 ; Lamouroux, 2008). D’autres variables exogènes aux réseaux ont pu être introduites et notamment des variables permettant d’alimenter des modèles écologiques. Par exemple, à partir d’attributs comme l’altitude moyenne des arcs, la distance à la source et la région d’appartenance complétés par des données de température moyenne de l’air de janvier et juillet au niveau des arcs (modèle AURELHY de Météo-France), il est possible d’alimenter des modèles de probabilité de présence des espèces de poissons à l’échelle nationale (Oberdoff et al., 2001).

Tab. 2 – Attributs physiques calculés sur les réseaux DP et RHE
Tab. 2 – Physical attributes calculated on DP and RHE network

DP

RHE

Attributs topographiques

Altitude moyenne de l'arc (en m)

x

x

Pente moyenne de l'arc (en ‰)

x

x

Distance à la source de l'arc (en km)

x

x

Densité de drainage du bassin versant (en km/km2)

x

x

Superficie du bassin versant (en km2)

x

Attributs climatiques

Température minimale moyenne de l'air en janvier de l'arc (en°C)

x

Température maximale moyenne de l'air en janvier de l'arc (en °C)

x

Pluviométrie moyenne annuelle du bassin versant (en mm)

x

Attribut hydrologique

Débit mensuel moyen de l'arc (en m3/s)*

x

* Calcul réalisé sur les 12 mois pour la période (1981-2000) à partir de 965 stations de jaugeage.

Le RHT

9Le RHT a été développé pour être compatible à la fois avec le MNT de la BD Alti® et avec le RHE. L’objectif principal est de disposer d’un réseau dense sur lequel la modélisation de l’écoulement est possible.

La BD Alti® de l’IGN

10La BD Alti® est un Modèle Numérique de Terrain (MNT) correspondant à des mailles carrées de 50 m de côté où chaque cellule contient une information altitudinale. Cette grille permet de restituer les variations topographiques du relief composées de talwegs et de lignes de crête (lignes de partage des eaux) au niveau des interfluves. La BD Alti® a été réalisée à partir des courbes de niveau des cartes au 1/25 000e et au 1/50 000e et des photographies aériennes au 1/30 000e et au 1/60 000e. La précision altimétrique annoncée varie de 5 m en plaine à 40 m en haute montagne (IGN, 1998).

Construction du RHT

11La construction d’un réseau d’écoulement à partir d’un MNT est basée sur l’extraction des cellules correspondant aux talwegs du MNT. Celles-ci sont isolées et transformées en un réseau d’arcs au format vectoriel. L’approche la plus utilisée pour extraire le réseau correspond à la méthode D8 (O’Callaghan et Mark, 1984). Cette technique est couramment employée pour sa fiabilité malgré ses limites de précision (Charleux-Demargne, 2001). Le principe consiste à explorer les huit mailles voisines d’une maille du MNT pour calculer les pentes entre mailles adjacentes. La maille considérée comme la plus à l’aval est celle qui correspond à la pente maximale. A l’issue de cette opération, un plan d’écoulement est produit. Cette approche maintient une cohérence entre chemin d’écoulement, surface amont drainée, réseau hydrographique et limite de bassin versant (Charleux-Demargne, 2001). Cette méthode est celle qui est implémentée dans la plupart des logiciels du marché tels que Arcgis ou Idrisi (Olivera et al., 2006 ; Wang et Liu, 2006).

12La précision d’un réseau théorique dépend de la résolution planimétrique du MNT utilisé (Charleux-Demargne et Puech, 2000 ; Charleux-Demargne, 2001 ; Peralvo et Maidment, 2004). La plupart du temps, elle est évaluée de façon qualitative par comparaison des résultats obtenus avec un tracé existant. L. Borgniet et al. (2003) ont étudié la qualité d’un MNT dans le cadre d’applications hydrologiques portant sur des crues rapides. Afin d’évaluer les précisions nécessaires à ce type d’application, les auteurs produisent des bruits numériques (artefacts) sur la topographie d’une rivière créée à partir d’un MNT de forme trapézoïdale. Différents tests ont été réalisés (avec et sans bruit) pour évaluer la précision du MNT sur les résultats de simulations hydrauliques (1D et 2D). Les bruits introduits varient de 0,25 m à 1 m altitudinalement (Z) et de 1 m à 5 m en plan (X, Y). Ces bruits sont appliqués sur 80 transects uniformément distribués le long des 4 km de cours d’eau. Les résultats de cette étude révèlent qu’un bruit correspondant à une dégradation de 0,25 m sur l’axe des Z n’a pas d’influence sur le débit de pleins bords modélisé. En revanche, celui-ci est significatif lorsqu’il est supérieur à 0,5 m. De même, les résultats révèlent que l’introduction d’un bruit planimétrique de 2 m n’a pas d’influence sur le résultat des simulations hydrauliques. En revanche, un bruit supérieur à 5 m modifie sensiblement le tracé des écoulements et, implicitement, la largeur de la plaine inondable. Ainsi, la résolution métrique de la BD Alti® peut engendrer de fortes imprécisions concernant le tracé du réseau principalement sur les secteurs plats de fond de vallée correspondant aux plaines alluviales.

13Plusieurs techniques existent pour minimiser cette imprécision. Lorsque le MNT est dédié à une application hydrologique, ces techniques consistent à modifier le plan altimétrique sous contrainte hydrologique en intégrant les axes d’écoulements de l’eau (Charleux-Demargne, 2001). Le plus souvent, il s’agit d’utiliser un réseau hydrographique de référence forçant ainsi les variations topographiques à s’adapter au tracé de celui-ci (Hutchinson, 1989 ; Olivera et al., 2006). Lorsque ce réseau de référence n’est pas disponible, les données du MNT peuvent être filtrées selon différentes méthodes (filtres fréquentiels de type médian ou gaussien ou filtres morphologiques ; à partir d’un élément structurant balayant l’image) jusqu’à atteindre le résultat escompté (Soille et al., 2003). Cependant, L. Borgniet et al. (2003) précisent que l’utilisation seule d’un MNT n’est pas suffisante pour obtenir un système hydrographique cohérent et qu’il est impératif d’intégrer au MNT des données exogènes afin de définir correctement le tracé du réseau, principalement quand celui-ci présente de faibles pentes ou bien lorsque les têtes de bassin doivent être identifiées.

14Parmi les techniques utilisées, l’approche que nous avons privilégiée pour corriger le MNT correspond à la méthode « Agree » (DEM Surface reconditioning system ; Hellweger, 1997 ; Maidment et Djokic, 2000). Cette méthode permet d’ajuster ou de corriger le MNT à partir d’un réseau d’écoulement pré-existant. Elle consiste à diminuer artificiellement les altitudes de toutes les cellules appartenant au réseau. Une valeur d’incrustation est définie et appliquée au sein d’une zone tampon dans laquelle les altitudes sont lissées afin de prendre en compte à la fois la dimension longitudinale et latérale du cours d’eau. Ceci permet une meilleure restitution de la partie centrale du fond de vallée (fig. 2). Dans le cadre de ce travail, le choix du réseau de référence s’est porté sur le RHE car il est topologiquement cohérent et correctement orienté de l’amont vers l’aval. Il est également dérivé de la BD Carthage® qui reste à ce jour le référentiel national de gestion des masses d’eau. La méthode « Agree » est implémentée dans l’outil ArcHydro utilisable sous ArcMap (ESRI®). Cette procédure considère comme paramètres d’entrée : 1) le MNT (elevation grid) : la BD Alti® ; 2) la couche des cours d’eau (vector coverage) : le RHE ; 3) une distance (buffer distance) pour le calcul de la zone tampon à établir autour des cours d’eau. Cette valeur représente l’écart de positionnement entre le fond de vallée défini topologiquement dans le MNT et le tracé des cours d’eau. Cette distance a été fixée à 6 cellules du MNT ; 4) une valeur d’incrustation (smooth drop distance) pour les mailles qui coïncident avec la zone tampon définie autour du tracé des cours d’eau. Cette valeur a été fixée à 10 m ; 5) une valeur d’incrustation (sharp drop distance) pour les mailles qui coïncident avec le tracé des cours d’eau. Cette valeur a été fixée à 2 m.

Fig. 2 – Comparaison entre le MNT de la BD Alti® et le MNT construit à partir de la méthode « Agree »
Fig. 2 – Comparison between the BD Alti® DTM and the DTM built from the “Agree” method

Fig. 2 – Comparaison entre le MNT de la BD Alti® et le MNT construit à partir de la méthode « Agree »Fig. 2 – Comparison between the BD Alti® DTM and the DTM built from the “Agree” method

A : MNT de la BD Alti® et tracé du RHE. B : MNT construit à partir de la méthode « Agree » et tracé du RHE. C : Profils topographiques. 1 : à partir de la BD Alti® ; 2 : à partir de la méthode « Agree ». D : Profils longitudinaux. 3 : à partir de la BD Alti® ; 4 : à partir de la méthode ″Agree″.
A: BD Alti® DTM and location of RHE. B: DTM built from the “Agree” method and location of RHE. C: Topographic profiles. 1: from BD Alti® DTM; 2: from Agree DTM. D: Longitudinal profiles. 3: from BD Alti® DTM; 4: from ‘Agree’ DTM.

15Les valeurs choisies pour le réglage des paramètres d’entrée ont été définies en prenant en compte la résolution planimétrique et altitudinale de la BD Alti® et de façon empirique à travers la réalisation de différents tests. Les zones plates, pour lesquelles il est difficile de localiser l’écoulement à partir du seul MNT, ont été particulièrement étudiées pour régler les paramètres d’entrée. Le résultat de l’ajustement du MNT est une nouvelle grille d’information topographique correspondant au plan d’écoulement du réseau. Sur cette grille, il est alors possible de calculer l’accumulation des écoulements hydrologiques (flow accumulation) puis de définir le réseau hydrographique théorique. Pour cette dernière opération, un cours d’eau sera produit au delà d’un nombre de cellules drainées. Le choix du nombre de cellules a été fixé à 1 000, ce qui correspond à une surface de 2,5 km². Après ce traitement automatique, le résultat obtenu a fait l’objet de corrections manuelles d’intégrité décrites ci-après. A la suite de ces corrections, le RHT répond aux objectifs fixés initialement. Il est homogène à l’échelle nationale (fig. 3). Son tracé est le plus proche possible du RHE et par extension d’une partie de la BD Carthage®.

Fig. 3 – Réseau hydrographique théorique et détail du réseau à l’échelle locale
Fig. 3 – Theoretical hydrographical network and detail of network at local scale

Fig. 3 – Réseau hydrographique théorique et détail du réseau à l’échelle localeFig. 3 – Theoretical hydrographical network and detail of network at local scale

1 : limite des bassins ; 2 : cours d’eau principaux ; 3 : cours d’eau secondaires.
1: catchment area; 2: main flow; 3: secondary flow.

Corrections de l’intégrité du réseau

16Le résultat issu de la construction automatique du RHT est correct pour une majorité des arcs du réseau. Cependant, certains arcs présentent des décalages ou des incohérences. Leur origine et leur nombre varient selon les grands bassins versants en fonction des types de relief (plaine, montagne). Ces artefacts sont regroupés en deux catégories : 1) des erreurs de topologie empêchant la simulation d’un écoulement ; 2) des incohérences de tracé non conforme avec la BD Carthage® qui est utilisée comme réseau de référence. Pour corriger chaque catégorie d’erreur, nous avons procédé de la façon suivante :

  • Chaque arc constituant le RHT doit être parfaitement connecté et posséder un sens d’écoulement. Pour cela, les arcs sont constitués d’un nœud amont et d’un nœud aval référencés par un identifiant unique. Ainsi, le nœud aval d’un arc doit être identique au nœud amont de l’arc qui suit et ces deux derniers doivent avoir le même identifiant. Cette structuration permet de vérifier la cohérence de la topologie du réseau. Il s’agit donc de vérifier la jonction des nœuds des arcs et leur identifiant topologique afin de détecter la présence d’arcs non connectés, d’arcs inversés et la présence de boucles dans le réseau. La fig. 4 illustre les différents artefacts rencontrés lors de la construction du RHT. Ces problèmes ont déjà été identifiés lors de précédents travaux (Olivera et al., 2006 ; Pella et al., 2006). L’opération de correction consiste à parcourir le réseau automatiquement à partir de scripts développés en Avenue®. Ces scripts permettent de détecter les arcs non connectés (proximité de nœuds non raccordés dans un voisinage donné ; fig. 4A), la présence de boucles dans le réseau (arcs parcourus plusieurs fois ; fig. 4B) et les arcs inversés (arcs ayant le même nœud aval en dehors des confluences ; fig. 4C).

  • Le réseau de la BD Carthage® étant le réseau de référence, le RHT a été superposé à celui-ci afin d’être comparé. La fig. 5 illustre schématiquement les problèmes de représentation spatiale rencontrés. Trois principales erreurs ont été répertoriées correspondant à : 1) l’absence d’arc RHT en tête de certains bassins versants (fig. 5A). Ces derniers sont de loin les problèmes les plus fréquemment observés ; 2) des différences de tracé qui engendrent des confluences mal positionnées (fig. 5B) ; 3) des simplifications de tracé sur des secteurs à très forte sinuosité (fig. 5C). Ces artefacts sont principalement observés dans les plaines alluviales larges, par manque de relief suffisamment marqué, et en tête de bassin situé dans les secteurs de moyenne montagne.

17Après une identification automatique des erreurs de topologie (fig. 4), un travail de correction manuelle du réseau a été effectué pour mettre en cohérence l’écoulement réel et celui modélisé. Ce travail a eu pour objectif de minimiser les problèmes de représentations spatiales illustrés dans la fig. 5B (repositionnement des arcs par rapport à leurs confluences aval et correction des identifiants topologiques des arcs modifiés) afin d’obtenir un système qui soit le plus représentatif de la BD Carthage® et qui respecte la hiérarchisation des écoulements entre les chenaux principaux et leurs affluents. La correction automatique de ces erreurs n’a pas été retenue car la nature des décalages ou des incohérences observées entre les deux réseaux a des causes diverses qui nécessitent des opérations ciblées. La vérification visuelle de l’ensemble du réseau a donc demandé un effort conséquent en terme de temps mais permet de s’assurer de la validité du réseau théorique à l’échelle de la France.

18L’utilisation de la BD Topo® de l’IGN, autre base de donnée qui intègre un MNT à l’échelle nationale, pourrait palier certaines lacunes ou erreurs de représentations spatiales générées par la BD Alti® car son MNT possède une résolution planimétrique et altimétrique plus fine. Faute d’une couverture nationale disponible, cette approche n’a pu être exploitée.

Fig. 4 – Schématisation des erreurs topologiques identifiées automatiquement sur le RHT
Fig. 4 – Simplification of topology errors identified automatically in RHT network

Fig. 4 – Schématisation des erreurs topologiques identifiées automatiquement sur le RHTFig. 4 – Simplification of topology errors identified automatically in RHT network

A : Arcs non connectés. B : Configuration d’arcs en boucle. C : Inversion d’un arc.
A: Non-connected arcs. B: Configuration of loop arcs. C: Reversal arc.

Fig. 5 – Problèmes de restitution des axes d’écoulement du RHT corrigés manuellement
Fig. 5 – Flow mapping problems corrected manually on the RHT network

Fig. 5 – Problèmes de restitution des axes d’écoulement du RHT corrigés manuellementFig. 5 – Flow mapping problems corrected manually on the RHT network

A : Têtes de bassin non représentées. B : Confluences mal positionnées. C : Simplification du tracé sur des secteurs très méandriformes. 1 : BD Carthage® ; 2 : RHT ; 3 : sens de l’écoulement.
A: Heads of river basin non-detected. B: Confluents poor localised. C: Simplification of network on the meander areas. 1: BD Carthage®; 2: RHT; 3: flow direction.

Attributs environnementaux du RHT

19Le RHT correspond à un ensemble d’arcs orientés et jointifs dans lequel la modélisation de l’écoulement est possible. Ainsi, différentes variables environnementales peuvent être calculées de la même manière que celles calculées sur le réseau DP (accumulation par le réseau). De nombreuses boites à outils intégrées aux logiciels SIG sont disponibles (telles qu’Hydro Tools d’ESRI® ou bien Hydrokit de Ginger Strategis®) pour générer et parcourir un réseau en se basant sur sa topologie et effectuer des analyses spatiales couplées ou non à des couches d’information vectorielles et rasters. Mais ces dernières n’offrent pas de solutions complètes pour réaliser des calculs automatiques sur un ensemble de bassins hydrographiques indépendants les uns des autres, condition essentielle à remplir lorsqu’on travaille à large échelle. De plus, ces outils ne permettent pas toujours d’intégrer d’autres paramètres que ceux appartenant au réseau tels que des données climatiques ou d’occupation du sol. Dans le but de maîtriser toutes les étapes de calculs, plusieurs programmes développés sous divers environnements (langages Avenue, Fortran, C) ont été utilisés pour calculer les attributs environnementaux. Les attributs calculés à partir du RHT sont listés dans le tab. 3, leurs méthodes d’extraction sont décrites dans la fig. 6 et les résultats sont illustrés dans la fig. 7 pour le bassin versant de l’Ain.

Tab. 3 – Synthèse des attributs environnementaux calculés et méthodes d’extraction correspondantes
Tab. 3 – Synthesis of environmental attributes calculated and corresponding extraction methods

Attributs environnementaux calculés

Données utilisées

Méthodes utilisées

Programmes utilisés

Altitude moyenne des arcs

BD Alti IGN et RHT

Moyenne des altitudes minimales et maximales par zone tampon

Avenue

Pente des arcs

BD Alti IGN et RHT

Interpolation des altitudes des points amont et aval par arc

Avenue

Distance des arcs à la source

RHT

Calcul des distances à l'exutoire depuis chaque tête de bassin par arc

Fortran

Calcul de la distance maximale à la source

Avenue

Ordination des arcs du réseau (Strahler)

RHT

Ordination par un parcours amont aval par arc

C

Surfaces cumulées des bassins versants

RHT

Cumul des superficies des bassins versants amont

Fortran

Températures des arcs (T° de l'air)

Modèle AURELHY (Météo France) et RHT

Moyenne des températures par zone tampon

Avenue

Débits des arcs

Modèle hydrologique (Sauquet, 2006) et RHT

Calcul des lames d'eau par bassin versant unitaire

ArcInfo

Calcul des débits spécifiques par bassin versant unitaire

Avenue

Cumul des débits spécifiques par arc

C

Calcul des altitudes moyennes des arcs

20Les altitudes du MNT brut de la BD Alti® IGN ont été attribuées aux arcs du RHT. Pour assurer un lien entre le RHT et le MNT, une zone tampon (buffer) de 50 m (soit une largeur totale de 100 m pour les deux rives) est créée à partir de la couche vectorielle du RHT. Cette étape est essentielle pour intégrer les erreurs de la BD Alti® qui portent sur 1) une faible résolution planimétrique qui peut engendrer une erreur d’attribution d’altitude lorsqu’un arc est localisé entre deux mailles du MNT (fig. 6B) et 2) la présence d’aberrations altimétriques locales du MNT liées à un problème d’interpolation entre courbes de niveau. A l’issue de cette opération, chaque arc du RHT est associé à une zone tampon. L’attribution des altitudes se fait par l’intermédiaire d’un script qui extrait du MNT les valeurs altimétriques par zone tampon. La valeur moyenne attribuée à l’arc correspond à la moyenne calculée à partir des points du MNT qui coïncident avec la zone tampon de l’arc. Cette procédure est itérative pour chaque arc du RHT (fig. 7A).

Calcul de la pente des arcs

21L’altitude du point amont et celle du point aval de chaque arc sont déterminées par interpolation linéaire des altitudes du MNT de la BD Alti® de l’IGN dans le voisinage direct de chaque point (fig. 6C). La pente est ensuite calculée en divisant la différence d’altitude entre l’amont et l’aval par la longueur de l’arc en mètre (fig. 7B).

Calcul des distances à la source

22Il s’agit de calculer la distance qui sépare chaque tronçon de sa source. La source est déterminée de façon théorique dans la méthode de calcul. Elle est choisie arbitrairement comme la distance maximale parmi toutes les distances cumulées calculées entre l’arc considéré et les têtes de bassin en se basant sur la topologie du réseau. Pour cela, depuis chaque tête de bassin, le réseau est parcouru d’amont en aval et un cumul des distances est affecté à chaque arc parcouru. Un arc peut être parcouru plusieurs fois et donc avoir plusieurs cumuls de distance. La distance maximale affectée à un arc donné est considérée comme étant une estimation de la distance à la source. Ce processus itératif est basé sur la topologie du réseau et sur la longueur des arcs (fig. 7C).

Calcul de l’ordination du réseau (Strahler)

23A chaque arc correspond un rang qui indique la position de l’arc par rapport à son bassin versant selon la méthode de Strahler (fig. 6D). Les arcs n’ayant pas d’affluent amont ont un ordre de 1 ; deux arcs de même ordre qui se rejoignent forment un arc d’ordre supérieur, tandis qu’un arc qui reçoit un arc d’ordre inférieur conserve le même ordre (fig. 7D). Un programme a été développé afin de déterminer automatiquement cette ordination sur l’ensemble des sous-bassins du réseau. Celui-ci descend le réseau et renseigne les arcs selon le principe décrit pour le calcul des distances à la source. Ce programme traite automatiquement l’ensemble du réseau de manière itérative.

Calcul des surfaces cumulées des bassins versants

24Le calcul des surfaces des bassins versants est un paramètre essentiel dans la modélisation des écoulements. Une des étapes de la création du RHT consiste à délimiter les bassins versants de chacun des arcs du réseau. Ils sont appelés bassins versants unitaires (BVU). Comme pour la construction des arcs du réseau à parti des talwegs, les mailles du MNT de la BD Alti® qui correspondent aux lignes de crête (limites des bassins versants) sont identifiées par l’intermédiaire du plan de drainage et transformées en une couche polygonale. La superficie de chacun des polygones correspondant aux BVU est calculée (fig. 6E). Grâce aux propriétés topologiques du RHT, le parcours du réseau permet de sélectionner les BVU situés à l’amont de celui considéré (fig. 6E). Le calcul de la surface du bassin versant total consiste alors à sommer toutes les surfaces des BVU situées à l’amont de chacun des arcs sélectionnés. Un traitement itératif sur l’ensemble des arcs permet le calcul des bassins versants des arcs du réseau (fig. 7E). Au même titre que pour les paramètres physiques du réseau, des paramètres exogènes peuvent être affectés au réseau. Pour illustrer cela, une variable climatique (température de l’air) et une variable hydrologique (débit) sont exploitées et agrégées aux arcs du RHT.

Calcul des températures

25Cette étape a pour objectif d’attribuer à chaque arc du réseau une valeur de température de l’air. Deux chroniques sont exploitées : janvier et juillet. Ce choix permet d’alimenter un modèle de peuplements qui permet d’estimer la probabilité de présence de différentes espèces de poisson (Oberdoff et al., 2001). Ce sont des températures moyennes mesurées sur la période 1961-1990 puis interpolées (modèle AURELHY de Météo-France). Ces données sont exploitables sous la forme d’une grille à l’échelle de la France avec un pas d’un kilomètre. Afin de pouvoir calculer une température moyenne pour chacun des arcs, une zone tampon est construite à partir du réseau avec une largeur de 2 km pour correspondre au pas de la grille des températures (fig. 6F). A l’issue de cette opération, chaque arc du RHT possède une zone tampon. Le programme sélectionne les points de température situés à l’intérieur de chaque zone tampon correspondant à chacun des arcs du réseau coulant. La moyenne des températures est alors calculée sur la base de cette sélection et est attribuée à l’arc correspondant (fig. 7 F et G).

Calcul des débits

26Les lames d’eau mensuelles (débits produits par unité de surface) sont modélisées par zone hydrographique à l’échelle du territoire français (Sauquet, 2006). Les données de lame d’eau sont des extrapolations spatiales d’observations issues de la Banque Hydro. Elles correspondent à des enregistrements continus réalisés sur une période de 20 ans (1981-2000) et à partir de 965 stations de jaugeage. Il s’agit donc de retranscrire les données calculées à partir des zones hydrographiques unitaires à l’échelle d’un arc et de les cumuler vers l’aval (fig. 6E). Le calcul des débits mensuels est décomposé en trois étapes successives. 1) Les lames d’eau exprimées à l’échelle des zones hydrographiques sont transformées en une grille de données. A partir de cette grille, la valeur moyenne des lames d’eau écoulées est calculée sur la base des mailles qui coïncident avec le polygone qui définit chaque BVU. Ce calcul est répété pour chaque mois. 2) Les lames d’eau mensuelles des BVU sont transformées en débit. Pour cela, la valeur des lames d’eau du BVU est multipliée par la superficie du BVU. 3) Le cumul de ces débits unitaires peut alors être effectué en direction de l’aval afin d’intégrer les contributions des affluents amont. Le calcul consiste à parcourir le réseau depuis chaque tête de bassin afin de cumuler les débits unitaires de chacun des arcs. Le résultat final permet d’obtenir des débits mensuels pour chacun des arcs du réseau. Il est ensuite possible de déterminer le module en calculant la moyenne des débits mensuels par arc (fig. 7H). Le débit mensuel minimum (noté QMMO) est défini comme la valeur minimum des débits mensuels de chaque arc (fig. 7I).

Fig. 6 – Couches d’information et méthodes d’extraction des attributs environnementaux
Fig. 6 – Information layers and mining methods of environmental attributes

Fig. 6 – Couches d’information et méthodes d’extraction des attributs environnementauxFig. 6 – Information layers and mining methods of environmental attributes

A : Couches rasters et vectorielles utilisées. B : Extraction des altitudes moyennes par zone tampon à partir des mailles du MNT. C : Extraction des altitudes amont et aval par arc pour calculer la pente. D : Ordination du réseau hydrographique selon la méthode de Strahler. E : Identification des bassins versants unitaires (BVU) pour le calcul des surfaces cumulées et identification d’une zone hydrographique et ses bassins versants unitaires pour le calcul des volumes d’eau mensuels. F : Calcul des températures par arc à partir d’une zone tampon.
A: Raster and vector layers used. B: Mining of mean altitudes per buffer from cells of DEM. C: Extraction of upstream and downstream altitudes per arc to calculate the slope. D: Hydrological network order according to Strahler. E: Identification of unit basins (BVU) for the calculation of cumulated area and identification of hydrographical area and its unit basins for the calculation of water volume monthly. F: Calculation of temperatures per arc from buffer.

Fig. 7 – Attributs environnementaux calculés sur le RHT à l’échelle du bassin de l’Ain
Fig. 7 – Environmental attributes calculated on the RHT at the scale of Ain River basin

Fig. 7 – Attributs environnementaux calculés sur le RHT à l’échelle du bassin de l’AinFig. 7 – Environmental attributes calculated on the RHT at the scale of Ain River basin

A : Altitude moyenne (en m). B : Pente (en ‰). C : Distance à la source (en km). D : Ordination de Strahler. E : Superficies cumulées (en km²). F : Température de janvier (en °C). G : Température de juillet (en °C). H : Modules moyen mensuel (en m3/s). I : Débit d’étiage mensuel (QMMO ; en m3/s).
A: Mean altitude (in m). B: Slope (in ‰). C: Length of spring (in km). D: Strahler stream order. E: Area cumulated (in km²). F: Temperature of January (in °C). G: Temperature of July (in °C). H: Mean monthly discharge (in m3/s). I: Minimum monthly discharge (in m3/s).

Résultats et discussion

Propriétés du réseau hydrographique théorique

27Le réseau hydrographique théorique reprend l’intégralité des arcs du RHE avec localement des décalages planimétriques. De plus, le RHT est constitué d’arcs de rangs inférieurs (selon l’ordination de Strahler) ce qui permet d’obtenir une densification des arcs qui se rapproche du réseau naturel de la BD Carthage®. Cela se traduit par des têtes de bassin versant mieux restituées que le précédent réseau RHE et une densification plus homogène à l’échelle des grands bassins. La comparaison des différents réseaux à l’échelle du bassin de l’Ain (fig. 8) illustre l’apport du RHT. Le tab. 1 synthétise les propriétés du RHT comparées aux autres réseaux. Le RHT présente un linéaire cumulé de 283 639 km (114 601 arcs), ce qui représente 80 % du linéaire de la BD Carthage® codée soit une amélioration de 18 % par rapport au précédent réseau (RHE). Le RHT n’intègre pas les écoulements non naturels de la BD Carthage® tels que les canaux ou autre chenaux de dérivation. La densification est telle que les bassins Artois-Picardie et Seine-Normandie comprennent plus d’arcs que ceux de la DB Carthage® codés avec respectivement 142 % pour le premier et 136 % pour le second (tab. 1). Cette densification plus importante du RHT est expliquée par le fait que : 1) Les arcs de la BD Carthage® non codés ne sont pas pris en compte pour la comparaison (30 % des arcs de la BD Carthage® sont non codés). Si nous ramenons le linéaire du RHT au linéaire total de la BD Carthage® (arcs codés et non codés), les écarts sont respectivement de 78 % pour Artois-Picardie et de 86 % pour Seine Normandie ; 2) Certains arcs du RHT peuvent correspondre à des écoulements intermittents qui ne sont pas forcément localisés sur la BD Carthage®.

28Sur les autres grands bassins versants, les taux de couverture du RHT sont moindres par rapport à la BD Carthage®. Nous observons que certains arcs du RHT n’ont pas d’existence réelle ou n’apparaissent pas sur les cartes topographiques IGN au 1/25 000. Cela est principalement dû au choix du nombre de cellules drainées pris en compte pour la création du réseau. Ainsi, ces arcs coïncident à un fond de vallée non identifié comme cours d’eau sur les corpus cartographiques de l’IGN. Cette observation n’a pas pu être quantifiée à l’échelle du territoire français faute de données de référence exhaustives.

Fig. 8 – Représentation spatiale des réseaux hydrographiques localisés sur le bassin de l’Ain
Fig. 8 – Mapping of hydrographical networks localised on the Ain River basin

Fig. 8 – Représentation spatiale des réseaux hydrographiques localisés sur le bassin de l’AinFig. 8 – Mapping of hydrographical networks localised on the Ain River basin

A : Drain Principal (DP). B : Réseau Hydrographique Etendu (RHE). C : Réseau Hydrographique Théorique (RHT).
A: Main flow (DP). B: “Extended hydrographical network” (RHE). C: Theoretical hydrographical network (RHT).

Contrôle des calculs d’attributs environnementaux

29Les calculs d’attributs du réseau RHT ont fait l’objet de vérifications pour l’ensemble des grands bassins versants français (Loire Bretagne, Rhin Meuse, Adour Garonne, Seine Normandie, Artois Picardie, Rhône-Méditerranée). Les résultats acquis ont été confrontés à ceux obtenus sur le DP (Pella et al., 2006).

30Les deux réseaux DP et RHT ont des structures différentes car ils sont construits à partir de supports différents. La comparaison de ces deux réseaux DP et RHT n’est donc pas possible directement en comparant les arcs entre eux. En revanche, il est possible d’identifier des paires d’arcs correspondants sur lesquelles une vérification de la cohérence des attributs calculés peut se faire. En pratique, nous avons créé une couche d’information de points de comparaison. Les points ont été produits automatiquement pour chaque arc du DP en intégrant ses attributs environnementaux. Ces points sont localisés de telle sorte que leur position correspond à 80 % de la longueur d’un arc depuis l’amont (fig. 9). Cette localisation permet 1) de s’affranchir des problèmes liés aux écarts de position des confluences entre les deux réseaux (fig. 5B) et 2) d’intégrer au maximum les contributions des affluents en amont du point de comparaison. Nous avons ensuite réalisé une jointure spatiale (distance de capture de 20 m) pour intégrer aux points de comparaison du DP les attributs environnementaux de l’arc correspondant du RHT. Au total, 5 777 points de comparaison communs aux deux réseaux ont été produits. Pour un point commun aux deux réseaux, les attributs environnementaux calculés sont fortement dépendants :

  • de l’arc en lui-même : cela concerne les paramètres tels que température, pente et altitude. Ces attributs dont les calculs se font localement (par arc) pourront donc différer entre arcs correspondants, mais ceci n’empêche pas de tester la cohérence des calculs entre les deux réseaux. La différence des longueurs moyennes des arcs des deux réseaux (10,4 km pour le DP et de 2,5 km pour le RHT) génère du bruit dans cette comparaison, surtout pour les attributs altitude et pente. Afin d’illustrer notre démarche, la fig. 9 représente un arc du DP d’une longueur de 11,3 km qui est associé dans notre comparaison à un arc du RHT de 1,2 km. Ainsi, selon la localisation du point de comparaison, certains attributs calculés peuvent fortement diverger d’un réseau à l’autre (exemple de l’attribut « pente » ; fig. 9). L’exemple de cette configuration a un impact non négligeable sur la comparaison des attributs cumulés ;

  • des arcs cumulés en amont (cela concerne les paramètres tels que « distance à la source », « surface du bassin versant », « module » et « QMMO »). Dans ce cas, la comparaison est moins bruitée par des problèmes de correspondance entre arcs car les contributions des arcs du RHT localisés en amont du point de comparaison correspondent bien aux contributions des arcs amont du DP.

31Globalement, quelques incohérences observées sur les graphes de comparaison d’attributs (fig. 10) sont dues à des artefacts propres à la structure de chacun des deux réseaux (exemple illustré fig. 5) et pour certains attributs aux limites de la méthode de comparaison. Malgré cela, les attributs physiques calculés (« altitude moyenne », « distance à la source », « surface du bassin versant », « température », « module », « QMMO ») sur les paires d’arcs sont cohérents et présentent des corrélations significatives, comme l’illustrent les différents graphiques avec des coefficients de détermination supérieurs à 0,9 (p < 0.0001). S.E. Clarke et al. (2008) obtiennent une tendance similaire entre un débit moyen calculé à partir d’un réseau théorique à l’échelle de l’Oregon (USA) et un débit moyen mesuré.

32Seules les pentes présentent une corrélation plus faible avec R² = 0,42 (p < 0.0001). Pour ce dernier attribut, cette faible corrélation est essentiellement due, comme explicité précédemment, à la différence des longueurs des arcs entre les deux réseaux et, implicitement, à leurs altitudes amont et aval. Cela se traduit, par de fortes disparités de pente entre les deux réseaux comme l’illustre le groupe de points alignés sur l’axe des abscisses (fig. 10B). Nous avons pu également observer que les points de comparaison mal corrélés ne présentaient pas de structurations spatiales particulières.

Fig. 9 – Comparaison d’un arc du DP et de l’arc correspondant du RHT
Fig. 9 – Comparison of one DP arc and corresponding arc of RHT

Fig. 9 – Comparaison d’un arc du DP et de l’arc correspondant du RHTFig. 9 – Comparison of one DP arc and corresponding arc of RHT

A : Réseau hydrographique DP et RHT. B : Attributs environnementaux des réseaux DP et RHT. 1 : point de comparaison ; 2 : arc du DP ; 3 : arc RHT ; 4 : arcs RHT amont.
A: Hydrographical network of DP and RHT. B: Environmental attributes of DP and RHT networks. 1: comparison point; 2: DP arc; 3: RHT arc; 4: RHT arcs upstream.

Fig. 10 – Comparaison des attributs physiques calculés entre DP et RHT
Fig. 10 – Comparison of physical attributes calculated between DP and RHT

Fig. 10 – Comparaison des attributs physiques calculés entre DP et RHTFig. 10 – Comparison of physical attributes calculated between DP and RHT

A : Altitudes moyennes (en m). B : Pentes (en ‰). C : Distances à la source (en km). D : Surface du bassin versant (en km²). E : Températures de janvier (en °C). F : Température de juillet (en °C). G : Modules (en m3/s). H : QMMO (en m3/s).
A: Mean altitudes (in m). B: Slopes (in ‰). C: Length of spring (in km). D: Area of catchments (in km²). E: Temperatures of January (in °C). F: Temperatures of July (in °C). G: Mean monthly discharges (in m3/s). H: Minimum monthly discharges (in m3/s).

33Un second test a été effectué pour conforter les résultats précédemment acquis afin de vérifier la cohérence des données calculées à partir du RHT. Dans ce but, nous avons extrait de la Banque Hydro un échantillon de stations réparties sur les différents grands bassins versant français. Le « module » et le « QMMO » sont les deux paramètres qui ont été retenus pour être comparés. Le tab. 4 présente les différentes stations de mesures sélectionnées, leurs modules et QMMO correspondants. Seules des stations présentant des chroniques de débits d’une durée supérieure à 10 ans ont été retenues. Quelle que soit la localisation des stations des six grands bassins versants, les résultats calculés à partir du RHT correspondent à la même gamme de débits et de QMMO que les données enregistrées par la Banque Hydro. Cependant, des écarts peuvent être observés comme pour les modules des stations Creuse et Rhône (tab. 4). Malgré tout, l’hydrogramme des débits mensuels des deux stations (fig. 11) reste cohérent avec les débits mesurés par les stations tout au long de l’année sur la période d’enregistrement (> 10 ans). Les écoulements du bassin du Rhône sont fortement impactés par des influences anthropiques contrairement au bassin versant de la Creuse qui présente un fonctionnement plus naturel. Les écarts observés relèvent de la méthode employée pour le calcul des débits moyens à partir des lames d’eau naturelles reconstituées à l’échelle des zones hydrographiques. Le contour des BVU calculés à partir du MNT de la BD Alti® est plus précis que le contour des zones hydrographiques. Les décalages observés entre ces deux découpages induisent de faibles écarts de valeurs lors du calcul des débits.

Tab. 4 – Comparaison des Modules et des QMMO entre un échantillon de stations de mesures de la Banque Hydro et du RHT
Tab. 4 – Comparison of mean monthly discharges and minimum monthly discharges between a sample of “Banque-Hydro” stations and RHT

Bassin versant

Cours d'eau

Banque hydro

RHT

Code station

Module

(en m3/s)

QMMO

(en m3/s)

Module

(en m3/s)

QMMO

(en m3/s)

Artois-Picardie

La Canche

E5400310

12,1

10,4

13,115

10,05

L'Aa

E4035710

5,30

3,05

5,58

2,79

La Marque

E3346010

0,87

0,32

0,97

0,41

Rhin-Meuse

La Moselle

A4050620

6,81

2,05

7,43

2,07

La Meurthe

A6051020

7,87

3,34

8,67

3,15

La Meuse

B2220010

30

6,53

35,47

5,21

Seine-Normandie

L'Aube

H1051030

8,42

1,68

8,44

3,22

Le Serein

H2322010

2,32

1,10

2,45

0,08

La Seine

H8110010

538

266

523,47

220,84

Loire-Bretagne

L'Horn

J3014310

0,70

0,32

0,79

0,34

La Creuse

L4530710

39,30

6,62

29,19

5,09

La Vienne

L0940610

68,90

27,60

78,06

23,65

Adour-Garonne

L'Ariège

O1712510

59,70

25,30

58,83

22,85

La Garonne

O1900010

189

84,70

174,22

77,47

Le Tarn

O3031010

6,58

1,13

6,64

0,84

Rhône-Méditerranée-Corse

L'Arve

V0002010

11,10

2,11

9,38

2,20

Le Rhône

V1630020

473

387

522,15

440,50

La Drôme

V4214010

2,81

0,46

2,40

0,36

Fig. 11 – Comparaison des débits mensuels pour deux stations de mesure de la Banque Hydro et du RHT
Fig. 11 – Comparison of monthly discharges between two “Banque-Hydro” stations and RHT

Fig. 11 – Comparaison des débits mensuels pour deux stations de mesure de la Banque Hydro et du RHTFig. 11 – Comparison of monthly discharges between two “Banque-Hydro” stations and RHT

A : Code station L4530710 (La Creuse). B : Code station V1630020 (Le Rhône). 1 : données Banque Hydro ; 2 : données RHT.
A: Code station L4530710 (La Creuse). B: Code station V1630020 (Le Rhône). 1: “Banque-Hydro” data; 2: RHT data.

Conclusions

34Le RHT a été créé dans le but de disposer d’un réseau national jointif et orienté, de densité élevée et compatible avec le modèle numérique de terrain national afin de mieux retranscrire la typologie des grands bassins versants et leurs attributs environnementaux. L’utilisation du MNT de la BD Alti® de l’IGN associé au RHE a permis d’extraire un réseau hydrographique proche du réseau de référence de la BD Carthage®. Le RHT couvre 80 % du linéaire de la BD Carthage® codée. Des erreurs de construction ont été observées par comparaison avec la BD Carthage® mais celles-ci ont été identifiées automatiquement et corrigées manuellement. De nombreux tests de validation ont été effectués pour démontrer la fiabilité des attributs environnementaux calculés. Les résultats des comparaisons du RHT avec les réseaux DP, BD Carthage® et les stations de mesures de la Banque Hydro ont révélé de bonnes corrélations pour chacun des attributs environnementaux testés (R² > 0,9 ; p < 0.0001) et dans une moindre mesure concernant la variable pente (R² = 0,42 ; p < 0.0001). A terme, l’association de nouveaux attributs environnementaux pourra enrichir la base de données déjà existantes du RHT et multiplier les applications. Par exemple, des attributs climatiques supplémentaires (pluviométrie) ont été calculés sur le RHT pour établir une classification des régimes hydrologiques naturels à l’échelle de la France (Snelder et al., 2009). Cette classification regroupe les cours d’eau en classes homogènes en fonction de la variabilité des débits. Une typologie des arcs du RHT a été proposée sur la base de cette classification. La gestion des cours d’eau à large échelle requiert également, de comprendre la distribution spatiale de la taille des sédiments. Cette modélisation à l’échelle du bassin versant est aussi une application du RHT (Snelder et al., 2011).

35Entres autres applications, un travail de modélisation de la distribution des cours d’eau intermittents en France est actuellement effectué sur la base des caractéristiques des bassins versants dérivées du RHT (géologie, climat, géographie, etc.). A partir des données de 628 stations hydrologiques de référence issues de la Banque Hydro, des modèles de régionalisation sont développés pour prédire en tous points du réseau 1) la présence-absence d’intermittence, 2) la fréquence des assèchements et 3) la durée moyenne des assèchements. Ce travail permettra de tester si la distribution des assecs en France peut être prédite à partir de caractéristiques propres aux bassins versants des cours d’eau. D’autres travaux en cours consistent à construire des plateformes de modèles sur la base du RHT pour la gestion intégrée des caractéristiques physiques des bassins, des débits en particulier. Ainsi, peuvent être modélisés sur le RHT un certain nombre de grandeurs hydrauliques (largeur, hauteur, vitesse), des caractéristiques d’habitat hydraulique des espèces aquatiques (Lamouroux, 2008) ou encore des estimations de la probabilité de présence de différentes espèces de poisson (Oberdorff et al., 2001). Couplés à des informations supplémentaires comme le recensement national des obstacles à l’écoulement, ce type de calculs peut contribuer à différents objectifs de gestion intégrée comme la modélisation de la distribution des migrateurs, la définition de priorités de restauration en terme de restauration de connectivités, la modélisation multi-échelles de l’habitat ou encore la gestion des équilibres sédimentaires (Norris et al., 2007).

Les auteurs tiennent à remercier Eric Sauquet (CEMAGREF) pour la mise à disposition des lames d’eau modélisées à l’échelle du territoire français, Ude Shankar (NIWA, Nouvelle-Zélande) pour sa participation au développement de certains algorithmes et Arnaud Vanderbecq (CEMAGREF) pour le développement des routines de contrôle du réseau. Nos remerciements vont à l’Agence de l’Eau RMC pour avoir financé cette étude à dimension nationale. Enfin, nous souhaitons remercier les relecteurs pour leurs remarques pertinentes qui ont permis l’amélioration du manuscrit.

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Annexe

Abridged English version

The assessment and management of streams at the catchment and larger scales involves description of the environmental characteristics of stream segments over entire river networks (Snelder and Biggs, 2002; Snelder et al., 2005). Such assessments require the use of connected and oriented hydrographical networks that enable the computation of catchment environmental attributes. This need is reinforced with the multiplication of integrated large-scale environmental policies such as the Water Framework Directive in Europe.

This paper describes the derivation, the properties and the potential of a theoretical hydrographical network for France, the RHT. The RHT is an oriented network along which a number of reach-scale and catchment-scale environmental attributes were estimated. The network is derived from the BD Alti® 50-m digital elevation model (DEM) of the French Geographic National Institute (IGN). Before deriving the RHT, the DEM was modified using the RHE hydrographical network, the latter being a simplification of the referential hydrographical network of the IGN, BD Carthage®. The RHE is an oriented hydrographical network that includes 221,077 joined segments (Pella et al., 2008; tab. 1 and fig. 1). In contrast to the BD Carthage®, the oriented and joined segments of the RHE enable the navigation of the network in the upstream and downstream direction, and the accumulation of distances and reach attributes from river sources to mouths (tab. 2). However, it is impossible to associate unique drainage basins with each segment of the RHE due to many inconsistencies between the RHE and the DEM. Therefore, the accumulation of basin characteristics for this network is not possible. This means that catchment characteristics, e.g. cumulative specific discharges, average rainfall patterns or catchment slopes, cannot be derived for the RHE. Because it is derived from the DEM, the RHT (fig. 3 and fig. 4) resolves these problems and enables the accumulation of catchment properties along the network.

The “Agree” method (Hellweger, 1997; Maidment and Djokic, 2000) was used to modify the DEM by the observed RHE network. This method lowers the altitudes of all DEM cells corresponding to the RHE and smoothes the DEM (fig. 2). A theoretical network was then derived from the modified DEM using the D8 conventional method (O’Callaghan and Mark, 1984). The resulting network is both consistent with the DEM (enabling aeral calculations) and close to the observed hydrographical network. The automatic derivation of the network by the D8 method was not perfect and required corrections. In particular, topological errors and inconsistent segments appeared in flat areas (fig. 5). They were automatically detected and manually corrected (fig. 6). The final RHT represented 283,639 km and comprised 114,601 segments, which were associated with various topographic, climatic and hydrologic attributes (tab. 3). Fig. 7 describes the methods used to derive the attributes and fig. 8 shows some results in a selected catchment.

The calculation of environmental attributes for the RHT was verified by comparing the results with independent calculations made for a simpler hydrographical network of France representing 92,838 km, the DP (Pella et al., 2006). Because the DP was derived from the partitioning of France into major sub-basins provided by the IGN, the calculation of aeral attributes was also possible on this simplified network. After identifying corresponding pairs of segments in the RHT and the DP, we compared their altitude, slope, distance to the source, basin-area, temperature, and discharge characteristics. All attributes except segment slope were closely related between the two networks (R2 > 0.9; P < 0.001; fig. 10). Segment slope calculations were consistent between the two networks (R2 = 0.42; P < 0.001), but their correspondence was less accurate due to fact that the paired segments could have different lengths and different upstream and downstream altitudes.

Additional environmental attributes and a variety of ecological models can be applied on the RHT. For example, additional rainfall data was calculated on the network to derive a typology of flow regimes and generalised models of bed sediment size (Snelder et al., 2008, 2011). Ongoing works allow the calculation of hydraulic characteristics, habitat variables (Lamouroux, 2008) and the theoretical distribution of aquatic species (Oberdorff et al., 2001). Together with national data on weirs and dams, these models can provide an objective basis for assessments associated with integrated basin management including issues dealing with e.g. migratory species, connectivity restoration and sediment fluxes (Norris et al., 2007).

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Table des illustrations

Titre Tab. 1 – Principales caractéristiques des réseaux DP, RHE, RHT par grand bassin et comparaison avec la BD Carthage®Tab. 1 – Main characteristics of DP, RHE, RHT network per catchment and comparison with BD Carthage®
Légende * Les arcs hors bassins hydrographiques ne sont pas pris en compte.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-1.png
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Titre Fig. 1 – Emprise spatiale des réseaux coulants DP et RHE par bassin versant et détail des deux réseaux à l’échelle localeFig. 1 – Space hold of flowing DP and RHE networks per catchment and details of two networks at local scale
Légende 1 : limite des bassins ; 2 : DP ; 3 : RHE.1: catchment area; 2: DP; 3: RHE.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-2.png
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Titre Fig. 2 – Comparaison entre le MNT de la BD Alti® et le MNT construit à partir de la méthode « Agree »Fig. 2 – Comparison between the BD Alti® DTM and the DTM built from the “Agree” method
Légende A : MNT de la BD Alti® et tracé du RHE. B : MNT construit à partir de la méthode « Agree » et tracé du RHE. C : Profils topographiques. 1 : à partir de la BD Alti® ; 2 : à partir de la méthode « Agree ». D : Profils longitudinaux. 3 : à partir de la BD Alti® ; 4 : à partir de la méthode ″Agree″.A: BD Alti® DTM and location of RHE. B: DTM built from the “Agree” method and location of RHE. C: Topographic profiles. 1: from BD Alti® DTM; 2: from Agree DTM. D: Longitudinal profiles. 3: from BD Alti® DTM; 4: from ‘Agree’ DTM.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-3.png
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Titre Fig. 3 – Réseau hydrographique théorique et détail du réseau à l’échelle localeFig. 3 – Theoretical hydrographical network and detail of network at local scale
Légende 1 : limite des bassins ; 2 : cours d’eau principaux ; 3 : cours d’eau secondaires.1: catchment area; 2: main flow; 3: secondary flow.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-4.png
Fichier image/png, 1,1M
Titre Fig. 4 – Schématisation des erreurs topologiques identifiées automatiquement sur le RHTFig. 4 – Simplification of topology errors identified automatically in RHT network
Légende A : Arcs non connectés. B : Configuration d’arcs en boucle. C : Inversion d’un arc.A: Non-connected arcs. B: Configuration of loop arcs. C: Reversal arc.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-5.png
Fichier image/png, 150k
Titre Fig. 5 – Problèmes de restitution des axes d’écoulement du RHT corrigés manuellementFig. 5 – Flow mapping problems corrected manually on the RHT network
Légende A : Têtes de bassin non représentées. B : Confluences mal positionnées. C : Simplification du tracé sur des secteurs très méandriformes. 1 : BD Carthage® ; 2 : RHT ; 3 : sens de l’écoulement.A: Heads of river basin non-detected. B: Confluents poor localised. C: Simplification of network on the meander areas. 1: BD Carthage®; 2: RHT; 3: flow direction.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-6.png
Fichier image/png, 67k
Titre Fig. 6 – Couches d’information et méthodes d’extraction des attributs environnementauxFig. 6 – Information layers and mining methods of environmental attributes
Légende A : Couches rasters et vectorielles utilisées. B : Extraction des altitudes moyennes par zone tampon à partir des mailles du MNT. C : Extraction des altitudes amont et aval par arc pour calculer la pente. D : Ordination du réseau hydrographique selon la méthode de Strahler. E : Identification des bassins versants unitaires (BVU) pour le calcul des surfaces cumulées et identification d’une zone hydrographique et ses bassins versants unitaires pour le calcul des volumes d’eau mensuels. F : Calcul des températures par arc à partir d’une zone tampon.A: Raster and vector layers used. B: Mining of mean altitudes per buffer from cells of DEM. C: Extraction of upstream and downstream altitudes per arc to calculate the slope. D: Hydrological network order according to Strahler. E: Identification of unit basins (BVU) for the calculation of cumulated area and identification of hydrographical area and its unit basins for the calculation of water volume monthly. F: Calculation of temperatures per arc from buffer.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-7.png
Fichier image/png, 419k
Titre Fig. 7 – Attributs environnementaux calculés sur le RHT à l’échelle du bassin de l’AinFig. 7 – Environmental attributes calculated on the RHT at the scale of Ain River basin
Légende A : Altitude moyenne (en m). B : Pente (en ‰). C : Distance à la source (en km). D : Ordination de Strahler. E : Superficies cumulées (en km²). F : Température de janvier (en °C). G : Température de juillet (en °C). H : Modules moyen mensuel (en m3/s). I : Débit d’étiage mensuel (QMMO ; en m3/s).A: Mean altitude (in m). B: Slope (in ‰). C: Length of spring (in km). D: Strahler stream order. E: Area cumulated (in km²). F: Temperature of January (in °C). G: Temperature of July (in °C). H: Mean monthly discharge (in m3/s). I: Minimum monthly discharge (in m3/s).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-8.png
Fichier image/png, 1,7M
Titre Fig. 8 – Représentation spatiale des réseaux hydrographiques localisés sur le bassin de l’AinFig. 8 – Mapping of hydrographical networks localised on the Ain River basin
Légende A : Drain Principal (DP). B : Réseau Hydrographique Etendu (RHE). C : Réseau Hydrographique Théorique (RHT).A: Main flow (DP). B: “Extended hydrographical network” (RHE). C: Theoretical hydrographical network (RHT).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-9.png
Fichier image/png, 195k
Titre Fig. 9 – Comparaison d’un arc du DP et de l’arc correspondant du RHTFig. 9 – Comparison of one DP arc and corresponding arc of RHT
Légende A : Réseau hydrographique DP et RHT. B : Attributs environnementaux des réseaux DP et RHT. 1 : point de comparaison ; 2 : arc du DP ; 3 : arc RHT ; 4 : arcs RHT amont.A: Hydrographical network of DP and RHT. B: Environmental attributes of DP and RHT networks. 1: comparison point; 2: DP arc; 3: RHT arc; 4: RHT arcs upstream.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-10.png
Fichier image/png, 104k
Titre Fig. 10 – Comparaison des attributs physiques calculés entre DP et RHTFig. 10 – Comparison of physical attributes calculated between DP and RHT
Légende A : Altitudes moyennes (en m). B : Pentes (en ‰). C : Distances à la source (en km). D : Surface du bassin versant (en km²). E : Températures de janvier (en °C). F : Température de juillet (en °C). G : Modules (en m3/s). H : QMMO (en m3/s).A: Mean altitudes (in m). B: Slopes (in ‰). C: Length of spring (in km). D: Area of catchments (in km²). E: Temperatures of January (in °C). F: Temperatures of July (in °C). G: Mean monthly discharges (in m3/s). H: Minimum monthly discharges (in m3/s).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-11.png
Fichier image/png, 450k
Titre Fig. 11 – Comparaison des débits mensuels pour deux stations de mesure de la Banque Hydro et du RHTFig. 11 – Comparison of monthly discharges between two “Banque-Hydro” stations and RHT
Légende A : Code station L4530710 (La Creuse). B : Code station V1630020 (Le Rhône). 1 : données Banque Hydro ; 2 : données RHT.A: Code station L4530710 (La Creuse). B: Code station V1630020 (Le Rhône). 1: “Banque-Hydro” data; 2: RHT data.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/9933/img-12.png
Fichier image/png, 69k
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Pour citer cet article

Référence papier

Hervé Pella, Jérôme Lejot, Nicolas Lamouroux et Ton Snelder, « Le réseau hydrographique théorique (RHT) français et ses attributs environnementaux  », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 18 - n° 3 | 2012, 317-336.

Référence électronique

Hervé Pella, Jérôme Lejot, Nicolas Lamouroux et Ton Snelder, « Le réseau hydrographique théorique (RHT) français et ses attributs environnementaux  », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 18 - n° 3 | 2012, mis en ligne le 04 novembre 2014, consulté le 24 septembre 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/9933 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.9933

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Auteurs

Hervé Pella

IRSTEA, UR MALY, DYNAM - 3 bis, quai Chauveau - CP 220 - 69366 Lyon - France (herve.pella@cemagref.fr)

Jérôme Lejot

IRSTEA, UR MALY, DYNAM - 3 bis, quai Chauveau - CP 220 - 69366 Lyon - France

Articles du même auteur

Nicolas Lamouroux

IRSTEA, UR MALY, DYNAM - 3 bis, quai Chauveau - CP 220 - 69366 Lyon - France

Ton Snelder

IRSTEA, UR MALY, DYNAM - 3 bis, quai Chauveau - CP 220 - 69366 Lyon – France

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Droits d’auteur

© Groupe français de géomorphologie

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