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GESREAU : Développement d'outils d'exploitation d'une base de données relative à la gestion des ressources en eau.

1. Introduction

Le service des eaux, sol et assainissement (SESA) du canton de Vaud, en collaboration avec l'Institut

d'Aménagement de Terres et des Eaux de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (IATE), a entrepris de

développer depuis le début des années 90 un système de gestion des ressources en eau pour le canton

(GESREAU) fondé sur une base de données relationnelle liée à un système d'informations géographiques.

Ce système repose pour quelque temps encore sur une architecture ARGIS/Oracle sous Unix, avec une

exportation périodique (mises à jour) via FME sur PC individuel (architecture ArcView/Access). A l'heure

actuelle, ce système permet de gérer quelques 6500 km de cours d'eau, digitalisés au 1:5000, 1209 sous bassins

versants, plusieurs centaines de sections transversales, etc.

A partir de l'été 2001, une nouvelle étape de développement a été initiée, étape qui visait à développer des outils

d'ingénierie intégrés destinés à effectuer des études hydrauliques de cours d'eau et des études hydrologiques de

bassins versants.

Le présent article décrit les diverses réalisations effectuées dans ce cadre, destinées à permettre : des études hydrauliques simples, fondées sur l'application de la formule de Manning-Strickler à des

sections transversales,

des simulations hydrauliques avec un modèle très courant (HecRas), l'élaboration et l'étude de profils en long de cours d'eau,

l'intégration d'une méthode de régionalisation des débits,

la sélection d'objets, en particulier de sous bassins versants, sur la base de la topologie du système dont

l'ossature est constituées par les segments constitutifs des cours d'eau,

la détermination des caractéristiques hydrologiques de n'importe quel bassin ou sous bassin versant et leur

exportation pour une simulation hydrologique, l'intégration de ces divers développements, i.e l'archivage de résultats d'études dans la base de donnée et

leur réutilisation ultérieur (p. ex. la visualisation de lignes d'eau simulées sur un profil en long).

2. Hydraulique

2.1. Hydraulique simplifiée selon Manning-Strickler

L'ensemble des données relatives à une section transversale sélectionnée sont extraites de la base de données et

organisées dans un fichier Excel : levé(s) du profil, levé(s) d'éventuelles obstructions, jaugeages, débits

historiques ou caractéristiques, pente, etc.

Le fichier ainsi créé peut être visualisé et manipulé par une application autonome, développée en Visual Basic.

Cette application, outre des fonctionnalités standard d'enregistrement, de mise en page, d'aperçu et d'impression,

permet (fig.1) : d'afficher les divers paramètres impliqués dans la formule de Manning-Strickler en fonction de la hauteur

d'eau (la formule d'Einstein est utilisée pour déterminer le coefficient de Strickler moyen, lorsque celui-ci

n'est pas homogène sur le profil). Ces paramètres sont (i) la largeur au miroir, (ii) la section, (iii) le

périmètre mouillé, (iv) le rayon hydraulique, (v) le coefficient de Strickler global, (vi) la pente de la ligne

d'énergie, (vii) la vitesse d'écoulement, (viii) la capacité d'écoulement ou débit, (ix) la valeur du nombnre

de Froude, (x) le niveau critique et (xi) les tensions d'arrachement sur la section et (xii) sur le fond du lit,

d'afficher d'éventuelles obstructions (ponts par exemple),

d'afficher les hauteurs d'eau correspondant à des débits spécifiques (observations historiques ou débits

calculés pour des temps de retour choisis), d'afficher des courbes de tarages, de gérer l'historique de levés successifs,

de faire des études de sensibilité en éditant et en modifiant tous les aspects (forme, coefficient de Strickler,

et pente) d'une copie du levé actif,

de distinguer le cas échéant les contributions provenant respectivement du lit mineur, et des rives gauche et

droite du lit majeur, d'ajouter des étiquettes pour identifier des points particuliers, d'effectuer des impressions à l'échelle, d'effectuer des "zoom" sur des zones particulières.

Par ailleurs, comme le fichier qui sert de support à l'application est un fichier Excel, un bouton permet de passer

directement du mode d'édition Gesreau au mode d'édition standard Excel (et vice-versa) et ainsi de bénéficier de

l'ensemble des fonctionnalités, notamment graphiques, de ce logiciel. figure 1 Exemple d'édition de section transversale

2.2. Modélisation hydraulique - HecRas

La simulation hydraulique avec Hec-Ras est organisée de manière analogue, dans le sens où l'extraction d'une

série de sections transversales sélectionnées dans ArcView produit dans un premier temps les fichiers types

décrits sous 2.1 (ces sections peuvent donc également être analysées sur la base des formules de Manning-

Strickler), puis génère sur cette base les fichiers requis par une simulation HecRas, avant de lancer ce logiciel.

Cette succession d'opérations est entièrement automatisée, les corrections apportées pour la compatibilité des

données avec les principes de simulation de HecRas étant listés dans un fichier ".log".

2.3. Profils en long

Les réseau hydrographique de Gesreau est tridimensionnel. La coordonnée altimétrique Z a été obtenue par

intersection avec les courbes de niveau du modèle numérique d'altitudes de l'office fédéral de la topographie

(MNA25), puis par interpolation. En raison de la complexité du réseau (tresses), une procédure testant tous les

cheminements possibles pour passer, sur un cours d'eau, d'un point d'intersection au suivant a été développée.

Cette procédure privilégie systématiquement le cheminement de moindre pente pour le calcul de l'altitude des

points du réseau.

La construction du profil en long d'un cours d'eau ou d'une partie de cours d'eau sélectionné dans ArcView

procède par l'extraction des coordonnées (x,y,z) et des abscisses curvilignes des tous les points (vertex)

constitutifs de la sélection et le transfert de ces valeurs dans un fichier Excel où elles sont utilisée pour construire

le graphe du profil en long (coordonnée Z en fonction de l'abscisse curviligne) et un plan de situation dont le

fond est constitué par une copie au format ".wmf" des thèmes affichés dans ArcView au moment de

l'exportation.

Comme dans le cas des sections transversales, ce fichier est visualisé et manipulé dans l'environnement d'une

application spécifique, également développée sous VB Cette application, outre des fonctionnalités standard

d'enregistrement, de mise en page, d'aperçu et d'impression, permet (fig.2) :

d'afficher le profil en long déduit du modèle numérique d'altitude, ainsi que les pentes locales qui peuvent

en être déduites,

de restreindre l'affichage à une partie quelconque du profil en long, avec une mise à jour synchronisée du

plan de situation, de modifier les thèmes ArcView affichés comme fond de plan, pour le plan de situation, de rechercher dans la base de donnée et d'afficher d'éventuels levés de profil en long, figure 2 Exemple d'édition de profil en long

de rechercher dans la base de données et d'afficher tous les objets ponctuels liés au cours d'eau, notamment

les confluences et défluences, les exutoires de bassin versants, sections transversales, etc. et de les

étiqueter, avec une sélection quelconque de leurs attributs,

de manipuler une ligne de pente fictive pour ajuster, par exemple, la pente associée à une section

transversale de manière plus représentative, de produire des impressions à l'échelle, d'effectuer des "zooms" tant sur le profil lui-même que sur le plan de situation.

De même que dans le cas des sections transversales, un bouton permet de passer directement du mode d'édition

Gesreau au mode d'édition standard Excel (et vice-versa) et ainsi de bénéficier de l'ensemble des fonctionnalités,

notamment graphiques, de ce logiciel.

3. Hydrologie

3.1. Régionalisation des débits

Une méthode combinée de régionalisation des débits a été implémentée dans Gesreau (Niggli et al, 2001). Cette

méthode repose sur trois approches qui permettent d'estimer des débits par unité de surface sur la base de divers

critères. Il s'agit :

d'un modèle cadre régional, obtenu par l'analyse statistique des débits observés sur une trentaine de bassins

versants de Suisse occidentale. Ce modèle donne, pour divers temps de retour, un intervalle de vraisemblance (Qmin, Qmax) en fonction de la surface du bassin versant (classes) et de la région géographique à laquelle il appartient (Jura, Plateau, Préalpes).

d'une formule régionale, également obtenue par le traitement statistique des observations provenant des

bassins sus-mentionnés. Cette formule donne une estimation du débit Qreg en fonction de la surface du

bassin versant A, de son altitude moyenne ALT, de son coefficient d'élongation EL et d'un facteur de

croissance dépendant du temps de retour et de la région géographique, selon :

où L est la longueur de cours d'eau du bassin versant. Cette formule tendant à surestimer les débits pour les

petits bassins versant et pour les bassins fortement urbanisés, elle a été complétée par :

une formule dite "rationnelle", qui repose sur la combinaison de la formule rationnelle usuelle, de la loi de

Montana décrivant les courbes intensité-durée-fréquence (IDF) et d'une expression du temps de

concentration : 2222

APcqPAttIAIcq

1Rratcc1TTRrat

DHHDH HEEH où C R est le coefficient de ruissellement, A la surface du bassin versant et P sa pente moyenne, I T l'intensité de maximale de pluie de durée t c (temps de concentration) et de temps de retour T , 1 et 2 les

paramètres de la loi de Montana, et des paramètres ajustés sur la base des données expérimentales

disponibles.

L'altitude et la pente sont fournies par le modèle numérique d'altitude (MNA25 raster), alors que le

coefficient de ruissellement est déduit d'une carte d'occupation des sols dérivée de celle de l'office fédéral

de la statistique (Geostat) en réduisant à 9 le nombre de classes d'occupation du sol, avec une valeur de C

R attribuée à chaque classe.

La régionalisation des paramètres de la loi de Montana a été réalisée en 3 étapes : (i) calcul de

1 et 2

pour 137 stations de Suisse occidentale, sur la base des maxima annuels de pluies de durée 1, 2, 3, 4, 5 et 6

jours et pour divers temps de retour (Gumbel), (ii) ajustement par régression d'une relation linéaire entre

pluie 24h et 2

d'une part et l'altitude de la station de l'autre et calcul des résidus, (iii) élaboration d'une

carte des estimations d'intensité de pluie 24h et d' 2

à partir du MNA25 raster et ajout de la carte

d'interpolation (méthode multiquadratique à base radiale) des résidus, puis reconstitution de la carte des

valeurs d'e1 d'après le loi de Montana.

Le modèle combiné se présente sous la forme d'un "flow chart" qui conduit à retenir l'une des quatre valeurs de

débit calculées (Qmin, Qmax, Qreg, Qrat). Elle permet en particulier, pour les bassins versant dont la surface est

comprise entre 10 et 30 km 2 de passer progressivement du débit estimé par la formule rationnelle à la valeur estimée par la formule régionale par une méthode de pondération (cf. fig. 5).

3.2. Requêtes de sélection

Tous les objets étant liés à des segments de cours d'eau et les segments étant liés les uns aux autres, il a été

possible de développer une méthode globale de sélection basée sur la structure topologique du système. Cette

LA2EL A · ALT · EL · f · 0.0056 Qreg

0.34-0.630.56-

)région(T,

méthode permet de sélectionner n'importe quel type d'objet à partir d'un objet initial quelconque, soit vers

l'amont, soit vers l'aval ou encore dans le deux directions à la fois. La sélection peut également être limitée au

cours d'eau principal ou être étendue à l'ensemble de ses affluents ou effluents, tout comme elle peut être limitée

par un critère de distance ou par un autre objet (fig. 3). Toutes les sélections sont automatiquement enregistrées

dans la base de donnée et peuvent être gérées directement depuis ArcView, soit pour les réafficher ou pour les

effacer. figure 3 Exemple de requête de sélection

3.3. Caractéristiques de bassins versants et modélisation hydrologique

Une table contenant les caractéristiques hydrologiques de toutes les parties de bassins versants a été créée. Les

attributs de cette table sont : région, périmètre, surface, longueur de cours d'eau, coefficient d'élongation,

distribution des altitudes et des pentes (moyenne, écart-type, min, max, et quantiles à 5, 10, 20, 30, 40, 50,

60, 70, 80, 90 et 95 %)

occupation du sol (% de surface occupée par chacune des 9 classes retenues, coefficient de ruissellement)

selon les données 1992-1997 et 1985.

valeurs moyennes des paramètres de la loi de Montana pour 8 temps de retour (2.33, 5, 10, 20, 30, 50, 100 et

300 ans)

valeurs des 5 types de débits (Qmin, Qmax, Qreg, Qrat et modèle combiné) pour les mêmes 8 temps de

retour. figure 4(a) Caractéristiques d'un sous bassin versant figure 4(b) Caractéristiques d'un sous bassin versant

L'application systématique des requêtes de sélection décrites sous § 3.2 pour sélectionner les parties de bassins

versants situées à l'amont de chaque partie de bassins versants a permis de constituer, sur le même modèle que

ci-dessus, une table des caractéristiques hydrologiques des bassins versants amont. A chaque exutoire de partie

de bassin versant, toute l'information hydrologique pertinente concernant non seulement l'objet lui-même, mais

également le sous bassin versant qu'il détermine, est disponible.

Comme l'illustre la figure 4, il est possible de consulter rapidement toutes les principales caractéristiques

hydrologiques de n'importe quel sous bassin versant sélectionné. Une fonction d'exportation permet en outre de

transférer cette information dans un fichier Excel, de même que la structure topologique de la zone sélectionnée

et de produire un extrait du modèle numérique d'altitude et de la carte d'occupation des sols, documents

nécessaire à la réalisation de modélisations du comportement hydrologique.

4. Intégration des produits

Des procédures d'archivage permettent de stocker les données générées par ces divers produits dans la base de

donnée, afin de pouvoir les intégrer aux outils d'analyse développés. Cet archivage, qui peut se faire soit dans

une copie locale de la base de donnée (Access), soit à la source (Oracle), porte en l'occurrence sur les courbes de

tarage calculées par Strickler ou dans le cadre d'une modélisation hydraulique (HecRas), sur les lignes d'eau

issues d'une modélisation hydraulique (HecRas), et sur les caractéristiques hydrologiques des sous bassins

versants.

La figure 5 donne un exemple de cette intégration avec l'affichage sur un profil en long de l'évolution des divers

débits calculés de l'amont vers l'aval et illustre la transition, évoquée sous § 3.1, de la formule rationnelle à la

formule régionale (modèle combiné) lorsque la surface du bassin versant passe de 10 à 30 km2.

figure 5 Intégration des caractéristiques hydrologiques au profil en long

Bibliographie

M. Niggli, D. Talamba, B. Hingraz, A.Musy (2001). Estimation des debits de pointe pour des basins versants

non jaugés: application à la Suisse occidentale. Wasser, Energie, Luft / Eau, Energie, Air, 93 (9/10), 267-276.

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