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Enfin, la réalisation de ce projet n'aurait pas été possible sans l'appui des permettant d'évaluer la sensibilité des berges à l'érosion en milieu fluvial au niveau de la planification et de la gestion préventive des berges, de Québec, à environ 15 km de son centre-ville, et couvre une section de 9,5 rue de Canteloup

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Université du Québec

Institut national de la recherche scientifique

Centre Eau, Terre et Environnement

DÉVELOPPEMENT D'UN CADRE D'ANALYSE POUR

L'ÉVALUATION

DE LA SENSIBILITÉ DES BERGES À L'ÉROSION

EN MILIEU FLUVIAL: APPLICATION À LA RIVIÈRE

MONTMORENCY, QUÉBEC

Par

Pierre-Luc Fortiu

Géographe, spécialisé en géographie physique et environnement naturel

Mémoire présenté

pour l'obtention du grade de Maître ès sciences (M. Sc.) en sciences de la terre

Jury d'évaluation

Examinatrice externe Diane Saint-Laurent

Université du Québec

à Trois-Rivières

Examinateur interne Karem Chokmani

INRS -Eau, Terre et Environnement

Directeur de recherche Michel Leclerc

INRS -Eau, Terre et Environnement

Co-directeur de recherche Didier

Perret

Commission géologique du Canada

Décembre

2010

© Droits réservés de Pierre-Luc Fortin

REMERCIEMENTS

J'aimerais d'abord remercier mon directeur de recherche Michel Leclerc, dont la rigueur scientifique fut une grande source de dépassement professionnel et personnel. J'aimerais aussi le remercier pour son appui financier indispensable de même que pour la confiance qu'il m'a témoignée tout au long de ce projet. Mes seconds remerciements vont à mon co-directeur de recherche, Didier Perret, de la Commission géologique du Canada, pour ses judicieux conseils, son écoute, sa disponibilité et l'accès qu'il m'a procuré au

Laboratoire de cartographie numérique et

de photogrammétrie (LCNP). Par la même occasion, je tiens à remercier le directeur de ce laboratoire, Serge Paradis, pour sa flexibilité et Marco Boutin, pour les nombreux conseils qu'il m'a prodigués au niveau de la photogrammétrie numérique. Je remercie aussi le réseau GÉOIDE et le Fond québécois de la recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) pour leur appui financier important.

Ensuite, j'aimerais remercier l'équipe

de recherche de Monique Bernier (INRS-ETE), dont notamment Monique Bernier elle-même, Yves Gauthier, Jimmy

Poulin et Charles

Gignac, qui furent d'une grande aide lors du développement d'outils dans ArcInfo 9.2®. Dans la même lignée, un grand merci aussi à Erwan Gloaguen, pour son aide précieuse sur le plan géostatistique et pour sa disponibilité. Du fait même, merci

à Karem

Chokmani pour ses conseils au niveau des approches statistiques et

à Bernard Long pour

m'avoir fait bénéficier de ses vastes connaissances des outils LiDAR. En outre, je remercie mon collègue de bureau, Pascal Matte, pour ses conseils sur le plan mathématique et son sens de l'humour aiguisé, source de plusieurs éclats de rire. J'aimerais aussi remercier les diverses personnes qui m'ont aidé pour l'obtention de différents jeux de données, notamment André Bouillon de la Communauté métropolitaine de Québec, Pierre Beaubien de la Ville de Québec, Stéfano Biondo de l'Université Laval,

Frédéric Messier et Richard Leclair de

Pagé Leclair Géolocation, Jean Landry directeur du Conseil de Bassin de la rivière Montmorency et William Larouche du Centre d'expertise hydrique du Québec. l Enfin, la réalisation de ce projet n'aurait pas été possible sans l'appui des personnes qui me sont chères. En se sens, merci à ma famille Monique, Pierre, Isabelle, René-Olivier pour leur support inconditionnel et les quelques petites tapes dans le dos d'encouragement. Merci à ma copine Amélie Janin, qui, par sa joie de vivre, m'a permis de me reconnecter quotidiennement au réel, mais aussi de m'évader dans des activités à la fois stimulantes et curatives, notamment durant les périodes arides. Finalement, merci à Philippe Naud, Étienne Dubé et Philippe Marchand, pour les bières/steaks autour d'un feu, qui furent une grande source de décompression, et pour leur amitié précieuse. II

RÉSUMÉ

Au Québec, le phénomène de l'érosion des berges en rivière n'a été que très rarement pris

en compte dans la gestion et l'aménagement du territoire.

Or, dans les décennies à venir,

les cours d'eau seront vraisemblablement sujets

à des modifications majeures, en réponse

aux changements climatiques. En effet, une augmentation de la fréquence, de la durée et

de l'intensité des évènements climatiques extrêmes serait susceptible de générer plus

fréquemment des crues de forte magnitude, lesquelles constituent un facteur déclencheur important des phénomènes d'érosion des berges. Dans cette optique, l'objet de la présente recherche consiste à proposer un cadre d'analyse permettant d'évaluer la sensibilité des berges à l'érosion en milieu fluvial. Ce cadre d'analyse est réalisé dans une optique de modélisation du phénomène de l'érosion des berges et s'implante sur un site pilote correspondant

à un tronçon semi-urbain de la

rivière Montmorency, dans la région de Québec. La démarche proposée comprend deux pnnCIpaux volets, la pré-production et la modélisation. Le premier, constituant le coeur de cette recherche, porte· sur: 1) la cartographie diachronique des traits de berges dans le but d'obtenir des données d'érosion; 2) l'élaboration d'un modèle numérique de terrain (MNT) optimal à partir de données topographiques LiDAR; 3) la production de variables représentatives du phénomène de l'érosion à partir d'outils disponibles au sein de systèmes d'information géographique (SIG). Le second volet, la modélisation, vise à établir un indice de sensibilité des berges à l'érosion, via une approche critériologique semi-quantitative.

Celle-ci comporte, une critériologie

à deux paliers, soit des indices de base décrivant la sensibilité propre à chaque variable descriptive (pente de la berge, pente du lit, rayon de courbure, géologie de la berge et présence d'immunisations i.e. ouvrages de protection) et un indice global, en l'occurrence une moyenne géométrique pondérée, permettant d'agréger les indices de base entre eux en leur octroyant un poids respectif. Le rendement du modèle est par la suite vérifié via une étape de validation. Les diverses étapes caractérisant cette approche nécessitent respectivement l'utilisation de différents jeux de III données d'érosion (présence/absence d'érosion, taux de recul et hauteur verticale d'érosion), lesquels permettent d'assurer l'objectivité de la méthode. Ultimement, l'application de l'approche développée permet de quantifier la sensibilité des berges à l'érosion du tronçon pilote. Ces résultats sont exprimés en six classes de

sensibilité (nulle, très faible, faible, moyenne, élevée et très élevée) et représentés sous la

forme de cartes à grande échelle (1:3000). L'analyse de ces résultats permet d'établir que 65%
des berges du site d'étude affichent une sensibilité à l'érosion variant de nulle à faible et que la portion restante, soit 35%, affiche une sensibilité plus marquée variant de modérée à très forte. Au sommaire, les diverses méthodes développées, tant au niveau de la production de données de base que de la modélisation proprement dite, contribuent à former un cadre

d'analyse permettant d'évaluer avec précision et efficacité la sensibilité des berges à

l'érosion en milieu fluvial. Ce cadre d'analyse pourrait, de ce fait, constituer un outil utile au niveau de la planification et de la gestion préventive des berges, particulièrement dans

une perspective d'accroissement de l'intensité des phénomènes d'érosion, en lien avec les

changements climatiques. IV

TABLE DES MATIÈRES

REMERCIEMENTS ........................................................................ .............................................. 1 RESUME ........................................................................ .............................................................. 111 TABLE DES MATIERES ........................................................................ ................................... V LISTE DES FIGURES ........................................................................ ........................................ X LISTE DES TALEAUX ........................................................................ ................................... XIII

1. INTRODUCTION ........................................................................

........................................... 1

1.1. Problématique ........................................................................

........................................... 1

1.2. Objectifs ........................................................................

..................................................... 2

1.3. Description du site d'étude ........................................................................

....................... 2

1.3.1. Physiographie du bassin versant ........................................................................

........ 2

1.3.2. Localisation du site ........................................................................

............................ 2

1.3.3. Géomorphologie du cours d'eau ........................................................................

........ 3

1.3.4. Hydrologie et hydrographie ........................................................................

............... 6

1.3.5. Cadre anthropique (vulnérabilité) ........................................................................

...... 7

2. REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ........................................................................

..................... 9

2.1. Description de

l'aléa" érosion des berges » .................................................................... 9

2 .1.1. Définition

de l'aléa " érosion des berges » ................................................................ 9

2.1.2. La notion de l'équilibre naturel du chenal ...............................................................

2.1.2.1. L'équilibre dynamique du chenal.. .................................................................. 10

2.1.2.2. La géométrie hydraulique du chenal ............................................................... Il

2.1.3. Processus fluviaux ........................................................................

............................ 12

2.1.3.1. Transport sédimentaire ........................................................................

............ 12

2.1.3.2. Composante hélicoïdale de l'écoulement.. ...................................................... 13

2.1.3.3. Abrasion glacielle ........................................................................

.................... 14

2.1.3.4. Historique de l' écoulement ........................................................................

..... 14

2.1.4. Caractéristiques des évènements hydrologiques érosifs .......................................... 15

2.1.4.1. Puissance et durée des crues ........................................................................

... 15

2.1.4.2. Rôle de la débâcle printanière ........................................................................

. 16

2.1.4.3. Origine des crues à l'eau libre ........................................................................

. 16

2.1.4.4. Récurrence des évènements érosifs ................................................................. 16

2.2. Suivi de l'érosion des berges ........................................................................

................... 16

2.2.1. Types de lignes de berge ........................................................................

2.2.1.1. Limite eau-terre ........................................................................

....................... 17

2.2.1.2. Limite de la végétation ........................................................................

............ 17

2.2.1.3. Haut de berge ........................................................................

.......................... 18

2.2.2. Techniques de suivi de l'érosion des berges ............................................................ 18

2.2.3. Sources d'erreurs ........................................................................

.............................. 19

2.3. Les Modèles Numériques de Terrain (MNT) ............................................................... 20

2.3.1. Données topographiques LiDAR ........................................................................

2.3.1.1. Principe du LiDAR aéroporté ........................................................................

. 21

2.3.1.2. Prétraitement du LiDAR ........................................................................

......... 22 v

2.3.1.3. Le LiDAR topographique et l'eau ................................................................... 23

2.3.1.3.1. Pénétration/réflexion dans la colonne d'eau ......................................... 23

2.3.1.3.2. Discontinuités spatiales (vides) dans les relevés ................................... 24

2.3.2. Méthodes d'interpolation appropriées pour les données LiDAR ............................. 25

2.3.2.1. L'inverse de la distance (IDW) .......................................................................

2.3.2.2. Le krigeage ........................................................................

.............................. 25

2.3.2.3. Autres interpolateurs ........................................................................

............... 26

2.4. Modélisation de l'érosion des berges: types de modèles ............................................. 27

2.4.1. Les modèles numériqueslhydrodynamiques ............................................................ 27

2.4.2. Les modèles hydro-géomorphologiques .................................................................. 28

2.5. Sommaire ........................................................................

·32

3. MÉTHODOLOGIE GÉNÉRALE ET DONNÉES ............................................................ 37

3.1. Démarche suivie ........................................................................

...................................... 37

3.1.1. Pré-production ........................................................................

.................................. 38

3.1.2. Modélisation ........................................................................

..................................... 38

3.1.3. Résultats: représentation et analyse ........................................................................

3.2. Données et outils informatiques ........................................................................

............. 39

3.2.1. Données ........................................................................

............................................ 39

3.2.1.1. Données hydrologiques et bathymétriques ..................................................... 39

3.2.1.2. Données topographiques et photographiques ..................................................

3.2.1.3. Données cartographiques décrivant le milieu terrestre ................................... 40

3.2.1.4. Données acquises sur le terrain ............................................. ......................... 40

3.2.2. Outils informatiques ........................................................................

......................... 41

4. PRE-PRODUCTION ........................................................................

.................................... 43

4.1. Méthodologie pour le suivi de l'érosion des berges ...................................................... 43

4.1.1. Expérimentation de méthodes d'extraction de traits de berge .................................

4.1.1.1. Types de traits de berge testés et sites d'expérimentation .............................. 44

4.1.1.2. Sélection des couvertures d'images ................................................................ 46

4.1.1.2.1. Inventaire des images disponibles ......................................................... 46

4.1.1.2.2. Critères de sélection des images ........................................................... 46

4.1.1.2.3. Évaluation des débits associés aux images ........................................... 47

·4.1.1.2.4. Formation des couples temporels ..........................................................

4.1.1.3. Établissement de la plateforme de cartographie et quantification de la

précision planimétrique du géopositionnement. .. : ......................................................... 50

4.1.1.3.1. Étapes d'élaboration de la plateforme de photogrammétrie

numérique 50

4.1.1.3.2. Quantification de la précision planimétrique ........................................ 52

4.1.1.4. Résultats de l'expérimentation des méthodes d'extraction des traits de

berge 53

4.1.1.4.1. Limite eau/terre ........................................................................

............. 53

4.1.1.4.2. Limite de la végétation permanente ...................................................... 54

4.1.1.4.3. Limite du haut de berge ........................................................................

4.1.1.4.4. Limite du pied de berge ........................................................................

. 56 VI

4.1.2. Élaboration d'une méthode composite pour la délimitation de la ligne de berge .... 57

4.1.2.1. Identification et hiérarchisation des critères ................................................... 58

4.1.2.2. Application de la méthode ........................................................................

4.1.2.2.1. Tronçon 1 (bornes 0 à 7) .......................................................................

4.1.2.2.2. Tronçon 2 (bornes 7 à 8) .......................................................................

4.1.2.2.3. Tronçon 3 (bornes 8

à 9,5) .................................................................... 62

4.1.2.3. Estimation de la précision des traits de berge numérisés ................................

4.1 ;2.4. Sommaire ........................................................................

................................ 64

4.1.3. Quantification du déplacement des lignes de berge ................................................. 66

4.1.3.1. Simplification des lignes de berge .................................................................. 67

4.1.3.2. Technique de calcul des taux de recul.. ........................................................... 67

4.1.3.2.1. Calcul des déplacements .......................................................................

4.1.3.2.2. Distinction du sens de déplacement (recul

ou avancée) ........................ 67

4.1.3.2.3. Transfert de l'information aux unités spatiales ..................................... 68

4.1.3.2.4.

Prise en compte des marges d'erreur .................................................... 68

4.1.3.2.5. Calcul des taux de recul moyens ........................................................... 69

4.1.4. Résultats du déplacement des berges .......................................................................

4.2. Méthodologie pour la création d'un MNT optimal. ..................................................... 76

4.2.1. Caractérisation des données topographiques sources .............................................. 76

4.2.2. Analyse de la répartition spatiale des points

LiDAR à la surface de l'eau .............. 77

4.2.3. Estimation de la précision verticale des points

LiDAR réfléchis par la surface

l'eau à l'aide de données bathymétriques ........................................................................

4.2.3.1. Analyse de la concordance des débits .............................................................

4.2.3.2. Quantification des phénomènes de pénétration/réflexion ............................... 81

4.2.3.2.1. Technique ........................................................................

...................... 81

4.2.3.2.2. Résultats ........................................................................

........................ 83

4.2.3.3. Rôle de la profondeur dans l'occurrence des phénomènes de

pénétration/réflexion ........ : ........................................................................

4.2.3.3.1. Technique ........................................................................

...................... 83

4.2.3.3.2. Résultats ........................................................................

........................ 84

4.2.3.4. Rôle de la rugosité de la surface dans la magnitude des phénomènes de

pénétration/réflexion ........................................................... , .......................................... 84

4.2.3.4.1. Technique ........................................................................

...................... 84

4.2.3.4.2. Résultats ........................................................................

4.2.3.5. Sommaire ........................................................................

................................ 86

4.2.4. Expérimentation de méthodes d'interpolation

pour les données LiDAR ................ 87

4.2.4.1. Méthodes d'interpolations testées ................................................................... 88

4.2.4.2. Procédure de création et de validation des

MNT ............................................ 88

4.2.4.2.1.

Outils et paramètres techniques pour la création des MNT .................. 88

4.2.4.2.2. Circonscription des points

LiDAR situés dans le chenal ...................... 89

4.2.4.2.3. Procédures de validation .......................................................................

4.2.4.3. Tests d'interpolation sur tout le domaine ........................................................ 91

4.2.4.3.1. Résultats statistiques ........................................................................

..... 91

4.2.4.3.2. Résultats graphiques ........................................................................

...... 92

4.2.4.3.3.

Sommaire: choix de l'interpolateur optimal ........................................ 93

4.2.4.4. Tests d'interpolation sur le sous-domaine du chenal ...................................... 96

VII

4.2.4.4.1. Résultat statistiques ........................................................................

....... 97

4.2.4.4.2. Résultats graphiques ........................................................................

...... 97

4.2.4.4.3. Sommaire: choix de l'interpolation optimal ........................................ 99

4.2.5.

MNT tinal. ........................................................................ ...................................... 100

4.2.5.1. Procédure d'assemblage et de validation ...................................................... 100

4.2.5.2. Résultats statistiques ........................................................................

........ : .... 100

4.2.5.3. Résultats graphiques ........................................................................

quotesdbs_dbs21.pdfusesText_27

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Université du Québec

Institut national de la recherche scientifique

Centre Eau, Terre et Environnement

DÉVELOPPEMENT D'UN CADRE D'ANALYSE POUR

L'ÉVALUATION

DE LA SENSIBILITÉ DES BERGES À L'ÉROSION

EN MILIEU FLUVIAL: APPLICATION À LA RIVIÈRE

MONTMORENCY, QUÉBEC

Pierre-Luc Fortiu

Mémoire présenté

Jury d'évaluation

Examinatrice externe Diane Saint-Laurent

Université du Québec

à Trois-Rivières

Examinateur interne Karem Chokmani

Directeur de recherche Michel Leclerc

INRS -Eau, Terre et Environnement

Co-directeur de recherche Didier

Perret

Commission géologique du Canada

Décembre

© Droits réservés de Pierre-Luc Fortin

REMERCIEMENTS

Laboratoire de cartographie numérique et

Ensuite, j'aimerais remercier l'équipe

Poulin et Charles

à Karem

à Bernard Long pour

Frédéric Messier et Richard Leclair de

RÉSUMÉ

Or, dans les décennies à venir,

à des modifications majeures, en réponse

à un tronçon semi-urbain de la

Celle-ci comporte, une critériologie

TABLE DES MATIÈRES

1. INTRODUCTION ........................................................................

1.1. Problématique ........................................................................

1.2. Objectifs ........................................................................

1.3. Description du site d'étude ........................................................................

1.3.1. Physiographie du bassin versant ........................................................................

1.3.2. Localisation du site ........................................................................

1.3.3. Géomorphologie du cours d'eau ........................................................................

1.3.4. Hydrologie et hydrographie ........................................................................

1.3.5. Cadre anthropique (vulnérabilité) ........................................................................

2. REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ........................................................................

2.1. Description de

2 .1.1. Définition

2.1.2. La notion de l'équilibre naturel du chenal ...............................................................

2.1.2.1. L'équilibre dynamique du chenal.. .................................................................. 10

2.1.2.2. La géométrie hydraulique du chenal ............................................................... Il

2.1.3. Processus fluviaux ........................................................................

2.1.3.1. Transport sédimentaire ........................................................................

2.1.3.2. Composante hélicoïdale de l'écoulement.. ...................................................... 13

2.1.3.3. Abrasion glacielle ........................................................................

2.1.3.4. Historique de l' écoulement ........................................................................

2.1.4. Caractéristiques des évènements hydrologiques érosifs .......................................... 15

2.1.4.1. Puissance et durée des crues ........................................................................

2.1.4.2. Rôle de la débâcle printanière ........................................................................

2.1.4.3. Origine des crues à l'eau libre ........................................................................

2.1.4.4. Récurrence des évènements érosifs ................................................................. 16

2.2. Suivi de l'érosion des berges ........................................................................

2.2.1. Types de lignes de berge ........................................................................

2.2.1.1. Limite eau-terre ........................................................................

2.2.1.2. Limite de la végétation ........................................................................

2.2.1.3. Haut de berge ........................................................................

2.2.2. Techniques de suivi de l'érosion des berges ............................................................ 18

2.2.3. Sources d'erreurs ........................................................................

2.3. Les Modèles Numériques de Terrain (MNT) ............................................................... 20

2.3.1. Données topographiques LiDAR ........................................................................

2.3.1.1. Principe du LiDAR aéroporté ........................................................................

2.3.1.2. Prétraitement du LiDAR ........................................................................

2.3.1.3. Le LiDAR topographique et l'eau ................................................................... 23

2.3.1.3.1. Pénétration/réflexion dans la colonne d'eau ......................................... 23

2.3.1.3.2. Discontinuités spatiales (vides) dans les relevés ................................... 24

2.3.2. Méthodes d'interpolation appropriées pour les données LiDAR ............................. 25

2.3.2.1. L'inverse de la distance (IDW) .......................................................................

2.3.2.2. Le krigeage ........................................................................

2.3.2.3. Autres interpolateurs ........................................................................

2.4. Modélisation de l'érosion des berges: types de modèles ............................................. 27