Cette communication s’inscrit dans la continuité d’un projet  qui a été mené en 2005 sur la création d’un SIG pour le recensement des mares dans la région Nord-Pas-de-Calais. La méthodologie avait fait l’objet d’une présentation lors des Conférences francophones d’ESRI en Octobre 2005. Nous nous proposons donc de présenter une des étapes fondamentales de cette procédure, qui consiste à créer des données hydrologiques à partir d’un Modèle Numérique de Terrain (MNT). Ces données permettront par la suite de déterminer la localisation des éventuels creux et dépressions qui seront susceptibles de retenir l’eau à la surface du sol et qui pourront alors peut-être correspondre à des mares.
 
Problématique générale de l’étude :
 
Bien qu’étant des zones humides à fort intérêt patrimonial, près des trois quarts des mares de la Région Nord-Pas-de-Calais ont disparu durant le siècle dernier. Les mares temporaires ou pérennes sont des objets d’étude difficiles à identifier et à protéger du fait que : 
-          Ce sont des entités de petites tailles et très dispersées géographiquement. Par conséquent, l’élaboration et la réalisation d’un inventaire exhaustif basés sur des relevés de terrain  s’avèrent difficile.
-          Leur grande mobilité temporelle en fait des écosystèmes qui présentent une biodiversité discontinue.
Compte tenu de ces éléments, nous pouvons nous interroger sur les solutions à mettre en place pour protéger ces petites zones humides. L’élaboration et la mise en place d’une méthodologie de recensement, premières étapes nécessaires dans le cadre d’un programme de préservation de ces milieux, doivent donc prendre en considération ces différents facteurs.
C’est donc cette préoccupation qui a conduit le Pôle-Relais Mares & Mouillères de France, le Groupe Mares du Nord-Pas-de-Calais et le Centre de Compétence Thématique « Modélisation, Analyse Spatiale, SIG » (CNRS - CEIAS - SIS - UMR 8564) à mener une réflexion sur la mise en place d’une méthodologie standardisée pour la recension des mares à partir d’un Système d’Information Géographique (SIG).
 
Zone d’étude :
 
Afin de tester la méthodologie mise en oeuvre, nous avons donc choisi de travailler sur la zone du Parc Naturel Régional des Caps et Marais d’Opale, car nous disposions pour cette partie du territoire d’un échantillon de données de terrain concernant la localisation précise de 103 mares. Par ailleurs, cette zone présente des caractéristiques géographiques contrastées.

Le Parc des Caps et Marais d'Opale se situe dans la région Nord-Pas-de-Calais (département du Pas-de-Calais), et regroupe 156 communes. Il constitue l'un des principaux réservoirs de la biodiversité régionale.
Le relief de la région est peu marqué mais les paysages rencontrés y sont variés. Nous pouvons y distinguer plusieurs ensembles : tout d’abord les zones situées au Nord, Nord-Est, et le long de la bordure littorale à l’Ouest présentes les altitudes les plus basses souvent inférieures à 50 m et à certains endroits proches du niveau de la mer (1 à 2 mètres).
C’est dans la partie centrale du Parc que se trouve une partie des collines de l’Artois qui sépare le bassin sédimentaire franco-belge du bassin parisien. Les altitudes y sont modérées (comprises entre 140 et 212 mètres) mais il faut se replacer dans le contexte géographique de la région. Le décor contraste en effet avec les plaines des Flandres voisines. Le relief, assez accidenté par endroits, s'incurve lentement à l'Est vers les Flandres, selon un axe Nord-Ouest/Sud-Est.

Le réseau hydrographique se structure différemment entre l’Ouest et l’Est. Dans les régions exoréiques de l’Ouest, il est très hiérarchisé avec ses cours d’eau principaux (la Salck, le Wimereux et la Liane) et leurs nombreux affluents. Cette densité peut s’expliquer entre autre par la composition argileuse du sol.
En revanche, à l’Est les deux principales rivières (la Hem et l’Aa) sont moins hiérarchisées et beaucoup plus étendues. Dans la partie Nord du Parc, les rivières et fleuves ralentissent en raison des faibles pentes, créant ainsi des zones marécageuses dont la plus connue est le marais Audomarois, constitué de plus de 500 canaux où se mélangent sources et rivières.
 
D’un point de vue géologique, le Parc chevauche la limite géologique entre le bassin parisien au Sud et le bassin franco-belge au Nord, correspondant aux deux régions biens distinctes que sont l'Artois et la Flandre. La partie médiane est constituée par le plateau crayeux crétacé couvert de limons de l'Artois, entaillé par quelques vallées. A l'Ouest, dans la boutonnière du Boulonnais, l'érosion de la craie a permis l'affleurement des roches plus anciennes : celles du jurassique très diversifiées à dominante argileuse qui expliquent le vallonnement et le caractère bocager de ce secteur, et celles du primaire marquant le massif de Ferques et ses carrières de calcaires dévoniens et carbonifères. Au Nord-Est, les argiles et sables tertiaires marquent la limite avec la plaine maritime où argiles et tourbes quaternaires expriment les allées et venues de la mer.

La méthodologie élaborée pour le projet se décompose en trois phases, dont les deux premières ont déjà fait l’objet d’une communication. Nous allons donc nous intéresser à la 3^ème phase qui concerne la modélisation hydrologique (Schéma n°1). La modélisation va permettre de déterminer l’emplacement des éventuels creux et dépressions humides à l’aide de données générées à partir d’un MNT rééchantillonné à 4 mètres (résolution d’origine à 25 mètres).
La procédure consiste dans un premier temps, à calculer deux GRID qui concernent le réseau hydrographique théorique et la localisation des creux (sinks). Ensuite, un troisième GRID représentant l’ensemble des dépressions présentes dans la zone d’étude est calculé. Ces résultats  croisés avec les données concernant la géologie nous ont ainsi permis d’avoir une localisation des dépressions et des creux susceptibles de correspondre à des réceptacles d’eau.

Phase n° 1 : Création d’un GRID correspondant au réseau hydrographique théorique
 
Pour effectuer une modélisation hydrologique à partir d’ArcInfo Workstation, il est nécessaire d’utiliser un MNT de qualité. Nous avons donc travaillé à partir du MNT de la BD ALTI® de l’IGN qui a été généré à l’aide de deux fichiers ASCII.
La procédure pour effectuer cette modélisation peut être illustrée de la façon suivante :

Étapes 1 et 2 : Le rééchantillonage du MNT d’une résolution de 25 mètres à une résolution de 4 mètres va permettre d’obtenir une information plus fine au niveau du relief de la zone d’étude (Illustrations n° 1 et 2).

Étape 3 : La détermination du sens des écoulements des eaux s’effectue avec la fonction Flowdirection. Cette fonction est basée sur le principe du cheminement naturel des eaux conduit par la gravité et guidé par la topographie.
Elle va permettre de créer un GRID de direction de flux, où le flux de chaque cellule s’écoulera vers son voisin selon la plus grande pente descendante.


En effet, dans un MNT structuré en GRID, il existe au moins huit cellules adjacentes à chaque cellule (individuelle) du Grid. L’eau dans une cellule donnée peut s’écouler dans une ou plusieurs directions des huit cellules adjacentes selon la pente du drainage.
Ce sont O’Callaghan et Mark (1984) qui ont jeté les bases de ces approches et ont ainsi développé un algorithme unidirectionnel appelé « D8 » ou « Modèle des huit directions pour un point ». L’eau d’une cellule donnée ne peut s’écouler que dans seulement une cellule adjacente selon la direction de la pente la plus inclinée. C’est donc cet algorithme implémenté dans ArcGis qui a été utilisé.

Le résultat de la direction des flux est alors codé de la façon suivante :

Étape 4 : L’utilisation de la fonction SINK, va permettre de créer un GRID résultat dont chaque maille contient une valeur unique correspondant à la somme des directions possibles prises par les écoulements des eaux. En effet, il existe des situations où il n’est pas possible de déterminer le sens des écoulements. L’information qui est donc apportée par ce GRID, permet de localiser dans un premier temps, les zones potentielles de dépressions.

Étapes 5, 6 et 7 : Pour que le processus de modélisation fonctionne correctement, le MNT de la zone étudiée ne doit présenter aucune aire de drainage interne, c’est-à-dire des creux. La fonction FILL du module Grid d’ArcInfo Workstation va donc permettre de combler ces creux. Une fois que le MNT sans les creux est obtenu, la fonction FLOWDIRECTION peut être utilisée (Illustrations n° 3 & 4).

Étape 8 : La délimitation automatique des bassins de drainage s’effectue avec la fonction BASIN. Celle-ci utilise les résultats obtenus avec la fonction FLOWDIRECTION (sens des écoulements des eaux). Par ailleurs, la fonction BASIN identifie les lignes de partage des eaux afin de déterminer les bassins de drainage.

Étape 9 : Détermination des zones d’accumulation des eaux avec la fonction FLOWACCUMULATION. Permet de créer un GRID de flux accumulé sur chacune des cellules. Les cellules qui ont une direction de flux non définie ne peuvent que recevoir un seul flux. Par conséquent, elles ne peuvent contribuer à un flux allant vers l'aval. Une cellule n'ayant pas de flux de direction a une valeur différente de 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, ou 128 dans le GRID de direction des flux (obtenu avec la fonction Flowdirection). Seules les cellules ayant les plus fortes valeurs sont utilisées pour identifier les cours d'eau.

Étape  10 : La fonction STREAMORDER  va permettre d’attribuer un ordre numérique aux segments d'un GRID représentant les bras d'un réseau linéaire.
Deux méthodes peuvent être utilisées :

Avec la méthode STRAHLER, tous les segments non tributaires d'un autre segment vont prendre la valeur 1 et seront référencés comme étant d'ordre 1. Lorsque deux segments d'ordre 1 se croisent, le segment résultant devient un segment d'ordre 2. Lorsque deux segments d'ordre 2 se croisent, le segment de sortie est un segment d'ordre 3 et ainsi de suite. Cela signifie donc que lorsque deux segments de même ordre se croisent l'ordre augmente.

Avec la méthode SHREVE tous les segments non tributaires d'un autre se voient attribuer la valeur de 1 (ordre 1). Quand deux segments s'intersectent cette méthode affecte la somme des ordres des deux segments au nouveau segment.

Étape 11 : L’utilisation de la fonction STREAMLINE, va permettre de convertir le GRID représentant le réseau hydrographique en une couverture de ligne.

Phase n° 2 : Détermination des zones de dépressions

L'identification des zones de dépressions s'effectue à l'aide de la fonction DIFFERENCE. Le GRID obtenu va permettre d'identifier les différences qui existent entre les valeurs des cellules dans le MNT sans les creux et celles du MNT d'origine (avec les creux). Les différences vont correspondre aux dépressions.

Les zones de dépression se localisent essentiellement le long de certaines parties du réseau hydrographique. En ajoutant les surfaces en eau réelles issues de la BD CARTHAGE® de l’IGN, nous pouvons constater qu’il y a une corrélation avec les dépressions qui ont été calculées. Certaines de ces zones correspondent donc bien à des surfaces en eau (zones humides).
 
 
Par la suite, deux opérateurs spatiaux topologiques (SELECT et INTERSECT) sont utilisés sur les couvertures concernant la géologie et la localisation des creux. Le premier opérateur (SELECT) permet dans un premier temps de sélectionner l’ensemble des formations géologiques correspondant à des terrains aquifères qui impliquent la présence réelle d’eau souterraine.
La commande INTERSECT est utilisée pour réaliser une intersection entre ces deux couvertures. Seules les informations en communs dans les deux couvertures seront préservées dans la couverture de résultat. Cette opération va nous permettre d’identifier les creux qui, de part leur composition géologique (Craies, Marnes, Sables, Argiles, Limons...), pourront contenir de l’eau, en effet les nappes aquifères sont un des facteurs d’alimentation des mares naturelles.

La nature géologique de certains creux (formation aquifère) laisse supposer qu’ils peuvent correspondre à des mares naturelles qui seraient alimentées par des nappes d’eau souterraine.  En ajoutant les données de la BD CARTHAGE®, nous avons pu observer que certaines des dépressions correspondent sur le terrain à des surfaces en eau et permettent de définir des zones humides à l’intérieur desquelles peuvent aussi se trouver des mares.
 
La confrontation entre les données obtenues à partir de la modélisation hydrologique théorique, des données de terrain concernant la localisation réelle des mares et des orthophotoplans permet de constater qu’il y a une certaine adéquation entre les résultats. En effet, sur l’ensemble des creux, certains sont localisés à proximité de l’emplacement de mares. De plus, la majeure partie de ces creux et de ces mares se trouve dans les zones de dépressions localisées au niveau de certains axes du réseau hydrographique théorique (Carte n° 11).
Cependant, les données de terrain qui nous ont été fournies concernent uniquement les mares naturelles et pérennes. Le recensement des 103 mares qui a été réalisé à différentes périodes de l’année (Avril, Mai et Octobre), ne prend pas en compte les mares temporaires dont l’existence fluctue en  fonction des saisons (certaines  mares apparaissent lorsque les précipitations sont abondantes).
 
Compte tenu de la multitude de creux qui ont été détectés par cette méthodologie, il apparaît nécessaire d’effectuer une validation sur le terrain afin de vérifier quels sont les creux qui correspondent réellement à des mares et ceux qui sont le résultat d’erreurs générées lors des calculs.
Cette étape de validation, qui n’a pas pu être réalisée dans le cadre du projet, apparaît comme essentielle lorsque l’on travaille à partir de données théoriques. De plus,  c’est à partir des constatations faites sur le terrain que l’on pourra corriger et affiner la méthodologie de façon à obtenir des résultats les plus proches possibles de la réalité.

ARAB R., MINELLI F. & PIROT F - De la modélisation à l’implémentation : proposition d’une méthodologie pour le recensement des mares dans le Nord-Pas-de-Calais. Conférence francophone ESRI, 5-6 Octobre 2005, Issy-les-Moulineaux.
 
GRITZNER J.H - Identifying wetland depressions in bare-ground LIDAR for Hydrologic modelling. South Dakota State University.
 
JONES N.L & NELSON E.J - Utilizing the ArcInfo data model to build conceptual models for Environmental/Hydraulic/Hydrologic simulations. Brigham Young University.
 
JONES N.L., ZUNDEL A.K & WALLACE R.M - “A comprehensive graphical environment for surface water flow modelling”. Water resources engineering, Proceedings of the First conference. San Antonio, Texas, Aug. 14-18 1994, vol1., pp 405-409.
 
MAGUIRE D.J, BATTY M., GOODCHILD M.F - GIS, Spatial Analysis and Modeling. ESRI Press, Redlands, 2005.
 
MAIDMENT D.R - Arc Hydro, GIS for Water Resources. ESRI Press, Redlands, 2002.
 
MAIDMENT D.R &  DJOKIC D - Hydrologic and Hydraulic. Modeling support with Geographic Information Systems. ESRI Press, Redlands, 2000.
 
MINELLI F. - De la mise en place d’un SIG à une méthodologie de recensement des mares. Cas de la Région Nord-Pas-de-Calais. Mémoire de DESS, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI). Paris, 2005.
 
TARBOTON D.G - A new method for the determination of flow directions and upslope areas in grid digital elevation models. Water Resources Research, Utah State University, 1997.