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Utilisation d’un SIG pour l’évaluation des caractéristiques physiques d’un bassin versant et leurs influences sur l’écoulement des eaux (bassin versant d’Oued El Maleh, Nord-Ouest d’Algérie)

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Session Environnement
 


Nadjla BENTEKHICI
nadjla_b@yahoo.fr
 
Centre National des Techniques Spatiales,
Laboratoire de Télédétection,  Arzew, Algérie.

 

Mots-clés
 

bassin versant, caractéristiques physiques, SIG, MNT, écoulement.

 


Résumé :


L’importance de l’eau en tant que ressource vitale et facteur de développement est mondialement reconnue, la protection de cette ressource nous amène à évaluer les paramètres  qui jouent un rôle important dans l’écoulement des eaux superficielles.
Ces facteurs englobent les caractéristiques géologiques, géomorphologiques, hydrologiques, et climatiques, dont nous intéresserons, dans la présente étude, sur les caractéristiques morphométriques et hydrométriques d’un bassin versant.
L’utilisation des outils performants tel que les SIG et la télédétection sont très nécessaire et utiles dans le cadre de cette étude, ces outils répondent à la problématique précise de définition du réseau hydrographique et les bassins versants à partir d’un modèle numérique du terrain.
Ces nouvelles techniques ont permis de donner des informations numériques caractérisant le relief et la morphométrie du bassin, elles sont utilisées dans les domaines applicatifs très variés, elles sont notamment utilisées pour la cartographie des risques naturels tels que les risques d’inondations.
Les inondations représentent, par la gravité de leurs conséquences sur le plan humain et matériel, le risque naturel le plus important dans le monde.
Pour faire face à ce risque, il est nécessaire de mettre en œuvre une prédétermination de la réponse du bassin versant à des éléments pluvieux, et ce afin de caractériser l’écoulement d’un bassin versant.  
Ce travail a été effectué sur le bassin versant d’oued El Maleh, qui est situé dans la région Nord Ouest d’Algérie, il est d’une superficie de 787Km2.



1- Introduction :


Les techniques classiques utilisées dans l’étude du complexe physique d’un bassin versant sont basées essentiellement sur des méthodes manuelles, dont les résultats obtenus généralement sont incorrects, avec l’apparition des nouveaux outils tel que les SIG et la télédétection, il est devenu facile de déterminer les paramètres de forme, de relief et la typologie d’un réseau hydrographique.
L’utilisation de ces nouvelles techniques a permis ainsi de répondre aux exigences d’exploitation des eaux superficielles et la prévention contre les risques d’inondation.



2- Présentation de la zone d’étude :


Le bassin versant d’Oued  El Maleh  est  situé dans la partie Nord-Ouest du territoire national.
Il est  caractérisé par un climat méditerranéen aride à semi-aride avec des influences chaudes du Sahara au Sud et  fraîches au Nord et de l’Est.
Cette région est connue par une faiblesse des pluies avec une moyenne inter-annuelle de 300 mm/an.
Le bassin versant d’étude se situe au Nord-ouest de l’Algérie (figure1), soit approximativement entre (1° 9’ 24’’  et 1°26’17’’ W) de longitude et entre  (35°17’22’’ et 35°16’37’’N) de latitude.
Il est délimité par la mer méditerranée au Nord, les Montagnes  des Berkeches  au sud, les montagnes   de Sbaa El Chioukh au Sud Ouest, les Monts de Tessala au Sud Est, la plaine de la Mlata à l’Est et le bassin de ouled El kihel à l’Ouest.





3- Méthodologie, données et matériels utilisés :


Dans le cadre de cette étude, nous avons utilisé les images optiques  ETM+ du satellite LANDSAT prise le 19- Mai 2002 d’une résolution de 30*30m, leur utilisation est nécessaire pour élaborer une mise à jour du chevelu hydrographique.
La cartographie du réseau hydrographique nécessite d’une part l ‘analyse des paramètres tel que la couleur, la texture, la structure  et enfin la forma d’un cours d’eau, et d’autre part la correction  de ce chevelue  avec celui digitalisé à partir des cartes topographie à 1/25.000.
Nous avons utilisé les cartes topographiques  comme fond cartographies pour numériser les courbes de niveau et les points côtés, et ce afin d’obtenir un modèle numérique de terrain
L’intérêt d’un MNT est de limiter le bassin d’étude et l’extraction automatique des paramètres caractérisant le relief.
Dans ce cas, L’utilisation des logiciels MapInfo, IDRISI et ENVI est très nécessaire pour développer cette démarche.



4- Résultats et discision


L’utilisation de ces déférents paramètres et des indices morphométriques d’un bassin versant présente un résultat très indispensable, et ce afin de caractériser l’environnement physique et leur influence sur l’écoulement superficiel.
Nous avons utilisé, dans le cadre de cette étude, des techniques automatiques qui facilitent  l’extraction de ces indices.  

4-1-Les caractéristiques de forme :


4-1-1- La surface et le périmètre :


La surface du bassin versant peut être mesurée par des techniques de digitalisation et limitation.
La surface du bassin d’étude est de 787,1 km2.
Le périmètre du bassin est de 151,3 km.

4-1-2 La forme


l'indice de compacité de Gravelius (1914) KG est défini comme le rapport du périmètre du bassin au périmètre du cercle ayant la même surface :



Cet indice est proche de 1 pour un bassin versant de forme quasiment circulaire et supérieure à 1 lorsque le bassin est de forme allongée,
A partir d’une requête géographique KC = 1.51
Le cas du bassin d’oued El Maleh  présente une forme allongée, cette forme  induire de faibles débits de pointe de crue.

4-1-2 Le rectangle équivalent :


Cette notion a été introduite pour pouvoir comparer des bassins entre eux du point de vue de l'influence de leurs caractéristiques géométriques sur l'écoulement.
Soit L et I la longueur et la largeur du rectangle, et P et A le périmètre et l'aire du bassin versant.
On a:



d'où: L =
L= 47.26 km    l=28.35km
Les dimensions du rectangle équivalent traduisent que la longueur est grande 2fois que la largeur.

4-2 Le relief :


L'influence du relief sur l'écoulement se conçoit aisément, car de nombreux paramètres hydrométéorologiques varient avec l'altitude (précipitations, températures, etc.) et la morphologie du bassin. En outre, la pente influe sur la vitesse d'écoulement. Le relief se détermine lui aussi au moyen d'indices ou de caractéristiques suivants :

4-2-1 La courbe hypsométrique:


La courbe hypsométrique fournit une vue synthétique de la pente du bassin.
Cette courbe représente la répartition de la surface du bassin versant en fonction de son altitude. Elle porte en abscisse la surface (ou le pourcentage de surface) du bassin qui se trouve au-dessus (ou au-dessous) de l'altitude représentée en ordonnée.





Les courbes hypsométriques demeurent un outil pratique pour comparer plusieurs bassins entre eux ou les diverses sections d'un seul bassin. Elles peuvent en outre servir à la détermination de la pluie moyenne sur un bassin versant et donnent des indications quant au comportement hydrologique et hydraulique du bassin et de son système de drainage.
La courbe hypsométrique du bassin versant d’oued El maleh  est présentée sur le  graphique n° 02. De forme concave, elle indique que le bassin est en état de maturité

4-2-2 Les altitudes caractéristiques :


Les altitudes maximales et minimales
Elles sont obtenues directement à partir des cartes topographiques. L'altitude maximale représente le point le plus élevé du bassin tandis que l'altitude minimale considère le point le plus bas, généralement à l'exutoire. Ces deux données deviennent surtout importantes lors du développement de certaines relations faisant intervenir des variables climatologiques telles que la température, les précipitations et le couvert neigeux.
L’altitude maximale = 800 m
L’altitude minimale =0 m

L'altitude moyenne
L'altitude moyenne se déduit directement de la courbe hypsométrique ou de la lecture d'une carte topographique. On peut la définir comme suit :



Avec :
Hmoy : altitude moyenne du bassin [m] ;
Ai : aire comprise entre deux courbes de niveau [km2] ;
hi : altitude moyenne entre deux courbes de niveau [m] ;
A : superficie totale du bassin versant [km2].
H moy : 235665.92 / 787.1 m
H moy = 299m

L'altitude médiane
L'altitude médiane correspond à l'altitude lue au point d'abscisse 50% de la surface totale du bassin, sur la courbe hypsométrique. Cette grandeur se rapproche de l'altitude moyenne, dans le cas où la courbe hypsométrique du bassin concerné présente une pente régulière.
L’altitude médiane dans le bassin d’oued El maleh est égale à 265 m.

4-2-3-La pente moyenne du bassin versant :


La pente moyenne donne une bonne indication sur le temps de parcours du ruissellement direct - donc sur le temps de concentration - et influence directement sur le débit de pointe lors d'une averse.
Plusieurs méthodes ont été développées pour estimer la pente moyenne d'un bassin. Toutes elles se basent sur une lecture d'une carte topographique réelle ou approximative ou bien à partir d’un MNA. La méthode proposée par Carlier et Leclerc (1964) consiste à calculer la moyenne pondérée des pentes de toutes les surfaces élémentaires comprises entre deux altitudes données. Une valeur approchée de la pente moyenne est alors donnée par la relation suivante :



Où :
im : pente moyenne[m/km ou 0/00],
L : longueur totale de courbes de niveau [km],
D : équidistance entre deux courbes de niveau [m],
A : surface du bassin versant [km2].
im =  40 * 2631.38 / 787.1 =  133.72m/km
Cette méthode de calcul donne de bons résultats, dans le cas d'un relief modéré et pour des courbes de niveau simples et uniformément espacées.





La pente moyenne est forte, ce qui présente un faible durée de concentration des eaux de ruissellement dans les effluents.



4-2-4 L'indice de pente IP :


Cet indice se calcule à partir du rectangle équivalent. Il est égal à la somme des racines carrées des pentes moyennes de chacun des éléments pondérés par la surface intéressée, soit :



L: Longueur du rectangle équivalent,
  présente la fraction en % de la surface A comprise entre deux courbes de niveau voisines distantes de  .
Indice de pente  de roche Ip= 3.85



L’indice global de pente. Sur la courbe hypsométrique, on prend les points tels que la surface supérieure ou inférieure soit égale à 5% de A.  On  déduit les altitudes H5% et H 95%  entre lesquelles s'inscrit 90% de l'aire du bassin et la dénivelée D = H5 – H 95
L'indice global est égal à:



la dénivelée D =   600-50
IG = 11.63
Dénivelé spécifique (Ds) :
Elle sert à la classification du bassin versant,
Calculée par la formule suivante :  Ds = IG * racine  A
Ds= 326.22



L’utilisation d’un modèle numérique du terrain est très nécessaire, et ce afin de gain de temps dans l’extraction automatiques des indices relatifs aux reliefs du bassin et sa pente.  

4-3 Le réseau hydrographique :


Le réseau hydrographique est une des caractéristiques les plus importantes du bassin. Le réseau hydrographique peut prendre une multitude de formes. La différenciation du réseau hydrographique d'un bassin est due à quatre facteurs principaux qui sont :·         La géologie : par sa  grande sensibilité à l'érosion, la nature du substratum influence sur la forme du réseau hydrographique.
Le climat: le réseau hydrographique est dense dans les régions montagneuses très humides et tend à disparaître dans les régions désertiques.
La pente du terrain : détermine si les cours d'eau sont en phase érosive ou sédimentaire. Dans les zones  de pente plus élevées, les cours d'eau participent souvent à l'érosion de la roche sur laquelle ils s'écoulent. Au contraire, en plaine, les cours d'eau s'écoulent sur un lit où la sédimentation prédomine.
La présence humaine : le drainage des terres agricoles, la construction de barrages, l'endiguement, la protection des berges et la correction des cours d'eau modifient continuellement le tracé originel du réseau hydrographique.
Afin de caractériser le réseau hydrographique, il est souvent utile de reporter son tracé en plan sur une carte à une échelle adéquate. L'utilisation de l’imagerie spatiale est utile à cette identification. Divers paramètres descriptifs sont utilisés pour définir le réseau hydrographique.

4-3-1 La topologie : structure du réseau et ordre des cours d'eau :


La topologie s'avère utile dans la description du réseau hydrographique notamment en proposant une classification de ceux-ci.
cette classification est facilitée par un système de numérotation des tronçons de cours d'eau (rivière principale et affluente)
La codification des cours d'eau est également utilisée pour le traitement automatique des données.
Il existe plusieurs types de classifications des tronçons des cours d'eau, dont la classification de Strahler (1957) qui est la plus utilisée.
Cette classification permet de décrire sans ambiguïté le développement du réseau de drainage d'un bassin de l'amont vers l'aval. Elle se base sur les règles suivantes :
Tout cours d'eau dépourvu de tributaires est d'ordre un.
Le cours d'eau formé par la confluence de deux cours d'eau d'ordre différent prend l'ordre du plus élevé des deux.
Le cours d'eau formé par la confluence de deux cours d'eau du même ordre est augmenté de un.



4-3-2 La longueur et les pentes caractéristiques du réseau :


La longueur caractéristique
Un bassin versant se caractérise principalement par la longueur suivante :
ü      La longueur du cours d'eau principal (L) est la distance curviligne depuis l'exutoire jusqu'à la ligne de partage des eaux, en suivant toujours le segment d'ordre le plus élevé lorsqu'il y a un embranchement et par extension du dernier jusqu'à la limite topographique du bassin versant. Si les deux segments à l'embranchement sont de même ordre, on suit celui qui draine la plus grande surface.
L = 65.1 km



Son profil longitudinal est schématisé sur le graphique ci-dessous



La pente moyenne d'un cours d'eau
La pente moyenne d’une cour d'eau détermine la vitesse avec laquelle l'eau se rend à l'exutoire du bassin donc le temps de concentration. Cette variable influence donc le débit maximal observé. Une pente abrupte favorise et accélère l'écoulement superficiel, tandis qu'une pente douce ou nulle donne à l'eau le temps de s'infiltrer, entièrement ou en partie, dans le sol.
Le calcul des pentes moyennes et partielles du cours d'eau s'effectue à partir du profil longitudinal du cours d'eau principal et de ses affluents. La méthode la plus fréquemment utilisée pour calculer la pente longitudinale du cours d'eau consiste à diviser la différence d'altitude entre les points extrêmes du profil par la longueur totale du cours d'eau.



Où :
Pmoy : pente moyenne du cours d'eau [m/km] ;
DHmax : dénivellation maximale de la rivière [m] (différence d'altitude entre le point le plus éloigné et l'émissaire) ;
L : longueur du cours d'eau principal [km].
P moy=585 / 65.1 = 8.98 m/km
4-3-1       - Le Degré de développement du réseau :
 
La densité de drainage
La densité de drainage, introduite par Horton, est la longueur totale du réseau hydrographique par unité de surface du bassin versant :



Avec :
Dd : densité de drainage [km/km2] ;
Li : longueur des cours d'eau [km] ;
A : surface du bassin versant [km2].
La densité de drainage dépend de la géologie (structure et lithologie) des caractéristiques topographiques du bassin versant et, dans une certaine mesure, des conditions climatologiques et anthropiques.En pratique, les valeurs de la densité de drainage varient de 3 à 4 pour des régions où l'écoulement n'a atteint qu'un développement très limité et se trouve centralisé ; elles dépassent 1000 pour certaines zones où l'écoulement est très ramifié avec peu d'infiltration. Selon Schumm, la valeur inverse de la densité de drainage, C=1/Dd, s'appelle « constante de stabilité du cours d'eau ». Physiquement, elle représente la surface du bassin nécessaire pour maintenir des conditions hydrologiques stables dans un vecteur hydrographique unitaire (section du réseau)
La densité de drainage au niveau d'oued El maleh est égale à 1.79 km/km2 , ceci traduit que le bassin présente dans son ensemble une formation géologique perméable,  dont  le et  l’écoulement est plutôt limité et centralisé ainsi que  l’infiltration est  augmentée.

La densité hydrographique
La densité hydrographique représente le nombre des cours d’eau par unité de surface.



Où :
F : densité hydrographique [km-2] ;
Ni : nombre des cours d'eau ;  = 2110
A : superficie du bassin [km2]. =787.1
F = 2.6
Une faible densité de drainage et  hydrographique,  donc le bassin d’étude présente une région à substratum  perméable, à couvert végétal important et à relief peu accidenté.


Le rapport de confluence

Sur la base de la classification des cours d'eau, Horton (1932) et Schumm (1956) ont établi différentes lois :



Avec :
RC : rapport de confluence des cours d'eau ("bifurcation ratio") ;
RL : rapport des longueurs des cours d'eau ;
u : ordre d'un cours d'eau u varie entre 1 et w (w est l'ordre du cours d'eau principal, classification selon Strahler) ;
Nu : nombre des cours d'eau d'ordre u ;Nu+1 : nombre des cours d'eau d'ordre suivant ;
Lu : longueur moyenne des cours d'eau d'ordre u ;





Le rapport de confluence est un nombre sans dimension exprimant le développement du réseau de drainage. Il varie suivant l'ordre considéré. C'est un élément important à considérer pour établir des corrélations d'une région à une autre. Selon Strahler (1964), le RC varie de 3à 5 pour une région où la géologie n'a aucune influence.
La fréquence des cours d’eau :
Elle représente le rapport du nombre du cours d’eau d’ordre 1 à la surface du bassin versant d’étude.
F = 1.998
D’après cette valeur on remarque que le bassin versant présente une fréquence plus au moins faible, ce qui traduit que le réseau hydrographique présente une hiérarchisation moyenne.
Le coefficient de torrentialité :
 C’est le rapport entre  la fréquence des cours d’eau d’ordre 1 avec la densité de drainage
Ct= Dd * F
Ct pour le bassin d’oued El Maleh est égale à 3.576 Km/km4.
Cette valeur traduit que le bassin ne représente pas des caractéristiques morphométriques adapté à l’écoulement, ainsi qu’il est constitué par des formations perméables dont l’infiltration est importante.



5-Conclusion :


Nous avons été amenés à extraire le bassin versant en question, et à déduire ses caractéristiques géomorphologiques et hydrométriques, à partir d’un modèle numérique de terrain.
 
L’extraction automatique de ces paramètres géomorphologiques et hydrométriques  est une technique très adaptée actuellement, en particulier que ces techniques favorisent à l’hydrographe un gain de temps et l’effort.
 
Les résultats obtenus  à partir de cet exemple montrent les capacités des systèmes d’informations géographiques et les modèles numériques de terrain dans le calcul des paramètres qui influencent sur l’écoulement des eaux de surface.
L'évaluation de ces  paramètres qui intervenant dans le comportement hydrologique du bassin versant de l'oued El maleh nous a permis d'obtenir les résultats suivants :  
Le bassin versant d’oued El Maleh présente une forme allongée, un bassin en état de maturité, un relief fort, le réseau hydrographique présente une hiérarchisation moyenne, une formation dans son ensemble perméable ainsi que un temps de concentration de ruissellement faible.
Ces caractéristiques favorisent  ainsi aux eaux  superficielles le temps de s’infiltrer.
Enfin, il faut souligner que, malgré tous ses mérites et les remarquables contributions des modèles numériques de terrain, Bien qu'elle constitue une donnée très puissante d'analyse, l'informatique ne peut suffire à elle seule à résoudre tous les problèmes d'aménagement. Il faudrait des démarches complémentaires s'appuyant sur la réalité de terrain.



6-Bibliographie :


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