LiDAXES : le ruissellement concentré suivi à la trace

Les inondations génèrent chaque année de graves dommages. Une partie de ces inondations est due au ruissellement des eaux pluviales. A la demande du Service public de Wallonie, l'Université catholique de Louvain et le Earth and Life Institute ont cartographié le ruissellement concentré pour l'ensemble du territoire wallon.

Réduire la carte

Étendre la carte

LiDAXES - Le ruissellement concentré cartographié à 1m de résolution sur tout le territoire wallon

Un article de Valérie OBSOMER, membre de la Direction générale Agriculture, Environnement et Ressources naturelles du Service public de Wallonie

Les inondations génèrent chaque année de graves dommages notamment aux infrastructures et aux bâtiments. Une partie de ces inondations ne sont pas dues à des débordements de cours d’eau mais bien au ruissellement des eaux pluviales principalement sur les bassins agricoles. Les eaux se chargent alors de sédiments pour former des coulées boueuses.

ruissellement.png

Coulée boueuse (crédit photographique Arnaud Dewez - SPW)

LiDAXES ?

Parmi les éléments nécessaires à l’analyse du risque associé aux coulées boueuses, deux informations sont essentielles :

  • Quel est le cheminement préférentiel de l’eau dans une zone donnée ;
  • Pour chaque point, quel est le nombre d’hectares de surface drainée qui aboutit à ce point (et donc la quantité d’eau qui pourrait potentiellement atteindre ce point).

L’acquisition par le Service public de Wallonie d’une couche LiDAR en 2013-2014 d’1m de résolution sur l’ensemble du territoire wallon a permis de générer un Modèle Numérique de Terrain (MNT) détaillé.

Ces données LiDAR sont à la base du développement des produits LiDAXES : une cartographie détaillée des axes de ruissellement et couches associées.  La couche principale représente les axes de concentration naturelle des eaux de ruissellement, qui correspondent aux thalwegs, vallées et vallons secs, établis sur base du MNT LiDAR. La couche est disponible en format vecteur ou raster. Les couches associées comprennent les directions de flux, l’accumulation de flux, l’identification des zones de dépression à débordement limité, et une couche particulière qui s’intéresse à l’incertitude associée au tracé des axes de concentration.

 

Les axes de ruissellement concentrés

Il s'agit d'une couche de données vectorielles linéaires présentant 4 classes de risques définis par la taille du bassin versant drainé sur les axes de concentration. On distingue les classes suivantes :

  • risque très faible : drainent les eaux d'un bassin versant de superficie entre 0.5 et 1 ha(disponible en interne SPW seulement) ;
  • risque faible : drainent les eaux d'un bassin versant de superficie entre 1 et 9 ha ;
  • risque moyen : drainent les eaux d'un bassin versant de superficie entre 9 et 18 ha ;
  • risque élevé : drainent les eaux d'un bassin versant de superficie supérieure à 18 ha.

Il s'agit Pour e d'une nouvelle donnée qui permet d’améliorer les informations fournies précédemment par la couche "ERRUISSOL - Risque de ruissellement concentré" (10 m de résolution).

 

enlightenedPour en savoir plus sur la couche ERRUISSOL

Pour chaque axe de LiDAXES, un attribut (0/1) renseigne si cet axe croise une route ou un rail (données extraites du PICC, le Plan Informatique de Cartographie Continue).  Cela permet d'attirer l'attention sur le fait que le tracé de l'axe comporte une part d'incertitude liée à la présence de la route ou du rail. En effet, le tracé de l’axe peut soit traverser l’élément linéaire s’il y a présence d’un pertuis par exemple, soit suivre la route ou longer l’obstacle. Une grande partie des pertuis ne sont pas cartographiés.

ruissellement_comparatif.png

Comparaison des axes de LiDAXES et d’ERRUISSOL. On note la résolution plus fine du côté LIDAXES.

 

Une méthodologie en 9 points

La méthodologie de création des axes LiDAXES intègre une chaîne de traitement composée de 9 étapes principales :

1 - Extraction des données du MNT LiDAR

découpage du MNT selon la trame des mailles orthophotoplans 2012-2013. Chaque maille déborde de 200m sur la maille voisine de manière à assurer une zone de recouvrement suffisante pour la continuité du calcul des axes.

2 - Lissage des données du MNT LiDAR

Elimination du bruit des éléments temporaires du paysage qui ont un impact sur le réseau de drainage de surface. Application d'un filtre moyen conditionnel 3x3.

3 - Gestion des fossés renseignés par le PICC

Extraction du MNT lissé dans une zone de 1m autour des fossés. Analyse des profils et prolongation des fossés interrompus par des passages sous route ou accès aux champs.

4 - Gestion des pixels sans exutoire et création d'un MNT hydrologiquement continu

Par lissage, les pixels sans exutoire (pit cells ou sinks) peuvent être partiellement éliminés, il s’agit généralement de dépressions locales fermées. Néanmoins, il en subsiste un nombre important concernant des passages sous route avec pertuis. Ceux-ci sont éliminés sur base d'une méthode algorithmique ("breaching" - Lindsay et Dhun). La méthode, appliquée par maille, permet d'obtenir des MNTs hydrologiquement continus. Afin d'éviter des incohérences, les MNTs sont d'abord regroupés par sous-bassins hydrographiques (16 SBH) en considérant un buffer de 3000m autour des SBH. Les 16 MNTs sont ensuite fusionnés afin de fournir un MNT hydrologiquement cohérent sur tout le territoire couvert par les données LiDAR.

5 - Création de la couche de direction de flux

Détermination, pour une cellule donnée, du ou des cellules dans laquelle ou lesquelles l'eau qui transite va s'écouler. L'algorithme de direction de flux "D8" a été utilisé pour déterminer le réseau de drainage de surface et la localisation des axes de ruissellement concentré. Il a été appliqué à l'échelle du territoire couvert par les données du MNT LiDAR excepté dans les zones bâties définies par la Direction des cours d'eau non naviguables.

6 - Création de la couche d'accumulation de flux

Une fois le réseau de drainage déterminé, il est possible d'extraire les surfaces drainées par chaque pixel par méthode algorithmique. Cette opération a été réalisée par SBH et les accumulations ont été fusionnées.

7 - Identification des dépressions qui influencent le ruissellement de surface pour des pluies de 1h à 24h avec des périodes de retour de 25, 50 et 100 ans

Les dépressions qui ne résultent pas d'un artefact sont délimitées à partir du MNT lissé et sont triées. Les dépressions qui se situent à 5m ou moins d'un élément artificialisé repris dans la COSW V2_07, d'un bord de route ou de rail repris dans le PICC, d'un fossé repris dans le PICC, d'un cours d'eau repris dans la BD CENNIC (Base de Géodonnées des cours d’eau interne à la DCENN) ou d'une voie navigable sont éliminées. Les dépressions correspondant à des plans d'eau renseignés dans la BD PICEA (Base de Géodonnées des plans d’eau interne à la DRCE) sont également supprimées, de même que celles dont la surface n'excède par 1m² (c'est-à-dire un pixel) et celles en dehors du territoire administratif wallon. La profondeur des dépressions retenues est estimée en m³. Le volume de stockage des dépressions a été comparé avec un volume de ruissellement théorique à stocker pour différentes pluies de projet (1h et 24h avec période de retour de 25, 50 et 100 ans). Ces pluies sont dérivées des courbes IDFs établies par l'IRM et varient en fonction de la commune considérée. Seules les dépressions qui peuvent avoir un impact sur le tracé des axes de ruissellement concentré ont été conservées. Il s'agit des dépressions dont la surface de l'aire contributive est au moins de 500 m² et qui ne débordent pas pour une pluie de 24h avec une période de retour de 100 ans.

 

ruissellement_depression-1.png

Illustration d’une dépression (en bleu clair) interrompant les axes LiDAXES

8 - Mise à jour des couches de direction et d'accumulation de flux

En tenant compte des dépressions qui ne débordent pas pour une pluie de 24h avec une période de retour de 100 ans. Il est raisonnable de considérer que de telles dépressions ont une probabilité quasi nulle de déborder et les directions de flux à l'intérieur de ces dépressions sont donc effacées.

9 - Création des axes de ruissellement concentré

La couche d'accumulation de flux mise à jour est reclassée selon 4 classes de drainage. Il s'agit d'une couche au format raster. Les axes sont ensuite vectorisés et découpés selon leur point d'intersection avec les routes et les rails renseignés par le PICC.

 

Incertitude

Une couche incertitude permet d’appréhender l'incertitude sur le positionnement des axes. Elle est dérivée de la couche d'accumulation de flux générée via l'algorithme à direction multiple MD8.

Le D8 est l’algorithme à direction d’écoulement unique le plus répandu. Il permet de transférer toute l’eau contenue dans un pixel vers l’un des huit pixels voisins. Le voisin retenu est celui qui représente l’élévation la plus faible. Cet algorithme modélise bien la convergence, mais pas la divergence. De plus, les directions de flux ambigües (même gradient de pente dans plusieurs directions) sont résolues par une affectation arbitraire. Cette méthode est néanmoins largement utilisée et permet d’obtenir un résultat fiable en un temps de calcul faible.

L’algorithme de direction de flux multiples MD8 distribue le flux dans toutes les cellules voisines caractérisées par une pente descendante et pondère la répartition du flux en fonction du gradient de pente. Il tient mieux compte de la divergence et des directions de flux ambigües. Cependant, cet algorithme ne fournit pas un axe continu et tend à sur-disperser le flux. Il est ici calculé grâce au logiciel WhiteBox GAT.

Attention, cet algorithme n'est utilisé que pour la génération de la couche des incertitudes. Pour déterminer le réseau de drainage de surface et la localisation des axes de ruissellement concentré, c'est l'algorithme de direction unique D8 qui a été utilisé. Le seuillage des valeurs d’aire contributive dérivées du MD8 permet de définir une emprise pour chaque axe de concentration correspondant à l’incertitude sur le positionnement de l’axe mais qui peut également refléter l’étalement potentiel de l’axe (uniquement disponible pour les agents du Service public de Wallonie).

ruissellement_incertitudes.png

Couche d’incertitude (en blanc) représentant les positions potentielles des axes représentés en couleurs

 

Une première ébauche de validation a été opérée afin de pouvoir caractériser la qualité de la couche vectorielle. La présence et le tracé des axes de ruissellement concentré ont été effectués par les experts de la Cellule GISER (www.giser.be). 55 axes de ruissellement ont été visités sur 8 communes différentes. 82% sont prédits correctement. Une partie des erreurs est due au fait que lorsque la quantité d’eau ruisselée est importante, elle n’est pas toujours reprise par le fossé même en présence d’un fossé. À l’avenir, une couche supplémentaire sera produite pour répondre à ce type de cas.

Toutes les couches dont il est mention dans cet article seront prochainement disponibles sur l’infrastructure géomatique mutualisée à savoir tant dans WalOnMap que dans CIGALE.

 

EN SAVOIR PLUS :

ACCEDER AU COMPTE RENDU DE LA JOURNEE DU 11 septembre 2017 CONSACREE AU LIDAR

ACCEDER A L'EXPOSE DU 11 SEPTEMBRE 2017 D'ALEXANDRE MAUGNARD DE l'UCL SUR LA CONSTITUTION DES COUCHES LIDAXES

EN SAVOIR PLUS SUR LA COUCHE LIDAR 2013-2014