Du drain potentiel au drain réel : utilisation de données satellitales à très haute résolution pour l’étude de l’origine géomorphologique des chemins de l’eau sur des bassins versants méditerranéens soumis aux crues éclair.

par Denis Maréchal

Thèse de doctorat en Sciences et Génie de l'Environnement

Sous la direction de Sophie Sauvagnargues.

Soutenue le 26-05-2011

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 .

Le président du jury était Didier Graillot.

Le jury était composé de Hélène De Boissezon, Claude Martin, Paolo Tarolli, Christian Puech.

Les rapporteurs étaient Eric Gaume, Roger Moussa.


  • Résumé

    En zone méditerranéenne, d’intenses précipitations automnales sont responsables de crues particulièrement violentes : les crues « éclair ». L’intensité et la variabilité des précipitations ainsi que la complexité des processus hydrologiques responsables de la production des écoulements sur ces bassins limitent la prédictibilité de ces phénomènes. Une meilleure compréhension des processus impliqués dans les réponses hydrologiques des bassins versants et responsables de la variabilité spatio-temporelle des chemins de l’eau peut permettre d’améliorer les modélisations de ce type d’évènement. S’insérant dans le cadre de l’hydrologie spatialisée, cette thèse se propose d'étudier l'apport des potentialités satellitales, et notamment des produits 3D à très haute résolution pour la caractérisation spatiale des bassins et de leurs réseaux hydrographiques, afin d’étudier les origines géomorphologiques des variations spatio-temporelles des réponses hydrologiques et en vue d’améliorer la compréhension des mécanismes responsables des épisodes de crue. Pour cela, ce travail s’articule autour de deux axes. Le premier consiste à caractériser, à partir de données spatiales, le drain « potentiel » représentant le réseau géomorphologique sec formé par la suite continue des lignes de thalweg des bassins. Un algorithme original utilisant une structure de MNT sous forme triangulaire (TIN) a été développé spécifiquement dans ce but, afin d’obtenir un tracé des réseaux fidèle à leur tracé réel et de fournir des éléments sur leur géomorphologie ainsi que sur celle des bassins. Le deuxième axe concerne l’étude de la dynamique drain en eau ou « réel ». Il s’agit d’améliorer la compréhension des dynamiques spatiales de mise en eau des drains à travers différents épisodes de crue. Dans ce cadre, un réseau spatialisé de capteurs légers a été distribué sur deux bassins expérimentaux (< 1Km²) situés sur le Gardon d’Anduze afin de suivre les variations spatio-temporelles des dynamiques hydrologiques au sein des réseaux en eau. La confrontation des caractéristiques géomorphologiques et des réponses hydrologiques observées a permis de confirmer la prédominance des écoulements sub-surfaciques sur les bassins étudiés, de mettre en évidence deux types de réseaux aux fonctionnements différenciés (le réseau principal et le réseau secondaire), l’importante influence des pentes et de leur changement sur l’initiation et la pérennité des écoulements au sein des réseaux, et de proposer des hypothèses de fonctionnements différenciés en fonction des épisodes.

  • Titre traduit

    From potential to real drainage network : using very high resolution satellite imagery for the study of the geomorphological origin of the water pathways on small mediterranean experimental catchments subjected to flash floods.


  • Résumé

    In Mediterranean areas, heavy rainfalls can generate flash floods during fall season. The rainfall intensities and their high spatial variability combined with complex processes of run-off generation reduce drastically the predictability of these phenomena. Although rainfall intensities monitoring techniques are progressing, another way to better understand and predict the hydrological responses of the catchments is to better understand the hydrological processes underlying the spatial and temporal variability of water pathways on upstream elementary catchments where concentrated flows begin. In the framework of spatial hydrology, this PhD proposes to study the potentialities of remote sensing, in particular the emergent high spatial resolution 3D products, to characterize catchments drainage elementary networks in order to relate some derivated geomorphologic traits to the observed hydrological responses all over catchments. This permits to identify the involved hydrological processes during flow dynamics on upstream mountainous catchments. This work is organized in two axes. The first one consists in characterizing, from 3D satellite data, the “potential” drain corresponding to the dry morphological network of a basin, formed by the continuum of thalweg lines within a catchment. An original algorithm, based on a TIN DEM structure, has been specifically designed for this purpose. This algorithm allows the delineation of thalwegs networks and provides geomorphological traits of catchments and networks. The second axe concern the study of the spatial dynamic of the “real” drain, which is the drain with effective flow. The goal is to enhance the understanding of flow networks spatial dynamics during rainfall events. A specific sensor network has been specially distributed on two experimental sub-catchments of the Gardon d’Anduze watershed in order to monitor the spatio-temporal variations of flow and network dynamics. The relationship between computed geomorphologic features and observed hydrological responses along networks tends to confirm the prevalence of sub-surface flows on the studied catchments. This exhibits two types of hydrographic networks, showing two distinct hydrological behaviors (the principal and secondary networks). Results also show the great influence of slopes and their variations on flow initiation and durability, and to propose hypothesis of hydrological mechanisms, in function of the observed events.


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