Les modes de représentation du débit des cours d’eau

Les cours d’eau sont des éléments essentiels du paysage, dont les premières représentations cartographiques sont attestées dès le VI^e siècle avant notre ère, avec notamment la tablette babylonienne de Sippar en Mésopotamie, considérée par les historiens comme la première carte au monde. Sur ces premières représentations, il n’y a bien entendu aucune information relative au débit : la rivière n’est présente qu’en tant qu’élément géographique structurant. De nos jours, les cartes hydrologiques ont pour mission d’ajouter aux deux dimensions de l’espace une troisième dimension relative aux flux d’eau. C’est dans l’ouvrage de Margat (1996) sur les ressources en eau que l’on trouve la discussion la plus complète sur les cartes hydrologiques des cours d’eau : « cartographies de l’écoulement constitué dans la structure qui le collecte et où il peut être aménagé et prélevé, donc où il est offert comme ressource. Elles consistent à représenter le réseau hydrographique classé dans toutes ses sections suivant les grandeurs de l’écoulement (moyen ou de fréquence définie, notamment en étiage). » Les géographes avaient pris l’habitude de tracer des profils topographiques des cours d’eau, reliant l’altitude du cours d’eau (en ordonnée), à la distance parcourue depuis la source (en abscisse). Erhard-Cassegrain et Margat (1983) ajoutaient qu’« un complément à la cartographie des réseaux hydrographiques classés par débit est la représentation de profils en long des fleuves ou des principaux cours d’eau d’un bassin ». Ce type de représentation a été utilisé depuis un certain nombre d’années (voir par exemple Lambert, 1995).

L'outil ProfHyl (Génot et al., 2022) met en avant la représentation du profil en long d'un cours d'eau, en l'associant à la carte du cours d'eau : l'information géographique étant enrichie par le profil hydrologique superposé, et les discontinuités du débit liées aux apports des affluents étant clairement visibles, les cartes deviennent plus aisément utilisables par des utilisateurs non-experts, qui peinent généralement à apprécier l'importance des principales confluences, par rapport auxquelles il est pourtant essentiel de se positionner.

Contexte de développement de l’outil de visualisation

ProfHyl a été conçu pour faciliter l’accès à une carte nationale des débits réglementaires (présentant module¹ et QMNA5² ) qui avait été produite par INRAE dans le cadre d'un partenariat de long terme avec l'Office français de la biodiversité (Riffard et al., 2012). Diffusée à l'intention des services de l'État sous la forme d'une couche vectorielle, cette carte nationale des débits, librement accessible³, ne peut toutefois pas être manipulée aisément par le grand public, car elle requiert une certaine maîtrise des outils de géomatique.

La méthode mise en œuvre utilise un modèle hydrologique régionalisé exploitant les variables climatiques (précipitations et évaporation potentielle) sur une grille régulière, orientée en fonction des directions d'écoulement : la contribution de chaque pixel de la grille est calculée, et les contributions sont cumulées le long du réseau hydrographique. Pour le débit caractéristique d'étiage, un facteur d'échelle spatiale est pris en compte. Enfin, une régionalisation des écarts entre modèle et observation permet de finaliser la procédure. Brigode et al. (2019) donnent une description détaillée de la formulation utilisée, et la figure 1 illustre la chaîne de production.

Figure 1 – Schéma de la chaîne de production des estimations de débit en tout point du réseau hydrographique (résolution spatiale de 100 m de côté).

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Description de l’outil

L’outil ProfHyl se présente sous la forme d’une application web disponible sur le portail Sunshine. Il a été développé au moyen de la bibliothèque R shiny (Chang et al., 2021) et des bibliothèques graphiques leaflet (Cheng et al., 2021) et plotly (Sievert, 2020).

L’interface se présente sous la forme de trois panneaux (figure 2) :

–    sur la gauche, un panneau permet de sélectionner le cours d'eau et le type de débit d'intérêt (module ou QMNA5). Ce panneau permet également de visualiser les caractéristiques du cours d'eau (longueur, débit maximal et nombre d'affluents principaux), ainsi que celles d'un point du réseau hydrographique identifié par le curseur (longueur à la source, module, QMNA5 et altitude) ;

–    en haut, on retrouve un fond de carte pouvant être choisi par l’utilisateur (plan IGN⁴, OpenStreetMap ou Google, orthophotographie aérienne) sur lequel est surimposé le tracé simplifié du cours d’eau (en bleu) et les principales confluences (en jaune). Il est également possible d’ajouter le tracé des cours d’eau de la BD Carthage ® de l’IGN (2006) ;

–    en bas, on trouve le profil hydrologique en tant que tel. Il reprend les données de la carte hydrologique classique (il s’agit du même module ou QMNA5) en « déroulant » le linéaire du cours d’eau, et en affichant les débits calculés depuis la source jusqu’à la confluence (ou la mer). La distance à la source est représentée en abscisse et le débit en ordonnée. Il est possible de télécharger le profil sous la forme d’un graphique statique.

Figure 2 – Capture d’écran de l’interface web ProfHyl représentant le tracé et le profil du module de la Seine.

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Dans ProfHyl, la carte et le profil sont dynamiques, c’est-à-dire que l’utilisateur peut zoomer et se déplacer à l’aide du curseur de la souris. Par ailleurs, ces deux éléments sont interactifs : lorsque l’utilisateur clique en un endroit du profil, la carte est automatiquement mise à jour, c’est-à-dire qu’on se déplace sur la position d’intérêt. Par ailleurs les curseurs indiquant les positions sur la carte et le profil sont liés. Enfin, lorsque l’utilisateur positionne le curseur sur le profil, une infobulle affiche la distance à la source et le débit d’intérêt. Des traits verticaux jaunes représentent la position des confluences avec les principaux affluents dont le nom est affiché (figure 3).

Figure 3. Capture d’écran de l’interface web ProfHyl représentant le tracé et le profil du module de la Seine, après zoom à proximité d’une confluence (à noter le changement de fond de carte réalisé par l’utilisateur).

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Conclusion et perspectives

La meilleure évaluation de l’intérêt de l’outil ProfHyl sera obtenue en l’utilisant. Les principaux fleuves et rivières de France sont disponibles (une soixantaine pour l’instant), et nous projetons de poursuivre le déploiement dans les années à venir en étendant la gamme de rivières concernées.

Il faut signaler que l’estimation du QMNA5 (indicateur de débit d’étiage) est bien plus incertaine que celle du module, et que l’impact des grands barrages réservoirs (qui est majeur pour l’estimation du QMNA5) n’a pas été pris en compte, dans la mesure où la commande initiale de l’OFB se rapportait à une hydrologie « naturelle ». Nous projetons à l’avenir de proposer une couche permettant de surimposer les points présentant les estimations issues des stations de mesure de l’Hydroportail (et prenant donc en compte les influences réelles) afin de permettre à l’utilisateur d’évaluer l’écart entre les débits réels et le calcul du débit naturel.

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Photographie d’entête : CC BY-SA 4.0 Pymouss

Confluence entre le Rhône (à gauche) et l'Arve (à droite) à Genève.

Références

• Brigode, P., Lilas, D., Andréassian, V., Nicolle, P., Le Moine, N., Perrin, C., Gremminger, S., Augeard, B. (2019). Une cartographie de l’écoulement des rivières de Corse. La Houille Blanche, 105(1), 68‑77. doi:10.1051/lhb/2019009
• Chang, W., Cheng, J., Allaire, J. J., Sievert, C., Schloerke, B., Xie, Y., Allen, J., McPherson, J., Dipert, A., Borges, B. (2021). Shiny: Web Application Framework for R. R package version 1.7.1., https://CRAN.R-project.org/package=shiny
• Cheng, J., Karambelkar, B., Xie, Y. (2021). Leaflet: Create Interactive Web Maps with the JavaScript 'Leaflet' Library. R package version 2.0.4.1., https://CRAN.R-project.org/package=leaflet
• Erhard-Cassegrain, A. & Margat, J. (1983). Introduction à l’économie générale de l’eau. Masson, Paris, 361 p.
• Génot, B., Delaigue, O., Andréassian, V., Brigode, P. (2022). ProfHyl: Mapping of streamflows longitudinal profiles of French rivers. Web Application, https://sunshine.inrae.fr/app/profilsHydro
• IGN (2006). BD Carthage version 3.0. Descriptif de contenu. 39 p.
• Lambert, R. (1995). Géographie du cycle de l’eau. Presses Universitaires du Mirail, Toulouse. 439 p.
• Margat, J. (1996). Les ressources en eau. Collection Manuels et Méthodes n° 28, BRGM (Orléans) & FAO (Rome). 148 p.
• Riffard, M., Andréassian, V., Nicolle, P., Peschard, J. (2012). Combinaison multi-modèle et cartographie de consensus du débit de référence d'étiage et du débit moyen à l'échelle de la France. IRSTEA-ONEMA. Partenariat 2011. Domaine Hydro-morphologie et altérations physiques des hydrosystèmes continentaux. Action Prédétermination des étiages. 37 p.
• Sievert, C. (2020). Interactive Web-Based Data Visualization with R, plotly, and shiny. Chapman and Hall/CRC Florida.