FAO/UNESCO Bilan hydrique de l'Afrique

Exercice 6: Modèle de bilan hydrique pour le bassin du Souss

Préparé par
Seann M. Reed et David R. Maidment
Center for Research in Water Resources
University of Texas at Austin

Mohamed Rachid El Meslouhi
Direction Generale de l'Hydraulique
Rabat, Morocco

Traduit par Christine Dartiguenave

Novembre 1996

Table des matières

But de l'exercice

Le but de cet exercice est de vous faire comprendre comment ArcView peut être appliqué à l'étude de la gestion du bassin d'un fleuve en utilisant le bassin du Souss au Maroc comme cas d'étude. Cet exercice est composé des parties suivantes:

  1. Utilisation des 30" Digital Elevation Models de l'USGS comme base pour définir les sous-bassins et le réseau des cours d'eau du bassin du Souss. Ceci nécessite ArcView 3.0 et son extension Spatial Analyst. Vous pouvez sauter cette partie de l'exercice si vous n'avez pas le Spatial Analyst.
  2. Lancer une série de programmes de pre-process pour établir les tableaux de données nécessaires pour utiliser le programme de simulation d'écoulement de surface. Ces tableaux sont préparés pour une période de 30 jours de simulation journalière, du 4 novembre au 3 décembre 1988. Cette période a été sélectionnée en tant qu'exemple représentatif de données de la période plus humide de l'année dans le bassin du Souss. Elle est assez courte de façon a ce que la durée de cet exercice soit raisonnable.
  3. Interpoler les précipitations journalières des points des stations de mesure au centre de chaque sous-bassin en utilisant un algorithme basé sur le carré de l'inverse des distances.
  4. Lancer le programme de simulation d'écoulement de surface pour déterminer le débit à une station de mesure près de la sortie du bassin.

La simulation du bassin du Souss doit aussi prendre en considération la présence de trois importants barrages dans le bassin et les échanges d'eau entre la surface et les systèmes d'eau souterraine peu profonds. Le travail sur ces aspects du modèle se poursuit. Sans inclure ces éléments dans la simulation des débits de surface, les résultats sont plutôt approximatifs. Mais l'objectif ici est de documenter la façon dont un modèle est construit. L'exercice 4 montre d'une façon plus complète comment utiliser un modèle déjà achevé.

Données et équipement requis

La partie de cet exercice relative à la délinéation du bassin nécessite ArcView 3.0 avec l'extension du Spatial Analyst. Le reste de l'exercice requiert ArcView GIS, version 2.1 ou supérieure. ArcView est développé par l'Environmental Systems Research Institute (ESRI), Redlands, California.

Les fichiers nécessaires pour cet exercice se trouvent dans le répertoire \exercise\ex6\gisfiles.

Les étudiants "internet" peuvent obtenir ces fichiers par ftp.

Présentation du bassin du Souss

Le bassin du Souss a une superficie d'environ 20,000 km2. Il est situé à l'extrémité sud des montagnes de l'Atlas. Il a été choisi pour cette étude parce qu'il contient une vallée centrale avec un large bassin d'eau souterraine peu profonde alimenté par le drainage du Souss qui le recouvre et des montagnes de l'Atlas. Cette vallée subit des pompages intenses pour supporter l'agriculture irriguée, spécialement la production des agrumes, ce qui résulte dans la diminution du niveau de la nappe. Plusieurs plans ont été proposés pour remplir la nappe par des recharges artificielles en utilisant de petits "spreading berms" sur le fleuve Souss, en fournissant des réserves d'eau supplémentaires, en construisant plus de réservoirs dans les montagnes, ou en construisant un canal pour détourner une part du fleuve Souss vers une partie de la vallée où il peut être utilisé pour recharger la nappe. Tous ces plans impliquent des interactions entre l'eau du sous-sol et l'eau de surface. Des modèles basés sur les GIS pourrait servir de fondement pour l'étude et la sélection d'une approche possible pour diminuer les déficits en eau dans la région.

Procédure

1. Délinéation du bassin et des cours d'eau avec ArcView 3.0, Spatial Analyst

Pour commencer, lancez Arcview 3.0 et ouvrez le projet intitulé delin.apr avec ls chemins d'accès corrigés. Vous remarquerez que le menu d'options pour "Analysis" et "Hydro" apparaissent dans la barre de menu de View. Ces options supplémentaires font partie des extensions Spatial Analyst et Hydrologic Modeling. Les extensions contiennent des boutons standard, des outils, des menus et les scripts Avenue associés et sont ajoutées au programme de base d'ArcView pour réaliser des fonctions spéciales. Pour voir comment ces extensions ont été ajoutées à ce projet, rendez le menu projet actif et regardez l'élément du menu File/Extensions . Vous verrez une marque à côté des extensions Hydrologic Modeling et Spatial Analyst. Ces deux extensions ont étés fournies par ESRI. Le menu "Hydro" a été modifié par rapport à sa forme originale pour cet exercice et un bouton a été ajouté.

(a) Examiner les Digital Elevation Models (DEM's)

Pour observer la zone avec laquelle vous allez travailler, ouvrez la vue BigDem. Vous verrez un DEM du nord ouest de l'Afrique avec un rectangle définissant la partie du DEM utilisée pour analyser le bassin du Souss. Ce DEM a été préparé par Michael Hutchinson et ses collègues de l'Australian National University et a une taille de cellule de 3'. Les hautes montagnes de l'Atlas se trouvent au nord du bassin tandis que la plaine centrale contient le fleuve Souss, qui se jette dans l'Océan Atlantique à Agadir. Les élévations dans cette région, représentées ici avec des incréments de 500m, varient de 0 à 4500 m... La région du bassin du Souss est représentée dans le petit rectangle où la chaîne de l'Atlas atteint la côte atlantique.

Vous pouvez utiliser l'outil pour faire un zoom sur la région du Souss region et l'outil pour examiner les altitudes dans la grille. Vous verrez qu'elles varient de 0 sur la côte à un peu plus de 4000 m pour la cellule la plus élevée. Si vous sélectionnez le thème DEM, puis Theme/Properties, vous verrez que la taille de la cellule est 0.05 degrés, ou 0.05 x 60 = 3 minutes. Cela correspond à un peu plus de 5 km sur le sol. Cette grille en particulier a été développée pour réaliser des interpolations climatiques. Des cellules de 3' sont appropriées pour décrire des conditions climatiques moyennes.

Fermez cette vue et ouvrez la vue delin. Vous verrez la partie découpée dans le DEM que vous allez utiliser pour effectuer la délinéation du bassin et des cours d'eau du bassin du Souss. Ce DEM avait à l'origine une taille de cellule de 30". Il a été développé par Sue Jenson et ses collègues de l'US Geological Survey à Sioux Falls, South Dakota à partir du "Digital Chart of the World". Cette grille est disponible pour l'Afrique entière sur internet. Des DEM's similaires sont également disponibles chez l'USGS sur internet pour les autres continents. Le DEM présenté ici a été découpé dans le DEM de l'Afrique continentale et projeté dans le système de projection conforme conique Lambert qui est standard pour cette région du Maroc.

Le nom du thème pour cette grille est sodempl. Vous pouvez obtenir des informations sur cette grille en la rendant active et en sélectionnant Theme / Properties. Vous verrez que la taille de la cellule pour ce DEM est 1000 m et que le nombre de cellule dans la grille est de 206 par 239, soit un total de 49,234 cells. Cliquez sur OK pour fermer cette fenêtre. Vous allez maintenant utiliser l'extension Hydrology pour traiter ce DEM.

(b) Déterminer la Flow Direction Grid

Assurez-vous que sodempl est le thème actif et sélectionnez dans les options de menu le menu Hydro / Flowdirection . Une nouvelle grille intitulée Flow Direction est calculée en utilisant la méthode d'écoulement dans 8 directions et est ajoutée à votre vue. Observez cette grille en cochant la case à côté du nom du thème. Chaque cellule de cette grille a la valeur 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, ou 128 indiquant que la direction de l'écoulement est respectivement vers l'est, le sud-est, le sud, le sud-ouest, l'ouest, le nord-ouest, le nord ou le nord-est.

Vous pouvez utiliser l'extension Hydrology pour construire un histogramme indiquant le nombre de cellules de la grille s'écoulant dans chaque direction en rendant le thème Flow Direction actif et en cliquant sur dans la barre de menu View. Si vous utilisez l'outil vous pouvez cliquer sue les barres de l'histogramme et observer le nombre de cellules qui s'écoulent dans cette direction. Les directions principales d'écoulement sont vers le sud, l'ouest, et le sud-ouest. Cela reflète le drainage de l'eau vers le sud hors des montagnes de l'Atlas et ensuite vers l'ouest vers l'Océan Atlantique. Il y a également un écoulement significatif vers le nord provenant des montagnes plus basses formant la frontière sud du bassin. Fermez la fenêtre histogramme dans la vue.

(c) Repérer des chemins de drainage

Enlevez la marque à côté de la grille Flow direction de façon à voir de nouveau le DEM. Il existe un script permettant de repérer le chemin suivi par l'écoulement depuis n'importe quelle cellule du DEM jusqu'à la frontière du DEM. Pour activer ce script, cliquez sur et cliquez ensuite sur n'importe où dans "sodempl." Cliquez sur autant de points que vous le désirez. Les lignes qui ont été dessinées sont des objets graphiques dans ArcView. Pour effacer ces graphiques, sélectionnez Edit / Select All Graphics puis Edit / Delete Graphics . Les trois chemins du haut montrés ici drainent tous vers le Souss, alors que le quatrième au sud atteint l'Océan en un point différent, inclus dans l'étude parce que sa zone de drainage recouvre aussi l'aquifère du Souss.

(d) Déterminer la Flow Accumulation Grid

Pour identifier le réseau de drainage, rendez de nouveau le thème Flow Direction actif et sélectionnez Hydro / Flow Accumulation dans la barre de menu View. Arcview va alors lancer la fonction Flow Accumulation, qui compte le nombre de cellules qui se trouvent à l'amont de chaque cellule de la grille, et place le résultat dans une nouvelle grille. Si vous cochez à nouveau le thème Flow Accumulation, vous verrez que les principaux chemins de drainage sont représentés par des couleurs plus sombres. Les nombres dans la barre de légende indique le nombre de cellules situées en amont dont le drainage passe par la cellule en question. Puisque chaque cellule de la grille a une taille de de 1 km, ces nombres représentent également la superficie de la zone de drainage à l'amont de chaque cellule en km2. Les cellules dans zone blanche de l'image ci-dessous ont une zone de drainage amont inférieure à 70 km2. Si vous zoomez sur la région où se trouvent les sorties des deux bassins dans la zone d'étude, vous pouvez utiliser l'outil pour déterminer la "flow accumulation" de chaque sortie. Les valeurs sont 17989 km2 et 5152 km2 respectivement. La zone étudiée a donc une aire totale de drainage de 23140 km2.

(e) Définir le réseau des cours d'eau

Un réseau de drainage est défini dans l'étape suivante en créant une nouvelle grille dont les cellules sont classées en cellules ayant la valeur 0 ou 1. 1 signifie que la cellule se trouve dans un cours d'eau et a une valeur de Flow Accumulation supérieure à une certaine valeur seuil indiquée (ou zone de drainage) Toutes les autres cellules ont la valeur 0 de sorte qu'elles constituent le "paysage" ou cellules hors des cours d'eau. Cela est réalisé en sélectionnant la grille Flow Accumulation et en choisissant ensuite Analysis / Map Query dans la barre de menu de View, en utilisant la fenêtre editor ([flow accumulation] > 500 ) et en cliquant enfin sur le bouton Evaluate. En répétant cet exercice pour différentes valeurs seuil, vous pouvez observez les réseaux de cours d'eau à différents degrés de détails. Le réseau de cours d'eau obtenu peut être superposé sur la grille DEM:

(f) Délineation des bassins

Pour définir les limites des bassins, sélectionnez Hydro / Delineate Watersheds . Vérifiez que les noms des thèmes spécifiés sont corrects et cliquez sur OK dans la première fenêtre de message.

Dans la seconde fenêtre de message, vous pouvez définir le seuil à utiliser pour réaliser la délinéation d'une série de bassins de drainage. Laissez le préfixe (prefix) à "xx" et le seuil (threshold) à 100 cellules, et cliquez sur OK. Le préfixe permet d'identifier la délinéation des bassins (il est composé de deux lettres pour cette délinéation particulière). Si vous désirez renouveler l'exercice pour un seuil d'aire de drainage différent, vous devez choisir un nouveau préfixe pour les nouvelles grilles ainsi créées.

Cliquez sur OK lorsque le programme est terminé.

Ce programme crée un réseau ordonné de cours d'eau avec la valeur 1 pour les cours d'eau et la valeur 0 partout ailleurs (xxst) et une grille de bassins (xxshd). Le programme délimitant les bassins de drainage se base sur le fait qu'un cours d'eau commence là où la zone de drainage est plus grande que la valeur seuil de 100 cellules (où 100 km2 dans ce cas), et un bassin est défini pour chaque branche de cours d'eau dont la cellule de sortie se trouve à la jonction où l'eau de cette branche se jette dans la branche avale suivante. Chaque bassin possède un code unique (grid-code) dans la grille. Il est beaucoup plus facile d'observer les bassins s'ils sont convertis en polygones. Pour faire cette conversion, cliquez sur le bouton C .

Cochez la case près de "xxshdc" pour observer les bassins que vous avez délimités. Il sera plus facile d'observer les résultats de l'étape suivante si vous changez la légende de ces bassins en blanc. Pour déterminer les bassins qui se trouvent dans le bassin du Souss, cochez la case à côté du thème outline. Pour mettre les cours d'eau au dessus des bassins, déplacez le thème xxst au sommet de la barre de légende. Voici le résultat avec un seuil flow accumulation de 100. C'est assez compliqué! Des réseaux plus simples peuvent être créés en augmentant la valeur du seuil.

2. Etablir un modèle d'écoulement de surface pour le bassin du Souss

Nous allons maintenant aborder la partie de l'exercice qui peut être exécutée avec Arcview 2.1 ou avec Arcview 3.0. Les données pour cet exercice incluent le bassin et le réseau de cours d'eau défini d'une façon identique à celle présentée dans la partie précédente de l'exercice mais pour un seuil de zone de drainage supérieur, de façon à simplifier le réseau qui en résulte.

Le projet intitulé hydro.apr contient divers scripts qui sont utilisés pour simuler l'écoulement de surface. Pour établir le model de simulation d'écoulement de surface pour le bassin du Souss, ouvrez le projet hydro.apr. Ouvrez une nouvelle vue et ajoutez la couverture linéaire sorivsb, les couvertures polygonale et linéaire pour soshdcdb, et les couvertures ponctuelles rainst et hydrost. Le menu "Add Theme" que vous devriez voir ressemble à ceci:

Pour voir les couvertures de type "polygon" et de type "arc" pour "soshdcdb" dans ce menu, cliquez sur le répertoire à côté de "soshdcdc." Cochez la case près de chaque thème de façon à ce que vous puissiez voir ce qu'ils représentent. Vous aurez peut-être à déplacer "sorivsb," "rainst," et "hydrost" au-dessus de "soshdcdb" pour pouvoir voir ces couvertures. "Rainst" contient les stations où des données sur les précipitations sont disponibles et "hydrost" est une carte des stations mesurant les débits.

(a) Etablir les tableaux de traitement

Rendez le thème "soshdcdb" actif et faites un zoom sur la zone d'étude . La couverture linéaire des cours d'eau (sorivsb) et la couverture polygonale des bassins (soshdcdb) ont été créés en utilisant une procédure de delinéation dans Arc/Info Grid. Plusieurs étapes de traitement sont nécessaires pour préparer ces couvertures pour la modélisation de l'écoulement de surface dans ArcView. Ces étapes de traitement ont été automatisées grâce à l'utilistion de scripts Avenue. Les scripts de prétraitement réalisent les opérations suivantes:

  1. Ajouter des champs au tableau d'attributs des lignes des rivières et au tableau d'attributs des bassins contenant des informations comme la vitesse, les coefficients de perte, les débits moyens et bien d'autres attributs.
  2. Classer les noeuds des rivières pour s'assurer que tous les arcs dans chaque segment des rivières sont dirigés vers l'aval.
  3. Corriger les ruptures dans le réseau des cours d'eau pour s'assurer que chaque sous-bassin contient seulement des segments de cours d'eau qui formeront une seule ligne.
  4. Fusionner les segments des cours d'eau composés de plusieurs arcs en un seul arc.
  5. Identifier les sous-bassins qui sont des bassins principaux.
  6. Créer des tableaux contenant des données temporelles référencées spatialement et d'autres fichiers nécessaires pour supporter l'algorithme de modélisation.

Pour faire tourner le programme de prétraitement, sélectionnez SFwModel / SGFPrep (pre-all). Certaines des fenêtres de message qui vont apparaître ne seront peut-être pas entièrement claires. Suivez juste ces instructions:

Pour le moment il reste encore quelques erreurs dans le programme de prétraitement qui doivent être corrigées manuellement. Deux des tableaux dont le programme a besoin ne recoivent pas 30 données -- "mflowfit.dbf" et "target.dbf." Pour résoudre ce problème, sélectionnez SFwModel / AddingRec . Sélectionnez le tableau "mflowfit.dbf" et cliquez sur OK. Cliquez sur YES et tapez 18 (parce que nous voulons ajouter 18 données à 12 pour obtenir 30) et cliquez sur OK. Cliquez sur YES pour passer au tableau suivant. Cette fois-ci, sélectionnez "target.dbf" et cliquez sur OK. Cliquez sur YES et tapez 18 puis cliquez sur OK. Lorsqu'il vous sera demandé si voulez continuer avec un autre tableau, cliquez sur NO.

(b) Spécifiez les paramètres du modèle

Cetains des paramètres du modèle doivent être spécifiés. Rendez le thème soshdcdb.ply actif et cliquez sur pour voir le tableau d'attributs pour cette couverture. Déroulez vers la droite jusqu'à ce que voyiez les champs "FlowTime" et "DiffNum" (Diffusion Number). Ce sont des paramètres théoriques qui déterminent la distribution temporelle de l'écoulement à la sortie d'un bassin en fonction de l'intensité journalière des précipitations. Le concept utilisé dans ce modèle est similaire à la théorie de l'hydrographe unité. Des valeurs par défaut ont été assignées aux paramètres FlowTime et DiffNum par le programme de prétraitement. Calculer les valeurs correctes de ces paramètres nécessite des informations sur la longueur moyenne de l'écoulement et sur la déviation standard de cette longueur moyenne. Ces informations peuvent être déterminées à partir des DEM par une procédure séparée utilisant la fonction Flow Length. Ceci a été précalculé pour vous. Pour ajouter les valeurs de ces paramètres, au tableau, ajoutez le tableau "length.dbf" à votre projet. Assurez-vous que "length.dbf" est le tableau actif et sélectionnez le champ "value." Rendez maintenant "Attributes of Soshdcdb.ply" actif et sélectionnez le champ "grid-code." Ayant fait ceci, sélectionnez Table / Join. Maintenant que ces tableaux ont été joints, choisissez Table / Start Editing , sélectionnez le champ "FlowTime" et cliquez sur . Avec le Field Calculator qui apparaît, vous donnez de nouvelles valeurs à FlowTime en fixant [FlowTime] = [flowt] comme cela vous est montré ci-dessous.

Renouvelez cette procédure pour fixer le nombre correspondant à la diffusion: [DiffNum]=[Diffn]

Vous devez également spécifier le champ représentant la longueur moyenne de l'écoulement -- "MFL" -- dans ce tableau parce que les nombres dans ce champ sont utilisés pour estimer les pertes lors de l'écoulement sur la terre. Sélectionnez le thème "MFL" et utilisez la calculatrice comme cela est montré ci-dessous.

Nous en avons maintenant fini avec ce tableau. Sélectionnez Table / Remove All Joins puis Table / Stop Editing et fermez le tableau.

(c) Interpoler les précipitation dans les bassins

Avant de lancer la simulation, le tableau de précipitations doit être ajouté au projet. Ajouter le tableau precex6.dbf à votre projet. Ce tableau contient la valeur de 30 jours de précipitations pour la période du 4 novembre au 3 décembre 1988. Les champs dans cette table correspondent à chacune des stations mesurant les précipitations qui apparaissent dans la couverture "rainst." Un programme réalisant l'interpolation des précipitations de chaque station aux centres des polygones du modèle a été écrit. Une étude complète du bilan hydrique du bassin du Souss n'a pas encore été réalisée car les informations détaillées sur la capacité en eau du sol est disponible pour la vallée du Souss mais pas pour les montagnes environnantes. Pour l'objectif actuel, la relation précipitation/écoulement est déterminée de façon à obtenir un coefficient d'écoulement de 0.25, qui est approximativement la moyenne des valeurs trouvées en étudiant les données des précipitations moyennes annuelles et des débits dans le bassin..

Pour lancer ce programme, cliquez sur puis n'importe où dans "View1." Cliquez NO dans le premier menu, choisissez de lancer le programme psurp.pre et cliquez sur OK. Selectionnez precex6.dbf comme table de precipitations et cliquez sur OK. Selectionnez rainst comme thème de stations de mesure des précipitations et cliquez OK. Sélectionnez "soshdcdb.ply" comme couverture de bassin et cliquez sur OK. Sélectionnez "grid-code" comme champ-clé et cliquez sur OK. Sélectionnez "rainid" -- le dernier champ-- comme champ-clé pour les stations de mesure de précipitations puis cliquez sur OK.

Durant les calculs, les points rouges indiquent les centres des polygones où les calculs sont en cours, les points bleus clairs les emplacements où les derniers calculs ont été realisés, et les points verts les emplacements où les calculs sont terminés. Cliquez sur OK à la fin des calculs. Les résultats de cette interpolation ont été écrits dans la table "psurp.dbf." Le graphe des précipitations en fonction du temps dans chaque bassin peut être obtenu en utilisant , en entrant la valeur 1 et OK, en cliquant sur n'importe quel sous-bassins, et en sélectionnant "psurp.dbf" comme table à representer. Vous pouvez conserver le graphe et en représenter de nouveau à votre convenance..

3. Lancer la simulation

Il peut être utile d'effacer maintenant la marque à côté du thème "rainst" de facon à ce que les graphiques représentés durant la simulation soient plus clairs. Une dernière modification doit être réalisée avant de lancer le modèle de simulation. Le coefficient de perte dans le fleuve doit être spécifié. Ouvrez la table d'attributs pour "sorivsb.shp" et sélectionnez le menu Edit / Select None. Editez le champ "LossC" dans la table en sélectionnant ce champ et en utilisant le "Field Calculator" pour que "LossC" soit égal a 0.006. Notez qu'un coefficient de perte différent pour chaque arc du fleuve pourrait être spécifié. Une valeur par défaut de 0.33 m/s pour la vitesse du fleuve est utilisée pour cette simulation comme vous pouvez le constater dans le champ "velocity."

Sélectionnez SFwModel / SFlowSim pour lancer le modèle. Vous devez fournir les paramètres d'entrée comme cela est représenté dans la figure ci-dessous:

Le paramètre Optimize égal a 0 indique qu'il s'agit simplement d'un run de simulation. CalPflow=1 indique que l'écoulement du polygone va être calculé dans ce run. Nresp=0 indique qu'aucune "response function" ne sera utilisée dans ce run. IniTimeStp et EndTimSteps indiquent le nombre de jours simulés. ToSubs=0.1 indique que 10% du surplus du polygone va dans un reservoir souterrain, Muskingum = 1 indique que la méthode de Muskingum Cunge d'évaluation de l'ecoulement du fleuve est utilisée, et plotply=1 indique que les contours des polygones seront mis en relief durant les calculs. A la fin du programme, il vous sera demandé si oui ou non vous désirez selectionnez la trajectoire de l'ecoulement ("flow path"). Cliquez YES.

4. Comparer les resultats avec des données observées.

Pour comparer les résultats des simulations avec les débits mesurés à chaque station, ajoutez la table de débits appelée "runex6.dbf" au projet. Il s'agit du débit observé a Ait Melloul qui est la station la plus avale du bassin. Cette station se trouve dans le polygone dont le grid-code est 23. Le "toflow" prédit par le modèle pour le grid-code 23 devrait approximer le débit à Ait Melloul (SI LE MODELE EST CALIBRE). Pour faire un graphe comparant les débits calculés et observés, joignez d'abord la table "runex6.dbf" à la table "tflow.dbf" en utilisant "Time" comme champ-clé. Cliquez sur et dans la "Chart Properties Box" ajoutez les champs "GC23" et "Runoff" dans le "Groups" à représenter. Labellez les graphes en utilisant "Time" et cliquez sur OK. Cliquez maintenant sur pour obtenir une comparaison des débits observés et simulés à Ait Melloul.

Ok, vous avez fini!!

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