par Pierre Aurousseau, Marie Chantal Baqué et Hervé Squividant ,
Laboratoire de Spatialisation Numérique
E.N.S.A.R., 65 rue de Saint Brieuc,
35042 Rennes
1. Les bassins-versants principaux
2. Le découpage en sous bassins de 5 000, 10 000 et 15 000 ha
3. Le découpage en sous bassins à l'amont de points d'intérêt particulier
4. L'agrégation des bilans d'azote par bassins-versants
Liste des figures, cartes et tableaux
D'une manière générale, il y a une infinité de façons de découper un territoire géographique en bassins-versants.
Il y une bijection entre la notion de bassin-versant et la notion d'exutoire : à un exutoire correspond un bassin-versant et un seul et à un bassin-versant correspond un exutoire et un seul. De plus, tout point peut être considéré comme un exutoire.
On distinguera la notion d'exutoire absolu qui correspond à un exutoire d'altitude zéro, au niveau de la mer d'un bassin-versant donné et d'un réseau hydrographique donné (fig. 1) et la notion d'exutoire relatif qui correspond à un point quelconque de l'espace à l'amont duquel il y a un bassin-versant mais qui se distingue de l'exutoire absolu dans le sens où cet exutoire relatif n'est pas au niveau de la mer et se trouve donc à l'amont de l'exutoire absolu et appartient donc au bassin-versant de l'exutoire absolu. On pourra dire aussi que le bassin-versant d'un exutoire relatif est un sous bassin-versant du bassin-versant de l'exutoire absolu.
Figure 1 : notion de bassin versant, de sous bassin versant, d'exutoire absolu (EA), d'exutoire relatif (ER), de point de confluence (CF)
Si l'on veut rentrer dans le détail, il peut y avoir des discussions sur la position des exutoires absolus : doit-on prendre comme référence du niveau de la mer, la côte zéro de l'IGN, doit-on prendre la côte zéro des cartes marines du SHOM,...?
Quand on s'intéresse à un exutoire relatif deux types de situations se présentent :
On remarquera enfin en ce qui concerne les syndicats d'AEP (Alimentation en Eau Potable) que le bassin-versant d'un point de prélèvement d'eau peut-être partiellement ou totalement distinct de la zone géographique de distribution d'eau de ce syndicat et qu'en conséquence quand on est confronté à un problème de qualité d'eau, il faudra bien s'intéresser à la surface géographique du bassin-versant ou des bassins-versants des points de prélèvement d'eau.
Il n'existe pas, en France, de découpage officiel de l'espace en bassins-versants et en sous bassins-versants comme il en existe pour le découpage administratif.
Les Agences de l'Eau se fondent pour leurs travaux sur le découpage dit "Agence" qui jouit d'une certaine reconnaissance, qui a été réalisé à l'échelle du 1/100 000 et qui est disponible soit sous forme papier soit sous forme numérique dans la base de données Carthage. Ce découpage est un découpage que l'on peut qualifier de semi-naturel, dans le sens où il ne respecte que partiellement la structure hydrologique des réseaux hydrographiques.
En ce qui concerne le découpage en bassin-versants, l'organisation hydrologique est respectée mais en ce qui concerne le découpage en sous-bassins-versants deux cas se présentent :
Pour illustrer cela, nous pouvons prendre l'exemple du bassin de l'Elorn. Dans le découpage dit "Agence", il y a un haut Elorn et un moyen Elorn dont les exutoires sont assez arbitraires (Carte 1).
Carte 1 : copie du découpage Agence de l'Eau du bassin-versant
de l'Elorn
(Version détaillée
: légende, 76 K)
Un découpage naturel du bassin-versant de l'Elorn, isole des sous bassins de petite taille (Carte 2).
Carte 2 : découpage selon une logique hydrologique
du bassin-versant de l'Elorn en 35 sous bassins-versants à l'aide
du logiciel MntSurf (MNT à pas de 40 m) avec en fond de carte l'information
hypsométrique
(Version détaillée
: légende, 87 K)
L'un des intérêts majeurs du découpage d'un bassin-versant en sous bassins-versants en respectant une logique hydrologique est de pouvoir analyser la contribution individuelle de sous bassins-versants fonctionnels aux flux d'eau et aux flux de pollution dans le bassin-versant principal.
D'autres rivières en Bretagne ont une structure en arêtes de poisson comme l'Elorn. On peut citer la Claie, l'Arz, l'Oust amont, le Scorff. Cette liste n'est pas limitative. On sait, en effet, que bien des grands bassins-versants compacts peuvent résulter en fait par la confluence de sous bassins-versants non compacts en arêtes de poisson.
Trois grandes familles de découpages de la Bretagne en sous bassins-versants ont été réalisées :
Ces extractions ont été réalisées à partir de deux types de Modèles Numériques de Terrain : pour les approches régionales on peut utiliser un MNT à pas de 250 m (comme le MNT IGN) ou de 240 m (obtenu par dégradation à pas de 240 m d'un MNT originel à pas de 20 m réalisé par stéréo-restitution d'images SPOT).
Le plus grand bassin-versant, en Bretagne, est celui de la Vilaine qui mesure plus de 10 000 km2, soit un tiers de la superficie de la région. A l'échelle de la région, c'est un grand bassin-versant qui écrase toute la région par son importance. A l'échelle de l'Europe ou de la terre et même de la France, c'est un petit bassin-versant, un bassin dit côtier. Tous les qualificatifs ont un autre sens à l'échelle de la région.
A l'échelle de la région, nous appellerons grands bassins-versants, les bassins ayant une superficie supérieure à 80 000 hectares comme le Trieux, le Couesnon, la Rance, l'Aulne, l'Ellé, le Blavet et la Vilaine (Tableau 1). D'une façon analogue, nous appellerons bassins-versants côtiers, les très petits bassins-versants de moins de 2 000 hectares.
En se fondant sur le Modèle Numérique de Terrain de la Bretagne à pas de 250 m, il y a 94 bassins-versants de plus de 2000 ha en Bretagne. En fait, il y en a 95, car le MNT à pas de 250 m introduit une confusion entre les bassins du Guillec et de l'Horne qui sont confondus par erreur, consécutivement à un raccordement malencontreux du réseau hydrographique estimé de ces deux rivières. Les 94 ou 95 bassins-versants de plus de 2000 hectares sont présentés dans le Tableau 2 et dans la Carte 3. Le Couesnon et la Vilaine ont une partie de leur bassin-versant qui s'étend en dehors de la région. Une partie du haut bassin de la Sélune est en Bretagne.
Carte 3 : représentation des 94 bassins-versants principaux
de plus de 2 000 ha avec en fond de carte l'information hypsométrique.Les
bassins-versants côtiers et les zones extérieures à
la Bretagne sont représentés en blanc.
(Version détaillée :
légende, 173 K)
Les bassins-versants côtiers ayant une superficie inférieure à 2000 ha représentent dans leur ensemble moins de 10% de la surface de la région (Carte 3).
A partir du découpage de la Bretagne en 95 bassins principaux de plus de 2 000 hectares, nous avons procédé au découpage de ces bassins en sous bassins-versants. Trois seuils de surface ont été choisis: 5000, 10000 et 15000 ha.
Le découpage est réalisé à un point de confluence. En effet la méthodologie suivante est adoptée : on teste à chaque point de confluence la surface du sous bassin-versant affluent de la rivière principale; si la surface de ce sous bassin affluent est supérieure au seuil choisi, ce sous bassin-versant est sélectionné et son exutoire est considéré comme étant la dernière maille du modèle numérique de terrain situé sur le réseau hydrographique du bassin-versant affluent avant d'atteindre le point de confluence.
Sur cette base il y a 137 bassins-versants de plus de 2 000 ha et sous bassins-versants de plus de 15 000 ha en Bretagne.
De même, sur la même base, il y a 193 bassins-versants de plus de 2 000 ha et sous bassins-versants de plus de 10 000 ha en Bretagne.
Et de même, sur la même base, il y a 214 bassins-versants de plus de 2 000 ha et sous bassins-versants de plus de 5 000 ha en Bretagne.
Les cartes correspondant à ces découpages ont été produites de même que les bases de données correspondantes. Nous ne présentons ici que la carte du découpage en sous bassins-versants de plus de 15 000 hectares (Carte 4).
Carte 4 : découpage de la Bretagne en 94 bassins-versants
principaux de plus de 2 000 ha et en sous bassins de plus de 15 000 ha.
(Version détaillée
: légende, 211 K)
Plusieurs découpages de ce type ont été réalisés, on citera :
Dans tout ces cas, deux types de procédures sont utilisables pour identifier ces sous bassins-versants. Soit on dispose d'un fichier contenant les coordonnées géographiques (Lambert II) des exutoires de ces bassins et le logiciel de traitement de Modèle Numérique de Terrain extrait automatiquement les bassins-versants de ces points, soit on clique à l'écran avec la souris sur le point reconnu comme étant le point exutoire.
Nous n'illustrerons ici qu'un découpage : l'identification des bassins-versants de démonstration et d'action renforcée du programme Bretagne Eau-Pure n°2 (Carte 5).
Carte 5 : les bassins-versants de démontration et
d'action renforcée du programme Bretagne Eau Pure n°2 avec visualisation
des bilans d'azote .
(Version détaillée
: légende, 43 K)
On sait réaliser des bilans apparents d'azote (bilans de type CORPEN) par unités administratives (cf. travaux du CEMAGREF : BILRGA). Ces bilans par unités administratives, ont pu être réalisés soit par cantons soit par communes.
Rappelons que dans un bilan apparent de type CORPEN, on prend en compte les apports d'azote d'origine animale (fumiers, lisiers, etc...), les apports dûs aux fertilisations et la consommation d'azote par les cultures au prorata des rendements.
Un bilan apparent de type CORPEN équilibré ou faiblement excédentaire (5 ou 10 kg d'excédent de N par hectare) ne signifie pas pour autant qu'il n'y pas de risque de pollution, car un lessivage temporaire peut être compensé par une faim d'azote et conférer un bilan équilibré et d'autre part, il ne s'agit que d'un bilan apparent négligeant bien des postes du bilan d'azote.
Les bilans apparents ne prennent pas en compte des mécanismes de fourniture d'azote comme la minéralisation de la matière organique des sols, les arrières effets des fertilisations organiques,... et des mécanismes de consommation d'azote comme la dénitrification, la volatilisation, la réorganisation, etc...
Malgré leurs limitations les bilans d'azote apparents présentent bien des intérêts à l'échelle d'une exploitation ou d'unités administratives.
L'objectif de l'agrégation de bilans d'azote par unités hydrologiques comme les bassins-versants est d'estimer les flux annuels d'azote, de modéliser les concentrations et de comparer ces flux et ces concentrations modélisés avec les flux et les concentrations mesurés.
Tout ceci afin de vérifier le bien fondé de la réalisation de bilans apparents et d'estimer comment vont se traduire en terme de flux et de concentration l'amélioration des bilans apparents consécutive à la mise en oeuvre de diverses mesures environnementales comme la fertilisation raisonnée, la meilleure gestion et la diminution des apports organiques, la meilleure gestion technique des troupeaux (mise en oeuvre de l'alimentation multiphase, réduction des inefficacités techniques et économiques),...
Sur le plan technique l'agrégation des bilans communaux par bassins-versants peut se réaliser de deux manières. La plus rustique consiste, par croisement de couches d'informations géographiques, à calculer la part de chaque unité administrative qui appartient à chaque bassin-versant et à attribuer les bilans d'azote par bassin-versant au prorata de la surface.
L'autre technique peut être présentée de la façon suivante : l'agrégation des données communales par bassins-versants est réalisée en rasterisant la carte communale conformément au Modèle Numérique de Terrain. Cela revient à appliquer sur la carte communale une grille dont l'origine, la taille des mailles, l'orientation sont celles du MNT. Les informations relatives à une commune sont alors attribuées à toutes les mailles carrées qui se projettent sur l'étendue de cette commune (Carte 5).
Quand cette rasterisation est achevée, on "importe" le produit de cette rasterisation dans la base de données du MNT. Dans cette base de données, chaque maille du Modèle Numérique de Terrain est caractérisée par un certain nombre d'attributs. Parmi ces attributs, il y a les attributs par défaut du MNT, c'est à dire les coordonnées x, y et z (altitude), suivis d'attributs supplémentaires parmi lesquels se trouve par exemple le bilan communal d'azote que l'on vient d'importer et qui se trouve ainsi agrégé par bassins-versants. La carte 15 montre le résultat de cette agrégation dans le cas du découpage de la Bretagne en 94 bassins principaux de plus de 2 000 ha.
Connaissant en toute maille du MNT le bilan d'azote qui provient du bilan communal qui a été importé dans le MNT, on peut calculer en toute maille du MNT le cumul des bilans des mailles qui appartiennent au bassin-versant de cette maille. Nous appellerons ce nouvel attribut qui est ajouté à la base de données du MNT : "bilan cumulé" ou "azote cumulé". Ce bilan cumulé correspond à une estimation du flux annuel d'azote à l'exutoire de tout bassin-versant.
Si l'on compare l'estimation du flux d'azote obtenue par le bilan cumulé et ce que l'on peut savoir des flux réels mesurés, on constate (tableau 2) que pour certains bassins-versants comme l'Aber Ildut par exemple (bv n°33) les flux estimés sont très proches de la réalité mesurée. Par contre pour d'autres bassins-versants comme le Frémur (bv n°28) les flux estimés par les bilans cumulés sont très supérieurs aux flux mesurés, ce qui signifie que ces bassins-versants sont le siège d'une importante auto-épuration sans doute principalement sous forme de volatilisation et de dénitrification, auto-épuration que nous appelons abattement d'azote. Cet abattement a pu être modélisé statistiquement sur la base des données de 25 des 44 bassins-versant RNB suivis en Bretagne. Ces résultats ne sont pas présentés ici.
Pour passer d'une modélisation des flux annuels d'azote à une modélisation de la concentration, il faut faire intervenir la dilution du flux d'azote par le flux d'eau. Pour appréhender ces flux d'eau, nous avons informatisé une carte des modules spécifiques que nous avons interprétée comme la traduction de la somme de P - ETR :
(P -ETR) (1)
si P > ETR
les modules spécifiques sont habituellement exprimés indistinctement en millimètres d'eau, ou en litres par seconde par km2.
Cette carte a été rasterisée et importée dans le Modèle Numérique de Terrain de la Bretagne. Ensuite on peut de la même façon que pour l'azote, en tout point du modèle numérique de terrain, cumuler les modules spécifiques de l'ensemble du bassin-versant de chaque point. Nous appellerons "pluie cumulée" ce nouvel attribut qui est une estimation moyenne annuelle du flux d'eau qui affecte une maille du modèle numérique de terrain.
En divisant le flux moyen annuel d'azote estimé par "l'azote cumulé" et le flux moyen annuel d'eau estimé par la "pluie cumulée", on obtient une estimation de la concentration moyenne annuelle de nitrates de l'eau en toute maille du Modèle Numérique de Terrain. Ce nouvel attribut peut être visualisé sur l'ensemble du MNT, ou seulement sur tout ou partie du réseau hydrographique estimé.
On peut aussi en tout point du Modèle Numérique de Terrain interroger la base de données ainsi constituée qui caractérise chacune de ses mailles. On voit sur la figure 2 le résultat d'une telle interrogation ponctuelle avec le logiciel MNTSURF.
Figure 2 : fenêtre d'interrogation ponctuelle obtenue avec le logiciel MntSurf
Les procédures d'extraction des contours de bassin-versants et de sous bassin-versants par traitement des Modèles Numériques de Terrain sont des procédures qui sont aujourd'hui bien au point et qui peuvent être utilisées à différentes échelles : à des échelles du 1/25 000 au 1/50 000 en utilisant des MNT à pas de 20 à 50 mètres, à des échelles régionales du 1/250 000 au 1/1 000 000 en utilisant des MNT à pas de 240 ou 250 mètres. Pour des zones d'études plus grandes (grands bassins-versants comme celui du Rhin, du Danube) ou vastes zones d'alimentation de mers comme la Mer du Nord ou la Baltique, des MNT à pas de 500 mètres donnent satisfaction.
Comme nous l'avons vu, certaines erreurs présentes dans les MNT sont la cause de confusion entre des bassins-versants adjacents. Ces confusions sont consécutives à des raccordements malencontreux ou captures entre réseaux hydrographiques. Ce type de problème est maintenant réglé par l'utilisation de procédures de correction des Modèles Numériques de terrain sous contrainte de réseau hydrographique vrai.
L'agrégation des bilans d'azote par bassins-versants est une procédure tout à fait intéressante pour réaliser des diagnostics régionaux de pollution. La mise à jour des bilans apparents d'azote en cours de réalisation au Cemagref (J. Abrassart) va permettre bientôt une réédition des bilans de pollution azotée pour les bassins-versants de Bretagne.
On va sans doute aussi faire appel à ce type de méthodologie, pour reconstituer des chroniques de flux d'azote des principaux fleuves alimentant la Mer du Nord et la Baltique pour tenter d'analyser le rôle des flux d'azote dans ces mers sur les efflorescences phytoplanctoniques.
figure 1 : notions de bassin-versant, de sous bassin-versant, d'exutoire absolu, d'exutoire relatif, de point de confluence
figure 2
: fenêtre d'interrogation ponctuelle obtenue avec le logiciel MNTSURF
carte 1 : copie du découpage Agence de l'Eau du bassin-versant de l'Elorn
carte 2 : découpage selon une logique hydrologique du bassin-versant de l'Elorn en 35 sous bassins-versants à l'aide du logiciel MNTSURF (MNT à pas de 40 m) avec en fond de carte l'information hypsométrique.
carte 3 : représentation des 94 bassins-versants principaux de plus de 2000 ha avec en fond de carte l'information hypsométrique. Les bassins-versants côtiers et les zones extérieures à la Bretagne sont représentés en blanc
carte 4 : découpage de la Bretagne en 94 bassins-versants principaux de plus de 2000 ha et en sous bassins de plus de 15 000 ha
carte 5 : les bassins-versants de démonstration et d'action renforcée du programme Bretagne Eau Pure n° 2 avec visualisation des bilans d'azote
tableau 1 : les sept grands bassins-versants de Bretagne de plus de 80 000 ha
tableau 2 : les 94 bassins-versants principaux de Bretagne de plus de 2000 ha
