2009_LEROUX Jerome_UR1_Rennes

2009_LEROUX Jerome_UR1_Rennes
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Résumé :
La dynamique des méandres est un vaste sujet d’étude où les recherches se font aussi bien du
point de vue naturaliste que du point de vue numérique. Cette étude tend à mettre en évidence les
déplacements des rios méandrés du bassin Amazonien, et de corréler leurs déplacements avec les
paramètres de contrôle qui vont influencer la migration d’une rivière à méandre. Pour mettre en
place la méthode de travail, le rio Ucayali a été étudié car il présente de très forte migration de
méandre le long de son cours, notamment près de la ville de Pucallpa (Pérou).
Etant gratuites et à de fortes fréquences de prises de vue, les images satellites MODIS ont été
retenue pour cette étude, malgré leurs résolutions assez faibles de 250 mètres et la présence
constante de nuages sur les images satellites. L’utilisation du logiciel eCognition™ à permis de mettre
en place une méthode d’extraction rapide de l’objet « rivière » et d’en calculer toutes les
caractéristiques géographiques très facilement, permettant un traitement des données plus
conséquent.
Parmi les nombreuses méthodes présentent dans la littérature pour caractériser et quantifier la
migration d’un méandre, la délimitation des zones d’érosion et de déposition a été retenue. De plus,
une méthode consistant à suivre les points d’inflexion et d’apex de chaque méandre a été mise en
place. Ceci afin de qualifier et de quantifier la migration des méandres sur la zone d’étude du rio
Ucayali.
Les premiers résultats montrent des zones de fortes migrations, et une tendance générale en absolue
des points caractéristiques des méandres vers le Nord-Ouest. La zone de forte migration situé près
de Pucallpa peu être expliqué par la présence d’un méandre abandonné et d’un affluent à l’amont.
Ces deux phénomènes ayant pour effet d’augmenter le débit de la rivière et ainsi les vitesses
d’érosion et de déposition. La corrélation entre le déplacement des apex des méandres et la sinuosité
confirmant cette hypothèse. Toutefois, la corrélation entre la vitesse de migration des méandres et
d’autres paramètres de contrôle devra être faite lors du second temps du stage.
L’utilisation d’autres images satellites sera aussi la prochaine étape de cette étude pour confirmer
l’utilisation des images MODIS dans la quantification des déplacements des méandres du rio
Ucayali. Ceci afin de validé l’exploitation des images MODIS pour d’autres rios situés dans le bassin
Amazonien.
* Images sur la page de présentation : Image LANDSAT de l’Ucayali près de la zone de Pucallpa
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SOMMAIRE :
Introduction
1. Revues bibliographiques à propos de l’étude
1.1.
1.2.
1.3.
Les rivières méandriformes
Evaluation de la migration des méandres
Paramètres de contrôle de la migration des méandres
Géométrie des méandres
Paramètre de contraintes et de résistances
1.3.1.
1.3.2.
2. Object d’étude, l’Ucayali
2.1.
2.2.
Caractéristiques
Première mise en évidence de migrations
3. Données et Méthodes
3.1.
3.2.
Images satellites MODIS
Le logiciel eCognition™
Principe du logiciel
Application sur les images MODIS
3.2.1.
3.2.2.
3.3.
Méthode d’interprétation des paramètres des méandres
4. Résultats au 15.06.09
4.1.
4.2.
Mise en évidence de la migration
Comparaisons avec les paramètres géométriques
5. Discussion
5.1.
5.2.
Mise en évidence de la migration
Comparaisons avec les paramètres géométriques
6. Limites et Perspectives
Conclusion
Bibliographie
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Introduction
Les rivières méandriformes sont les objets hydrologiques les plus sujets au dynamisme de
part leurs morphologies. Outre son implication dans le domaine de la recherche, l’analyse du
dynamisme des rivières à méandres a pour but d’élaborer une banque de données permettant la
prédiction des déplacements des rivières aux abords de zones habités (Rapp et Abbe, 2003).
Toutefois la compréhension de l’organisation d’une rivière reste à faire, car on ne sait toujours pas
pourquoi une rivière va développer une sinuosité très importante et allonger sa longueur pour
parcourir une faible distance. La compréhension de la dynamique des méandres fait donc l’objet de
recherche aussi bien du point de vue analytique (Hooke, 2006) que du point de vue numérique
(Lancaster et Bras, 2002 ; Seminara, 2006) avec l’élaboration de modèle numérique. Ces deux
approches ont pour même objet une rivière développant une géomorphologie particulière faite de
courbes sinueuse où les processus d’érosion et de déposition sont très hétérogènes. Ces différents
processus induisant un dynamisme, plus ou moins fort selon le contexte local. En effet, localement,
certains paramètres vont influencer la vitesse de migration des méandres. Ils sont observés et suivis
pour les objets naturels, ou servent de variables dans les modèles numériques.
L’approche développée pour ce stage consiste à mesurer la migration des rivières à méandres ainsi
qu’à mesurer d’autres paramètres intrinsèques à la partie de la rivière mesuré. Ces deux mesures
permettront d’observer des corrélations entre les vitesses de migrations et les paramètres qui vont
jouer sur cette migration.
L’observatoire de recherche en environnement HyBAm (IRD) a pour objectif la compréhension du
contrôle géodynamique, hydrologique et biogéochimique de l’érosion/altération et des transferts de
matière dans le bassin de l’Amazone. Des données d’imagerie satellites sont disponibles librement
dans la base de données de l’observation. Le bassin Amazonien offre une population importante de
rivières à méandres ce qui permet d’avoir une large gamme d’étude pour la compréhension des
migrations des méandres, et ceci à différentes échelles d’espace et de temps grâce à l’utilisation
d’images satellites.
Ce large panel de rivière dans le bassin Amazonien permettant deux choses :
- Mettre en évidence et quantifier la migration de chaque rivière à méandre.
- Corréler les vitesses de migrations avec des paramètres de contrôles de la migration et ceci à
plusieurs échelles d’espaces et de temps.
Afin de mettre en place la méthode de travail sur tous les rios du bassin Amazonien, une seule rivière
a été étudiée pour ce premier temps de stage : Le rio Ucayali. Cette rivière présente de très fort
déplacement, et les vitesses de migration y sont mesurables à l’échelle annuelle. Ceci a été mis en
évidence grâce à des études précédentes utilisant les images satellites comme support de travail.
L’analyse d’images satellites est le moyen le plus facile et efficace pour mesurer la migration d’un
méandre (Rapp et Abbe, 2003). A l’aide du logiciel eCognition™, une approche différente
d’extraction d’objet à été mise en place sur des images Satellites MODIS. L’exportation sur Arcgis™
permettant de visualiser plus facilement et rapidement les migrations et les paramètres
géométriques. Les caractéristiques de la rivière à méandres sont calculées et des corrélations
peuvent être faites entre les données.
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1. Revues bibliographiques à propos de l’étude
1.1.
Les rivières méandriformes
On caractérise généralement une rivière méandriforme méandre par sa sinuosité. La
sinuosité est le rapport entre la longueur de rivière (L) et la longueur la plus courte entre les 2 points
choisies sur la rivière (λ pour la Fig. 5). Une rivière est considérée comme méandriforme pour une
sinuosité de plus de 1,5 (Brice, 1974).
La variabilité de la sinuosité de la rivière est due aux processus d’érosion qui y jouent. Deux
processus antagonistes vont faire évoluer la sinuosité de la rivière. Les parties extérieures concaves
seront érodées alors que les berges intérieures convexes seront en sédimentation (Fig. 1). Comme
la largeur d’une rivière ne s’étend pas à l’infinie, le chenal de la rivière va donc migrer vers les berges
érodées, augmentant la sinuosité de la rivière. Il arrive un moment où les migrations des berges
entrainent la déviation du cours d’eau, créant des parties de méandres abandonnées (bras mort ou
oxbow lakes), ceci diminuant la sinuosité.
Parmi les 4 formes de rivière à chenal que sont les rivières en tresse, les rivières à méandres, les
rivières droites et les rivières anastomosés, la rivière à méandres serait la rivière ayant un seul chenal
principale la plus sujet au dynamisme latéral. On distingue les rivières à méandres encaissés ou de
vallée, des rivières à méandres libres ou de plaines alluviales qui sont sujet à un fort dynamisme de
par le matériel érodé qui est constitué de sédiments très récents.
Fig. 1 : Processus au sein des méandres et profils en travers
1.2.
Evaluation de la migration des méandres :
Il existe différentes manières d’évaluer la migration des méandres, qui dépendent de ce qu’on
veut mesurer.
Rapp et Abbe proposent deux méthodes de mesurer la migration des méandres. Par la méthode des
« transects » dans un premier temps (O’connor et al., 2003 ; Rapp et Abbe, 2003), où le travail
consiste à suivre les changements de position de la ligne centrale du chenal principal avec une
perpendiculaire tracée entre les deux côtés de la plaine alluviale (Fig. 2). La méthode ne nécessite
pas l’utilisation d’un SIG car il n’y a pas de calcul complexe à faire sur la photographie.
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Une autre approche consiste à tracer les
deux bords du chenal principal et de superposer
les différents tracés afin de calculer des surfaces
(O’connor et al., 2003 ; Hooke, 2006). Les
surfaces qui se superposent n’enregistrent aucun
changement, alors que les surfaces non
superposables pourront être considérées comme
des surfaces d’érosion ou de déposition de
sédiments en fonction de la direction de
migration du méandre (Fig. 3).
La surface d’érosion créé par la migration pourra
être normalisée par rapport au périmètre formé
par les deux berges érodés à deux temps
différents, afin d’estimer une distance de
migration moyenne sur le méandre étudié
(Constantine, 2008).
Enfin une dernière méthode consiste à définir le
vecteur représentant la migration du chenal
entre deux temps différents (Lagasse). Ce
vecteur pourra renseigner sur l’amplitude de la
migration et la typologie de déplacement du
méandre comme montré dans la Fig. 4.
Fig. 2: La méthode des transects sur la Rivière Quinault,
Washington, USA (O’Connor et al., 2003)
Fig. 3 : Méthodes des polygones sur la rivière Dabe,
NW Angleterre (Hooke, 2006)
Fig. 4 : Modes de migrations des méandres
1.3.
Paramètres de contrôle de la migration des méandres
Les paramètres pouvant contrôler la migration des méandres peuvent être distingué en 3
groupes :
-Les variables géométriques du chenal de la rivière, qui vont évoluer avec les migrations, mais aussi
avoir un contrôle sur la migration.
-Les paramètres de contraintes sur la migration des méandres (hydraulique, pente).
-Les paramètres de résistances (résistances des berges, géologie, granulométrie des sédiments
érodés ou déposés).
Ces paramètres seront développés dans la suite de cette partie.
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1.3.1.
Géométrie des méandres :
Hormis les vitesses de migrations, la géométrie des méandres peut être facilement mesurée à
partir des images satellites ou photos aériennes. Ainsi, on pourra calculer la sinuosité, la longueur
d’onde, le rayon de courbure, la largeur du chenal et les coordonnées spatiales des points
caractéristiques du méandre : les points d’inflexion et les apex (Fig. 5).
Fig. 5: Paramètres géométrique d’une rivière à méandres.
Ces variables pourraient avoir une influence sur la vitesse de migration des méandres d’après les
auteurs. Parmi les différentes observations, deux sont à retenir :
Le rapport entre le rayon de courbure et la largeur du chenal aurait un impact sur la vitesse de
migration. La valeur maximum de migration éteint atteinte pour un rapport égal à 3 (Hickin et
Nanson, 1975), et pour des valeurs inférieures ou supérieures, la vitesse de migration diminue.
D’autres auteurs mettent en avant une sinuosité critique de 3,14 à laquelle la rivière méandrée ne
pourra plus migrer (Hooke, 2007).
1.3.2.
Paramètre de contraintes et de résistances :
Contraintes :
La pente et le débit sont les deux principaux paramètres qui vont influencer la dynamique d’une
rivière et la migration d’un méandre. En effet la pente de la rivière influence le taux de migration des
méandres, car à un débit constant, la vitesse de migration augmente lorsque la pente augmente
(Nanson et Hickin, 1986). Leopold et Wolman (1960) ont établit une formule empirique reliant la
pente(S) au débit de plein bord (Q) :
ܵ = 0,06 ܳ ି଴,ସସ
(1)
Si la pente est inférieure à une valeur limite pour un débit donné alors la rivière sera à méandres. En
outre, la migration des méandres atteindra son maximum lors des crues puisque la contrainte
cisaillante et la puissance hydraulique y sont au plus fort (Hickin et Nanson, 1975).
Résistances :
Les paramètres antagonistes aux paramètres de pente et de débits, sont ce qui caractérise le matériel
érodés et l’environnement dans lequel le méandre évolue. On retiendra que la nature de roches
érodées et sa granulométrie influence l’érosion et donc la migration des berges. Les sables et les
graviers, non cohésifs, sont plus sensibles à l’érosion que d’autres matériaux comme l’argile, alors
que la granulométrie des berges aura un impact sur le coefficient de résistance à la migration (plus la
granulométrie est forte, plus la résistance est grande) d’après Nanson et Hickin, 1986.
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2. Objet d’étude : l’Ucayali.
2.1.
Caractéristiques :
Avec une surface de bassin versant de plus de 6 million de km2, le bassin Amazonien apporte
209 000 m3.s-1 en moyenne par an à l’océan Atlantique (Molinier et al. 1996). Ce bassin versant
représente 76 % de la superficie du Pérou, où se trouve le bassin versant du Rio Ucayali. Le rio
Amazonas au Pérou est issu de la jonction entre les rios Marañón et Ucayali. L’Ucayali est donc l’un
des plus important contributaire de l’Amazone avec un débit moyen à l’année de 14 000 m3.s-1 avec
un bassin versant de 360 500 km2 (Espinoza et al, 2006).
Le Rio Ucayali prend sa source dans les Andes Péruviennes à 5597 mètres, totalisant une longueur
de 2885 km d’altitude depuis la source d’Apurímac jusqu'à sa confluence avec le Marañón. Mais
l’Ucayali prend sa véritable dénomination de la confluence entre les rios Tambo et Urubamba,
jusqu'à sa confluence avec le rio Marañón. Sa longueur de cours d’eau appoximative est de 1600 km
(Fig. 6).
Fig. 6 : Topographie du Pérou et Rios Péruvien
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2.2.
Première mise en évidence de migrations
Pourquoi s’intéresser au rio Ucayali ? Car des études préliminaire au sein de l’observatoire
HyBAm ont déjà mis en évidence sont déplacement à l’échelle de l’année (Daupras, F, 2006). Il a
été calculé une sinuosité de rivière de 1,96, qui correspond bien à une rivière de type méandre.
De plus l’observation simple de ce rio grâce à l’outil GoogleEarth™ montre des plaines alluviales très
récemment érodées et déposées, et la présence de nombreux méandres coupés devenus des lacs où la
dynamique de migration n’a plus lieu (Fig. 3).
Fig. 7 : Plaine alluviale montrant la migration active de la rivière
Une autre image intéressante montre des différences dans la localisation du cours du rio à partir
d’une seule image GoogleEarth™ issu de la mosaïque de plusieurs images satellites prise à différentes
périodes (Fig. 8). A gauche l’image GoogleEarth™, et à droite l’interprétation de l’image avec la mise
en évidence des trois images satellites différentes dans leurs date de prise de vue.
Fig. 8 : Différentes localisations de la rivière sur GoogleEarth™
Malgré que l’on puisse voir et qualifier la migration des méandres de l’Ucayali avec les images
GoogleEarth™, il est difficile de la mesurer dans le cas de la fig. 8. Il est donc nécessaire d’utiliser
d’autres données d’images satellites, prisent à des temps différents connus, ce qui nous permettra de
calculer des vitesses de migration de méandre.
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3. Données et Méthodes
3.1.
Images satellites MODIS
Les images MODIS sont issues d’instrument embarqué sur deux satellites : les satellites
Terra (EOS AM) et Aqua (EOS PM). MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroadiometer)
est un instrument spectroradiométrique, installée à bord des deux satellites, qui permet d’obtenir
des données et des images satellites. La surface de la Terre est survolée tous les 1 à 2 jours, MODIS
enregistre des données d’une haute sensitivité radiométrique composé de 36 bandes spectrales allant
de 0,4µm à 14,4µm (Infrarouge) avec une résolution maximum de 250m.
Avantages : L’atout principal des images MODIS est qu’elles sont gratuites, il est donc possible de
construire une base de données sur plusieurs années et pour des zones géographiques étendues.
Déjà géoréférencées, ces images ont été disponibles dans les bases de données Hybam.
Limites : Mais l’un des problèmes principaux inhérents aux images satellites est la présence
permanente de nuages sur les images. Il faut donc recourir à la réalisation d’images composites
issues de plusieurs jours d’images satellite. De plus avec une résolution de 250 m, un objet (par
exemple une rivière) inférieure en largeur à cette résolution sera très difficile à distinguer sur une
image.
3.2.
3.2.1.
Le logiciel eCognition™
Principe du logiciel
Afin d’être le plus efficace possible, le logiciel d’analyse d’image eCognition™ a été utilisé. Basé sur
les deux outils de segmentation et de classification, la technologie eCognition™ repose sur le concept
qu’une image ne réside pas seulement dans des pixels isolés mais dans des objets possédant une
signification particulière ainsi que dans leurs relations.
Ainsi l’analyse d’une image passe par deux étapes :
- La segmentation : Cette étape permet de regrouper les pixels selon deux paramètres, la
forme et la couleur. Il faut donc adapté la segmentation à la résolution de l’image et à
l’information qu’on souhaite extraire.
- La classification : Cette étape permet de classifier les groupes de pixels, issus de la
segmentation, par des critères qui seront propres aux objets que l’on souhaite extraire.
Une fois l’objet correctement distingué du reste de l’image, toutes les caractéristiques géométriques
de l’objet peuvent être connues. Il est aussi possible d’exporter cet objet, ainsi que toutes ses
caractéristiques, vers d’autres plateformes de SIG qui permettent une meilleure visualisation.
3.2.2.
Application sur les images MODIS
Chaque bandes d’images satellite est composé de pixel ayant chacun une information. Plus la
résolution est faible, plus l’information émis par un objet est en compétition avec les objets
environnants lors de la construction des pixels qui définissent l’image. Les images disponibles dans
la base de données Hybam sont des images composites issues de fragment d’images satellites sans
10 | P a g e
nuages sur 16 jours. Avec la faible résolution de l’image, le nombre d’objet créé a été équivalent au
nombre de pixel lors de la segmentation, pour ne perdre aucune information par rapport à l’image.
A partir des 2 bandes des images MODIS, une bande dans le visible (R : 620 à 670 nm)
correspondant au rouge et une seconde bande dans le proche infrarouge (NIR : 841 à 876 nm), la
classification de la rivière à été faite à l’aide de l’indice de végétation par différence normalisé
(NDVI) :
ܰ‫ ܴܫ‬− ܴ
ܰ‫= ܫܸܦ‬
(2)
ܰ‫ ܴܫ‬+ ܴ
La rivière Ucayali étant dans un environnement où la végétation est omniprésente, il est donc assez
simple de classifier la rivière du reste de l’image qui est composé principalement de végétation. Avec
la formule, les objets « végétation » aura un NDVI supérieur à zéro, et tout ce qui n’est pas de la
végétation sera inférieur à 0. Les rivières ayant des valeurs très inférieures à 0.
D’autres outils de classification pourront être utilisés pour affiner la classification comme le rapport
« Longueur/Largeur » de l’objet qui sera fort pour une rivière.
Fig. 9 : Chaine de traitement des images MODIS pour extraire l’objet « rivière »
L’extraction de l’objet « rivière » par eCognition™ étant faite, il a été exporté vers le logiciel Arcgis™
pour plus de commodité de manipulation et de visualisation (Fig. 9). Ainsi la ligne médiane entre les
deux berges du chenal de la rivière, le polygone de la rivière on été extraite, et ceci est fait pour
chaque images satellites. Et pour chaque objet, les caractéristiques géométriques ont été calculées :
longueurs, largeurs, coordonnées dans l’espace…
3.3.
Méthode d’interprétation des paramètres des méandres
L’analyse a été portée sur les années les plus éloigné dans le temps : 2000 et 2005, pour
distinguer et mettre en évidence les déplacements les plus prononcés. Pour s’affranchir des
problèmes liés à la différence de largeur du chenal de la rivière lors des périodes de crues et d’étiages,
le même jour de prise de vue à été sélectionné pour les deux années d’étude. La période près du 1er
Aout correspond à une période de basses eaux pour le rio Ucayali (Molinier et al., 1996).
Pour chaque année, les coordonnées des points d’inflexions et des apex de chaque partie des
méandres de la rivière ont été calculées. Afin de mettre en évidence la migration du chenal, le
déplacement en absolue de chaque points caractéristiques du chenal a été faite (Fig. 10). Les
résultats ont été représentés par rapport à la longueur de la rivière, et le déplacement mise en
évidence selon les directions Nord-Sud et Est-Ouest (Fig. 11).
11 | P a g e
Figure 10 : Images ArcGis™ d’une partie de l'Ucayali et les données de migrations des méandres
a : Surface d’érosion et de déposition le long du tracé de la rivière ; b : Coordonnées de points d’inflexion et d’apex
pour les deux années d’études ; c : Mise en évidence des composantes de déplacement d’un point d’inflexion.
Une autre méthode mise en œuvre est celle de O’connor et Hooke qui consiste à calculer les surfaces
d’érosion et de déposition faite par la migration du chenal de la rivière entre deux années. Les
années 2000 et 2005 ont donc été superposé, et à l’aide d’eCognition™, il a été possible de calculer
toutes les surfaces d’érosion ou de déposition (Fig. 10). On remarquera sur la figure 11, les surfaces
d’érosion et de déposition entre deux point d’inflexion ont été normalisé par rapport à la longueur
de cours entres les points d’inflexions. Ceci afin de comparer les méandres entre eux, quelque soit
leurs longueurs.
Enfin, le paramètre géométrique de la sinuosité a été calculé entre chaque point d’inflexion. Comme
les longueurs de cours d’eau et les coordonnées des points d’inflexion sont différents de l’année
2000 à 2005, la longueur de la rivière de l’année 2003 à été retenue pour pouvoir calculer les demilongueurs d’ondes entre chaque point d’inflexion. Les coordonnées médianes des points d’inflexion
ont aussi été calculées. Cette méthode ayant été retenue compte tenu de la faible résolution de
l’image.
En effet les images composites faites à partir de plusieurs images satellites étaient très inégale du
point de vue de leurs qualités et surtout de leurs résolutions. On remarquera sur la figure 10, les
surfaces d’érosion/déposition en forme d’escalier du fait de la résolution de l’image.
12 | P a g e
Figure 11 : Mise en évidence de la migration de la rivière Ucayali sur 5 ans
A : Tronçons d’étude de la rivière Ucayali ; B : Déplacements en km des points d’inflexion des méandres selon la composante
Ouest-Est ; C : Déplacements en km des points d’inflexion des méandres selon la composante Nord-Sud ; D : Déplacements
en km des points d’apex des méandres selon la composante Ouest-Est ; E : Déplacements en km des points d’apex des
méandres selon la composante Nord-Sud ; F : Surfaces d’érosion et de déposition normalisé à la longueur du méandres.
Les pourcentages situés dans les camemberts sont établies en sommant les déplacements vers les directions géographiques.
Les 5 graphiques étant représentés par rapport à la longueur totale du tronçon étudié de la rivière Ucayali.
13 | P a g e
4. Résultats au 15.06.09
4.1.
Mise en évidence de la migration
Les déplacements des points d’inflexion et des apex montrent une tendance vers le Nord-Ouest. Les
pourcentages de déplacement ont été calculés en sommant les distances de déplacement. Ces
pourcentages révèlent une tendance générale des points d’inflexion et des apex vers le Nord. La
tendance vers l’Ouest est moins prononcée pour les points d’inflexion que pour les apex.
Tableau 1 : Résumé des données calculées sur la migration des méandres
Sinuosité sur la totalité du tronçon
Surface érodé (km2)
Surface déposé (km2)
Vitesse de migration moyenne des apex (m.an-1)
Vitesse de migration moyenne des points d’inflexion (m.an-1)
2,04
182,830 ± 60,9
242, 097 ± 80,7
211 ± 70
152 ± 51
Les surfaces d’érosion et de déposition, rapportées à la longueur de méandres, montrent une
symétrie entre ces deux processus. Seule une surface de déposition n’est pas compensée par l’érosion
sur l’autre berge. Il s’agit en faite d’un méandre coupé. Comme le tracé du cours d’eau en 2000 ne se
superpose pas au tracé de 2005, la partie du méandre en 2000 est considéré comme une surface de
déposition.
On peut comparer cette méthode à la méthode proposé par Constantine qui vise à rapporter la
surface d’érosion ou de déposition au périmètre de cette surface. Ici la surface est rapportée à la
longueur du méandre. Outre l’indication des forts taux d’érosion ou de déposition à un endroit de la
rivière, ce rapport nous donne une estimation de la migration sur la longueur du méandre, puisque le
rapport donne un résultat en mètre.
On voit donc à travers la figure 11 la corrélation entre les lieux de fortes migrations des méandres
symbolisé par la migration des apex et les lieux de fortes surfaces d’érosion et de déposition. On
remarque aussi la création ou la disparition d’apex ou de point d’inflexion, ce qui témoigne aussi
d’un fort dynamisme car la rivière va tellement modifier son cours qu’elle va créer plus de sinuosité
ou la réduire.
Le tableau 1 montre les données synthétiques des migrations des méandres sur la partie de l’Ucayali.
Les incertitudes ont été calculés en assumant que chaque pixel de rivière a une incertitude de 33 %.
4.2.
Comparaisons avec les paramètres géométriques
Même si l’étape est nécessaire, la question n’était pas à la base de mettre en évidence
qualitativement et quantitativement les déplacements des méandres du rio Ucayali, mais de mettre
en évidence les corrélations possibles entre la migration des méandres et des paramètres qui peuvent
contrôler cette migration. Seuls les paramètres géométriques ont été disponibles pour ce premier
temps d’étude.
14 | P a g e
5. Discussion
5.1.
4500
Déplacement des apex (m)
La figure 12 met en relation les déplacements en
absolue des apex de chaque méandres avec la
sinuosité de ce méandre. La sinuosité du méandre
étant calculée en faisant le rapport : longueur du
méandre en cours d’eau entre deux points
d’inflexion sur la longueur entre deux points
d’inflexion à vol d’oiseau. Le but de cette relation
étant de voir dans pour quelle sinuosité un
méandre est le plus dynamique. La figure 12
montre des migrations plus importante d’apex
pour de faible sinuosité et pour des fortes
sinuosités, des migrations moins importantes.
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
1
2
3
Fig. 12 : Graphique représentant le déplacement des
apex en fonction de la sinuosité du méandre
Mise en évidence de la migration
La tendance des méandres vers le Nord est tout à fait logique puisque un méandre va évoluer
d’amont en aval lors de sa migration. En revanche la tendance vers l’Ouest n’est pas évidente.
Plusieurs explications peuvent être avancées, mais le manque de donnée fait défaut pour ce premier
temps d’étude. Il serait intéressant de regarder la pente régionale sur ce tronçon de l’Ucayali pour
voir son effet sur la migration. De plus, la localisation moyenne de la rivière par rapport à la largeur
de la plaine alluviale peut mettre en évidence la tendance vers l’Ouest. L’observation de l’Ucayali sur
GoogleEarth™ et de sa zone de divagation montre bien une localisation à l’Ouest de la rivière dans la
plaine alluviale, mais il serait intéressant de quantifier cette localisation.
Plusieurs zones de fortes migrations de méandres ressortent sur le tronçon d’étude de l’Ucayali.
La plus forte se trouve près de la ville de Pucallpa. Les taux d’érosion et de déposition, ainsi que les
distances de migrations y sont les plus importantes. Malgré l’absence de données d’hydrologie, on
peut émettre plusieurs explications à ce phénomène. Tout d’abord, la présence d’un affluent à
l’Ucayali à l’amont de Pucallpa peut faire augmenter le débit, et ainsi augmenter la puissance
hydraulique de la rivière, sans changer la pente du cours d’eau. De plus, la zone près de Pucallpa
présente un méandre abandonné à l’amont. On sait que la rivière allonge sa longueur de rivière lors
de la migration d’un méandre, diminuant la pente de la rivière et ainsi dissipe l’énergie hydraulique
du cours d’eau. Lorsque la rivière trouve un autre chemin par raccourcissement, elle abandonne les
méandres et ainsi augmente la pente de son cours d’eau, augmentant ainsi la puissance hydraulique
de la rivière. Cela entraine de forte migration à l’aval de ce raccourcissement.
5.2.
4
Sinuosité
Comparaisons avec les paramètres géométriques
On peut émettre les mêmes hypothèses pour l’explication de la figure 12. Pour de forte sinuosité, la
migration est plus faible que pour des faibles sinuosités. En augmentant sa sinuosité, la rivière va
dissiper l’énergie en allongeant la longueur de la rivière et en diminuant la pente. La migration va
donc diminuer en fonction de la diminution du débit de la rivière. L’indication en plus, est que pour
de faible sinuosité, la vitesse de migration peut être très forte. Ce qui peut nous renseigner sur la
rapidité d’une rivière à créer des méandres à partir du moment où l’élément déclencheur du
phénomène de méandrisation va transformer la morphologie de la rivière.
15 | P a g e
6. Limites et Perspectives
La mise en évidence qualitative de la migration des méandres est exploitable avec les données
d’images satellites MODIS, mais on peut tout à fait mettre en cause l’aspect quantitatif de la
migration des méandres. En effet, la résolution des images est de 250 mètres par pixel, ce qui fait au
minimum 125 m d’incertitude pour les pixels situés sur les berges de la rivière. Il serait donc très
intéressant de passer à une résolution plus fine qui permettrait de quantifier les surfaces
d’érosion/déposition et les migrations des points caractéristiques des méandres avec des
incertitudes plus faibles. Ceci pour être plus sûr de la véracité de nos résultats et pour approuver
l’utilisation des images MODIS. Parmi les données satellitaires disponibles, les images LANDSAT
permettent d’avoir une résolution plus fine, de 30 mètres. Même si la période de prise de vue n’est
pas assez fréquente, l’utilisation de ces images permettrait de quantifier la migration des méandres
pour les mêmes périodes de prise de vue des images MODIS et de comparer les résultats.
Les paramètres suivant peuvent avoir un impact certain sur la migration des méandres d’après la
bibliographie, tels que la végétation, la puissance hydraulique, la contrainte cisaillante, la turbulence,
la rugosité des bancs, la topographie du lit, la hauteur des berges et les aménagements anthropique.
Mais il est impossible de faire une étude incluant toutes ses variables. Il faut donc prendre en compte
les paramètres les plus faciles à exploiter. Par exemple, d’autres paramètres géométriques seraient
intéressants de calculer pour cette étude, notamment le rapport du rayon de courbure sur la largeur
de la rivière. Le taux de migration serait en effet plus important pour certaines valeurs de ce rapport
(Hickin et Nanson, 1975). Bien évidement, ce rapport est seulement calculable à partir d’images où
la résolution permet de calculer une largeur de rivière assez précise avec peu d’incertitude. Les
images MODIS ne le permettent pas.
Les déplacements des points caractéristiques des méandres ont été représentés en absolue par
rapport aux coordonnées géographiques en admettant que la pente générale du cours d’eau avait
cette direction. Il sera donc intéressant de pouvoir calculer la pente générale de la plaine alluviale
pour pouvoir observer les déplacements relatifs par rapport à ce nouveau référentiel établit par la
direction de plus grandes pente. De plus, le calcul de la pente du lit de la rivière à partir d’un MNT
pourra nous donner d’autres données pour expliquer les zones de plus fortes migrations par la
présence de rupture de pente. De plus, le calcul de la zone de plaine alluviale par MNT pourra être
déterminé plus précisément que l’estimation de la zone de divagation du méandre par simple
observation des images satellites.
La principale méthode dans cette étude est de voir le déplacement des points d’inflexion et d’apex.
Ce suivie peut se faire sur une seule image où les cicatrices d’érosion et de déposition sont encore
présentes près des méandres. Ceci afin de quantifier des déplacements sans la donnée du temps qui
nous permet d’avoir accès aux vitesses de déplacements.
Enfin, le facteur d’échelle est peut être un élément important dans l’observation et l’analyse de la
dynamique des méandres. Il faudra donc voir si ce facteur va influer sur les corrélations entres les
paramètres de contrôle et les paramètres de migration. Ceci sur la rivière Ucayali pour des échelles
plus grandes, mais aussi à des échelles inferieures, avec l’analyse de plus petit rio présent dans le
bassin Amazonien.
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Conclusion
Parmi toutes les méthodes d’analyse de la dynamique des méandres, l’étude s’est portée sur
l’estimation de la migration des points caractéristiques des méandres : les points d’inflexion et des
apex. De plus les calculs de surface d’érosion et de déposition ont été faits pour chaque méandre
entre deux points d’inflexion. Ces données ont confirmées le fort dynamisme du rio Ucayali. Des
zones de plus fortes migrations de méandre sont observées près de la ville de Pucallpa. Les
premières explications avancées ne sont faite qu’à partir de l’observation de la géomorphologie de la
rivière à l’amont de cette région. En effet la présence d’un méandre abandonné et d’un affluent à
l’amont vont faire augmenter l’hydrologie du cours d’eau à l’aval, entrainant des contraintes plus
importantes sur les berges et donc des migrations importantes. Ces hypothèses devront être vérifiées
par les données de débits et de pente.
La première corrélation de la migration des méandres avec le paramètre géométrique de la sinuosité
est prometteuse mais devra être appuyé par d’autres données de corrélation.
L’utilisation du logiciel eCognition™ permet de traiter de nombreuses données d’imagerie satellites.
Toutefois, l’étude repose sur l’utilisation des images MODIS. Malgré la mise en évidence qualitative
des déplacements des méandres sur l’Ucayali, la quantification de ses déplacements devra être
confirmée par l’utilisation d’un autre type d’imagerie satellites. Parmi celle-ci, les images LANDSAT
semble le candidat idéale avec une résolution d’image de 30 mètres. Cette nouvelle étude confirmera
ou infirmera l’utilisation des images MODIS, et permettra ou non d’appliquer cette méthode à
d’autres rivières à méandres, très nombreuses dans le bassin Amazonien.
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Bibliographie :
Brice J.C. Evolution of Meander Loops, Geological Society of America Bulletin, vol. 85. p 581-586,
1974.
Constantine, Examining the physical meaning of the bank erosion coefficient used in meander, 2008.
Daupras F., Quantification des déplacements des rios en Amazonie Péruvienne par une approche
utilisant la télédétection. Etude d’impact de la migration du Rio Ucayali sur la ville de Pucallpa.
Université Joseph Fourrier Grenoble, 60p, 2006.
Espinoza J.C., Fraizy P, Guyot JL, Ordoñez JJ, Pombosa R, Ronchail J. La variabilité des débits du
Rio Amazonas au Pérou. Submitted to IAHS 5th World FRIEND Conference Red Book. La Havana,
Cuba, 2006.
Hickin E.J. et Nanson G.C., The Character of channel migration on the Beatton river, Northeast
British Columbia, Canada, 1975.
Hooke, Spatial variability, mechanisms and propagation of change in an active meandering river,
2006.
Hooke, Complexity, self-organisation and variation in behaviour in meandering rivers, 2007.
Lagasse P, A Methodology and ArcView Tools for Predicting Channel Migration.
Leopold L.B., Wolman M.G. River Meanders. Bulletin of the geological society of America,
vol. 71. p 769-794, 1960.
Molinier M, Guyot J-L, Les régimes hydrologiques de l’Amazone et de ses affluents. L’hydrologie
tropicale : géoscience et outil pour le développement, IAHS Publ. no. 238, 1996.
Nanson G.C., Hickin E.J. A statistical analysis of bank erosion and channel migration in
western Canada, Geological Society of America Bulletin, vol. 97, p 497-504, 1986.
O’Connor, J. E., Jones, M. A., and T. L. Haluska. 2003. Flood plain and channel dynamics of the
Quinault and Queets Rivers, Washington, USA. Geomorphology.
Rapp C.F., Abbe T.B. A framework for delineating channel migration zones. Ecology Final Draft
Publication, 136p, 2003.
Seminara G., Meanders, J. Fluid Mech. , vol. 554, 2006.
http://modis.gsfc.nasa.gov/about/
Site web pour caractéristiques MODIS :
https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products/modis_overview
Manuel d’utilisation du logiciel eCognition.
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