Prévoir les inondations à l’aide d’hydrogrammes unitaires

Stowe, une petite ville du Vermont de près de 5 000 habitants, a considérablement souffert lorsque les restes de l’ouragan Irene ont frappé la région des Montagnes Vertes en août 2011. La rivière Little River a débordé et a dévasté les routes, les ponts et les ponceaux. Souhaitant tirer les leçons de cette tragédie, les représentants officiels de la ville de Stowe ont découvert qu’ils ne disposaient que de peu d’informations précieuses permettant de prédire les inondations. Ils ont adopté les hydrogrammes, diagrammes linéaires qui permettent de déterminer la quantité d’eau déversée par un cours d’eau lors de pluies torrentielles. Dans ce tutoriel, vous allez créer ces hydrogrammes.

Ce didacticiel a été testé pour la dernière fois le 23 mars 2023 avec ArcGIS Pro 3.1. Si vous utilisez une version différente de ArcGIS Pro, vous pouvez disposer de fonctionnalités et de résultats différents.

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Prérequis

• ArcGIS Pro (voir les options disponibles pour accéder aux logiciels)
• ArcGIS Spatial Analyst extension

Créer un champ de vitesse

Vous allez commencer par télécharger un bassin versant pour la zone de Stowe, qui vous servira de zone d’étude pour vos analyses ultérieures. Ensuite, vous commencerez à déterminer le temps nécessaire à l’eau pour arriver à une embouchure, ce qui permettra à la ville de mieux prévoir à quel moment se produira une inondation pendant un événement fluviométrique hypothétique. Afin de déterminer le temps nécessaire à l'eau pour arriver à un endroit, vous devez d'abord déterminer la vitesse à laquelle elle s'écoule. Vous calculerez la vitesse de l’eau à l’aide d’un champ de vitesse. Il existe de nombreux types de champs de vitesse, lesquels peuvent être calculés à l'aide d'une grande variété d'équations mathématiques. Vous créerez un champ de vitesse variant dans l'espace, mais non variant dans le temps et le débit. Cela signifie que votre champ de vitesse se base sur les hypothèses suivantes :

• La vitesse est affectée par des composants spatiaux tels que la pente et l'accumulation de flux (variation dans l'espace).
• A un endroit donné, la vitesse ne change pas dans le temps (pas de variation dans l'espace).
• A un endroit donné, la vitesse ne dépend pas du taux d'écoulement de l'eau (pas de variation du débit).

En réalité, la vitesse pourrait varier dans le temps et varierait absolument en débit. Toutefois, incorporer ces variantes nécessiterait des jeux de données supplémentaires qui ne seraient peut-être pas disponibles et qui utiliseraient des techniques de modélisation peut-être impossibles à répliquer dans un environnement SIG. Le champ de vitesse variant dans l'espace et non variant dans le temps et le débit retournera un résultat généralement précis, bien qu'il soit important de garder à l'esprit que toutes les méthodes ne seront qu'une approximation de phénomènes observées.

Télécharger et ouvrir le projet

Tout d’abord, vous allez télécharger les données hydrologiques relatives à Stowe. Ces données seront contenues dans un projet ArcGIS Pro. Les fichiers du projet contiennent également une tâche qui vous présentera le workflow pas-à-pas.

1. Téléchargez le dossier compressé Stowe_Hydrology.
2. Recherchez le fichier téléchargé sur votre ordinateur.

   Remarque :

   Selon votre navigateur Web, vous avez peut-être été invité à choisir l'emplacement du fichier avant de lancer le téléchargement. Par défaut, la plupart des navigateurs téléchargent les fichiers dans le dossier Downloads (Téléchargements) de votre ordinateur.

3. Cliquez avec le bouton droit sur le fichier et extrayez-le vers un emplacement facile à trouver (par exemple, le dossier Documents).
4. Ouvrez le dossier décompressé puis le dossier Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie).

   Le projet contient le fichier de projet Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) de ArcGIS Pro, la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et le dossier Index généré automatiquement. Vous ouvrirez le projet.

5. Si ArcGIS Pro est installé sur votre ordinateur, cliquez deux fois sur Stowe_Hydrology.aprx pour ouvrir le projet. Si vous y êtes invité, connectez-vous via votre compte ArcGIS sous licence.

   Remarque :

   Si vous n’avez pas accès à ArcGIS Pro ou ne disposez pas d’un compte d’organisation ArcGIS, consultez les options disponibles pour accéder aux logiciels.

   

   Le projet contient une carte avec un fond de carte topographique et les couches de données suivantes :

   • Pour_point (Point_écoulement) : une couche d’entités ponctuelles qui décrit l’embouchure en aval de la rivière Little River où vous créerez un hydrogramme unitaire.
   • Stowe_boundary (Stowe_limite) : une couche d’entités surfaciques qui décrit les limites de Stowe, dans le Vermont. Cette couche a été dérivée des données disponibles auprès du Vermont Center for Geographic Information (VCGI).
   • Stowe_watershed (Stowe_bassin_versant) : couche raster qui décrit le bassin versant dans la zone de Stowe. Elle est dérivée d’autres couches incluses dans le paquetage.
   • Stowe_flow_accumulation (Stowe_accumulation_flux) : couche raster qui indique à quel endroit il est le plus probable que l’eau s’accumule. Elle est dérivée d’autres couches incluses dans le paquetage.
   • Stowe_fill_flow_direction (Stowe_direction_flux) : couche raster qui décrit la direction des écoulements d’eau. Elle est dérivée d’autres couches incluses dans le paquetage.
   • Stowe_DEM (Stowe_MNA) : une couche raster qui décrit l’altitude dans la zone d’étude. Elle présente également une résolution de 30 mètres. Elle a été dérivée à partir de données mises à disposition par l’USGS (United States Geological Survey).
   • Stowe_velocity_example (Stowe_vitesse_exemple) : une couche raster qui décrit un champ de vitesse variant dans l’espace et non variant dans le temps et le débit pour la zone d’étude. Vous apprendrez à créer cette couche ultérieurement (cet exemple fait office de support pédagogique). Pour l’instant, vous n’avez pas besoin de cette couche, qui est donc désactivée.

   Bien que ne figurant pas sur la carte, le dossier de projet (Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie)) inclut un fichier texte nommé Stowe_isochrones qui contient des plages de classification pour les zones isochrones que vous créerez dans une leçon ultérieure. La géodatabase du projet (Stowe_Hydrology.gdb) contient plusieurs autres jeux de données supplémentaires qui ont été nécessaires pour créer le couche du bassin versant.

   Remarque :

   Dans ce didacticiel, il est supposé que vous avez déjà délimité le bassin versant pour votre zone d’étude. Pour apprendre à créer les jeux de données du bassin versant, de l’accumulation de flux et de la direction de flux à l’aide du MNE Stowe, essayez le laboratoire ArcGIS Performing Hydrological Analysis Using ArcGIS Pro. La création d’un bassin versant est un prérequis important pour de nombreux processus d’analyse hydrologique.

   Vous ouvrirez ensuite une tâche ArcGIS Pro incluse dans votre projet. La tâche vous guidera à travers le workflow nécessaire pour créer un hydrogramme unitaire.

6. Dans la fenêtre Catalogue, développez le dossier Tâches.

   Remarque :

   Si la fenêtre Catalog (Catalogue) n’est pas ouverte, dans l’onglet View (Vue), dans le groupe Windows (Fenêtres), cliquez sur Catalog Pane (Fenêtre Catalogue).

   

7. Cliquez deux fois sur la tâche Create unit hydrograph at outlet (Créer un hydrogramme unitaire dans l’embouchure).

   La fenêtre Tasks (Tâches) apparaît. Elle contient des tâches pour des parties spécifiques du workflow.

Créer le raster de pente

Les variables principales de l'équation que vous utiliserez pour votre champ de vitesse sont la pente et la surface de captation en amont. Vous disposez déjà d’une couche raster pour la surface de captation en amont : la couche d’accumulation de flux dérivée du MNE Stowe. Ne disposant pas encore de couche de pente, vous en créerez une.

1. Dans la fenêtre Tâches, cliquez deux fois sur la tâche Create a velocity field (Créer un champ de vitesse).

   

   Cette tâche comporte cinq étapes. La première étape ouvre l'outil Pente, qui calcule une couche raster où la valeur de chaque cellule est la pente de cette cellule. La pente est déterminée par le changement d'altitude entre les cellules, ce qui nécessite d'entrer votre couche d’altitude d'origine.

2. Dans Raster en entrée, choisissez Stowe_DEM (Stowe_MNT).
3. Dans Raster en sortie, vérifiez que l'emplacement en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et renommez la sortie Stowe_pente.
4. Dans Mesure en sortie, choisissez Pourcentage d'élévation.

   

   L'option de mesure Pourcentage d'élévation calcule la pente en tant que pourcentage de l'altitude verticale par rapport à l'altitude horizontale, par opposition à une mesure en degrés. Vous laisserez les paramètres restants inchangés. La méthode planaire est adaptée à une utilisation sur des zones locales (zones restreintes telles que ce bassin versant) où les différences de pente entre les méthodes planaires et géodésiques sont minimales. Le facteur Z n'est utilisé que si les unités de mesure de la distance X et Y sont différentes des unités de mesure de la distance Z (hauteur).

5. Cliquez sur Run (Exécuter).

   L'outil s'exécute et un raster de pente est ajouté à la carte.

   

   Les couleurs plus sombres présentent une pente plus inclinée. Les sommets de montagne comportent généralement les pentes les plus inclinées, tandis que le lit du fleuve, autour duquel se situe la ville, présente une pente relativement plate.

Calculer le facteur pente-espace

A présent que vous disposez d'une couche raster pour la pente et l'espace d'accumulation de flux, vous calculerez une nouvelle couche raster combinant les deux. Cette couche indiquera le facteur pente-espace (la valeur s^b A^c issue de l'équation de Maidment et al.). L'étape suivante de la tâche ouvre l'outil Calculatrice raster, qui vous permet de créer des couches raster personnalisées en fonction d'une équation que vous spécifiez.

1. Dans la fenêtre Tasks (Tâches), pour Map Algebra expression (Expression d’algèbre spatial), utilisez Rasters et Tools (Outils) pour créer l’expression suivante :

   SquareRoot("Stowe_slope") * SquareRoot("Stowe_flow_accumulation")

   Conseil :

   Vous pouvez également copier et coller l'expression.

   La raison pour laquelle vous trouvez la racine carrée de la pente et l'accumulation de flux est que vous utilisez les coefficients recommandés (b = c = 0.5) de l'équation de Maidment et al. Un coefficient de 0,5 équivaut à la racine carrée de la valeur.

2. Pour Output raster (Raster en sortie), assurez-vous que la localisation en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et renommez la sortie Stowe_slope_area_term (Facteur_pente_espace_Stowe).

   

   Enfin, vous changerez l'environnement de l'outil de géotraitement de sorte que la couche en sortie soit masquée (ou limitée) par l'étendue du bassin versant de Stowe. Ce faisant, vous pourrez par la suite calculer le facteur pente-espace moyen à travers le bassin versant, qui est un composant clé de votre équation de champ de vitesse.

3. Au-dessus des paramètres d'outil, cliquez sur Environnements. Dans Masque, choisissez Stowe_watershed (Stowe_bassin_versant).

   

4. Cliquez sur Run (Exécuter).

   L’outil s’exécute et la couche est ajoutée à la carte.

   

Calculer le champ de vitesse

Maintenant que vous disposez du facteur pente-espace, vous pouvez calculer un champ de vitesse. Vous utiliserez une méthode de création de champs de vitesse proposée pour la première fois par Maidment et al. (1996).^[1] Dans cette méthode, chaque cellule du champ de vitesse est affectée à une vitesse en fonction de la pente locale et de la surface de captation en amont (le nombre de cellules s’écoulant dans cette cellule, ou accumulation de flux). L'équation suivante est utilisée :

V = Vm * (sbAc) / (sbAcm) (1)

V est la vitesse d’une seule cellule avec une pente locale égale à s et une surface de captation en amont égale à A. Les coefficients b et c peuvent être déterminés par le calibrage, une méthode statistique consistant à ajuster les paramètres de modèle de sorte que les données prédites soient aussi proches que possible des données observées. Dans ce scénario, vous utiliserez la valeur recommandée de la méthode, b = c = 0,5. V_m est la vitesse moyenne de toutes les cellules dans le bassin versant. Vous supposerez une vitesse moyenne de V_m = 0,1 m/s. Enfin, s^b A^c_m est le facteur pente-espace moyen à travers le bassin versant. Pour éviter les résultats anormalement rapides ou lents, vous définirez des limites de vitesse minimale et maximale. La limite inférieure sera de 0,02 mètre par seconde et la limite supérieure de 2 mètres par seconde.

Cette équation n'est qu'une méthode parmi de nombreuses autres permettant de calculer un champ de vitesse et s'accompagne d'hypothèses et de restrictions qui lui sont propres. En outre, ce workflow peut s'avérer complexe car il utilise des équations à plusieurs variables. Au cas où vous auriez des difficultés à terminer ce didacticiel, une copie de sauvegarde du champ de vitesse, nommée Stowe_velocity_example, vous est fournie.

1. Dans la fenêtre Contenu, cliquez avec le bouton droit sur Facteur_pente_espace_Stowe et choisissez Propriétés.

   La fenêtre Propriétés de la couche correspondant à la couche de facteur pente-espace apparaît.

2. Cliquez sur l'onglet Source et développez l'en-tête Statistiques.

   

   La fenêtre répertorie des statistiques importantes concernant la couche, y compris sa moyenne (Moyenne).

3. Copiez la valeur Mean (Moyenne) dans votre presse-papiers et cliquez sur OK pour fermer la fenêtre Layer Properties (Propriétés de la couche).
4. Revenez dans la fenêtre Tasks (Tâches), page 3. Calculer la vitesse.

   L'étape suivante de la tâche utilise également l'outil Calculatrice raster.

5. Pour Expression d’algèbre spatial, créez l'expression suivante :

   0.1 * ("Facteur_pente_espace_Stowe" / [Facteur pente-espace moyen])

   Où [Facteur pente-espace moyen] est la valeur que vous avez copiée à partir de la fenêtre Propriétés de la couche.

6. Pour Output raster (Raster en sortie), assurez-vous que la localisation en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et renommez la sortie Stowe_velocity_unlimited (Stowe_vitesse_illimitée).

   

7. Cliquez sur Run (Exécuter).

   L'outil s'exécute et la couche est ajoutée à la carte. La nouvelle couche ressemble à la couche de facteur pente-espace car elle a été calculée en multipliant les cellules de la couche de facteur pente-espace par des valeurs fixes.

8. Si nécessaire, dans la fenêtre Contenu, développez la symbologie des couches Facteur_pente_espace_Stowe et Stowe_vitesse_illimitée.

   

   Les valeurs de la symbologie de couche confirment que les deux couches sont différentes, même si elles paraissent identiques. (Vos nombres peuvent différer légèrement de ceux présentés dans l’image d’exemple.)

Limiter les vitesses

La couche raster que vous avez créée est un champ de vitesse, mais elle présente des vitesses anormalement élevées et basses. Par exemple, certaines valeurs du champ présentent une vitesse égale à 0 mètre par seconde, ce qui est improbable lors d'un événement pluviométrique extrême. De même, la valeur maximale d'environ 7,5 mètres par seconde n'est pas réaliste, même en cas d'inondation majeure. Vous limiterez les valeurs de vitesse à une limite inférieure de 0,02 mètre par seconde et à une limite supérieure de 2 mètres par seconde.

1. Retournez à la fenêtre Tâches.

   L'étape suivante de la tâche utilise l'outil Con, qui procède à une évaluation conditionnelle des valeurs d'une couche raster en fonction d'une expression que vous spécifiez. Vous commencerez par définir la limite de vitesse inférieure.

2. Pour Raster de condition en entrée, choisissez Stowe_vitesse_illimitée.
3. Pour Expression, créez la clause Where VALUE is greater than or equal to 0.02 (Où VALEUR est supérieure ou égale à 0,02).

   

   Vous ajouterez ensuite la valeur à utiliser pour chaque cellule si la clause est vraie. Puisque vous souhaitez que les valeurs restent les mêmes si elles sont supérieures ou égales à 0,02, vous choisirez la même couche raster comme couche en entrée.

4. Pour Raster ou valeur constante en entrée, choisissez Stowe_vitesse_illimitée.

   Si la clause est fausse pour une cellule (ce qui signifie que la valeur de la cellule est inférieure à 0,02), vous redéfinirez la valeur de la cellule sur 0,02.

5. Pour Raster de valeurs fausses ou valeur constante en entrée, tapez 0,02.
6. Pour Output raster (Raster en sortie), assurez-vous que la localisation en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et renommez la sortie Stowe_velocity_lower_limited (Stowe_vitesse_inférieure_limitée).

   

7. Cliquez sur Run (Exécuter).

   L’outil s’exécute et une nouvelle couche est ajoutée à la carte. La nouvelle couche n'est toutefois qu'une couche intermédiaire, car il vous faut encore ajouter la limite supérieure. La dernière étape de la tâche utilise également l'outil Con.

8. Pour Raster de condition en entrée, choisissez Stowe_vitesse_inférieure_limitée.
9. Pour Expression, ajoutez la clause Where VALUE is less than or equal to 2 (Où VALEUR inférieure ou égale à 2).
10. Pour Raster vrai ou valeur constante en entrée, choisissez Stowe_vitesse_inférieure_limitée. Pour Raster de valeurs fausses ou valeur constante en entrée, tapez 2.
11. Pour Output raster (Raster en sortie), assurez-vous que la localisation en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et renommez la sortie Stowe_velocity (Stowe_vitesse).

    

12. Cliquez sur Finish (Terminer).

    L'outil s'exécute et votre couche de champ de vitesse terminée est ajoutée à la carte.

    

    Dans cette couche, les couleurs plus sombres représentent une vitesse plus lente et les couleurs plus claires une vitesse plus rapide. L'eau tend à s'écouler le plus rapidement dans les cours d'eau, où la quantité maximale d'eau s'est accumulée. La zone avoisinant Stowe ne fait pas exception, ce qui indique que l'eau s'écoulera à la vitesse maximale lorsqu'elle s'achemine vers le point d'embouchure en aval de la ville.

13. Dans la fenêtre Contenu, désactivez les couches suivantes :
    • Stowe_accumulation_flux
    • Stowe_watershed (Stowe_bassin_versant)
    • Stowe_pente
    • Facteur_pente_espace_Stowe
    • Stowe_vitesse_illimitée
    • Stowe_vitesse_inférieure_limitée

    Remarque :

    Réduisez les couches pour qu’elles occupent moins d’espace dans la fenêtre.

14. Enregistrez le projet.

Vous avez déduit un champ de vitesse variant dans l’espace et non variant dans le temps et le débit à partir de couches d’accumulation de flux et de raster de pente. Pour ce faire, vous avez utilisé une formule parmi de nombreuses autres pouvant calculer les champs de vitesse. À présent que vous savez à quelle vitesse l’eau s’écoule à travers Stowe pendant votre événement pluviométrique hypothétique, vous allez déterminer le temps nécessaire à l’eau pour s’écouler vers l’embouchure.

Créer une carte isochrone

Dans la leçon précédente, vous avez utilisé vos couches d’accumulation de flux et de bassin versant pour créer un champ de vitesse prédisant la vitesse de l’écoulement de l’eau à travers Stowe, dans le Vermont. Votre champ de vitesse indiquait que l'eau s'écoulerait le plus vite le long des cours d'eau traversant la ville, mais vous ne pouvez toujours par créer d'hydrogramme unitaire car vous ignorez le temps qui sera nécessaire à l'eau pour s'écouler vers le point d'embouchure. Vous allez ensuite créer une carte isochrone, qui cartographie le temps nécessaire pour arriver à un endroit spécifique à partir de n’importe quel autre endroit dans une zone. Pour créer une carte isochrone, vous créerez d'abord une grille de pondération. Vous évaluerez ensuite le temps nécessaire à l'eau pour arriver à l'embouchure et reclasserez ces délais dans des zones isochrones.

Créer une grille de pondération

La durée de flux se calcule avec une équation relativement simple : la longueur sur laquelle l'eau doit s'écouler divisée par la vitesse à laquelle elle s'écoule. Vous savez à quelle vitesse l'eau s'écoule grâce à votre champ de vitesse, mais vous ignorez la longueur de flux. Pour déterminer la longueur de flux, il vous faut deux variables : la direction de flux (que vous connaissez) et la pondération de flux (que vous ignorez). Par rapport au flux, la pondération représente l'impédance. Par exemple, l'eau s'écoulant à travers une forêt prend plus de temps que l'eau s'écoulant sur de la roche lisse car elle est freinée par le terrain. Bien qu’il puisse sembler difficile de calculer la pondération sans données de MNT détaillées, vous pouvez dériver une équation pour la calculer en fonction des deux équations suivantes permettant d’établir la durée du flux :

Durée du flux [T] = Longueur du flux [L] / Vitesse [LT-1] (1)

Durée du flux [T] = Longueur du flux [L] * Pondération [L-1T] (2)

En combinant ces équations, vous obtenez une nouvelle équation :

Pondération [L-1T] = 1 / Vitesse [LT-1] (3)

Ainsi, vous pouvez déterminer la pondération à l'aide de votre couche de champ de vitesse. Par la suite, vous utiliserez votre couche de grille de pondération de pair avec votre couche de direction de flux pour déterminer la longueur et la durée de flux.

1. Dans la fenêtre Tâches, cliquez deux fois sur la tâche Create an isochrone map (Créer une carte isochrone).

   

   La tâche compte quatre étapes. La première étape ouvre l'outil Calculatrice raster. Vous entrerez l'équation de pondération pour créer une grille de pondération du bassin versant de Stowe.

2. Pour Expression d’algèbre spatial, créez (ou copiez et collez) l'expression suivante :

   1 / "Stowe_velocity"

3. Pour Output raster (Raster en sortie), assurez-vous que la l’emplacement en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et renommez la sortie Stowe_weight (Stowe_pondération).

   

4. Cliquez sur Run (Exécuter).

   L'outil s'exécute et une couche raster de grille de pondération est ajoutée à la carte.

   

   Bien que cette couche ne vous renseigne pas beaucoup en soi, vous pouvez l’utiliser en conjonction avec la couche de direction de flux que vous avez créée auparavant pour déterminer la durée du flux.

5. Dans la fenêtre Contenu, activez Stowe_fill_flow_direction (Stowe_direction_flux_remplissage).

   Cette couche a été créée depuis le MNE Stowe plutôt que le bassin versant. Ainsi, l’étendue de la couche couvre bien plus que votre zone d’intérêt. Vous extrairez une nouvelle version de la couche de direction de flux qui couvre uniquement le bassin versant.

6. Retournez à la fenêtre Tâches.

   L'étape suivante de la tâche utilise l'outil Extraction par masque, qui découpe une couche raster sur une certaine étendue en fonction de l'étendue d'une autre couche.

7. Pour Raster en entrée, choisissez Stowe_fill_flow_direction (Stowe_direction_flux_remplissage). Pour Données raster ou vecteur de masque en entrée, choisissez Stowe_watershed (Stowe_bassin versant).
8. Pour Raster en sortie, assurez-vous que l'emplacement en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et renommez la sortie Stowe_direction_flux_bassin_versant.

   

9. Cliquez sur Run (Exécuter).

   L'outil s'exécute et un raster de direction de flux extrait est ajouté à la carte.

   Remarque :

   La symbologie par défaut de votre couche peut être différente de celle de l’image d’exemple.

   

   A présent que vous avez extrait votre couche de direction de flux, vous n'avez pas besoin d'afficher l'ancienne sur la carte.

10. Dans la fenêtre Contenu, désactivez la couche Stowe_fill_flow_direction (Stowe_direction_flux_remplissage). Retournez ensuite à la fenêtre Tâches.

Evaluation de la durée du flux jusqu'au point d'embouchure

Vous disposez enfin de toutes les couches nécessaires pour déterminer la durée de flux. L'étape suivante de la tâche utilise l'outil Longueur de flux. Cet outil, comme son nom l'indique, calcule normalement la longueur de flux, mais il comporte un paramètre facultatif permettant d'inclure un raster de pondération. Lorsqu'un raster de pondération est inclus, l'outil calcule la durée de flux à la place.

1. Pour Raster de direction de flux en entrée, choisissez Stowe_direction_flux_bassin_versant.
2. Pour Output raster, assurez-vous que l'emplacement en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et renommez la sortie Stowe_durée.
3. Pour Direction de mesure, assurez-vous que En aval est sélectionné.
4. Pour Raster de pondération en entrée, choisissez Stowe_pondération.

   

5. Cliquez sur Run (Exécuter).

   L'outil s'exécute et un raster représentant la durée de flux jusqu'à l'embouchure est ajouté à la carte.

   

   Chaque cellule de ce raster contient une valeur représentant le temps en secondes nécessaire à l'eau pour s'écouler jusqu'à l'embouchure à partir de la cellule. Les couleurs plus sombres représentent des temps de flux plus courts. L'eau prend le moins de temps pour s'écouler des lits de fleuve de basse altitude les plus proches de l'embouchure, tandis que l'eau plongeant dans les montagnes occidentales prend plus de temps.

6. Si nécessaire, dans la fenêtre Contenu, développez la symbologie de la couche Stowe_durée.

   

   Le temps nécessaire à l’eau pour s’écouler jusqu’à l’embouchure est compris entre 0 seconde (pluie tombant sur l’embouchure elle-même) et environ 50 000 secondes, c’est-à-dire approximativement 14 heures ! (Vos temps peuvent varier.)

Reclasser la durée de flux en zones isochrones

Votre couche raster de durée de flux contient un nombre extrêmement élevé de valeurs uniques, ce qui rendra les analyses suivantes compliquées et lourdes. Pour faciliter les choses, vous reclasserez la couche de durée de flux en zones isochrones.

Une isochrone est une isoligne qui passe par des points ayant un temps de trajet à peu près égal jusqu'à l'embouchure du bassin versant. Vous définirez des isochrones à des intervalles de temps égaux de 1 800 secondes (soit 30 minutes). Pour les zones plus grandes, les isochrones peuvent utiliser différents intervalles mais, pour le bassin versant de Stowe, cet intervalle de temps doit être approprié. Avec cet intervalle de temps, chaque cellule dans la première zone isochrone nécessitera environ 1 800 secondes pour arriver à l'embouchure, chaque cellule dans la seconde zone isochrone nécessitera environ 3 600 secondes, et ainsi de suite. Vous utiliserez par la suite ces intervalles de temps comme ordonnée de votre hydrogramme unitaire.

L'étape suivante de la tâche ouvre l'outil Reclassification. Vous utiliserez cet outil pour classer les valeurs de durée de flux comprises entre une plage spécifique de valeurs (par exemple, 0 et 1 800 ou 1 800 à 3 600) dans la limite supérieure de la plage. Ainsi, une valeur égale à 907 serait reclassée comme égale à 1 800, tandis qu'une valeur égale à 2 145 serait reclassée comme égale à 3 600.

1. Retournez à la fenêtre Tâches. Pour Raster en entrée, choisissez Stowe_durée.

   Vous entrerez ensuite les valeurs de reclassification. Puisque les durées figurant dans votre couche de durée de flux sont comprises entre 0 et environ 50 000 secondes, vous devrez fournir des intervalles de reclassification qui couvrent toutes les valeurs. Bien qu'il soit possible d'entrer manuellement les intervalles, le processus peut être fastidieux. Dans ce didacticiel, vous chargerez une table contenant déjà les intervalles de temps du bassin versant de Stowe. Cette table a été incluse au projet lorsque vous l'avez téléchargée dans une leçon précédente.

2. Pour Reclassification, sous la table vide, cliquez sur le bouton Charger la classification à partir de la table (icône de dossier de fichiers).
3. Dans la fenêtre Load Remap (Charger la classification), accédez au dossier Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) (cliquez sur Project (Projet), ouvrez Folders (Dossiers), puis Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie)). Cliquez deux fois sur le fichier Stowe_isochrones.txt pour le choisir.

   Remarque :

   Si la fenêtre Confirmer le remplacement apparaît, cliquez sur Oui.

   Les valeurs de reclassification de la table sont automatiquement chargées dans l'outil. Il existe 30 isochrones au total.

4. Pour Output raster, assurez-vous que l’emplacement en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology (Stowe_Hydrologie) et renommez la sortie Stowe_isochrones.

   

   Puisque la table que vous avez chargée reclasse les valeurs dans l'intégralité de la plage de valeurs de la couche de durée de flux, il n'est pas nécessaire de cocher la case Remplacer les valeurs manquantes par NoData.

5. Cliquez sur Finish (Terminer).

   L'outil s'exécute et la couche isochrone est ajoutée à la carte.

   

   La symbologie par défaut de la couche ne vous renseigne pas beaucoup car les 30 plages isochrones de la table que vous avez utilisée ont été symbolisées avec uniquement 9 symboles différents. Vous remplacerez la symbologie par une combinaison de couleurs continue, qui affichera toutes les 30 isochrones avec une couleur différente.

6. Dans la fenêtre Contenu, cliquez avec le bouton droit sur Stowe_isochrones et choisissez Symbologie.

   La fenêtre Symbology (Symbologie) apparaît. Vous symboliserez la couche avec des symboles uniques sur une combinaison de couleurs noir vers blanc.

7. Pour Primary Symbology (Symbologie principale), choisissez Unique Values (Valeurs uniques). Pour Combinaison de couleurs, choisissez la combinaison de couleurs Black to White (Noir vers blanc).

   

   La symbologie de la couche est automatiquement mise à jour sur la carte.

   

   Avec cette symbologie, il est plus facile de choisir les isochrones spécifiques.

   Conseil :

   Lorsque chaque valeur unique est symbolisée, la symbologie dans la fenêtre Contenu occupe beaucoup d'espace. Vous pouvez réduire la symbologie de la couche et de n'importe quelle autre couche pour afficher plus de couches dans la fenêtre.

8. Fermez la fenêtre Symbology (Symbologie).

   Vous ouvrirez ensuite la table attributaire de la couche pour voir combien de cellules ont été classées dans chaque isochrone et pour sélectionner des isochrones spécifiques à examiner de plus près.

9. Dans la fenêtre Contenu, cliquez avec le bouton droit sur Stowe_isochrones et choisissez Table attributaire.

   La table apparaît. Elle indique la valeur et le nombre de cellules pour chaque isochrone.

10. Si nécessaire, déplacez ou redimensionnez la table attributaire de sorte que la couche Stowe_isochrones soit intégralement visible sur la carte.
11. Cochez la case située à gauche de la première ligne dans la table attributaire.

    

    La ligne de la table est sélectionnée. L'isochrone correspondante est également sélectionnée sur la carte.

    

    Comme vous vous y attendiez probablement, la première isochrone est constituée du lit de fleuve le plus près de l'embouchure. En fonction des valeurs de la table, seules 600 cellules environ figurent dans la première isochrone, ce qui représente l’eau qui arrive à l’embouchure dans un délai de 1 800 secondes (30 minutes). Les autres isochrones comportent beaucoup plus de cellules, ce qui signifie que, par rapport au tout début de l'événement, beaucoup plus d'eau atteindra le point d'embouchure plusieurs heures après un événement pluviométrique.

12. Sélectionnez certaines des autres lignes de la table attributaire. En particulier, sélectionnez certaines des isochrones présentant le nombre de cellules le plus élevé.

    Les isochrones plus grandes incluent souvent des cellules issues de zones de tout le bassin versant, qui se précipitent vers l'embouchure à peu près au même moment.

13. Lorsque vous avez terminé d'explorer la carte isochrone, fermez la table attributaire. Dans l'onglet Carte, dans le groupe Sélection, cliquez sur le bouton Effacer.

    

    Les sélectionnées que vous avez effectuées sont effacées.

14. Dans la fenêtre Contenu, désactivez les couches suivantes :
    • Stowe_vitesse
    • Stowe_pondération
    • Stowe_direction_flux_bassin_versant
    • Stowe_durée
15. Enregistrez le projet.

Vous avez utilisé votre couche raster de champ de vitesse pour créer une grille de pondération. Cette grille de pondération représentait l'impédance jusqu'à l'écoulement vers le bas et vous a permis de créer une couche raster de durée de flux. Vous avez également reclassé les durées de flux en isochrones ayant un intervalle de temps égal de 1 800 secondes. Vous allez ensuite convertir votre carte isochrone en table. Vous utiliserez cette table pour développer une relation durée-débit à l'embouchure pour les précipitations en excès se produisant de manière uniforme, sur tout le bassin versant, à des intervalles de 1 800 secondes. Enfin, vous tracerez cette relation pour créer votre hydrogramme unitaire.

Créer un hydrogramme unitaire

Dans la leçon précédente, vous avez créé une carte isochrone pour la surface du bassin versant. Vous allez ensuite convertir la carte isochrone en une table affichant les relations entre l’heure et la surface d’eau s’écoulant dans l’embouchure. Vous utiliserez ensuite cette table pour tracer un hydrogramme unitaire affichant les heures auxquelles le plus d'eau s'écoule dans l'embouchure et permettant ainsi de mieux prédire les inondations lors d'événements pluviométriques futurs.

Préparer la table de l'hydrogramme unitaire

Pour créer un hydrogramme unitaire, vous commencerez par dériver une table autonome à partir de la table attributaire de votre carte isochrone. La table attributaire mesure actuellement la surface de chaque isochrone en nombre de cellules et vous convertirez donc également la surface en unités métriques.

1. Dans la fenêtre Tâches, cliquez deux fois sur la tâche Create a unit hydrograph (Créer un hydrogramme unitaire).

   

   La tâche comporte cinq étapes. La première étape ouvre l’outil Exporter la table, qui peut exporter une table attributaire en tant que table autonome stockée dans une géodatabase.

2. Pour Input Table (Table en entrée), choisissez Stowe_isochrones.
3. Pour Output Table (Table en sortie), assurez-vous que l’emplacement en sortie est la géodatabase Stowe_Hydrology et renommez la sortie Stowe_isochrones_table (Stowe_table_isochrones).

   

4. Cliquez sur Run (Exécuter).

   L'outil s'exécute et une nouvelle table est ajoutée à la fenêtre Contenu. Cette table est actuellement identique à la table attributaire de la couche Stowe_isochrones. Cette table contient des champs pour les deux ensembles de valeurs nécessaires à la création d'un hydrogramme unitaire (heure et surface de drainage par heure), mais la surface de drainage est mesurée en cellules et non pas en unités métriques. L'étape suivante de la tâche ouvre l'outil Ajouter un champ, que vous utiliserez pour ajouter un nouveau champ à la table afin de calculer la surface en mètres carrés.

5. Dans Table en entrée, choisissez Stowe_isochrones_table (Stowe_table_isochrones).
6. Dans Nom du champ, tapez Mètres_surface. Dans Type de champ, choisissez Double.

   Le type de champ Double peut stocker des valeurs ayant de nombreuses décimales. Avec ce format, vos valeurs de surface seront plus précises. Les deux paramètres suivants, Précision de champ et Echelle de champ, vous permettent de limiter le nombre de chiffres et de décimales dans le champ et vous laisserez donc ces paramètres vides.

7. Dans Field Alias (Alias du champ), tapez Area (Sq. Meters) (Surface [mètres carrés]).

   

   Les paramètres restants fournissent d'autres options pour les champs. Puisque vous travaillez sur un champ de surface simple, ces paramètres n'ont pas d'importance et peuvent être ignorés.

8. Cliquez sur Run (Exécuter).

   L'outil s'exécute et un nouveau champ est ajouté à votre table autonome. Vous ouvrirez la table pour vous assurer que le champ a correctement été ajouté.

9. Dans la fenêtre Contenu, cliquez avec le bouton droit sur Stowe_isochrones_table (Stowe_table_isochrones) (en bas de la liste des couches) et choisissez Ouvrir.

   La table apparaît.

   

   Le champ a été correctement ajouté avec l'alias de champ que vous avez spécifié. Mais le champ ne contient actuellement aucune valeur.

10. Fermez la table. Retournez à la fenêtre Tâches.

    L'étape suivante de la tâche ouvre l'outil Calculer un champ. Vous utilisez cet outil pour calculer la surface en mètres carrés de chaque isochrone. Lorsque vous avez ouvert le projet pour la première fois dans une leçon précédente, il vous a été indiqué que votre couche Stowe_DEM (Stowe_MNT) d’origine avait une taille de cellule de 30 mètres, à savoir que chaque cellule comportait une surface de 30 mètres par 30 mètres. Parce que toutes vos couches ultérieures reposaient d'une certaine façon sur la couche MNA, elles présentent la même taille de cellule. Cela signifie que vous pouvez calculer la surface en multipliant le champ Total de votre table par les dimensions d'une seule cellule.

11. Dans Table en entrée, choisissez Stowe_isochrones_table (Stowe_table_isochrones). Pour Field Name (Nom du champ), choisissez Area (Sq. Meters) (Surface [mètres carrés]) et pour Expression Type (Type d’expression), choisissez Python 3.
12. Dans Expression, créez l’expression !Count! * 30 * 30.

    

13. Cliquez sur Run (Exécuter).

    L’outil s’exécute et le champ est calculé. Si vous le souhaitez, vous pouvez vérifier la table pour vous assurer que les valeurs ont été correctement calculées. L'étape suivante de la tâche rouvre l'outil Ajouter un champ. Il vous reste encore un champ à ajouter à la table, bien qu'il soit basé sur les champs existants de la table. Ce champ contiendra l'ordonnée de l'hydrogramme unitaire, qui affiche le débit par heure à l'embouchure.

    Si vous aviez créé un diagramme affichant l'heure sur un axe et l'espace de drainage sur un autre axe, vous sauriez uniquement quelle quantité d'eau atteint l'embouchure sur des périodes de 1 800 secondes (ou 30 minutes). Cet intervalle permettait de classer le nombre élevé de valeurs uniques de la couche de durée de flux d’origine dans 30 valeurs uniques plus faciles à gérer. Cependant, dans une situation d’urgence hypothétique, 30 minutes peuvent faire la différence entre la vie et la mort. Les autorités municipales de Stowe auront besoin d'une période plus précise en fonction de laquelle planifier. Votre nouveau champ estimera la quantité d'eau atteignant l'embouchure chaque seconde.

    L'ordonnée de l'hydrogramme unitaire, U_i, à l'heure iΔt, où i = 1,2,….n, est fournie par la pente du //diagramme d'espace d'heure cumulée sur l'intervalle [(i - 1)Δt,iΔt]. Ceci est fourni par l'équation suivante :

    Ui = U(i∆t) = (A(i∆t) - A[(i - 1)∆t]) / ∆t (1)

    • où :
      • A(t) est l'espace de drainage cumulé qui s'écoule vers l'embouchure dans le laps de temps t depuis le début des précipitations.

    L'équation (1) peut être réécrite comme suit :

    Ui = Ai / ∆t (2)

    • où :
      • Ai est l'espace de drainage incrémentiel de la zone isochrone i.
14. Configurez l'outil avec les paramètres que vous avez utilisés dans la deuxième étape de la tâche, mais nommez le champ ordonnée_UH et attribuez-lui l'alias Ordonnée de l'hydrogramme unitaire.

    

15. Cliquez sur Run (Exécuter).

    L'outil s'exécute et le champ est ajouté à la table. Comme précédemment, vous calculerez le champ. L'étape suivante de la tâche rouvre l'outil Calculer un champ. Vous diviserez l'espace de drainage par l'intervalle de temps (1 800) pour calculer l'espace par seconde.

16. Dans Table en entrée, choisissez Stowe_isochrones_table (Stowe_table_isochrones). Pour Field Name (Nom du champ), choisissez Unit Hydrograph Ordinate (Ordonnée de l’hydrogramme unitaire) et remplacez la valeur de Expression Type (Type d’expression) par Python 3.
17. Dans Expression, créez l’expression !Area_meters! / 1800.

    

18. Cliquez sur Finish (Terminer).

    L’outil s’exécute et le champ est calculé.

19. Ouvrez la table pour confirmer le calcul. Lorsque vous avez terminé, fermez la table.

Tracer l'hydrogramme unitaire

Dans ArcGIS Pro, vous pouvez créer un diagramme à partir de n’importe quelle table autonome. Vous utilisez cette fonctionnalité pour créer un hydrogramme unitaire à partir du champ d'ordonnée de votre table.

1. Dans la fenêtre Contenu, cliquez une fois sur la table Stowe_isochrones_table (Stowe_table_isochrones) pour la sélectionner.

   Sélectionner la table a pour effet d'ajouter un onglet contextuel au ruban. Cet onglet inclut des options spécifiques aux tables autonomes.

2. Sur le ruban, cliquez sur l’onglet Standalone Table (Table autonome). Dans le groupe Visualize (Visualiser), cliquez sur Créer un diagramme et choisissez Line Chart (Diagramme linéaire).

   

   La fenêtre Chart Properties (Propriétés du diagramme) s’ouvre, ainsi qu’un diagramme vide.

3. Dans la fenêtre Chart Properties (Propriétés du diagramme), dans l’onglet Data (Données), pour Date or Number (Date ou nombre), choisissez Value (Valeur).

   Lorsque vous changez le paramètre, la fenêtre se met automatiquement à jour avec un exemple de diagramme. Le champ Valeur est l'axe X et le champ COUNT est automatiquement fourni comme axe Y. Vous souhaitez que votre diagramme affiche l’ordonnée de l’hydrogramme unitaire à la place du nombre de cellules.

4. Dans la fenêtre Chart Properties (Propriétés du diagramme), pour Aggregation (Agrégation), choisissez <none> (<aucun>).

   

5. Pour Numeric field(s) (Champ[s] numérique[s]), cliquez sur Select (Sélectionner). Cochez la case Unit Hydrograph Ordinate (Ordonnée de l’hydrogramme unitaire) et cliquez sur Apply (Appliquer).

   

   Vous changerez ensuite les étiquettes du titre et des axes de votre diagramme pour mieux expliquer ce qu'il représente.

6. Dans la fenêtre Chart Properties (Propriétés du diagramme), cliquez sur l’onglet General (Général).
7. Dans Titre du diagramme, tapez Hydrogramme unitaire au point d'embouchure.
8. Dans Titre de l'axe des x, tapez Durée (secondes). Dans Titre de l'axe des y, tapez Débit à l'embouchure par unité de précipitations en excès (mètres carrés par seconde).

   Le diagramme de la fenêtre se met automatiquement à jour avec les nouveaux titres. Votre hydrogramme unitaire pour l'embouchure est à présent terminé.

   

   Remarque :

   Les incréments figurant sur les axes de votre hydrogramme unitaire, ainsi que la taille de l'hydrogramme unitaire, dépendent de la taille de la fenêtre.

9. Enregistrez le projet.

Vous avez converti vos zones isochrones en une table. Vous avez également ajouté des champs à la table afin de calculer la surface de drainage de l’eau de chaque isochrone en mètres carrés et de déterminer l’ordonnée de l’hydrogramme unitaire. Enfin, vous avez utilisé votre table pour créer un hydrogramme unitaire qui indique à quel moment le débit d'eau dans l'embouchure est à son maximum pendant un événement pluviométrique prévu. Vos résultats aideront les responsables de Stowe d'effectuer les préparatifs aux inondations futures et d'y répondre plus efficacement.

Vous trouverez d’autres didacticiels dans la bibliothèque des didacticiels.

Crédits

• La couche Pour_point (Point_écoulement) a été créée par l’auteur du didacticiel. Aucune limite d’utilisation.
• La couche Stowe_boundary (Stowe_limite) est dérivée du jeu de données VT Data - Town Boundaries créé par le Vermont Center for Geographic Information (VCGI). Consultez la page VT Open Geodata Policy pour prendre connaissance des conditions d’utilisation.
• La couche Stowe_DEM (Stowe_MNE) est dérivée du jeu de données National Elevation Dataset créé par l’USGS (United States Geological Survey. Les données et informations créées ou produites par l’USGS sont considérées comme faisant partie du domaine public aux États-Unis.
• La couche Stowe_surface_water (Stowe_eau_surface) est dérivée du jeu de données NHD Plus Version 2 créé par l’USGS. Les données et informations créées ou produites par l’USGS sont considérées comme faisant partie du domaine public aux États-Unis.
• Tous les autres jeux de données inclus dans le paquetage de projet sont dérivés des jeux de données énumérés ci-dessus et créés par l’auteur de ce didacticiel.
• L’image de la fiche vient de Kelly M. Grow pour le Département des ressources hydriques de Californie sur Wikimedia Commons.