Utilisation de la télédétection pour améliorer la
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1. quivalent en eau du stock pourront ainsi tre d tect es et utilis es pour obtenir de meilleures simulations Il est aussi souhaitable que le d veloppement de mod les aptes utiliser tout le potentiel de la t l d tection soit encourag REMERCIEMENTS Ces travaux ont t r alis s gr ce une subvention du CRSNG Canada portant le num ro A 1806 REFERENCES Bowley C J Barnes J C amp Rango A 1981 Application systems verification and transfert project vol VIII Satellite snow mapping and runoff prediction handbook NASA Tech Pap 1829 Charbonneau R Fortin J P amp Morin G 1977 The CEQUEAU model description and examples of its use in problems related to water resources management Hydrol Sci Bull 22 1 193 202 Lillesand T M Meisner D E LaMois Downs A amp Dewell R L 1982 Use of GOES and TIROS NOAA satellite data for snowcover La pr cision des crues de fonte de neige 623 mapping Photogramm Engng amp Rem Sensing 48 2 251 259 Morin G Fortin J P Lardeau J P Sochanska W amp Paquette S 1981 Mod le CEQUEAU manuel d utilisation INRS Eau Rapp Sci no 93 Rango A 1977 Remote sensing snow monitoring tool for today and tomorrow In Western Snow Conf April 1977 75 81 Rango A editor 1980 Microwave remote sensing of snowpack properties NASA Conference Publ 2153 Rochon G B ni G B Fortin J P amp Dupont J 1983 Carto graphi2. appliquer le mod le au bassin de la Rivi re Eaton qui s tend sur 629 km dans le sud du Qu bec Fig l1 b pour en simuler les d bits en utilisant dans un premier temps uniquement les donn es recueillies aux stations climatologiques Par la suite des modifications ont t apport es tant aux valeurs de certains param tres du mod le qu aux stocks de neige l aide de la t l d tection et des relev s nivom triques pour am liorer la simulation des d bits SIMULATION A PARTIR DES STATIONS CLIMATOLOGIQUES SEULEMENT Nous avons choisi de simuler les d bits des ann es 1974 et 1975 pour lesquelles nous avions les divers types de donn es d sir es en utilisant tout d abord les valeurs des param tres d termin es pr c demment partir de donn es climatologiques et hydrom triques uniquement Morin et al 1981 Ces ann es sont diff rentes l une de l autre On observe quatre crues provenant de la pluie et de la fonte combin es en 1974 et une seule en 1975 due surtout la fonte de neige IL en r sulte un coulement saisonnier deux fois plus lev en 1974 qu en 1975 Tableau 1 En 1974 la simulation des d bits est relativement bonne la crue de mars tant surestim e et la derni re crue d avril sous estim e Fig 2 La lame calcul e ne s carte que de 3 8 de la lame observ e Table 1 la lame observ e est surestim e en f vrier et mars alors qu elle est sous estim e en avril et mai En 1975 la l
3. accurate simulations of snowmelt floods with the CEQUEAU model ABSTRACT Simulations of the 1974 and 1975 snowmelt floods with the CEQUEAU model on a 629 km basin in Quebec show that simulation errors are not only due to models but also to available climatological and snow course data A first simulation based on climatological data alone is characterized by a daily snowmelt slightly too early for both years together with an overestimated snowpack in 1975 The daily snowmelt is first corrected by comparing maps of the water equivalents of the snowpack printed by the model to visually interpreted Landsat or NOAA 4 imagery for specific dates A reduction of the water equivalent of the snowpack using snow course data had to be done only in 1975 just before the beginning of the snowmelt period so as to obtain a better hydrological budget The potential of using remotely sensed data in hydrological modelling is confirmed INTRODUCTION Au Canada l quivalent en eau de chaque chute de neige est g n rale ment obtenu en attribuant une densit constante 100 kg m au Qu bec 613 614 J P Fortin et al FF DR EU a SENS DE L COULEMENT BASSIN VERSANT DE LA RIVIERE EATON STATION M T OROLOGIQUE A STATION HYDROLOGIQUE m STATION NIVOMETRIQUE 10 H 12 13 14 15 16 17 18 74 73 72 e 47 ALTITUDE im 45 qal CHELLE O 20 20 60 80 100
4. 2 D bits observ s et simul s sur la Rivi re Eaton la station 030234 au printemps 1974 Ecart 18 1 20 3 les La pr cision des crues de fonte de neige 617 200 OBSERVATION Hate ESSAI NO ESSAI NO 2 nl ESSAI NO 3 FEVRIER MARS AVRIL Mai ANN E 1975 FIG 3 D bits observ s et simul s sur la Rivi re Eaton la station 030234 au printemps 1975 TABLEAU 2 Equivalents en eau mm aux stations nivom triques en 1975 sur le bassin de la Rivi re Eaton No Nom Altitude Dates m 15 1 19 2 19 3 2 4 16 4 30 4 31 Sawyerville North 220 36 114 155 117 112 O 33 Pine Brook North 465 43 127 196 157 175 43 34 West Ditton 488 48 152 226 178 229 79 35 Bellefeuille 571 46 145 211 173 229 102 36 East Clifton North 450 38 132 132 137 157 O 37 Eaton Second Branch 495 30 127 163 130 175 O 38 Maple Leaf 389 30 102 142 99 114 O 40 Saint Malo 564 25 107 419 124 140 O 100 Bury 335 30 112 185 170 170 O Parmi les causes possibles de cet cart on peut mentionner la surestimation de la hauteur r elle des chutes de neige aux stations climatologiques une densit r elle de la neige fra che inf rieure 100 kg m et la possibilit que la fonte simul e depuis le d but de l hiver soit trop faible laissant un stock de neige trop lev au sol Il faut aussi s interroger sur la pr cision et la repr sentativit des relev s nivom triques La p riode du 15 janvier au 19 f vrier 1975 entr
5. Hydrological Applications of Remote Sensing and Remote Data Transmission Proceedings of the Hamburg Symposium August 1983 IAHS Publ no 145 Utilisation de la t l d tection pour am liorer la pr cision des crues de fonte de neige simul es par le mod le CEQUEAU J P e FORTIN G MORIN W SOCHANSKA amp L POTVIN g INRS Eau CP 7500 Sainte Foy Quebec Canada G1V 4C7 RESUME Des simulations des crues de fonte de neige en 1974 et 1975 avec le mod le CEQUEAU sur un bassin qu b cois de 629 km montrent que les erreurs de simulation ne sont pas seulement imputables aux mod les mais aussi aux donn es climatologiques et nivom triques disponibles Une premi re simulation r alis e uniquement partir de donn es climatologiques met en vidence une fonte l g rement trop h tive au cours des deux ann es et un stock de neige trop important en 1975 La correction de la vitesse de fonte journali re est d abord r alis e en comparant des cartes d quivalents en eau de la neige au sol imprim es par le mod le des images Landsat ou NOAA 4 interpr t es visuellement Une r duction de l quivalent en eau de la neige au sol l aide des relev s nivom triques a d tre effectu e uniquement en 1975 juste avant le d but de la fonte pour am liorer le bilan hydrologique Les r sultats obtenus confirment le potentiel de la t l d tection en mod lisation hydrologique Use of remotely sensed data to produce more
6. QUEAU a orbite 2077 le 30 avril 1975 b equivalent en eau mm de la neige au sol essai 1 c equivalent en eau mm de la neige au sol essai 2 d equivalent en eau mm de la neige au sol essai 3 On note galement une meilleure simulation de l coulement saisonnier de la distribution des lames mensuelles particuli rement en mars et avril Tableau 1 ainsi que de trois des quatre crues d avril Fig 2 En 1975 la carte CEQUEAU du 30 avril Fig 7 c confirme qu il reste manifestement trop de neige sur le bassin par rapport l image NOAA 4 Cette observation est corrobor e par la lame saisonni re 20 3 et sa distribution mensuelle Tableau 1 ainsi que par les d bits journaliers Fig 3 les derni res crues de fonte tant beaucoup trop lev es Toys TCATION DE L EQUIVALENT EN EAU DU STOCK DE NEIGE AU PRINTEMPS Compte tenu des r sultats obtenus en ralentissant la fonte de la 622 J P Fortin et al neige nous avons proc d une simulation suppl mentaire visant illustrer l effet d une diminution du stock de neige sur les d bits simul s et la distribution de la neige au sol le 30 avril Pour ce faire nous avons utilis les donn es nivom triques recueillies les 19 et 20 mars 1975 Tableau 2 juste avant la premi re crue de printemps Rappelons que les valeurs mesur es aux stations 36 et 40 sous estiment probablement le stock de neige pr sent dans le sud du bassin Suite cette r duction
7. ame totale simul e est de 18 1 sup rieure la lame observ e Tableau 1 toutes les crues tant surestim es surtout en avril Fig 3 COMPARAISON DES DONNEES CLIMATOLOGIQUES ET DES DONNEES NIVOMETRIQUES Ce qui ressort le plus de la premi re simulation c est l exc dent 616 J P Fortin et al TABLEAU 1 calcul es Lc mm Essai 1974 Obs No No 2 1975 Obs No l No 2 No 3 Lo LC LG Le Lc LC LG LC LC LC PA A Comparaison des lames mensuelles observees Lo et F v Mars Avril Mai Total saison 34 70 68 30 276 23 132 15 511 38 42 95 93 88 243 70 111 68 492 21 Lo 8 25 25 58 32 53 20 47 19 17 34 82 74 14 277 65 115 47 502 08 Lo 0 12 5 84 1 42 16 68 9 30 10 48 71 97 126 59 60 90 269 94 28 13 71 03 170 62 48 96 318 74 Lo 17 65 0 94 44 03 11 94 48 80 18 45 48 64 160 26 97 37 324 72 Lo 7 97 23 32 33 67 36 47 54 78 18 45 57 18 153 84 45 52 274 99 Lo 7 97 15 69 28 26 14 48 6 06 d coulement qui provient d un stock de neige trop important au moment de la fonte en 1975 Effectivement le 15 janvier 1975 quivalents en eau calcul s en for t par le mod le sur chaque carreau o existe une station nivom trique sont d j nettement sup rieurs aux valeurs observ es dont la moyenne est l g rement inf rieure 40 mm Tableau 2 et Fig 4 a 200 OBSERVATION Sets re ESSAI NO ESSAI NO 2 150 F VRIER MARS ANN E 1974 FIG
8. du stock de neige la distribution spatiale de la neige au sol le 30 avril 1975 s accorde mieux que la pr c dente avec l image NOAA 4 Fig 7 d De m me l cart entre la lame saisonni re calcul e et la lame observ e est r duit de 18 1 2 2 les carts mensuels demeurant toutefois importants Quant aux d bits journaliers calcul s leur am lioration se fait surtout sentir la fin d avril et au d but de mai Fig 3 Compte tenu des dimensions du bassin Fig 7 d et de l chelle des images NOAA 4 utilis e nous consid rons avoir atteint la limite de ce que peut apporter l interpr tation visuelle de ces images Selon nous le contr le de la distribution spatiale de la neige au sol r sultant d une nouvelle r duction du couvert nival n aurait t vraiment possible qu en utilisant des donn es num riques Rochon et al 1983 CONCLUSION Les cartes produites par le mod le CEQUEAU se sont av r es d une grande utilit pour faciliter la comparaison avec l imagerie satellite permettant ainsi d am liorer le calage du mod le et de contr ler l effet de la correction du stock de neige sur les d bits Des recherches devront cependant tre poursuivies tant au niveau de l interpr tation visuelle que du traitement num rique de l imagerie satellite non seulement dans le visible mais aussi dans l infra rouge thermique et les micro ondes D autres caract ristiques du couvert nival la temp rature de surface de la neige et l
9. e deux relev s nivom triques cons cutifs tant caract ris e par des temp ratures froides la fonte est nulle On peut ainsi liminer les causes d erreur attribuables au mod le et s attacher uniquement celles qui sont dues aux donn es Au cours de cette p riode les estimations 618 J P Fortin et al de l augmentation de l quivalent en eau de la neige au sol fournies par les donn es climatologiques diff rent de plus de 20 dans certains cas Fig 4 b de celles des relev s nivom triques Si l on consid re les relev s nivom triques comme repr sentatifs des conditions d enneigement les r sultats des Fig 4 a et b d montrent que les donn es climatologiques peuvent tre responsables d une partie importante des erreurs de simulation et qu il faut par cons quent pouvoir les corriger judicieusement La repr sentativit des relev s de neige n est toutefois pas toujours assur e Ainsi du 19 f vrier au 19 mars 1975 les stations nivom triques 36 et 40 ont un comportement tr s diff rent des autres Fig 4 b Les relev s ces stations ayant effectivement t recueillis le 20 mars la fonte de 10 mm produite du 19 au 20 peut tre responsable d une partie de l cart mais cela ne suffit pas expliquer les diff rences Par ailleurs les valeurs correspondantes provenant du mod le sont elles aussi beaucoup plus lev es que celles des stations 36 et 40 alors qu elles ne s cartent pas de plus de 20 mm des re
10. e du couvert nival l aide de donn es num riques NOAA 6 et application dans le mod le hydrologique CEQUEAU Pr sent au 8e Symposium Canadien de t l d tection Montr al Qu bec 3 6 mai 1983
11. fonte trop rapide dans Pas de neige Neige en for t seulement Neige en for t et en terrain d bois 2 55 16 Equivalent en eau pond r de la neige au sol mm a I0 11 12 13 14 I5 16 17 18 10 I 12 13 14 15 16 17 l8 FIG 5 Distribution de la neige au sol sur le bassin de Rivi re Eaton le 20 avril 1974 selon l image Landsat MSS 5 et le mod le CEQUEAU a Image Landsat CCRS E 1636 15002 5 b essai 1 c essai 2 620 J P Fortin et al a b al FIG 6 Progression de la fonte de neige dans le sud du Qu bec selon les images NOAA 4 des 17 et 22 avril 1975 a orbite 1914 le 17 avril 1975 distorsion g om trique importante b orbite 1977 le 22 avril 1975 a le mod le ou un manque de neige C mme le bilan hydrologique est relativement bon Tableau 1 les renseignements fournis par t l d tection confirment que l on devrait consid rer une r duction de la vitesse de la fonte Bien que la r solution spatiale des images NOAA 4 dans le visible soit beaucoup plus faible que celle des images Landsat une inter pr tation visuelle de ces images a pu tre r alis e en avril 1975 l aide du relief de la r gion Fig l a Le 17 le bassin est encore compl tement couvert de neige Fig 6 a Par ailleurs les Fig 6 b et 7 a nous incitent croire que le 22 la partie inf rieure du bassin est partiellement ou compl tement d gag e de neige et que le 30 seules les par
12. km FIG 1 Le bassin de la Rivi re Eaton a grille CEQUEAU b localisation du bassin et relief du sud du Qu bec 74 FR 72 yie la hauteur correspondante mesur e la table neige Des estimations significativement plus lev es ou plus faibles que les valeurs effectives du stock de neige peuvent s en suivre affectant La pr cision des crues de fonte de neige 615 les r sultats obtenus avec un mod le hydrologique Dans le premier cas le volume d coulement simul est sup rieur au volume observ et les crues ont tendance tre trop faibles au d but de la fonte et trop lev es la fin alors que c est l inverse avec un stock trop faible Pour contr ler ces estimations l av nement de la t l d tection par satellite a permis d avoir acc s un nouveau type de donn es qui peuvent s av rer autant sinon plus utiles que les donn es classiques METHODOLOGIE DE L ETUDE Con u pour tenir compte de la distribution spatiale des pr cipita tions et du bilan hydrologique sur un bassin a l aide d une grille carr e le mod le hydrologique CEQUEAU Charbonneau et al 1977 Morin et al 1981 offre la possibilit de pr senter des cartes de l quivalent en eau du stock de neige sur chacun des carreaux du bassin tudi Fig 1 a Les comparaisons avec des informations spatiales ind pendantes t l d tection relev s nivom triques en sont ainsi facilit es L id e de base de l tude a consist
13. lev s cinq des neuf stations Il importe donc d utiliser les relev s nivom triques avec pr caution en portant une attention particuli re leur repr sentativit spatiale L utilisa tion de donn es compl mentaires s av re par cons quent souhaitable DATE 15 JANVIER 1975 a 27 DU 15 01 75 AU 19 02 1975 b 7 o RELEV S DE NEIGE u E 20 g l20f O MOD LE CEQUEAU ES E z 2 a ui 5 S n amp 80 ee 0 8 2 80 2 o D E Pag s 36 z kos 2 w us F wW w 3g A og gt 25 40 EN a 40 3 7 An DU 19 02 75 g5 d zu AU 19 03 75 w O a gt o jh po T pee ao 31 100 38 36 33 34 37 40 35 31 100 38 36 33 34 37 40 35 STATIONS NIVOM TRIQUES PAR ALTITUDE CROISSANTE STATIONS NIVOM TRIQUES PAR ALTITUDE CROISSANTE FIG 4 Comparaison des quivalents en eau calcul s par le mod le CEQUEAU et des relev s recueillis aux stations nivom triques COMPARAISON ENTRE LES CARTES D EQUIVALENT EN EAU DU STOCK DE NEIGE AU SOL PRODUITES PAR LE MODELE ET LES IMAGES LANDSAT ET NOAA A CORRESPONDANTES Compte tenu des images disponibles nous avons utilis des images des satellites Landsat et NOAA 4 dont les caract ristiques sont abondamment cit es dans la litt rature Rango 1977 Bowley et al 1981 Comme il est encore en 1983 plus facile d avoir acc s des produits photographiques en temps presque r el qu des donn es digitales la cartographie du couvert nival a t r alis e avec des moyens
14. ties les plus lev es en sont encore recouvertes La carte produite par le mod le CEQUEAU pour le 30 avril 1975 Fig 7 b indique pour sa part que la neige a compl tement disparu en terrain d bois mais qu il reste de la neige en for t sur pr s de la moiti du bassin Comme l analyse des donn es de 1974 indique qu il serait souhaitable de retarder la fonte cette constatation sugg re une surestimation du stock de neige en 1975 MODIFICATION DES VALEURS DES PARAMETRES DE FONTE DU MODELE CEQUEAU Des essais ont d abord t r alis s afin d observer l effet d un ralentissement de la fonte estim e par la m thode des degr s jours sur les lames mensuelles les d bits journaliers et la distribution de la neige au sol aux dates d sir es Les meilleurs r sultats ont t obtenus en diminuant les taux de fonte en for t et en terrain d bois respectivement de 3 5 3 0 et de 4 0 3 5 mm C j et en remontant l g rement le seuil de fonte en terrain d bois de 3 C 2 C La carte CEQUEAU produite le 20 avril 1974 Fig 5 c compte maintenant trois zones La distribution spatiale de ces zones correspond beaucoup mieux celles qui sont identifi es sur l image Landsat Fig 5 a La pr cision des crues de fonte de neige 621 IO IT 12 13 14 15 16 17 18 10 11 12 13 14 15 16 17 l8 FIG 7 Distribution de la neige au sol sur le bassin de la Riviere Eaton le 30 avril 1975 selon l image NOAA 4 et le modele CE
15. tr s simples partir de photographies Par ailleurs l interpr tation visuelle de l imagerie satellite dans le cas de la neige est pr f r e par plusieurs au traitement de donn es num riques La pr cision des crues de fonte de neige 619 par ordinateur Rango 1977 Bowley et al 1981 Toutefois un nombre croissant d auteurs utilisent des donn es num riques Lillesand et al 1982 Rochon et al 1983 En 1974 une image Landsat tait disponible le 20 avril au cours de la p riode de fonte intensive A l aide d un r troprojecteur nous avons projet sur une carte du bassin une diapositive couleur bandes 4 5 et 7 l chelle du 1 1 000 000 Nous avons ainsi identifi une zone compl tement d gag e de neige en gris fonc sur la bande MSS 5 la Fig 5 a une zone de transition recouverte de neige en for t seulement en gris plus clair avec des contrastes internes tr s att nu s et enfin une zone avec un couvert de neige en for t et en terrain d bois en blanc Les limites de ces zones sont reproduites sur les cartes d quivalents en eau imprim es par le mod le CEQUEAU dont la pr sentation a t am lior e pour faciliter les comparaisons Fig 5 b et c La carte CEQUEAU de la Fig 5 b ne contient que deux zones la zone compl tement d gag e et la zone partiellement d gag e de neige La superficie couverte de neige est plus faible que sur l image Landsat Cette diff rence peut tre due une
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