Transcript SIG en milieux aquatiques
SIG en milieux aquatiques
IMACOF – mars 2010 Heri ANDRIAMAHEFA
Objectifs
Jour1 AM : Prise en main d’ARCVIEW9 Jour1 PM : Prise en main de SPATIAL ANALYST - les Modèles Numériques de Terrain
Jour2 AM : Prise en main de ARCHYDROTOOLS les Modèles hydrologiques et hydrauliques Jour2 AM : Suite matinée – les modèles morphologiques Jours SUIVANTS : Trois grands axes :
→ Variables morphologiques tracé du réseau théorique, bassin-versant, écoulement → zone inondable potentielle Buffer by rise → Zone d'érosion potentielle
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Projets
Acquisition des données
Vulnérabilité à l'inondation
Vulnérabilité à l'érosion
Production de pollution
Potentialité paysagère (?)
Prise en main d'ARCGIS (Spatial Analyst, ArcHydroTools)
Constitution des bases de données SIG États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Acquisition des données
Digitalisation
→ Occupation des sols, Pédologie, Géologie, Hydrographie, route, pont
Intégration des données
→ MNT, INSEE, Corine,
Création des donnés
→ Pente, hydrographie
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SIG en milieux aquatiques
Rappel Heri ANDRIAMAHEFA
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États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Architecture ARCGIS États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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ArcGIS Extensions classiques
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ArcGIS Extensions classiques États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Échelles et objets géographiques
Taxinomie des entités emboîtées 3 thèmes majeurs
– les structures physiques naturelles, – les structures ou «réponses» biologiques, – les modifications ou «pressions» anthropiques.
3 échelles principales :
– l’échelle macro ou «bassin versant» – l’échelle locale ou «tronçon» – l’échelle ponctuelle ou «habitat»
3 objets géographiques d’intégration
– le bassin versant, unité surfacique ; – le tronçon, unité linéaire.
– l’habitat, unité ponctuelle
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Échelles et objets géographiques États des eaux Zone d'étude 1.4 km!
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Echelles et objets géographiques États des eaux 50cm OrthoPhoto Mis à-jour : mars 2010
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Tronçon
Longueur de rivière considérée comme une et une seule entité hydrologique
• Exemple: une longueur de rivière entre deux confluences • Representé par une polyline dans un "shapefile" ou "couche“ vectorielle
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Lacs
un volume d’eau ayant une surface plane.
• Largeur significative comparée par rapport à la longueur. • Exemples: Lac, étangs, reservoires, estuaires, baies. • Representé par un polygone dans un "shapefile" ou "couche“ vectorielle.
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Réseau hydrographique
Réseau de drainage Representé par une “couche “ vectorielle, comprenant spécifiquement des polylines pour chaque objet. Les tables attributaires donnent les informations cconcernant les liens amont aval de chaque arc.
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Bassin versant
Ligne de crêtes
.
Exutoire Contour fermé topographiquement
• Representé par une couche vectorielle de polygone • Associé à un exutoire
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Sous bassin versant
Différence scalaire Un bassin versant à l’intérieur d’un autre Associé à un exutoire
.
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Bassin versant unitaire
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Zones hydrographiques
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Modèle de données
Système Drainage Réseau Hydro Flux, Débit Temps Series Chrono Caractéristiques Hydro États des eaux Système Vallée Mis à-jour : mars 2010
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Modèle de données
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Spatial Analyst et raster
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Données
MNT / BD Alti (50m*50m)
BD Carthage
BD Hydro
Cartes géologiques
Orthophoto aériennes
Images satellites États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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SIG - Raster
Structure des objets Résolution Nombre de lignes NODATA pixel (X,Y) Nombre de Colomnes États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Modèle Numérique de Terrain (MNT) Digital Elevation Model (DEM)
67 56 49 46 50 53 44 37 38 48 58 55 22 31 24 61 47 21 16 19 53 34 12 11 12 États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Cellule, Pixel, Grid, Grille, Résolution
Taille pixel
67 56 49 46 50 53 44 37 38 48 58 55 22 31 24 61 47 21 16 19 53 34 12 11 12
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(valeur pixel) pixel
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SIG - Raster
Format, Importation, exportation Pentes des versants Contour Aspect Orientation Relief Visibilité Autres méthodes
dz dy dz dx
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atan dz dz / / dx dy
États des eaux
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Standard Slope Function
a d g b e h i c f
États des eaux
dz dx (a 2d g) (c 2f i) 8 * x_mesh_spa cing dz dy (a 2b c) (g 2h i) 8 * y_mesh_sp acing rise run dz dx 2 dz dy 2 deg atan rise run
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2. Calculate the slope at grid cell labeled A using (i) The standard slope function 57 53 53 51 55 55 a 67 d 52 g 58 39 47 b 56
e
h 48 40 38
A
i 48 c 49 f
39
42 38 48 52 37
39
43 40 36 50 54 39 38 53 42 38 38 38 dz dx dz (a 2d g) (c 2f i) 8 * x_mesh_spa (55 2 * 67 52) cing (48 2 * 49 39) 8 * 100 dx dz dx dz dy dz dy 0 .
07 (a 2b c) (g 2h i) 8 * y_mesh_sp acing (55 2 * 47 48) (52 2 * 48 39) 8 * 100 dz dy 0 .
125 0.07 0.125 0 .
07 2 0 .
125 2 0 .
145 atan(0.125/0.07) = 60.75
o + 90 = aspect of 150.75
o
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ARCHYDROTOOLS et TauDEM
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ARCHYDROTOOLS et TauDEM
ARCHYDROTOOLS Pr MAIDMENT http://www.ce.utexas.edu/prof/MAIDMENT/ http://www.crwr.utexas.edu/gis/archydrobook/Archydro.htm
http://www.crwr.utexas.edu/giswr/hydro/ArcHOSS/index.cfm
TauDEM Pr TARBOTON http://www.engineering.usu.edu/cee/faculty/dtarb/ http://hydrology.neng.usu.edu/taudem/ États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Logiciels et extensions
ArcHydroTools États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Modèle de données
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Modèle de données
Graphic courtesy of Maidment et al., ArcHydro team
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Fonctions
Enfoncement, Burning
Fill
Flow Direction
Flow Accumulation
Basin / Drainage / Watershed / Outlet
Stream / Network États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Enfoncement
Burning ou recoditionning États des eaux + = Mis à-jour : mars 2010
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Fill
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La pente (slope) - hydrologique
Méthode de la ligne de la plus grande pente
30 30
67 56 49 67 56 49 52 48 37 52 48 37 58 55 22 58 55 22
Pente: 67 48 30 2 0 .
45 67 52 0 .
50 30
Mis à-jour : mars 2010 États des eaux
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(ii) The 8 direction pour point model 57 53 53 51 55 47 48 48 67 52 58 56
A
49 48 40
39
42 52 40 50 54 37
39
43 39 53 42 38 38 S 56 39 100 2 0 .
1202 55 39 38 38 36 38 38
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Sens d'écoulement États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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FlowDirection
Sens d'écoulement (Dhuit vs. Dinf.) 32 64 128 16 1 8 4 ESRI encodage 2 4 5 3 2 1 6 7 8 Band/GRASS/TARDEM encodage États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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(ii) The 8 direction pour point model 57 53 53 51 55 47 48 48 67 52 58 56
A
49 48 40
39
42 52 40 50 54 37
39
43 39 53 42 38 38 S 56 39 100 2 0 .
1202 55 39 38 38 36 38 38
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FlowDirection
Flow Direction Grid
2 1 128 1 2 2 2 1 1 1
→ Sens d'écoulement (infini)
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5 4
The D
Algorithm
Steepest direction downslope 3 0 2 2 1 1 1 atan e 1 e 0 e 2 e 1 6 7 8 S e 1 e 2 2 e 0 e 1 2 Tarboton, D. G., (1997), "A New Method for the Determination of Flow Directions and Contributing Areas in Grid Digital Elevation Models," Water Resources Research, 33(2): 309-319.) (http://www.engineering.usu.edu/cee/faculty/dtarb/dinf.pdf)
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57 53 53 51 (iii) The D method 55 67 52 58
États des eaux
47 56
A
49 48 40 48 48 52 This does not fit in the triangle so the angle chosen is along the diagonal with slope same as D8, i.e. S 56 39 100 2 0 .
1202 50 54
39
37
39
43 42 40 39 55 39 38 38 36 38 3 2 4 53 0 5 1 42 38 1 2 6 8 7 38 38 1 1 atan atan e 7 e 0 e 8 e 7 48 39 56 48 48 .
3 o S S
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e 7 e 2 48 39 100 2 2 e 0 e 1 2 56 48 100 2 0 .
1204 47
Constitution du réseau
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FlowAccumulation
Détermination des cellules amont 1 1 1 1 1 4 1 1 1 3 1 3 12 2 6 1 3 1 16 25 1 1 2 1 2
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 3 3 3 1 12 2 6 25 16
Surface Drainage > 5 pixels États des eaux Mis à-jour : mars 2010
1 1 2 1 2 49
100 grid cell constant support area threshold stream delineation 1 0 1 Kilometers Constant support area threshold 100 grid cell 9 x 10E4 m^2
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200 grid cell constant support area based stream delineation 1 0 1 Kilometers constant support area threshold 200 grid cell 18 x 10E4 m^2
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Stream Segmentation
1 1 2 1 2 3 3 4 4 4 4 4 3 5 6 6 6 5 5 5
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Delineation of Channel Networks and Subwatersheds États des eaux
500 cell theshold
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1000 cell theshold 53
Quelques variables
Morphologiques
→ Largeur fond de vallée, Trace du fond de vallée → Pente du cours d’eau, pente de la vallée → Sinuosité du cours d’eau, de la vallée
Hydrologiques
→ Indice topographique → Flow path (max)
Zones humides
→ Indice de Kirkby (Wetness Index) → Fill Inverse
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Zone d'inondation potentielle
Elévation du cours d'eau au dessus du fond de vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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1) rivière extract_rawd4 Value
125 - 127 127 - 129 129 - 131 131 - 133 133 - 135 135 - 137 137 - 139 139 - 141 141 - 143 143 - 169
2) MNT 3) Altitude rivière ; si (riv exist,MNT,0)
125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139
4) Allocation euclidienne du 3 (cf diapo suivant) 5) MNT du 2 – Allocation du 4 États des eaux 6) Sélection des pixels < au seuil ex:2 Value
-8 - -2 -2 - 2 2 - 7 7 - 12 12 - 17 17 - 22 22 - 27 27 - 32 32 - 39
Mis à-jour : mars 2010
56 0 1
États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Logiciels et extensions
États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Logiciels et extensions
CRWR PREPRO V.2
Digital Elevation Model Stream Map ArcView-based preprocessor for HEC-Hydrologic Modeling System (HEC-HMS) Control point locations Soil and Land Use Maps HMS Basin File Mis à-jour : mars 2010
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États des eaux
Flow Direction États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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FlowAccumulation
Détermination des cellules amont 1 1 1 1 1
1 1 1
1 1 1 1 4 1 1 3 3 12 2 6 3 1 16 25 1 2 1 2
1 1 1 1 1 1 1 4 3 3 3 1 12 2 6 25 16
Surface Drainage > 5 pixels
1 1 2 1 2
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ARCVIEW et morphologie
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Méthodes - Variables
Les variables calculées
→ 1. Largeur du fond de vallée → 2. Altitudes (amont aval de chaque tronçon) → 3. Distance à la source (PK amont-aval, PK aval amont) → 4. Pente des cours d’eau → 5. Pente vallée → 6 Sinuosité → 7. Rang de cours d’eau (3 méthodes : Strahler, Schreeve, Scheiddegger) → 8. Taille du bassin versant
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Méthodes - Variables
Les variables dérivées
→ 9. Largeur cours d’eau → 10. Rapport Largeur du fond de vallée par Largeur cours d’eau → 11. Q2 Q2 spécifique (débit de fréquence de retour de 2 ans) → 12. Puissance puissance spécifique
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Méthodes – Outils & calculs
Utilisation des programmes SIG spécifiques
→ Basé sur ArcView et Spatial Analyst
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Résultats – Typologie 1
Niveau I : largeur fond de vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 1
Niveau I : largeur fond de vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 1
Niveau I : largeur fond de vallée États des eaux
5 Classes de largeur FdV: 0-500 m 500-1000m 1000-5000m > 5000m
Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 1
Niveau I : largeur fond de vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 1
Niveau I : largeur fond de vallée
Tronçon i+1 Tronçon i Marne : 515 km 170 tronçons 3 km de moyenne
États des eaux Niveau I : SECTORISATION (Unités Spatiales d’Intégration) Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 2
Sinuosité
Longueur développée du cours d’eau = -------------------------------------------------- Longueur développée de la vallée
États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 2
Sinuosité États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 3
Pente de la vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 2
Rang des cours d’eau
→ Strahler → Schreeve → Scheiddegger
Notion de taille de cours d’eau États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 2
Rang des cours d’eau États des eaux Strahler Mis à-jour : mars 2010 Schreeve
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Résultats – Typologie 2
Taille des bassins versants
→ MNT
Largeur estimée du plein bord L pb = 0.4043 T bv ^0.9827
R 2 = 0.86
États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 2
Taille des bassins versants – Largeur estimée TRONCON 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 États des eaux 100 200 300 Largeur estimée Mis à-jour : mars 2010 400
?
500
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600
Résultats – Typologie 2
Largeur estimée États des eaux
5 Classes de largeur : 0-10 m 10-50m 50-100m 100-250m 250-450m
Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 2
Amplitude de divagation 3 Classes d’amplitude : < 5*largeur 5-12*largeur >12*largeur États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Typologie 2
Taille des bassins versants
Débit du plein bord # Q2 Q 2 = 0.6227 T bv ^ 0.698
R 2 = 0.96
Mis à-jour : mars 2010
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États des eaux
Résultats – Typologie 2
Débit de plein bord TRONCON 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 Q2 estimée Mis à-jour : mars 2010 400 États des eaux 500 600
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Résultats – Mobilité 1
Puissance spécifique (W. m-2) = φ*g*Q 2 *Pente / Larg φ est la masse volumique de l’eau (1000 kg.m
-3 ), g l’accélération de la gravité (9.8 m.s
-2 ),
Puissance moyenne Forte > 35 W/m 2 Faible < 35w/m 2 Caractéristique du tronçon
Capacité du chenal à éroder ses berges* Incapacité du chenal à éroder ses berges 1
Score Code couleur États des eaux
5
Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Mobilité 1
Amplitude de divagation : Fond de vallée / Largeur
Amplitude de divagation Caractéristique du tronçon > 20
Très large plaine alluviale
>10 <10
Large plaine alluviale Plaine alluviale restreinte 5 3 1
Score Code couleur États des eaux Mis à-jour : mars 2010
83
Résultats – Mobilité 1
Pente de la vallée
Pente moyenne de vallée Caractéristique du tronçon Score Code couleur États des eaux > 0.5
°% < 0.5
°%
Possède une énergie suffisante pour mobiliser les sédiments Ne possède pas une énergie suffisante pour mobiliser les sédiments 5 1
Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Mobilité 1
Sinuosité
Indice de sinuosité Caractéristique du tronçon X < 1.05
Chenal rectiligne à berges peu cohésives
1.05 < X < 1.5
1.5 < X
Chenal sinueux à berge semi cohésives Chenal rectiligne à berges peu cohésives
Score Code couleur États des eaux
5 3
Mis à-jour : mars 2010
1 85
Résultats – Mobilité 1
Activité potentielle du tronçon Caractéristique du tronçon Actif Moyennement actif Non actif
Fort intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Peu d'intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté > 15 15 > X > 10 < 10
États des eaux Score Code couleur Mis à-jour : mars 2010
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Résultats – Mobilité 1
Intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Peu d'intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Fort intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Morpho écologie
Couplage Pente * Largeur * T ° Eau
→ Zonation Huet (etc.)
Altitude Distance à la source Température de l’air États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Perspectives
Granulométrie Berges Fonds États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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Perspectives
États des eaux Mis à-jour : mars 2010
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