RECONSTRUCTION ET ANALYSE DES HAUTEURS D'EAU HISTORIQUES MESUREES A SAINT-MALO - SAINT-SERVAN DEPUIS 1835

Ce projet de reconstruction de la série marégraphique de Saint-Malo a pour objectif de sauvegarder le patrimoine historique et scientifique que sont les observations passées du niveau de la mer à Saint-Malo. Un important travail de numérisation des données analogiques, conservées en différents endroits, est mis en œuvre. Ce travail, financé principalement par Saint-Malo Agglomération (SMA), s'inscrit dans le cadre d'un Plan d'Action de Prévention des Inondations (PAPI) mis en place par la Communauté de communes de Saint Malo. Le travail a débuté en décembre 2018 pour une durée de trois ans. L'un des axes de ce PAPI d'intention s'intéresse à l'amélioration de la connaissance et de la conscience du risque de submersion avec notamment la reconstruction et le contrôle de la série marégraphique des mesures de hauteur d'eau observées portée par le Shom. La reconstruction marégraphique de Saint-Malo est en réalité une reconstruction de séries composites à partir d'observations faites à Saint-Malo et à Saint-Servan, sites distants d'un kilomètre à peine. Les premières observations ont été faites à Saint-Servan (quartier de Saint-Malo en 1967) en 1835. Des mesures existent aussi pour Saint-Malo, mais de manière beaucoup plus diffuses jusqu'au déploiement en 2003 d'un observatoire marégraphique permanent appartenant au réseau RONIM géré par le Shom.

Contexte

Saint-Malo est située au fond du golfe normand-breton, à l'Ouest de l'angle formé par les côtes de la presqu'île du Cotentin et celles de la Bretagne septentrionale. La cité malouine est particulièrement sujette au phénomène de Vagues-submersion. A la différence d'autres phénomènes météorologiques dangereux, ce phénomène est très localisé et affecte des portions vulnérables de ce littoral dans un contexte particulier (fort coefficient de marée, passage d'une tempête, déferlement des vagues). Le risque lié à cet aléa est d'autant plus important à étudier qu'il tend à s'amplifier dans un contexte de changement climatique affectant le niveau moyen de la mer.

 

Observatoire marégraphique de Saint-Servan (Crédits Shom, R. Kermoal, février 2019)

 

Objectifs de l'étude

• Combler les lacunes en matière de connaissance historique du niveau marin local à Saint-Malo, et caractériser son évolution

• Pérenniser l'ensemble des mesures du niveau marin réalisées à Saint-Malo et Saint-Servan depuis 1835 et constituer une série cohérente de qualité

• Améliorer la connaissance de l'évolution du niveau marin sur le littoral de la Manche, puis intercomparer les résultats avec d'autres séries pluriséculaires du niveau de la mer à l'échelle du littoral européen, voire mondial  Apporter des éléments primordiaux pour l'étude séculaire des niveaux extrêmes grâce à l'étude des surcotes (différence entre les observations du niveau de la mer et les prédictions de marée)

• Alimenter l'ensemble des études de processus et de modélisation hydrodynamique des états de mer (vagues et surcotes). Cette donnée constitue une donnée d'entrée déterminante pour caler les modèles de vagues dans les études au profit de la Vigilance – Vagues – Submersion (VVS). Les événements extrêmes vont pouvoir être rejoués avec les modèles, ce qui permet de mesurer la pertinence de l'outil, c'est-à-dire sa capacité à bien décrire et prédire les événements que l'on cherche à anticiper.

Chaussée du Sillon à St Malo (crédits Shom, fin 2018)

 

Etapes successives nécessaires à la construction de la série marégraphique historique de Saint-Malo

Les étapes nécessaires à la construction d'une série marégraphique sont :

• Inventorier et rechercher des documents existants relatifs à l'observation du niveau marin (marégrammes, registres de marées, métadonnées contextuelles…)
• Dématérialiser les documents (scannage)
• Extraire les données de hauteur d'eau et les métadonnées associées afin de produire une série brute de valeurs numériques (digitalisation)
• Qualifier et valider les données nouvellement digitalisées

Différentes étapes de la reconstruction marégraphique de Saint-Malo – Saint-Servan (Source : Shom)

 

La recherche et l'inventaire des archives marégraphiques

Localisation des archives en lien avec les observations marégraphiques de St Malo (R. Kermoal, 2019)

Une grande partie des archives papiers relatives à l'observatoire de Saint-Malo est conservée au Shom (1835 à 1938) et au barrage de la Rance -EDF (années 1950 / 1960 puis à partir des années 1990). Néanmoins une recherche minutieuse a dû être faite dans d'autres centres d'archives dans le but d'inventorier et d'analyser tous les documents en lien avec la mesure marégraphique à Saint-Malo / Saint-Servan : les archives municipales de Saint-Malo, les archives départementales d'Ille-et-Vilaine à Rennes, les archives du Service Historique de la Défense (SHD) de Brest.

Des documents relatifs aux mesures d'eau ont été trouvés :

• Des observations à l'échelle de marée (marée basse et marée haute) dans les années 1820 / 1830

• Des observations des basses mers et pleines mers dans les années 1950 / 1960 (mesures effectuées par EDF avant la construction du barrage de la Rance en 1966)

• Des marégrammes journaliers provenant du barrage de la Rance (années 1990 principalement)

• Des marégrammes hebdomadaires ou bi hebdomadaires (années 1960 provenant des archives de l'IGN à Saint-Mandé – source EDF)

• Des registres en provenance de la capitainerie du port de St Malo. Il s'agit des journaux des mouvements du port de St Malo de 1945 à 1997 avec la mention de la hauteur des marées annoncée et observée (deux pleines mers quotidiennes)

Au final, la totalité de ces documents permet de couvrir une période longue d'environ 180 ans (de 1835 à aujourd'hui) et de reconstruire pas moins 125 ans de mesures continues du niveau marin à Saint-Malo.

Par ailleurs, l'objectif final du projet étant de reconstituer une série homogène et cohérente de hauteurs d'eau, il est nécessaire de connaître de nombreux éléments avec certitude pour pouvoir mettre en relation des observations faites à des époques différentes par des personnes diverses. Il s'agit entre autre d'identifier avec précision, le plan utilisé comme plan de référence (par ex., le zéro du marégraphe, le zéro hydrographique) lors de l'acquisition des mesures, les caractéristiques de l'observatoire de marée et des marégraphes utilisés alors, le système de temps de l'époque…

Pour obtenir ces informations (les métadonnées), des documents d'origines diverses doivent être dépouillés et analysés : feuilles de contrôle des marégrammes lorsqu'elles existent, notes prises par les observateurs de marées, rapports de nivellements effectués par différentes institutions (Shom, Ponts et Chaussées, IGN), correspondances, gravures, plans et cadastres, …

Plan du marégraphe de Saint-Servan (source : SHD Vincennes - DD_2_2576 Chemise Marégraphe Saint-Servan)

 

Historique des mesures

Les premières observations ponctuelles des marées dans la région de St Malo débutent dans les années 1830. Elles sont alors réalisées à l'aide d'échelles de marée installées à proximité de l'anse de Solidor. Ces observations plus ou moins complètes vont perdurer jusqu'au début des années 1850.

Informations et synthèse des données relatives aux mesures d'eau à Saint-Malo recensées jusqu'à maintenant. Numérisation en cours... (Crédits Shom, R. Kermoal, 2019)

Puis un marégraphe à flotteur de type Chazallon (grand modèle) va être installé en 1850 dans une tour octogonale spécialement construite pour l'occasion par les services hydrauliques de la Marine française dans l'anse de Solidor. Plusieurs observateurs des marées, supervisées par le Shom, se succéderont jusqu'en 1917. Entre 1918 et 1984, les données disponibles deviennent plus rares (17 années seulement avec des données ponctuelles). Durant les années 1950 et 1960 des registres de pleines mers et basses mers ont été retrouvées dans les locaux d'EDF au barrage de la Rance. Les lacunes se poursuivent durant les années 1970-1980. Un premier marégraphe numérique est mis en place en 2003 par le Shom au terminal de Naye à St Malo. Les observations s'y poursuivent encore de nos jours.

Informations et synthèse des données relatives aux mesures d'eau à Saint-Malo recensées jusqu'à maintenant (Romain Kermoal, crédits SHOM, 2019)

Numérisation des marégrammes et des registres de marée

La numérisation des données est un travail long et fastidieux mais essentiel à ce type d'étude car ce n'est qu'une fois converties en format numérique que les données historiques peuvent être analysées et utilisées pour répondre au questionnement scientifique.

Avant l'arrivée des marégraphes numériques, le niveau marin était levé à partir de marégraphes mécaniques et les enregistrements s'effectuaient sur des marégrammes papiers. Afin d'exploiter ces documents anciens, un travail important de scannage doit être fait avant l'extraction du signal.

Le CEREMA a développé un  logiciel en langage Matlab dans le but initial de récupérer de façon semi-automatique des données anciennes de niveaux d'eau (signal marégraphique, de niveau d'eau en général, pluviogrammes, …) et de les rendre disponible/analysable au format numérique. NUNIEAU (NUmérisation des NIveaux d'EAU) est un logiciel de traitement d'image visant à extraire le signal analogique étudié en se basant sur un algorithme de reconnaissance des couleurs. Ce dernier permet de dissocier le signal du fond de plan dès lors que les couleurs diffèrent. En outre, la finalité du traitement étant d'obtenir une série temporelle de hauteur d'eau la plus propre possible, il possède également des outils de calage altimétrique et temporel, et des outils de nettoyage.

Avant de pouvoir utiliser le logiciel NUNIEAU, il est nécessaire de scanner les marégrammes à traiter par la suite. La difficulté de cette tâche réside dans l'état de conservation parfois mauvais des marégrammes à traiter et dans leurs dimensions.

Quels que soient les formats des marégrammes, et par conséquent les appareils à utiliser pour effectuer cette action, il est essentiel d'enregistrer les fichiers numériques en format « .tif »

La définition des images scannées va varier en fonction des dimensions du marégrammes, l'objectif étant d'obtenir un fichier ne dépassant une taille de 50-60 Mo avec la meilleure résolution possible. 300 à 400 dpi est la résolution optimale.

L'extraction du signal marégraphique nécessite plusieurs étapes:

1-         Le renseignement des métadonnées à associer aux mesures de hauteurs d'eau, telles que la date de début des mesures, les caractéristiques de la grille (nombre et valeur des carreaux unitaires selon x et y), commentaires optionnels, … ;

2-         Le calage du marégramme, à la fois en temps et en hauteur, grâce à la définition de points de calages dont les hauteurs et heures sont connues. Le logiciel met à disposition plusieurs outils permettant de vérifier la qualité de ce calage ;

3-         La définition de la couleur à extraire d'après ses composantes de rouge, vert et bleu (valeurs RVB). La bonne définition de ces paramètres est primordiale pour ne pas trop extraire, ou au contraire ne pas assez extraire de pixels ;

4-         Le nettoyage de l'image au cours duquel sont dessinées les zones à garder/exclure lors du traitement. Dans le cas d'un marégramme à courbes multiples, c'est au cours de cette étape qu'est défini le masque d'extraction.

Illustration des étapes à suivre pour digitaliser une courbe de marée avec NUNIEAU.
Les marégrammes de St Malo dans les années 1920 comprennent des courbes sur des périodes d'un mois. Après la définition des points de calage, la numérisation consiste à dessiner les courbes en repassant sur les tracés (une courbe représente une ligne), le signal numérique digitalisé est finalement extrait sous forme de fichier texte.

 

1. 

 

1.1. 

La majorité des données inédites retrouvées provient de la numérisation des mesures horaires à partir des registres de marée. Les registres les plus anciens remontent aux années 1734/1735. Puis les mesures sont assez fréquentes entre la période de 1835 à 1850 (principalement des mesures de pleine mer et de basse mer). D'autres registres ont été retrouvés dans les archives du barrage de la Rance. Ces mesures ont servi lors de l'étude préalable à la construction de l'édifice.

Le marégraphe automatique a débuté les mesures en novembre 1850 et les mesures systématiques du niveau marin commencent en 1851.

La numérisation des données dans un tableur informatique est un travail long et fastidieux mais essentiel à ce type d'étude car ce n'est qu'une fois converties en format numérique que les données historiques peuvent être analysées et utilisées pour répondre au questionnement scientifique. Cela concerne environ 500 000 valeurs horaires saisies ce qui correspond à environ 63 années de mesures (principalement au pas de temps horaire). A noter que la technologie de reconnaissance automatique de caractère n'est pas efficace pour ce genre de documents.

Les registres de marées sont des manuscrits avec une écriture permettant une lecture plus ou moins aisée suivant les observateurs, les hauteurs  horaires de la mer doivent être saisies manuellement. Lors de cette étape, il est possible d'identifier les valeurs aberrantes et/ou potentiellement erronées (erreur de lecture de l'observateur, mauvaise utilisation du matériel de mesure, …) et de les corriger lorsque les métadonnées le permettent.

Des procédures de vérification ont été développées afin d'identifier les erreurs liées à la saisie et/ou les erreurs de retranscription faites par les observateurs de l'époque qui intervenaient surtout lors de l'extraction des hauteurs d'eau des marégrammes. Ces procédures de contrôle des données saisies consistaient à :

• Mettre en forme les cellules du tableau numérique, en temps réel, en leur assignant une couleur dépendante de la valeur de hauteurs d'eau saisie, ce qui facilite l'identification visuelle de variations de hauteurs semblant « anormales » entre des mesures voisines. Les bornes minimale et maximale de l'échelle de couleurs utilisée sont définies pour correspondre aux valeurs inférieures et supérieures respectivement, induisant donc un réajustement régulier. Ainsi, lorsqu'une valeur était incorrectement saisie et aberrante (ex : 1124 au lieu de 124 cm), la mise à jour automatique de l'échelle de couleur permettait de s'en rendre compte immédiatement et de rectifier.

• Utiliser les prédictions de marée extraites des bases de données du Shom. Ces données sont une aide précieuse pour détecter les erreurs de saisie ou les erreurs de l'observateur.

Dès qu'une anomalie était identifiée, une vérification dans le registre papier était réalisée afin d'écarter toute éventuelle erreur liée à une mauvaise saisie, auquel cas l'erreur était immédiatement corrigée.

Tableur de saisies pour la numérisation des registres de marée (Crédits Shom, R. Kermoal, 2019)

 

Validation des données

L'objectif du travail de validation de la donnée est de rendre la série cohérente temporellement et verticalement sur l'ensemble de la période concernée grâce aux informations présentes dans les métadonnées. Il est ainsi nécessaire d'apporter des corrections en effectuant différentes opérations :

• L'homogénéisation temporelle : le système de temps utilisé n'est pas le même en fonction des époques. Historiquement, les mesures étaient réalisées en Temps Solaire Vrai (TSV) puis en Temps Solaire Moyen (TSM) et enfin en Temps Universel Coordonné (UTC). Une conversion dans le système UTC est possible avec « l'équation du temps ». Par la suite, une correction basée sur la différence de longitude entre la position de Saint-Malo et Greenwich a été appliquée pour finalement parvenir à l'UTC. Pour les périodes plus récentes, il a fallu veiller à convertir les heures locales (heures d'été / d'hiver) en UTC lorsque cela était nécessaire.

• L'uniformisation verticale de la série marégraphique : la notion de référence verticale peut également évoluer au cours du temps. Il s'agit de convertir les hauteurs d'eau dans le système métrique et recaler au cours du temps les variations du zéro hydrographique (niveau de référence commun). Il a été choisi d'utiliser le zéro hydrographique défini actuellement à Saint-Malo car ce dernier est extrêmement bien repéré par rapport à d'autres niveaux de référence. Ce travail n'a pu être effectué que pour les périodes pour lesquelles nous connaissions avec certitude le zéro vertical utilisé lors des mesures.

• Vérification des mesures : cette étape est importante en permettant d'identifier certains « pics » pouvant être dû à une erreur lors de la mesure par l'observateur, au dérèglement du marégraphe, à la dérive de l'horloge, à un problème de numérisation…etc.

Qualification des données

Une fois la série rendue cohérente en temps et en hauteur, une dernière phase de vérification est nécessaire pour qualifier la donnée.

Globalement, il est possible de voir que les données de Saint-Servan/Saint-Malo sont de bonne qualité :

• 83,0 % des données sont identifiées comme étant de bonne qualité (étiquette « 1 »).

• 4,5 % des données sont identifiées comme étant de probablement bonne qualité (étiquette « 2 »).

• 1,5 % des données sont identifiées comme potentiellement de mauvaise qualité (étiquette « 3 »).

• 11,0 % des données sont de qualité mauvaise et sont supprimées (étiquette « 4 »). Cette portion est surtout importante à cause de trois périodes ([avant 1850], [1851-1873] et [1946-1954]) avec des données très douteuses et qui sont finalement supprimées de la série finale.

La série reconstruite composite de Saint-Servan/Saint-Malo de 1850 à 2022. Les étiquettes qualité sont indiquées par couleurs : vert claire = étiquette « 1 » correspondant aux données de bonne qualité ; vert foncé : étiquette « 2 » correspondant aux données avec un qualité probablement bonne ; orange : étiquette « 3 » soit les données considérées comme probablement mauvaises. Les données avec l'étiquette « 4 » ou des données de mauvaise qualité sont supprimées de la série validée et ne sont donc pas visibles dans la figure.

 

Exploitation / analyses des résultats

Niveaux moyens mensuels et annuels obtenus à partir de la série reconstruite composite de Saint-Servan/Saint-Malo et historique de la mesure.

 

Une fois la série validée des analyses peuvent être réalisées pour avoir une meilleure connaissance de l'évolution temporelle :

• Du niveau marin moyen à Saint-Malo et des tendances d'évolution estimées en fonction de la période considérée ;

• Des composantes harmoniques ;

• Du marnage en termes d'amplitude et de durée du montant/descendant ;

• Des surcotes et des évènements extrêmes à Saint-Malo.

Pour plus d'informations sur les résultats de cette étude, se référer aux livrables du projet disponibles dans les Références

 

REFERENCES

van den Beld I., Kermoal R., Latapy A., Pouvreau N., Vrignaud C., Michaud H., Fraboul C., 2022. PAPI d'intention Saint-Malo – Axe 1 – Action 1.II – Livrable 3 : Fourniture de la série reconstruite des hauteurs d'eau à Saint-Malo après le contrôle, la validation et la mise en cohérence des données numériques. Shom

Kermoal R., van den Beld I., Latapy A., Pouvreau N., Vrignaud C., Michaud H., Fraboul C., 2021. PAPI d'intention Saint-Malo – Axe 1 – Action 1.II – Livrable 2: Fourniture des images numériques issues du scannage des documents historiques marégraphiques et des données de hauteurs d'eau brutes issues de la digitalisation de ces documents. Shom

Kermoal R., Ferret Y., Pouvreau N., Donato V., 2019. PAPI d'intention Saint-Malo – Axe 1 – Action 1.II – Livrable 1: Bilan des données et métadonnées analogiques présentes dans les archives du Shom, ainsi qu'aux archives départementales d'Ile et Vilaine et des archives municipales de Saint Malo. Shom

Latapy A., van den Beld I., Kermoal R., Giloy N., Fraboul C., Hamdi Y., Migaud A., Bardet L., Pouvreau N., 2022. Long-term sea level observations at Saint-Malo/Saint-Servan (French Brittany coast)- Changes of extreme coastal water levels since the 19^th century. Sea Level Workshop, 1-3 Juin 2022, Brest, France

Latapy A., van den Beld I., Kermoal R., Giloy N., Fraboul C., Hamdi Y., Migaud A., Bardet L., Pouvreau N., 2022. Reconstruction of the historic sea level observations at Saint-Malo/Saint-Servan (French Brittany coast) - Changes of extreme coastal water levels since the 19th century. EVAN 2022, 17-19 Mai 2022, Orlando (Floride), Etats-Unis