Reconstruction et analyse des hauteurs d'eau historiques mesurées à Socoa Saint-Jean-de-Luz depuis 1875

 

Contexte

Le projet EZPONDA s'intéresse à la connaissance fine du mécanisme d'érosion sur la côte Basque et à l'émergence de solutions spécifiques. Une des actions porte sur la caractérisation de l'évolution des niveaux d'eau à la côte depuis le 19ème siècle en réalisant la reconstruction de la série marégraphique historique des mesures de hauteurs d'eau observées à Socoa (1875-2001) afin d'obtenir une longue série temporelle de mesures fiable. Ce projet de recherche est financé par le Fond Européen Régional (FEDER) et piloté par la Communauté d'Agglomération Pays Basque avec le soutien du GIS Littoral Basque.

Contributeurs financiers du programme EZPONDA - FEDER

Le travail de reconstruction des mesures historiques marégraphiques est primordiale pour plusieurs besoins, tels que l'étude de l'évolution du niveau de la mer à l'échelle séculaire et la gestion du risque de submersion des zones côtières. De plus, les mesures historiques peuvent améliorer les prédictions de marée car elles couvrent une période de plusieurs dizaines ou centaines d'années.

 

Le marégraphe de Socoa (Saint-Jean-de-Luz)

Le Service des Ponts et Chaussées de Bayonne, sur demande du Service de la Marine de Rochefort, a construit un marégraphe à l'extrémité de la digue nord du port de Socoa (St-Jean-de-Luz, Pays Basque) en 1874/1875 (Figure 1). L'appareil installé dans le bâtiment au fond de la digue en face du fort de Socoa était un marégraphe à flotteur. Cet appareil a mesuré le niveau de la mer pour le compte du Service hydrographique de la Marine (actuel Shom) jusqu'au début des années 1920, époque où l'observatoire est démantelé (Cote 4S 333, liasse 3, AD44).

En 1950, un marégraphe à flotteur Brillie est déployé par le Service Maritime des Pont et Chaussées de Bayonne dont la maintenance est ensuite assurée par la Direction Départementale de l'Equipement (DDE). Ce marégraphe fonctionnera jusqu'en 2004, date de son remplacement par un marégraphe côtier numérique (MCN) radar et son intégration dans le réseau marégraphique RONIM géré par le Shom.

Le zéro de l'échelle du marégraphe est établi en 1875 par rapport et est rapporté au zéro de nivellement terrestre Bourdaloue (cote - 2,657 m) (source : note du Comité du Nivellement général de la France sur les marégraphes françaises, daté le 3 décembre 1882 ; AD-64 - Pau - 4S art. 33). Par la suite, l'IGN a redéfinie le zéro de l'échelle à - 2,178 m NGF (source : correspondance du Pont & Chaussées à Bayonne au Service Hydrographique de la Marine à Paris, daté le 9 octobre 1968 ; Service Historique de la Défense de Brest - MB3W).

 

Figure 1. Dessins du marégraphe du Socoa daté de 19 mars 1881 pour les travaux du marégraphe de Socoa : A) Le plan du marégraphe, B) coupe transversale, et C) coupe longitudinale. (Sources : 4 S art. 33 Ports et Transport Maritimes (bat. 1, niv. 4. 1/2. 63, tr. 5, ta. 4) AD 64 - Pau avec l'aide de l'association Basque Itsas Begia)

 

Reconstruction de la série marégraphique de Socoa

La reconstruction d'une série marégraphiques ou la transformation des mesures marégraphiques en format papier au format numérique se décompose en quatre étapes : i) la recherche des mesures ou tout document en lien avec les mesures de hauteurs d'eau, ii) la dématérialisation de ces dernières (scan ou photographie, iii) l'extraction des mesures de hauteur d'eau en format numérique, iv) la validation des données nouvellement numérisées.

 

Recherche et inventaire des données

Pour l'occasion, l'inventaire connu des mesures marégraphiques historiques a été enrichi. Des documents liés au marégraphe de Socoa ont été retrouvés aux archives du Shom, aux Archives Départementales de Pyrénées-Atlantiques (AD64) à Bayonne et à Pau, aux archives du Service Historique de la Défense (SHD) à Vincennes, à Rochefort et à Brest et aux Archives Nationales (AN) à Paris.

Trois types de documents sont recherchés dans le cadre ce travail :

1. Les marégrammes (Figure 2A) où les mesures de hauteurs d'eau sont directement retranscrites sur un papier (le marégramme) par le marégraphe. Des enregistrements réalisés durant la seconde guerre mondiale (1942-1944) ont été retrouvés aux archives du Shom. Environ 50 ans d'enregistrement marégraphiques (1950-2001) ont également été localisés aux Archives Départementales des Pyrénées-Atlantiques (AD64). Ces marégrammes sont accompagnés d'une feuille de contrôle donnant des informations sur le calage en temps (horloge, marégraphe et stylet) et le calage des hauteurs d'eau (échelle et stylet), lors de la pose et du changement de chaque marégramme ainsi que des informations sur d'éventuels problèmes rencontrés.
2. Les registres ou « tableaux » de marée (figure 2B). Ces documents sont disponibles pour la période 1875 à 1920 (~45 ans) aux archives de Shom. Une hauteur de la mer est relevée toutes les 15 ou 60 minutes et noté dans un registre avec les horaires et hauteurs des pleines et basses mers. En complément des observations météorologiques sont également effectuées toutes les 3 heures de 6h00 à 21h00.
3. Les métadonnées regroupent tous les documents liés aux mesures marégraphiques ou à l'observatoire de marée. Ces types de documents ont principalement été trouvés dans les AD64, aux Archives Nationales et au SHD. Ces documents peuvent contenir des informations sur le zéro instrumental, le système temporel utilisé par le marégraphe (temps solaire vrai, temps solaire moyen, temps civil, UTC, ...), des informations sur le calage du marégraphe, des éléments sur les travaux de l'observatoire, des photos, plans, aquarelles, etc.

Figure 2A. Marégramme de Socoa daté du 19 au 26 novembre 1956 (AD 64 - Bayonne - 2003W-06).

 

Figure 2B. Un registre de janvier 1880 (Archives Shom).

 

Les registres et les marégrammes des années 1950-1963 et 1997-1999 et 2001 (Figures 2A et 2B) ont été numérisés (en rouge sur la Figure 3) et validés. Les hauteurs d'eau horaires pour les années 1942-1944 et 1963-1996 (~ 32 ans) ont déjà été numérisées mais ont été validées lors du projet (en gris sur la Figure 3).

Figure 3. Frise chronologique présentant le travail réalisé sur les observations de hauteur d'eau de Socoa (en rouge les mesures vectorisées et contrôlées en gris les mesures contrôlées durant le projet)

 

La numérisation de la série de Socoa

Registres

Les hauteurs d'eau horaires notées sur les registres sont numérisées sur un tableur numérique. Pour identifier plus facilement les erreurs ayant pu être faites par l'observateur, mais également les erreurs de saisie, deux méthodes de contrôle ont été appliquées en temps réel sur les données saisies (Figure 4) :

• En mettant en forme les cellules du tableur numérique, en leur assignant une couleur dépendante de la valeur de hauteur d'eau saisie, il est plus facile d'identifier visuellement des hauteurs "anormales" entre des valeurs voisines. Les nuances de couleurs permettent également d'identifier facilement les pleines et basses mers ainsi que les périodes de vives eaux et morts eaux (Figure 4A).
• En représentant graphiquement les hauteurs d'eau, les pics ou valeurs aberrantes sont facilement identifiables (Figure 4B).

Figure 4. Contrôles mis en place en temps réel pour détecter les erreurs de saisie ou les erreurs de l'observateur. A- Le tableau de digitalisation des hauteurs d'eau de mars 1908 pour chaque heure. Les nuances de couleurs montrent bien les pleines mers (rouge) et basses mers (bleu) ainsi que le vives eaux (rouge/bleu foncé) et les mortes eaux (vert/jaune) : et B- une représentation schématique de la courbe du 31 mars 1908 (en noir) et le jour suivant (en bleu). Les indications en rouge et violet montrent deux anomalies sur le tableau (carré) et sur le graphique (cercle). Il ne s'agit pas d'erreurs de saisie, mais d'erreurs de saisie sont immédiatement corrigées. Les autres erreurs ont été marquées par un remplissage de cellule (rayure diagonale) pour indiquer que cette erreur a été vérifiée dans les documents papiers ; il est, par conséquent, plus facile de voir si une erreur, identifiée à une phase ultérieure de la reconstruction, était déjà vérifiée ou non.

 

Marégrammes

La numérisation des marégrammes est effectuée à l'aide du logiciel NUNIEAU développé par le CEREMA. Ce logiciel extrait les mesures de hauteurs d'eau en fonction du temps en se basant sur la différence de couleur entre la courbe marégraphique (le signal) et le fond de marégramme (couleur de la feuille de papier et couleur du quadrillage lorsque ce dernier est présent). Le logiciel ne peut pas toujours discriminer le signal du fond. Dans ce cas, une vectorisation manuelle est nécessaire pour extraire les signaux de marée.

 

Procédure de numérisation en fonction de l'état du marégramme

Les marégrammes ne sont pas tous dans le même état de conservation, malgré une relative bonne préservation aux archives. Quatre grands types de marégrammes ont été identifiés en fonction de leurs états pour les années sur lesquels nous effectuons le travail de numérisation des données 1950-1963 et 1997-2001 (Figure 5).

• Type 1 (Figure 5a) : Les marégrammes sont dans un bon état et le signal est bien visible. Il est possible de bien discriminer le signal du fond. Le logiciel NUNIEAU vectorise le signal sans difficulté. Les marégrammes des années 1969-2001 sont de ce type.
• Type 2 (Figure 5B) : Les marégrammes sont dans un état moyen et le papier est noirci. Néanmoins, le signal est (partiellement) récupérable par NUNIEAU. Certains marégrammes des années 1962-1963 et 1964-1968 sont de ce type. 
• Type 3 (Figure 5C) : Les marégrammes sont dans un mauvais état et sont très noircis. Le signal est très difficile à identifier, même parfois invisible. On retrouve les marégrammes des années 1962-1963 et 1964-1970.
• Type 4 (Figure 5D) : Les marégrammes sont dans un état moyen. La feuille est dans une bon ou moyen état de conservation, mais le signal est difficilement visible voire invisible. Souvent les pleines et basses mers et même parfois l'ensemble de la courbe, sont retracées au crayon. Ces types de marégrammes concernent une grande partie des années à numériser (1950-1961 et partiellement 1962) et doivent faire l'objet au préalable d'une retouche d'image (Figure 6) afin de faire apparaitre les courbes qui seront par la suite extrait par NUNIEAU.

 

Figure 5. Les différents types des marégrammes à digitaliser pendant la reconstruction des données marégraphiques historiques de Socoa. A) type 1, 142 marégrammes soit 18,3% (ex. 15-22 déc. 1970 ; AD64 – 2003W-20) ; B) type 3, 50 marégrammes soit 6,4% (ex. 29 oct. – 5 nov. 1963 ; AD64 – 2003W-13) ; C) type 4, 32 marégrammes soit 4,1% (ex. 25 nov. – 2 déc. 1963 ; AD64 – 2003W-13) ; et D) type 2, 553 marégrammes soit 71,2% (ex. 28 oct. – 4 nov. 1957 ; AD64 – 2003W-07)

 

 

Figure 6. Marégramme de type 2 traité à l'aide du logiciel d'édition et de retouche d'image GIMP. a) l'image originale (datée du 7 au 15 octobre 1957 ; AD64 - Bayonne - 2003W-07). Les signaux sont invisibles ; b) image modifiée après traitement. Les signaux deviennent visibles

 

Validation et analyse de la série numérique

Après la numérisation, les données inédites ont été contrôlées, corrigées si possible et validées afin d'obtenir une série temporelle de hauteurs d'eau fiable. Lors de cette phase de correction, des "étiquettes" ont été attribuées aux données permettant de qualifier la qualité de chaque mesure (Tableau 1).

 

Tableau 1. Etiquettes qualités définies pour caractériser les mesures de hauteur d'eau

 

Les données brutes sont fournies avec les étiquettes (Figure 7). Les données de mauvaises qualités (4) ont été directement supprimés de la série validée ; les données dans la série validée qui ne sont ni supprimées de la série validée : les données dans la série validée qui ne sont ni supprimés ni étiquetée "2" ou "3" sont considérées comme des données de bonne qualité (étiquette "1").

Figure 7. Exemple du travail de validation de données. Attribution d'étiquettes qualité aux données de hauteurs d'eau. Zoom sur la période entre avril 1883 et septembre 1885. Vert clair = données de bonne qualité (1) ; vert foncé = données qui sont probablement bonnes (2) ; marron = données qui sont probablement mauvaises (3) et rouge = données de mauvaise qualité (4).

 

Au total, l'exploitation des différentes sources archivistiques a permis d'accroître la série numérique des mesures de hauteurs d'eau de Socoa (depuis 2004) de plus de 100 ans de mesures entre 1875 et 2001 (Figure 8).

Figure 8. Une représentation de la série marégraphique (historique) de Socoa. Ces hauteurs d'eau sont toutes en format numériques, numérisées à partir des marégrammes papiers (1875-1920 ; 1942-1944 ; 1950-2001). Bleu : données numérisées appartenant aux Archives du Shom, rouge : données numérisées appartenant aux AD64.

 

Cette série reconstruite va désormais être exploitée dans un premier temps dans le cadre du projet EZPONDA.

 

Références

•   Khan J. U., I. Van de Beld, G. Wöppelmann, L. Testut, A. Latapy, N. Pouvreau (2023). Extension of high temporal resolution sea level time series at Socoa (Saint Jean-de-Luz, France) back to 1875. Earth Syst. Data Discuss. [preprint], in review, 2023. https://doi.org/10.5194/essd-2022-443
•  Van den Beld (2022). Fonds marins. Le document du mois des Archives départementales des Pyrénées Atlantiques. Article de vulgarisation.
•  Van den Beld (2021). Reconstruction de la série marégraphique historique par le Shom. Projet EZPONDA - Etude des paramètres mécaniques et chimiques à l'origine de l'altération des falaises rocheuses de la côte basque et des ouvrages de défense. - Axe 2. Caractériser et quantifier les paramètres continentaux, littoraux et marins à l'origine de l'érosion des falaises rocheuses de la côte basque et de l'endommagement des ouvrages de défense.
•  Van den Beld I. Y. Ferret, N. Pouvreau (2020). Reconstruction of historical sea level time series (Socoa, French Basque Coast) : Methodology for the digitisation of paper marigrams. Sea Level Data Archaeology Workshop, 10 - 12 March 2020, Unesco-IOC, Paris.

 

Pour en savoir plus

• Accés aux données du marégraphe de Socoa - Saint-Jean-de-Luz
• Instrumentation marégraphique : qu'est-ce qu'un marégraphe à flotteur ?
• Instrumentation marégraphique : qu'est-ce qu'un marégramme ?
• Instrumentation marégraphique : qu'est-ce qu'un marégraphe radar ?
• Présentation du réseau de marégraphes RONIM
• Qu'est-ce que le zéro hydrographique ?
• Notions sur les références verticales
• Notions sur les niveaux extrêmes
• Logiciel Nunieau