Thème de Recherche arceau

Axe 2 : se Protéger

Cet axe regroupe l'ensemble des travaux de recherche dont l'objectif est de protéger biens et personnes contre les inondations. On y trouve :

• 
  des travaux sur les extrêmes hydrologiques, qui visent à fournir des estimations des risques hydrologiques pour une large gamme de périodes de retour et pour l'ensemble du territoire français (donc aussi en milieu non jaugé, d'où le lien avec l'Axe 1 qui s'intéresse aux transpositions spatiales et temporelles) ;
  
• 
  des recherches portant sur les risques d’inondation et de pollution, qui cherchent à la fois à caractériser l’aléa et à évaluer des mesures visant à réduire les risques ;
  
• 
  des travaux visant à anticiper les aléas hydrologiques à partir d'une information météorologique (mesure ou prévision, Figure 6), avec un ensemble d'applications extrêmement concrètes qui diffèrent par les échéances visées à par la précision requise : alerte, prévision des crues, mise en vigilance et prévision saisonnière.
  

1. Prédétermination des aléas hydrométéorologiques

Le travail des équipes du TR ARCEAU a permis de faire évoluer et progresser les méthodes de prédétermination des pluies et crues extrêmes. Mais de nombreuses inconnues demeurent quant à notre capacité à prendre en compte les effets du changement climatique et ceux d'une anthropisation du bassin versant. Il reste également à confronter nos méthodes à celles utilisées et développées dans les autres pays européens. Un enjeu fort consiste à développer des outils d’estimation de l’aléa adaptés à un contexte non stationnaire. Une réflexion est aussi à engager sur le choix de la période de référence à considérer, certainement fonction de la durée de vie des ouvrages à réaliser et des enjeux à protéger. A la suite du Tableau qui présente les thèses en cours et prévues, nous détaillons les principaux objectifs scientifiques que nous nous sommes fixés pour 2014-2018 dans ce domaine.
Tableau . Thèses en cours et projetées pour le thème "Prédétermination des aléas hydrologiques "

Date de démarrage	Titre de la thèse
2010	Quantification de l’aléa pluviométrique et des incertitudes associées à l’échelle régionale : prise en compte des dépendances spatiales et des variabilités climatiques (thèse X. Sun)
2013
2014
2014
2015
2016

• 
  Accompagnement scientifique de la mise en œuvre de la directive européenne sur les inondations
  

La Directive européenne sur les Inondations et la Directive Cadre sur l’Eau infléchissent fortement la politique de l’Etat sur la gestion des risques liés aux extrêmes hydrologiques, que ce soient les crues ou les étiages. Un besoin fort existe actuellement pour mieux connaître l’aléa hydrologique en tout point du réseau hydrographique, pour pouvoir gérer les risques d’inondations à l’échelle de l’ensemble d’un territoire.

Les équipes du TR ont développé des approches variées en terme de prédétermination des aléas hydrométéorologiques, qui ont pu être confrontées entre elles (action « Etiage » de la convention cadre Onema liant les équipes d'Antony, de Lyon et d'Aix) et aux autres méthodes développées au niveau national (ANR Extraflo). Ces comparaisons nous indiquent un ensemble de directions dans lesquelles poursuivre nos travaux :

La poursuite des comparaisons entres les approches (action européenne Cost FloodFreq, thèses X. Sun et D. Penot) et la synthèse de leur performance. Réflexion sur la complémentarité des méthodes et combinaison des résultats selon leur efficience relative, afin de tirer le meilleur parti des méthodes existantes.

L’approfondissement des notions d’incertitudes liées à l’extrapolation vers les extrêmes et à la transposition spatiale (régionalisation des approches pour un usage en site non jaugé) et temporelle.

L’exploitation de données auxiliaires doit être envisagée (campagnes de jaugeage épisodiques, caractérisation de la géologie locale, retour d’expérience…).

• 
  Approches envisagées pour la prédétermination
  

Nous projetons d'approfondir les directions de recherche suivantes :

L’acquisition des données de plus en plus fines ouvre des perspectives de descente d’échelle temporelle, pour passer à des résolutions infra-horaire nécessaire pour l’étude des petits bassins urbains (cinétique rapide) et des processus d'érosion en montagne.

Une descente d’échelle spatiale devient envisageable de par l’exploitation de l’information des radars météorologiques (10 ans de réanalyse), ce qui nous permettra de mieux évaluer les phénomènes météorologiques très localisés.

Un couplage des approches par simulation à base temporelle puis régionalisée (SHYREG) et par simulation spatiale sur plusieurs pas de temps (simulateur TBM) pourrait permettre la modélisation de scénarios hydrologiques cohérents spatialement pouvant être insérés dans une approche intégrée du fonctionnement des hydrosystèmes.

Un couplage avec une hydraulique simplifiée aurait pour objectif de passer de la cartographie de l’aléa hydrologique à la cartographie des zones inondées. Un travail a été initié en 2011, entre les équipes de Lyon, Aix et le CETE/CETMEF pour le SNRH (directive inondation).

Un modèle hiérarchique Bayésien a été développé pour intégrer les erreurs sur la reconstitution des débits dans l’estimation de la distribution des crues (Neppel et al., 2010). Il permet d’apprécier jusqu'à quel point les incertitudes plus fortes sur les débits anciens sont compensées par la réduction de la distribution d’échantillonnage : suivant les sites et la connaissance de l’évolution morphologique des rivières, l’information historique permet ou pas de réduire l’incertitude globale.

En plus des approfondissements de chaque méthode, des points plus transversaux sont à étudier comme :

La prise en compte des changements climatiques et anthropiques (évolution de l’occupation du sol) à travers des modèles hydrologiques et l’évaluation de leur impact sur la prédétermination de la ressource et des crues extrêmes.

Les couplages des informations « crues » et « étiage ». Le cycle de l’eau étant un continuum, des interactions fortes sont observées entre les débits de basses eaux et de hautes eaux. Les interactions nappes-rivières sont à prendre en compte dans les différentes approches de prédétermination.

2. Prévention des risques

Les recherches présentées dans ce chapitre portent essentiellement sur les risques d’inondation et de pollution, à la fois sur la caractérisation de l’aléa et sur l’évaluation ou la mise en œuvre de mesures pour la réduction de ces risques. Ce thème est porté par les équipes Hydraulique de Lyon, Poldif de Lyon et Transferts d'Antony. A la suite du Tableau qui présente les thèses en cours et prévues, nous détaillons les principaux objectifs scientifiques que nous nous sommes fixés pour 2014-2018 dans ce domaine.

Tableau . Thèses en cours et projetées pour le thème "Prévention des risques"

Date de démarrage	Titre de la thèse
2011	Caractérisation des liens pression d’usage des pesticides – contamination des cours d’eau
2012	Amélioration de la modélisation de la rupture de digues et barrages de faible hauteur
2013	Intégration des zones urbaines pour définir les scénarios d'inondation
2014	Evaluation des différents types de solutions correctives pour la gestion de la contamination
2015
2016

• 
  Risques liés aux inondations
  

A nouveau, ce sont les travaux préparatoires à l'application de la Directive Européenne sur les inondations par le MEDDTL qui posent un ensemble de questions de recherche importantes pour le Cemagref.

Les territoires à fort risque d’inondation intègreront des zones urbaines pour lesquelles il est capital de définir des scénarios d’inondations de différentes sources : débordement de réseaux et de rivières, ruissellement, ruptures d’ouvrages, … et d’évaluer leur impact. Ceci passe par une compréhension des processus mal connus (embâcles de véhicules par exemple) et par une évaluation des effets des différentes sources d’incertitude (mesures insuffisantes ou pas assez précises, discrétisation trop grossière dans le modèle numérique, etc.). Pour ces travaux, la poursuite du développement des logiciels d'hydraulique 1D et 2D et leur couplage s’avèrent nécessaires pour proposer des outils mieux adaptés.

La réglementation récente sur les digues et barrages (obligation d’études de danger) a relancé le besoin en recherche afin d'améliorer la modélisation de la rupture de ce type d’ouvrages et aussi le besoin en outils opérationnels afin d’évaluer rapidement le danger associé à des ouvrages de faible hauteur (révision des logiciels CASTOR et CASTORDIGUE).

• 
  Risques liés aux pesticides et pollutions agricoles diffuses
  

Au cours de la période passée, nous avons développé une méthode permettant de caractériser la vulnérabilité des Aires d’Alimentation de Captage en eaux de surface à la contamination par les pesticides.

Nous avons également progressé dans la connaissance et la quantification des processus à l’œuvre au sein de zones tampons végétalisées ou « humides » :

• 
  Pour les premières, les outils aidant au diagnostic de leur fonctionnement et/ou à leur implantation et leur dimensionnement restent à valider du point de vue opérationnel.
  
• 
  Pour les secondes, les travaux antérieurs ont permis de démontrer le potentiel des zones tampons humides artificielles en sortie de drainage. Pour les gestionnaires, des questions sur la localisation (échelle d'investigation), sur le gain en termes de réduction des transferts (projet soutenu par l'AESN, en lien avec AQUI'Brie) mais aussi sur l'emprise foncière et les processus sociaux de mise en place (projet ONEMA en collaboration avec les SHS du TR GEUSI) seront traitées. Les travaux prévus et les collaborations en cours (Eau de Paris, …) permettront de consolider la vocation appliquée des méthodes.
  

Pour l’ensemble de ces outils et méthodes, les nombreuses sollicitations des services déconcentrés de l'Etat et des Agences de l'Eau nous fournissent des cas concrets pour l'application des concepts développés dans les équipes et permettront de consolider et d’étoffer la typologie élaborée dans l’axe 1. En ce sens, le travail en cours pour caractériser les liens [pression d’usage des pesticides–contamination des cours d’eau] à l’échelle nationale permettra également de conforter cette typologie.

A une échelle plus fine, l’étude du transfert des pesticides via les écoulements latéraux subsurfaciques et des possibilités d’atténuation des flux, sur un bassin granitique, permettra d’élaborer des éléments de gestion de la contamination, en permettant une évaluation de l’efficacité de différents types de solutions correctives (substitution de substances actives, évolution de pratiques culturales, mise en place d’aménagements).

3. Prévision des crues et des étiages

Les modèles et méthodologies permettant d'anticiper les aléas hydrologiques en lien avec des aléas météorologiques ont des applications extrêmement concrètes telles que l'alerte (quasi-immédiate), la prévision des crues (à quelques heures d'échéance), la mise en vigilance (à quelques jours) et la prévision des étiages (à quelques semaines d'échéance). Ceci est un des domaines majeurs du TR qui sera poursuivi pour la période 2014-2018. Le Tableau présente les thèses en cours et prévues.

Tableau . Thèses en cours et projetées pour le thème "Prévision des crues et des étiages"

Date de démarrage	Titre de la thèse
2010	Quantification des incertitudes prédictives totales en modélisation hydrologique (thèse F. Bourgin)
2011	Utilisation des données radar pour la prévision des crues à l'échelle nationale (thèse F. Lobligeois)
2010	Anticipation des crues éclair sur petits bassins non jaugés à l’aide de l’information radar (thèse D. de France)
2013	Prévision probabiliste des crues à partir de la prévision d’ensemble de pluies pour des applications de gestion
2013	Cartographie associée aux prévisions d'étiages : comment passer d'une prévision ponctuelle réalisée à une station à une évaluation sur l'ensemble d'un réseau ?
2013	Augmentation des délais d'anticipation pour l'alerte sur les petits bassins versants
2014	Modélisation polyvalente pour la prévision probabiliste des débits à différentes échéances
2015	L'assimilation de données piézométriques peut-elle permettre d'améliorer la prévisibilité des étiages ?
2015	Prévision de la température de l'eau
2016

• 
  Alerte de crue sur sites non jaugés
  

Le projet CPER Rhytmme (prolongé jusqu’en fin 2015) permet entre autres un financement des recherches à 50% sur ce thème. L’objectif est de concevoir des approches à vocation opérationnelle afin de mettre en alerte des populations face au risque de crues. Les développements sur lesquels nous projetons de travailler concernent :

• 
  La poursuite des développements de la méthode AIGA (amélioration du modèle GRDistribué, amélioration de sa régionalisation, recherche de données de validation) permettant d’intégrer l’information sur la variabilité spatiale des pluies fournie par les radars météorologiques ;
  
• 
  L’évaluation d’un fonctionnement en continu indispensable pour bien prendre en compte l’état de saturation des bassins, conditionnant leur réponse aux événements pluvieux ;
  
• 
  L’intégration de la prévision des pluies dans les modèles, qui permettra d’augmenter les délais d’anticipation pour l’alerte sur les petits bassins versants rapides (flash flood).
  

• 
  Prévision des crues aux stations de jaugeages
  

Les travaux du TR en prévision ont permis de mettre au point des méthodologies de prévision à l'aide de modèles hydrologiques sur des bassins versants jaugés, pour des objectifs de prévision à court terme (modèle opérationnel GRP) et moyen terme (approches de prévision d'ensemble). Sur la période 2014-2018, nous projetons d'orienter nos recherches de la façon suivante :

• 
  amélioration des modèles de prévision à court terme par des approches semi-distribuées dans la suite des travaux de thèse de S. Munier (2009) et J. Lerat (2009) : il s'agit de la valorisation opérationnelle du modèle TGR (modèle semi-distribué), qui permet non seulement une assimilation des débits mesurés à l'amont (filtre de Kalman) et une prise en compte plus complète de la distribution des pluies. Dans ce domaine notamment la thèse de F. Lobligeois qui utilise un produit radar idéalisé (dans le sens où il ne s'agit pas de données radar temps réel mais uniquement d'une réanalyse réalisée en temps différé) va permettre de répondre à l'épineuse question de l'échelle spatiale souhaitable pour prendre en compte une pluie distribuée de qualité. S'il est probable qu'on puisse faire mieux qu'un traitement global à l'échelle du bassin, il est hautement improbable que les performances augmentent jusqu'à une discrétisation à l'échelle du m² (ou même du km²) ! Il est nécessaire de réfléchir sur le bon niveau de spatialisation, cohérent avec la robustesse nécessaire des outils de prévision des crues.
  
• 
  développement d'approches de quantification des incertitudes en prévision, qu'elles soient globales (thèse en cours de F. Bourgin) ou centrée sur les incertitudes liées aux précipitations de pluie pour la prévision à moyenne échéance (amélioration des approches de prévision d'ensemble, avec développement de méthodes de post-traitement : thèse en cours de I. Zalachori).
  
• 
  amélioration des méthodes d'application sur sites non jaugés : à côté des travaux liés à l'alerte (approche AÏGA), on s'intéressera à l'application des approches d'ensemble sur sites non jaugés (thèse en cours d'A. Randrianasolo).
  
• 
  mise en cohérence des modèles fonctionnant à diverses échéances, pour des applications de crues à court et moyen termes jusqu'à la prévision d'étiage à long terme.
  

Que ce soit sur les approches d’alerte en sites non-jaugés ou sur les modèles de prévision en sites jaugés, une information cartographique présentant les zones potentiellement touchées par les inondations serait un plus. Les premiers développements en hydraulique simplifiée pour la cartographie des zones inondables peuvent contribuer à répondre à cette question. On cherchera aussi à développer des modèles intégrés couplant hydrologie et hydraulique, notamment pour mieux prendre en compte l'effet de l'expansion des crues dans le lit majeur et simuler les zones inondées.

• 
  Prévision des étiages
  

La gestion des périodes de basses-eaux, où se concentrent beaucoup d'enjeux en termes de répartition de la ressource, devient une préoccupation importante des gestionnaires. Des modélisations dédiées se développent au sein du TR, l'expérience acquise dans le domaine des crues à court et moyen termes étant un atout majeur pour aborder ces problèmes de prévision d'étiages. Le développement d'outils intégrés permettant l'application des outils de prévision à des problématiques de gestion opérationnelle sera poursuivi.

Pour comprendre la difficulté, il faut savoir que les approches de prévision des étiages sont nécessairement probabilistes étant données les échéances en jeu. Un objectif ambitieux serait de développer des chaines de modélisation polyvalentes permettant d'assurer un continuum dans la prévision probabiliste à courte, moyenne et longue échéances. Cela passerait par des recherches de mode d'estimation des paramètres multi-objectifs en prévision, un affinement des modèles de prévision, notamment par une modélisation plus détaillée des interactions surface-souterrain, et la recherche de méthodes d'assimilation et de corrections statistiques robustes et générales.

On poursuivra par ailleurs les efforts méthodologiques d'évaluation des prévisions probabilistes (critères, procédures de tests, etc.). Les travaux de comparaison de modèles de prévision, réalisés pour l'ONEMA, seront à ce titre riches d'enseignement. La recherche de déterminants physiques permettant d'évaluer la prévisibilité des étiages sera également un axe de travail privilégié.

La représentation cartographique des résultats des prévisions d'étiage et leur extension à des sites non jaugés bénéficieront des travaux réalisés sur la cartographie des débits caractéristiques d'étiage. En effet, nous souhaitons pouvoir développer des travaux de cartographie automatique, permettant d'extrapoler les prévisions réalisées aux stations de jaugeages.

• 
  De la prévision des étiages à une prévision de paramètres hydrobiologiques
  

Avec nos collègues hydrobiologistes du TR QUASARE, nous souhaitons réfléchir à des outils de prévision d'étiage incluant une modélisation couplée quantité-qualité. Au départ, nous pourrions nous lancer avec la température de l'eau, qui nécessite une bonne connaissance des relations nappe-rivière. Nous pourrions aussi envisager d'aller vers une modélisation d'autres paramètres chimiques, telles que des concentrations.

5.