Prédire les écoulements dans les plaines d’inondation dont l’occupation du sol varie, lors de crues extrêmes – FLOWRES

Comme l’énonce la Directive européenne sur les inondations (EU, 2007), les activités humaines (telles que l’augmentation de l’occupation du sol) et le réchauffement climatique sont tous deux responsables de l’augmentation des dommages liés aux inondations. Ils doivent être pris en compte lors de l’évaluation de l’aléa hydraulique pour des évènements à forte probabilité (période de retour 10 <T< 30 ans), jusqu’à des évènements extrêmes (T > 1000 ans). Pour chaque gamme, l’extension de l’inondation, les hauteurs d’eau et les vitesses, doivent être estimées dans les zones à haut risque, et reportées sur les cartes d’aléa. Par ailleurs, comme l’indique le rapport n°13 de l'Autorité de sûreté nucléaire française (ASN) sur la protection des installations nucléaires contre le risque d’inondation, des périodes de retour allant jusqu’à T = 10000 ans doivent être considérées.
Si la simulation des crues de faible période de retour est devenue une tâche courante, la prédiction des très hautes eaux n’est pas aisée en raison du manque de données de terrain, mais également parce que les processus d’écoulement sont contrôlés par l’occupation du sol des plaines inondables, dont l’hétérogénéité et la complexité augmentent avec la période T. Cette hétérogénéité s’observe longitudinalement vers l’aval et latéralement. La complexité est liée à la variation du confinement des éléments de rugosité avec le tirant d’eau. Ainsi, leur « signature hydraulique », i.e. l’interaction écoulement/élément, varie fortement avec T.
Lorsque l’on simule des crues d’occurrence moyenne à forte, les modèles classiques (1D, 2D) sont calibrés et validés à partir de données de terrain observées. La pratique consiste à caler les modèles pour les plus hautes eaux observées (souvent pour T ~ 100 ans), et à utiliser ces mêmes paramètres de calage pour des valeurs de T supérieures (voir e.g. le rapport de l’ASN). Dans le cas d’événements extrêmes pour lesquels la zone inondée augmente grandement avec T, de différents types de rugosités imbriqués, et d’un confinement de ces types de rugosités qui varie dans l’espace, cette pratique de calage est très discutable et peut conduire à une évaluation erronée de l’aléa et du risque associé.
Par conséquent, dans le cas des crues extrêmes, les ingénieurs et les scientifiques sont confrontés à des processus physiques complexes, encore largement inexplorés, et à des hypothèses de modélisation qui ne peuvent être validées à partir de données de terrain. Le projet vise à améliorer l'évaluation de l’aléa dans les lits majeurs en: (1) analysant dans des canaux de laboratoire les structures hydrodynamiques associées aux crues extrêmes pour différents débits et occupations du sol; (2) évaluant si les pratiques de modélisation existantes utilisées pour T~100 ans sont toujours valables pour T>1000 ans.
La première tâche se focalise sur l’étude des effets de transitions de rugosités longitudinales et transversales, du niveau de confinement et de la distribution spatiale des éléments de rugosité. Les expériences seront conduites dans 5 canaux, en régime uniforme ou non-uniforme, en réalisant des mesures de pointe à grande ou petite échelle (i.e. échelle du bief de rivière ou de l’élément de rugosité).
Durant la seconde tâche, les données expérimentales collectées seront comparées à des simulations effectuées avec des codes industriels ou de recherche (modèles 1D à 3D). Les méthodes classiques de modélisation de la résistance à l’écoulement, de degré croissant de complexité, seront testées et améliorées pour restituer la physique de l’écoulement quelle que soit l’importance du débit. Les codes et méthodes seront ensuite appliqués aux inondations à Besançon. Des crues de période de retour T ~ 100, 1000 et 10000 ans, seront simulées avec les méthodes classiques et améliorées, et les écarts seront mesurés. Ce projet permettra de quantifier les incertitudes liées au calcul des hauteurs d’eau et des vitesses lors de crues extrêmes.