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Observation et modélisation multi-échelles pour la compréhension et la simulation des crues éclair – FLOODSCALE

Mieux comprendre les phénomènes de crues éclair

Observation et modélisation multi-échelles pour la compréhension et la simulation des crues éclair

Mieux comprendre et simuler les crues éclairs

Le projet FloodScale est une contribution au programme international HyMeX (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment). Il a pour objectif d’améliorer la compréhension et la simulation des processus hydrologiques conduisant à des crues éclair, qui sont l’un des risques naturels les plus destructeurs, notamment en région Méditerranéenne. La variabilité spatiale et temporelle de la pluie, des caractéristiques des paysages, de l’humidité des sols est reconnue comme un facteur important influant sur la génération de crues éclairs. Cependant, la quantification et le rôle de leurs variabilités à différentes échelles restent des questions de recherche ouvertes. La compréhension des crues éclairs constitue un défi métrologique puisqu’elle requiert des observations à des échelles spatiales et temporelles très fines (1 km2, 5min), mais aussi sur de très vastes régions. A titre d’illustration, l’épisode de Septembre 2002 sur le Gard a concerné une superficie de 5000 km2, mais la moitié des victimes ont été répertoriées sur des bassins dont la taille était inférieure à 20 km2. Les crues éclairs sont très difficiles à observer à l’aide des réseaux opérationnels de pluviographes et de stations de jaugeage des débits. Il a été montré que les radars hydrométéorologiques apportaient une information particulièrement intéressante pour caractériser la variabilité spatio-temporelle des précipitations, bien que l’interprétation du signal radar reste encore difficile dans des terrains complexes (topographie) et/ou dans les zones urbanisées, qui sont les plus affectées par ce type d’épisodes. Jauger les rivières en crue avec les méthodes traditionnelles est aussi un défi en raison des difficultés pratiques et des problèmes de sécurité des opérateurs.

FloodScale s’appuie sur le concept d’Observatoire Hydrométéorologique (OH) qui a été promu en France depuis 2002 avec la création de l’Observatoire Hydrométéorologique Cévennes-Vivarais (OHM-CV). Pour progresser dans la modélisation des crues éclairs, deux questions fondamentales en hydrologie doivent être abordées : (i) la question du changement d’échelle ou comment transférer des connaissances acquises à une échelle à une autre échelle ; (ii) la question de la prévision en bassins non jaugés, afin de définir le risque en tout point du territoire.
FloodScale abordera ces questions en combinant des observations et des modélisations multi-échelles en s’appuyant sur l’instrumentation de sous-bassins emboîtés couvrant les échelles suivantes : (i) l’échelle du versant où on peut aborder la compréhension des processus de génération et concentration du ruissellement ; (ii) l’échelle des bassins de taille petite à moyenne (1-100 km2) où l’impact de la variabilité de la structure du réseau hydrographique, de la pluie, des paysages, de l’humidité initiale peut être quantifié ; (iii) l’échelle plus large (100-1000 km2) où la prise en compte du transfert en rivière et des débordements devient importante. Le potentiel d’observations innovantes (réseaux renforcés de radars hydrométéorologiques, de disdromètres, jaugeage des rivières par mesures sans contact, réseaux denses de limnimètres, images satellites très haute résolution, modèles numériques de terrain obtenus par lidar..) à différentes échelles, venant en complément de mesures plus traditionnelles sera évalué dans le projet. FloodScale favorisera aussi la mise en commun de différents types de mesures sur les mêmes versants/bassins (humidité des sols, mesures d’infiltration, géophysique, géochimie, géomorphologie, description de la végétation, jaugeage des rivières…) afin de renforcer le potentiel pour comprendre les processus hydrologiques actifs pendant et entre les crues.

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Le projet FloodScale contribue au programme international HyMeX (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment). Il s’agit d’améliorer la compréhension et la simulation des processus hydrologiques conduisant à des crues éclairs. C’est en effet un des risques naturels les plus destructeurs, en particulier en région méditerranéenne. Pour progresser, deux questions fondamentales en hydrologie doivent être abordées : la question du changement d’échelle et celle de la prévision en bassin non jaugé. Nous proposons de combiner observation et modélisation multi-échelles sur i) le versant, où les processus de formation et de concentration des écoulements peuvent être étudiés (T2) ; ii) les bassins de taille petite à moyenne (1-100 km²) où l’impact de la structure des réseaux, de la variabilité des paysages, de la pluie et de l’état hydrique des sols peuvent être quantifiés (T3) ; iii) les bassins de 100-1000 km² pour lesquels les phénomènes de transfert en rivière et d’inondation deviennent importants (T4). La T5 intègrera les résultats des autres tâches dans une modélisation régionale. On évaluera aussi le potentiel d’observations hydrologiques innovantes à différentes échelles. FloodScale se concentre sur les bassins du Gard et de l’Ardèche dans l’Observatoire Hydrométéorologique Cévennes-Vivarais (OHM-CV). Il s’appuie sur les réseaux existants et propose i) une harmonisation de l’instrumentation; ii) un renforcement des mesures pour mieux comprendre les processus hydrologiques actifs pendant et entre les crues éclairs ; iii) des approches métrologiques innovantes pour documenter ces phénomènes extrêmes et éphémères; iv) l’évaluation de nouvelles méthodes d’analyse des données et de modélisation à différentes échelles. Dans la T2, une instrumentation de versants typiques de la diversité des paysages méditerranéens, adaptée aux processus hydrologiques dominants sera mise en œuvre ou renforcée. Cette tâche a pour objectif de dériver i) un modèle perceptuel du fonctionnement des versants, en fonction du type de ruissellement, de la profondeur des sols, de la pente, de la perméabilité du sous-sol ; ii) une typologie des versants ; iii) une modélisation synthétisant leur fonctionnement. La T3 s’appuiera sur le suivi de sous-bassins emboîtés (1-100 km2, incluant les versants instrumentés) par mesure distribuée des débits ou des hauteurs d’eau. Ce dispositif permettra d’analyser la transition versant – réseau hydrographique. La compréhension du fonctionnement des petits bassins s’appuiera sur l’analyse des données collectées -en se focalisant sur la connectivité entre zones actives - la cartographie des hydro-paysages et la modélisation- en se focalisant sur une représentation correcte des flux latéraux. La T4 concerne l’observation distribuée de la pluie et des débits et la quantification de leur incertitude à l’échelle régionale. Pour l’estimation de la pluie, on évaluera l’apport de mesures radar haute résolution renforcées sur le relief. Pour les débits, on mettra l’accent sur le jaugeage des rivières en crue par télédétection rapprochée et modélisation hydraulique. Une analyse des données pluie-débit combinée à la modélisation sera mise en œuvre afin de comprendre les échelles spatiales et temporelles des processus actifs. La T5 utilisera les données et les résultats de modélisation des autres tâches pour dériver une modélisation intégrée à l’échelle régionale. Les modèles seront plutôt utilisés pour tester différentes hypothèses de fonctionnement, donc sans calibration. Des métriques adaptées, pour leur évaluation seront proposées, en s’appuyant sur des « signatures » hydrologiques tirées de l’analyse des données. Ce projet pluridisciplinaire regroupe des spécialistes en hydrologie, hydrométéorologie, hydraulique, statistique, pédologie, géographie, géophysique, géochimie, expérimentation de terrain, analyse de données et modélisation afin d’accroître notre capacité à faire émerger de nouvelles connaissances en hydrologie.

Coordinateur du projet

Madame ISABELLE BRAUD (CENTRE NATIONAL DU MACHINISME AGRICOLE, DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORETS - CEMAGREF ANTONY) – isabelle.braud@irstea.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

HHLY CENTRE NATIONAL DU MACHINISME AGRICOLE, DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORETS - CEMAGREF ANTONY
LTHE CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES
HSM CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE LANGUEDOC-ROUSSILLON
ESPACE CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE COTE D'AZUR

Aide de l'ANR 740 000 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2011 - 48 Mois

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