Academic literature on the topic 'Modélisation des inondations'

Le risque d’inondations dans les zones urbaines a considérablement augmenté au cours des dernières décennies avec la croissance rapide de la population et le processus d’urbanisation à proximité des cours d’eau et des zones inondables. Afin de faire face à ce risque, différents acteurs se réunissent dans le but de proposer une solution d’aménagement du territoire, capable de le maîtriser au mieux. La solution proposée doit répondre à plusieurs objectifs de natures différentes (économiques, sociaux, politiques,…) qui sont le plus souvent contradictoires. Des outils numériques d’aide à la décision sont actuellement disponibles et fréquemment utilisés par les aménageurs pour les aider dans leurs choix d’une solution adéquate. Cependant ces outils se basent généralement sur des approches empiriques et l’efficacité des solutions proposées reste incertaine. Dans ce contexte, l’objectif des travaux réalisés au cours de cette thèse, consiste à développer une approche complémentaire aux outils d’aide à la décision en se basant principalement sur des méthodes numériques directes, telles que la modélisation 3D, la simulation numérique et l’optimisation multicritères. L’approche consiste dans un premier temps à coupler la modélisation géométrique 3D issue de Système d’Information Géographique « SIG » avec la modélisation en mécanique des fluides « CFD », afin de représenter le phénomène d’inondation urbaine avec une précision proche du réel. Cette étape permet de fournir une cartographie tridimensionnelle de différentes caractéristiques de l’inondation (Vitesses, Hauteur d’eau, étendue de l’inondation, …), et par conséquent localiser les différentes parties de la ville à aménager en priorité. Dans un second temps, en se basant sur les résultats obtenus dans la première partie, des stratégies d'optimisation multicritères sont mises en œuvre afin de trouver parmi une multitude de solutions proposées, représentant des projets d’aménagement, celle la plus convenable pour la situation étudiée, et qui satisfasse simultanément les différentes contraintes techniques, économiques et environnementales. Une telle approche permet aux décideurs à la fois d’accélérer leur procédure d’analyse du risque dans la zone urbaine et de les rassurer sur l’efficacité de la solution choisie face à ce risque<br>The risk and impact of floods in urban areas has been increased in the last few decades as population and urbanization processes rapidly increase and subsequently more and more people and properties are being concentrated in flood-prone coastal zones and river flood-plains. To cope with this risk, different stakeholders meet in order to provide a land planning solution able of better managing the risk. The proposed solution must meet different kinds of objectives simultaneously (geographical, economic, social, political,...). These ones are often contradictory. Digital tools for decision support are currently available and commonly used by developers to help them in their choice of an appropriate solution. However, these tools are usually based on empirical approaches and the effectiveness of the proposed solutions is uncertain. In this context, the principal objective of this research working is to develop a complementary numerical approach to the tools of decision support based primarily on direct numerical methods, such as 3D modeling, numerical simulation and multi-criteria optimization. As a first step, the proposed approach consists to couple the geometric modeling, based on 3D data of GIS (Geographic Information System) , with the CFD modeling (Computational fluid dynamics) in order to represent the urban flooding scenario with an accuracy close to the actual . This step will provide a three-dimensional mapping of the different characteristics of the flood (velocity and height of water, the flood extent ...). Thus we can easily and quickly locate different parts of the city that will be developed in priority. As a second step, based on the results obtained in the first step, some advanced strategies of the multi-criteria optimization are implemented to find among a multitude of proposed solutions, representing the most suitable development projects for the situation studied, and meets the various technical, economic and environmental constraints. Such approach allows decision makers to both accelerate their process of risk analysis, in the urban area, and reassure the effectiveness of the chosen solution against this risk

Les deux principales approches de modélisation des inondations en milieu urbain sont l'approche unidimensionnelle et l'approche bidimensionnelle. La modélisation bidimensionnelle fournit à priori une représentation plus réaliste des phénomènes que la modélisation unidimensionnelle, mais reste difficilement utilisable en pratique sur des secteurs de grande superficie. En effet, la variabilité de la géométrie urbaine implique des coûts de maillage et des temps de calcul prohibitifs, ainsi que des besoins en données considérables. Cette thèse de doctorat a pour objet l'étude de formulations alternatives à la modélisation bidimensionnelle classique.<br />Dans une première partie, on cherche à représenter un carrefour par une relation de répartition des débits, destinée à être intégrée dans un modèle unidimensionnel. Une relation conceptuelle a été couplée avec un modèle unidimensionnel utilisant l'approximation de l'onde cinématique pour simuler l'inondation du quartier Richelieu à Nîmes. Une relation empirique de répartition a été développée pour des carrefours à quatre branches à partir de simulations numériques bidimensionnelles.<br />La deuxième partie de la thèse porte sur la modélisation bidimensionnelle macroscopique. Cette approche consiste à décrire la zone urbaine à grande échelle par des propriétés statistiques telles que la porosité. Des zones urbaines de grande étendue peuvent ainsi être maillées de façon relativement grossière, ce qui contribue à réduire considérablement les temps de calcul. Un tenseur de pertes de charge singulières a été introduit pour représenter l'influence des singularités urbaines. Sa formulation a été développée à partir de simulations bidimensionnelles sur des réseaux de rues synthétiques. La modélisation macroscopique a été validée sur des cas-tests expérimentaux faisant appel à des modèles réduits et donne des résultats satisfaisants.<br />En parallèle, un solveur de Riemann d'état approché a été développé pour les équations de propagation classiques. Les invariants de Riemann sont exprimés en fonction des flux en tenant compte des termes source, ce qui permet un calcul direct des flux aux interfaces entre cellules. Divers cas-tests numériques montrent une nette amélioration par rapport aux solveurs classiques tel que le solveur HLL/HLLC.

La modélisation des inondations -- c'est-à-dire la production de cartes synthétiques à partir de méthodes numériques -- est un enjeu primordial dans notre société. L'urbanisation des lits majeurs a en effet multiplié les enjeux, et il est aujourd'hui indispensable, pour la sécurité des populations, d'être capable de prévoir les zones inondées consécutives à un évènement de crue. Si la prévision des débits permet déjà de lancer l'alerte en cas de crue débordante, la détermination précise des zones inondées qui en résultent est encore en développement, diverses approches ayant été proposées afin de fournir des données pertinentes aux gestionnaires de crise.Ce travail de thèse a cherché à développer des outils numériques -- des modèles -- complémentaires aux modèles hydrauliques classiques, limités par le manque de données géométriques précises des lits des rivières. L'objectif de ce travail est de développer une approche applicable sur l'ensemble du territoire avec des données facilement accessibles afin de fournir une vision à grande, moyenne et petite échelle tout en étant adaptable à un contexte de prévision opérationnelle, en se nourrissant par exemple des débits prévus par un modèle hydrologique. Deux méthodes ont ainsi été étudiées : tout d'abord un algorithme conceptuel de répartition des volumes débordés le long du réseau hydrographique, puis une méthodologie plus physique, liant des équations d'hydraulique simplifiée à un modèle conceptuel (HAND) dans le but de créer des relations débit-hauteur débordée à l'échelle du tronçon. Si le premier méthode a finalement montré ses limites, la seconde, baptisée MHYST, a montré un fort potentiel en modélisant correctement jusqu'à 80% de l'évènement débordant de mai-juin 2016 sur le Loing.Ces travaux ont permis de montrer qu'il était possible de simuler des inondations à partir d'une quantité de données restreintes, et par dessus tout, avec des données facilement accessibles, grâce à des méthodologies simplifiées qui partent d'une représentation équivalente des lits de rivières. Si les modèle développés ont permis de répondre aux principaux objectifs de la thèse, certaines questions restent en suspens, notamment en ce qui concerne l'estimation du débit de plein bord, la centralisation de cartes d'inondations observées de qualité ou encore le traitement des situations les plus complexes telles que les crues og éclair fg{} et les zones fortement urbanisées<br>Flood modelling has become an essential issue in today's society, due to the expansion of urban areas into the floodplains. It is now necessary, for the safety of people, to be able to forecast the position of inundated zones produced by a flood event. Flood forecasting already exists but it only deals with discharge estimations in order to alert public authorities in case of an overflowing event. The delimitation of inundated areas is still a work in progress, and it need several approaches to provide relevant information to crisis managers.This PhD aims to develop and test a methodology applicable anywhere in France with easily available data, able to provide a large-scale and meso-scale assessment of inundated territories while still being usable in a forecasting context. Two models have been developed : first, a conceptual water spreading algorithm that estimates the overflowing water volume and spreads it along the river network and then a more physical method which computes reach-scale relationships between the discharge and the height above nearest drainage (HAND) from simplified hydraulic equations. If the former has rapidly reached its limits, the latter, called MHYST, has shown a real potential by correctly modelling up to 80% of the inundation extent resulting from the May-June event on the Loing catchment.This work showed that it was possible to generate inundation maps from limited data and, above all, easily available data, thanks to simple conceptual methodologies based on a simplified representation of the river beds. The models developed in this PhD satisfied the objectives of this project, even if some interrogations remain, in particular about the estimation of bankfull discharge, which is still a problematic issue, the production of spatially accurate observations of inundated areas which are used to calibrate and validate inundation models, or the handling of complex situations such as flash floods and heavily urbanised areas

La crue de 1910 de la Seine a eu une incidence directe sur le fonctionnement des différents réseaux (réseau électrique, assainissement des eaux usées, transport, eau potable). Le réseau RATP a été particulièrement atteint dans son fonctionnement. Les dommages qu’une crue centennale pourrait engendrer aujourd’hui risquent d’être plus importants encore car le réseau actuel est plus vulnérable du fait des nombreux équipements électriques et informatiques qu’il comporte. La majorité des émergences (les entrées d’eau) de la RATP est située en zone inondable. Lors d’une crue majeure de la Seine, les écoulements dus aux inondations se propagent directement dans la partie souterraine et centrale du réseau (Métro et RER) par le biais de ces émergences. Cette thèse s'intéresse à la simulation hydrodynamique des écoulements dans le réseau RATP en utilisant le logiciel MIKE URBAN dédié à la modélisation des réseaux d’assainissement. Cette modélisation nécessite une bonne connaissance de l’origine des écoulements pour mieux les prendre en compte. En effet, le réseau RATP est inondé par les eaux superficielles et les eaux d’infiltration. Afin de mieux quantifier les volumes entrants dans le réseau, un modèle physique d’une bouche de métro type a été réalisé. Les résultats des essais physiques ont permis de valider un modèle numérique qui caractérise les écoulements autour d’une bouche de métro et quantifie les volumes entrants. Cela a permis également de proposer une formule théorique de débit tenant compte de la géométrie d’une bouche de métro. Les écoulements par infiltration sont quant à eux modélisés en fonction de la charge de la nappe et validés avec des mesures in situ. Ce travail de recherche a comme objectif d’améliorer et valider un modèle de simulation. Il s’agit de mettre en œuvre un outil opérationnel d’aide à la décision qui permettra à la cellule inondation de la RATP de bien comprendre le fonctionnement de son réseau afin d’améliorer son plan de protection contre le risque inondation<br>The 1910 flood of the Seine had a direct impact on the functioning of the different networks (Electricity network, sewerage, transport, water distribution). The RATP network was particularly affected in its functioning. The damage that centennial flood could cause today may be even greater because the current network is more vulnerable because of the numerous electrical and computer equipment that it comprises. The majority of the emergences (The water ingress) of the RATP is located in flood areas. During a major flooding of the Seine, the flows due to the floods propagate directly into the underground and central part of the network (Metro and RER) through these emergences. This thesis is interested in a hydrodynamic simulation by MIKE URBAN, Model used to model the RATP network due to its MOUSE engine developed by DHI for the sewerage networks. This work also presents the results obtained on a physical model of a subway station. The experimental data were used to model water ingress within the RATP network from the subway station. Network protection against infiltration requires a thorough knowledge of underground flow conditions. Infiltrations through the tunnels are estimated numerically. The aim of this research is to improve and validate a simulation model. It is a question of implementing an operational decision support tool which will allow the flood cell of the RATP to understand the functioning of its network in order to improve its flood risk protection plan

Avec le développement des mesures de pluie à hautes résolutions spatiale et temporelle, l'utilisation de modèles hydrométéorologiques distribués est désormais envisagée pour anticiper les conséquences locales des événements pluvieux à l'échelle de vastes régions. Cependant, une estimation des conséquences locales à travers une prévision distribuée des débits reste délicate à mettre en œuvre : les incertitudes autour des valeurs de débits peuvent être importantes dans des conditions non jaugées et les conséquences de la crue sont très dépendantes de la configuration du terrain. C'est dans ce contexte que des tests préliminaires ont été conduits par l'Ifsttar afin de développer un système d'alerte capable d'évaluer, en temps réel, un risque de submersion des routes. Initialement testé sur des fenêtres de dimensions limitées, le système à été étendu au département du Gard soit une zone d'étude de 5000 km² comprenant environ 2000 points cibles pour lesquelles des niveaux de risque de coupure sont évalués. L'approche proposée combine un modèle pluie-débit distribué, adapté aux crues éclair, et un modèle d’évaluation de la vulnérabilité des routes. Le système, dont la validation a été effectuée à l'aide d'inventaires de routes submergées, a montré des résultats satisfaisants même si le nombre important de fausses alarmes qu'il génère limite son utilisation à l'échelle locale. Cette application particulière a également été utilisée pour évaluer l'apport des lames d'eau radar pour des applications hydrologiques distribuées. Au final, cette thèse a permis de mettre en avant le potentiel du système à devenir un outil innovant et performant de prévision distribuée des crues<br>Abstract With the development of high spatial and temporal resolution rainfall measurements, distributed hydro-meteorological models can provide useful information to anticipate the local consequences of storm events over a region. Nevertheless, the estimation of local consequences through distributed discharge forecasting is not a straightforward purpose: the uncertainties associated to discharge forecasts may be very important, especially in ungauged areas and the consequences highly depend on the local susceptibility to flooding. In this context, a prototype of road inundation warning system, providing a rating of road submersion risk every 15 minutes during a flood event, has been developed. Initially tested in limited areas, the system has been extended to the entire Gard department which represents an application area of 5000 km² including 2000 target points for which warnings are computed. The system combines a distributed rainfall-runoff model and a susceptibility rating model. The system has been validated against reported road inundations. It appeared to perform well, even if the number of generated false alarms is important. The road inundation warning system has been then used to evaluate the usefulness of radar quantitative precipitation estimates for hydrological distributed applications. In order to improve the results, data assimilation techniques have been implemented to correct the susceptibility rating of the road sections as well as the rainfall-runoff model. Finally, this work demonstrated the potential of highly distributed rainfall-runoff model in combination with local exposure models as an innovating and efficient flood forecasting tool

L'objectif principal de cette étude est d'appliquer un code de calcul résolvant les équations de Saint Venant bidimensionnelles à la simulation d'une crue en zone urbaine. Ces équations forment un ensemble de trois équations couplées, non-linéaires, hyperboliques qui sont résolues par un schéma explicite en volumes finis. L'écoulement dans le milieu urbain est très compliqué vu la présence du réseau d'assainissement et de nombreux obstacles. Dans un premier temps, nous avons utilisé des modèles physiques pour comparer les résultats numériques obtenus sur des écoulements incluant plusieurs obstacles avec des mesures. Deux cas très différents ont été considérés : le premier était celui d'un écoulement autour d'un obstacle ponctuel avec des mesures laser de vitesses et le deuxième un écoulement avec une géométrie en forme de vallée incluant plusieurs obstacles. Pour ce dernier cas, on disposait des mesures des hauteurs d'eau en plusieurs points. L'utilisation d'un code 2D dans un milieu urbain à plusieurs avantages par rapport à un code 1D car il permet de décrire les carrefours en topographie et de connaître l'étendue de la zone submergée. Pour la crue du 3 octobre 1988 à Nîmes, une zone comprenant une cinquantaine de rues a été modélisée et les résultats comparés aux laisses de crue. Plusieurs représentations topographques du réseau des rues et des carrefours ont été testées<br>The principal objective of this dissertation is to study the phenomenon of floods in urban areas by using a Computational Fluid Dynamics software package which solves the 2D Saint-Venant equations. These equations form a set of three coupled, non-linear, hyperbolic partial differential equations which are solved by an explicit finite volume method. The analysis of the flow in an urban environment is quite difficult given the presence of number of obstacles and the interaction with the drainage network. In the first instance, we used physical models to compare the computational results with the measurements. Two very different cases are considered : the first one is the simulation of a flow around an obstacle in the laboratory flume with laser measurements of the velocity field in the region surrounding the obstacle and the second pertained to a physical model of a real valley including different obstacles for which water height measurement were available. The use of a 2D approach in an urban milieu has the advantage of allowing a more complete topographical description of the street intersections and helps better calculate the extent of the flooded zone. The flood of 3 October 1988 in the city of Nîmes is simulated for an area comprising around 50 streets and the calculated water heights are compared with the flood marks. Different street profiles were used to obtain the computational grids of varied precision

L'aggravation continuelle de la qualité des sols incite à mieux connaître les processus hydrodynamiques qui régissent le comportement des bassins versants, en particulier lors des crues, afin de mieux gérer le patrimoine en sols et en eaux et de se protéger des manifestations indésirables du cycle de l'eau amplifiées par l'activité humaine. Il s'agit de tracer le cadre hydrodynamique de la genèse des crues, d'identifier les mécanismes de formation des débits sur un petit bassin versant forestier tropical (Guyane Française) et de localiser des zones actives de génération des débits, sensibles aux changements des régimes hydrologiques (impact de la déforestation). Nous avons utilisé les méthodes suivantes : l'hydrométrie capable d'identifier les processus hydrologiques responsables des crues étudiées, la modélisation topo-hydrologique susceptible de localiser les zones propices à la formation des débits (modèle topmodel) et l'hydrochimie afin de connaître la provenance des eaux mobilisées. Ainsi, en confrontant et en synthétisant des informations d'ordres divers nous avons élaboré un modèle susceptible de prendre en compte à la fois les flux hydrologiques et géochimiques et de simuler l'évolution de la concentration de traceurs (chlorures) à l'exutoire du bassin versant pour tester différents scénarios de génération des crues. Ce modèle mettant en relief des relations dynamiques est proposé comme une alternative aux méthodes géochimiques classiques qui déterminent les teneurs des traceurs à partir d'une vision uniquement conceptuelle des processus hydrologiques impliquant une compartimentation géochimique du sol. Notre étude a pu identifier les zones actives de formation des débits du bassin versant dont une perturbation pourrait menacer tout le fonctionnement écologique du bassin versant, ainsi qu'un potentiel de ressources en eau d'une zone considérée jusqu'alors inproductive. Cette étude offre également un cadre de recherche pertinent aux études concernant la déforestation et l'aménagement des sols

Le delta du fleuve Sénégal est le théâtre de crues importantes, le plus souvent catastrophiques et la dernière en date a nécessité l'ouverture d'une brèche dans la Langue de Barbarie qui est une fine bande de sable séparant le delta du fleuve de la mer. Depuis, cette brèche ne cesse de s'agrandir sous l'action conjuguée des eaux du fleuve et de la mer. Modéliser ce phénomène d'élargissement nécessite de connaître à tout moment les caractéristiques de l'écoulement des eaux dans le delta, y compris en période de crue. Nous avons opté pour la réalisation de deux algorithmes de simulation. C'est ce travail que je présente ici. D'une part, nous considérons l'équation de Navier-Stokes tridimensionnelle et nous faisons l'hypothèse d'une faible épaisseur d'eau, ce qui est acceptable comparé aux dimensions du delta. Cette hypothèse nous permet de faire, en chaque point, une intégration selon la verticale pour obtenir une équation de Saint-Venant bidimensionnelle simplifiée dans un plan xoy sans les hypothèses approximatives (fond plat ou conditions aux limites trop généreuses dans l'un ou l'autre, qui ne reproduisent pas fidèlement le phénomène étudié). Cette équation ne nous permet d'obtenir les champs de vitesses et de pressions que dans un plan horizontal. Pour prendre en compte les apports extérieurs responsables d'une crue, nous introduisons une équation 1D de conservation de la masse d'eau. Le couplage entre l'équation de Saint-Venant 2D et l'équation de conservation 1D conduit à une modélisation (2D1/2 et non 3D) du phénomène étudié. D'autre part, la phase d'élargissement de la brèche résulte de la problématique fluide-structure, une intéraction entre un écoulement et une structure fortement déformable. Il s'agit d'un problème multi-physique reposant sur plusieurs équations d'état (Darcy, poroélastique ...) et impliquant divers couplages. Sous l'hypothèse que les déformations de la structure dues à l'hydrodynamique restent à l'échelle microscopique, nous obtenons des résultats analytiques et numériques de l'évolution de l'interface à long terme.

Le delta du fleuve Sénégal est le théâtre de crues importantes, le plus souvent catastrophiques et la dernière en date a nécessité l'ouverture d'une brèche dans la Langue de Barbarie qui est une fine bande de sable séparant le delta du fleuve de la mer. Depuis, cette brèche ne cesse de s'agrandir sous l'action conjuguée des eaux du fleuve et de la mer. Modéliser ce phénomène d'élargissement nécessite de connaître \`a tout moment les caractéristiques de l'écoulement des eaux dans le delta, y compris en période de crue. Nous avons opté pour la réalisation de deux algorithmes de simulation. C'est ce travail que je présente ici. D'une part, nous considérons l'équation de Navier-Stokes tridimensionnelle et nous faisons l'hypothèse d'une faible épaisseur d'eau, ce qui est acceptable comparé aux dimensions du delta. Cette hypothèse nous permet de faire, en chaque point, une intégration selon la verticale pour obtenir une équation de Saint-Venant bidimensionnelle simplifiée dans un plan xoy sans les hypothèses approximatives (fond plat ou conditions aux limites trop généreuses dans l'un ou l'autre, qui ne reproduisent pas fidèlement le phénomène étudié). Cette équation ne nous permet d'obtenir les champs de vitesses et de pressions que dans un plan horizontal. Pour prendre en compte les apports extérieurs responsables d'une crue, nous introduisons une équation 1D de conservation de la masse d'eau. Le couplage entre l'équation de Saint-Venant 2D et l'équation de conservation 1D conduit \`a une modélisation (2D1/2 et non 3D) du phénomène étudié. D'autre part, la phase d'élargissement de la brèche résulte de la problématique fluide-structure, une intéraction entre un écoulement et une structure fortement déformable. Il s'agit d'un problème multi-physique reposant sur plusieurs équations d'état (Darcy, poroélastique. . . ) et impliquant divers couplages. Sous l'hypothèse que les déformations de la structure dues \`a l'hydrodynamique restent à l'échelle microscopique, nous obtenons des résultats analytiques et numériques de l'évolution de l'interface \`a long terme<br>This thesis is devoted to mathematical modeling and numerical simulation of floods in the delta of the Senegal river. For this purpose, we propose, to study on the one hand a coupling 2D1/2 and on the other hand a model of fluid structure interaction. Firstly we consider the tridimensional Navier-Stokes equation and we make the assymption a low thickness, which acceptable compared of the delta dimensional. This assymption enable us to obtain to make in each point an integration according to the vertical (the topologie of the bottom of the delta is know) to obtain an equation of Saint-Venant two-dimensional in a xoy plane. This equation allows us to obtain the velocity and pressure fields only in the horizontal plane. To take into account external inputs responsible for flooding, we introduce a 1D equation giving the mass conservation of water. The coupling between these two equations leads to a (2D1/2 and non a 3D) model of the studied phenomenon. . Secondly this phase of enlargement of the gap results from the problematic fluid-structure, in which water interacts with a strongly deformable structure. Under the assymption that the structural deformation due to the hydrodynamics remains on a microscopic scale, we propose a model at the local scale of this fluid-structure interaction by coupling several equations (Saint-Venant, Darcy, poroelastic). We present numerical results of the local evolution of the interface at a long time