Littérature scientifique sur le sujet « Hydrologie – France (sud-est) »

Les théories classiques concernant les processus générateurs des écoulements rapides permettent mal d'expliquer la soudaineté de la montée de crue dans des petits bassins versants élémentaires, situés sur le versant sud du Mont Lozère (sud du Massif Central, France). Des études portant sur les conditions de genèse de ces crues « cévenoles » ont montré les conditions particulières d'apparition de tels événements: dans ces milieux de moyenne montagne granitique méditerranéenne, les formations superficielles sont peu épaisses et très filtrantes et les abats d'eau considérables; les surfaces saturées, seules capables de générer un ruissellement important, progressent, contrairement à ce qui s'observe habituellement, d'amont en aval des versants; ce type de fonctionnement empêche dans un premier temps toute arrivée d'eau jusqu'au drain principal et ce n'est que lorsque, de proche en proche, l'ensemble du bassin est quasi saturé que la crue se déclenche, entraînant immédiatement des débits importants. Ce modèle de fonctionnement hydrologique se vérifie bien lors de la crue du 22 septembre 1992, responsable de nombreux dégâts et de pertes en vies humaines dans le sud de la France.

Le barrage de la Manzo (Antilles - France) est un ouvrage en remblai d’enrochements, de 27 m de hauteur, permettant le stockage de 8 Mm3 d’eau. Depuis 1980, il remédie au manque d’eau durant la saison sèche et permet essentiellement l’irrigation des terres du sud-est de la Martinique. Ainsi, il répond aux enjeux territoriaux majeurs de soutien d’une agriculture compétitive et de maintien de l’emploi. Au fil des années, la structure s’est intégrée au paysage des communes de Ducos, François et Saint-Esprit. L’article analyse la résilience et la capacité d’adaptation de l’ouvrage vis-à-vis de l’évolution des usages et du changement climatique à partir de l’année 2000. Les aléas naturels intenses (tempêtes, sécheresses, séismes), l’évolution des usages et les préoccupations relatives au réchauffement climatique exigent une plus grande résilience hydrologique. La Collectivité Territoriale de Martinique, en tant qu’exploitant du barrage se doit d’anticiper ces questions pour garantir des services de manière durable et économique tout en minimisant les impacts socio-environnementaux.

L'observatoire hydrologique du Réal Collobrier situé dans le sud-est de la France à proximité du littoral méditerranéen (massif des Maures) et géré par Irstea depuis 1966, constitue un site de référence en hydro-climatologie régionale. En raison du réseau dense de mesures des pluies et des débits, ce site offre une occasion unique d'évaluer les tendances hydrométéorologiques méditerranéennes à long terme. La végétation est composée de forêts principalement calcifuges sur des sols cristallins (maquis de bruyère, chêne-liège, pin maritime et châtaignier). L'influence humaine directe a été négligeable au cours des 50 dernières années. L'occupation du sol est demeurée presque inchangée, à l'exception notable d'un incendie de forêt en 1990 qui a touché un petit sous-bassin hydrographique. Par conséquent, les changements dans la réponse hydrologique des bassins versants sont causés par des changements dans les conditions climatiques et/ou physiques. Cette étude examine les changements sur la période d'observation de 50 ans, à l'aide de séries de précipitations et de débits. L'analyse utilise plusieurs indices climatiques décrivant des modes de variabilité distincts, à des échelles de temps interannuelles et saisonnières. Des indices hydrologiques décrivant les épisodes de sécheresse, en particulier en termes de durée et de sévérité sont également utilisés. Les tendances sont évaluées à l'aide du test statistique de Mann-Kendall. L'analyse montre qu'il existe une tendance marquée à la diminution des ressources en eau du bassin versant en réponse aux tendances climatiques, avec une augmentation de la sévérité et de la durée de la sécheresse. Mais les changements sont variables d'un sous-bassin à l'autre en fonction de leur propre fonctionnement hydrologique.

Résumé Les mouvements de versant constituent un risque naturel majeur dans les Alpes du sud où la nature du terrain et le climat sont particulièrement favorables à leur développement. Ils représentent également une source importante de sédiments pour les cours d'eau. L'objectif de cet article est de dater, au moyen de l'analyse dendrochronologique, les mouvements ayant affecté deux versants instables d'un même bassin hydrologique. Les réponses de 41 pins sylvestres ( Pinus sylvestris L.) aux micro-mouvements du versant de Ravel-et-Ferriers montrent que le glissement de terrain de janvier 1994 est le résultat d'une forte instabilité existant depuis la fin des années 1980, mais surtout la conséquence d'une évolution à long terme du versant (huit périodes d'instabilité depuis le début du siècle). L'étude de la mortalité de 35 pins sylvestres et de 47 sapins pectinés ( Abies alba Mill.) partiellement enfouis retrace la chronologie de la formation d'un lac de barrage sous l'influence des différentes coulées boueuses de Bonneval-en-Diois. Les liens étroits entre ces événements et certaines situations pluviométriques exceptionnelles ont été utilisés afin de dater avec exactitude les mouvements récents. L'analyse dendrochronologique a donc permis de déterminer l'appartenance typologique des deux glissements, et de connaître les épisodes actifs de rechargement sédimentaire des cours d'eau associés aux sites. Les processus de fossilisation décrits à Bonneval-en-Diois montrent d'ailleurs des analogies avec les conditions régnant dans les Alpes du sud au début de l'Holocène où une partie des épais remblaiements des vallées creusées dans les formations marneuses serait à attribuer à des mouvements de masse localisés.

Les processus hydrologiques variant dans l'espace et dans le temps en fonction de la variabilité spatio-temporelle des entrées météorologiques et de l'occupation du sol ainsi que de la variabilité spatiale de la topographie et de la nature du terrain, un modèle conçu pour bénéficier des données provenant de la télédétection et des SIG a été développé. Les principaux objectifs poursuivis étaient: l'application au plus grand nombre de bassins possible, une sélection d'algorithmes permettant de tenir compte des données disponibles, un minimum d'étalonnage, la facilité de transfert d'un bassin à l'autre, la programmation des algorithmes sur micro-ordinateur avec une interface très conviviale. La structure d'écoulement à l'intérieur d'un bassin versant est obtenue de manière informatisée à partir d'une discrétisation des altitudes rencontrées dans la zone d'intérêt, en mailles carrées de dimensions données, d'où l'on tire les pentes et les orientations de chaque maille, puis le bassin versant en amont de la maille identifiée comme exutoire, le réseau hydrographique, les sous-bassins versants et, finalement, les unités hydrologiques relativement homogènes (UHRH), définies sur la base de ces sous-bassins, en les regroupant ou les divisant au besoin. Un logiciel spécifique pour ce faire a été développé: PHYSITEL. Selon la conception très modulaire adoptée pour HYDROTEL, chaque sous-modèle offre généralement plus d'une option de simulation, afin de tenir compte des données disponibles sur le bassin versant traité. Les simulations peuvent être réalisées en considérant comme unité de simulation du bilan hydrologique vertical les mailles originales constituant le bassin ou les UHRH. Des exemples de simulation des débits à l'aide du modèle HYDROTEL sur divers bassins versants situés au Canada (Québec, Ontario, Colombie-Britannique) et dans le sud de la France sont présentés. Ces simulations indiquent que les différents algorithmes du modèle réagissent bien et qu'il est possible de considérer son application sur des bassins très divers situés sous des conditions climatiques variées. Des tests plus poussés sont en cours afin de mieux cerner la sensibilité des divers algorithmes aux données d'entrée ainsi que leur interchangeabilité.

Pour anticiper les précipitations, les débits des cours d'eau et les inondations associées, il existe un grand nombre de méthodes et d'outils variés. L'objectif de cette thèse est d'identifier si les outils testés sont assez précis et robustes pour être utilisés dans le cadre de l'anticipation du risque inondation et la gestion de crise par des entités opérationnelles locales telles que le SMIAGE (co-financeur de cette thèse avec la région Sud). L'étude des précipitations s'est concentré sur (i) une analyse des caractéristiques spatiales et temporelles des épisodes de fortes pluies qui ont touchés le sud-est de la France ces dernières années à partir des lames d'eau COMEPHORE (Tabary et al., 2012), (ii) la construction d'une classification en types de temps indiquant les circulations atmosphériques moyennes associées à des journées qui présentent des variabilités spatiales des pluies similaires et (iii) l'évaluation du réseau de neurones artificiels RainNet (Ayzel et al., 2020) pour la prévision immédiate des fortes pluies. Les résultats de l'analyse des caractéristiques des 158 épisodes de précipitations sélectionnés ont montré que tous les épisodes de pluies fortes d'une durée supérieure à 30 heures et tous les épisodes de pluies fortes avec un cumul de pluie de bassin supérieur à 150 mm ont été associés à au moins un événement de haut débit sur un bassin jaugé du sud-est de la France sur la période 2007-2020. Par ailleurs, une classification en 8 types de temps a été construite à partir de 8 classes de pluies qui présentent des localisations des pluies contrastées. Malheureusement, les précipitations prévues par le réseau de neurones RainNet ne sont pas satisfaisantes, et nécessite d'autres tests avant d'être utilisable en opérationnel. L'étude des débits s'est focalisé sur (i) la comparaison des simulations issues de trois modèles hydrologiques que sont GRP(Tangara, 2005; Berthet, 2010), GR5H (Le Moine, 2008) et GR5H-RI (Astagneau, 2022) sur 39 exutoires jaugés, (ii) l'évaluation des simulations d'un modèle GR5H semi-distribué qui tient compte des usages de l'eau pour la simulation des débits de la Siagne à Pégomas et (iii) l'évaluation des modèles GRP et GR5H-RI pour la prévision des crues avec assimilation de données sur les 31 exutoires jaugés non influencés par la neige étudiés précédemment. Les résultats de l'évaluation des outils de modélisation hydrologique ont montré que c'est le modèle GR5H-RI qui permet globalement de simuler et de prévoir le plus précisément les crues sur les bassins du sud-est de la France, pour un calage à horizon 24 h. C'est notamment le cas pour les épisodes de fortes pluies avec un temps de montée court. Dans le cas particulier de la simulation des débits de la Siagne à Pégomas, les résultats obtenus montrent que le modèle GR5H semi-distribué qui prend en compte l'influence du barrage permet globalement de mieux simuler les débits que le modèle GR5H global. Enfin, l'étude des inondations a examiné (i) la sensibilité d'un modèle hydraulique HEC-RAS 1D-2D de l'aval de la Brague au paramétrage et à la méthode de simulation du ruissèlement et (ii) une méthode mêlant modélisation hydrologique, analyse fréquentielle et modélisation hydraulique pour construire des cartes d'inondations pour des débits de différentes périodes de retour. Les résultats de l'analyse des simulations d'inondation sur l'aval de la Brague ont montré que les simulations de hauteurs d'eau sont fortement influencées par les débits d'injection, la représentation des ouvrages hydrauliques et la représentation du ruissèlement. Finalement, un atlas d'emprises d'inondation a été construit à partir des simulations de hauteurs d'eau du modèle HEC-RAS 1D-2D de la Brague calé et des hydrogrammes de crues ayant la même forme que la crue d'octobre 2015 mais ajustées pour que le débit de pointe atteigne les débits de période de retour 10, 20, 30, 50 et 100 ans sur la Brague et ses affluents
A wide range of methods and tools are available to anticipate precipitation, rainfall-runoff and associated flooding. The aim of this thesis is to identify whether the tools tested in this thesis are precise and robust enough for use in flood risk anticipation and crisis management by local operational entities such as the SMIAGE (co-financier of this thesis with the Sud region). The studies carried out during this thesis focused on three main subjects: precipitation forecasting, rainfall-runoff forecasting and flood modelling. For each subject, methods from the scientific literature and operational models were implemented and analyzed, focusing on related phenomenon. The study of precipitation focused on (i) an analysis of the spatial and temporal characteristics of heavy rainfall events that have affected southeastern France in recent years, based on COMEPHORE precipitation data (Tabary et al., 2012), (ii) the building of a weather patterns classification indicating the average atmospheric circulations associated with days showing similar rainfall spatial variability and (iii) the evaluation of the RainNet artificial neural network (Ayzel et al., 2020) for the heavy rainfall nowcasting. The results of the 158 heavy precipitation events selected characteristics analysis showed that all heavy precipitation events that lasts more than 30 hours and all heavy precipitation events with a cumulative basin rainfall of more than 150 mm were associated with at least one high-flow event in a gauged basin in south-eastern France during the 2007-2020 period. In addition, a classification into 8 weather patterns was constructed from 8 rainfall classes with contrasting rainfall locations. Finally, unfortunately, RainNet's precipitation forecasts were not satisfactory, the model did not seem useful for operational use.The river discharges study focused on (i) comparing simulations from three rainfall-runoff models GRP (Tangara, 2005; Berthet, 2010), GR5H (Le Moine, 2008) and GR5H-RI (Astagneau, 2022) without and with CemaNeige (Valery, 2010; Riboust, 2018) on 39 gauged outlets, (ii) the evaluation of simulations from a semi-distributed GR5H model that takes into account water uses for the modelling of Siagne river discharges at Pégomas and (iii) the evaluation of GRP and GR5H-RI models for flood forecasting with data assimilation on the 31 gauged outlets not influenced by snow. The results of the hydrological modeling tools evaluation showed that, overall, the GR5H-RI model was the most precise in simulating and forecasting floods in the basins of south-eastern France, with a 24-hour horizon calibration. This is particularly the case for heavy rainfall events with a short rising time. In the specific case of discharges modelling on the Siagne at Pégomas, the results showed that the GR5H semi-distributed model, which takes into account the influence of the dam, provides a better discharges modelling than the GR5H global model.Finally, the flood study examined (i) the sensitivity of a 1D-2D HEC-RAS hydraulic model of the downstream part of the Brague river, to parameterization and runoff modelling method and (ii) a method combining hydrological modeling, frequency analysis and hydraulic modeling to construct flood extents maps for dscharges of different return periods. Finally, the results of the analysis of flood simulations downstream of the Brague showed that water level simulations are strongly influenced by injected river discharges, hydraulic structures representation and runoff modelling method. Finally, an atlas of flooding extents was built from water levels simulated from HEC-RAS 1D-2D model of the Brague and flood hydrographs from the October 2015 flood, adjusted so that the peak flow reaches the 10-, 20-, 30-, 50- and 100-year return period discharges on the Brague and its tributaries. Peak discharges were calculated by fitting a Gumbel law to discharges simulated by a semi-distributed GR5H hydrological model

La durance, riviere des alpes du sud et affluent en rive gauche du rhone a subi de fortes contraintes anthropiques, suite a l'edification d'amenagements hydroelectriques implantes depuis 1960. Ces ouvrages ont entraine differentes modalites de gestion du regime hydrologique. Les parametres abiotiques et les reponses du compartiment vegetal aquatique (epilithon et macrophytes) aux ruptures de l'equilibre hydrodynamique ont ete analyses a court, moyen et long termes. L'impact du debit reserve et de la gestion specifique des ouvrages dans les differentes situations hydrologiques a permis de tester le concept de l'intermediate disturbance hypothesis sur l'epilithon. Les parametres biotiques pris en compte pour l'etude de l'epilithon et des macrophytes sont : la richesse specifique, la composition floristique, la diversite, la structure, l'organisation spatio-temporelle des populations et les differents parametres qui evaluent la biomasse autotrophe et heterotrophe. La diversite des situations hydroecologiques observees en durance amenagee ont permis de mettre en evidence une large gamme d'echelle d'heterogeneites spatiales au sein de l'hydrosysteme. Pour chaque type de regime hydrologique, nous avons pu identifier, a travers les differents parametres biotiques de structure et de fonctionnement une reponse adaptee de la phytocenose aquatique.

Une étude hydrogéologique a été entreprise sur les eaux de l'aquifère miocène du bassin de Valréas (Vaucluse). Celle-ci vise à améliorer la connaissance du fonctionnement du système grâce à une étude détaillée combinant une vaste gamme d'outils isotopiques et géochimiques qui inclut : les isotopes stables de la molécule d'eau (18O et 2H), les isotopes du carbone minéral dissous (13C et 14C), le tritium, les gaz rares et les éléments chimiques majeurs. Les activités 14C décroissent depuis environ 100 pcm dans la zone de recharge, jusqu'à des valeurs inférieures à 1 pcm dans l'aquifère captif. Les âges calculés révèlent la présence d'eau dont le temps de séjour atteint plus de 30 000 ans dans la partie confinée. Les teneurs en 18O et 2H mettent en évidence un fort contraste isotopique entre aquifère libre et aquifère captif, et l'étude de la relation 18O/2H souligne la particularité des circulations atmosphériques régionales, sous influence mixte atlantique et méditerranéenne. L'excès en deutérium calculé à partir des eaux anciennes suggère la persistance de ce schéma depuis le Pléistocène. Les paléotempératures de recharge déduites des concentrations en gaz rares fournissent une différence de température entre le Tardiglaciaire et l'Holocène de l'ordre de 7°C et les teneurs en hélium radiogénique montrent une évolution graduelle avec l'augmentation du temps de séjour. La géochimie des eaux met en évidence la sensibilité des eaux du réservoir miocène aux pollutions d'origine anthropique. Les minéraux argileux sont à l'origine d'échanges de bases dont l'intensité est proportionnelle au temps de séjour. La comparaison des vitesses hydrauliques et des vitesses radioisotopiques indique une grande différence dans les deux méthodes concernant la partie captive de l'aquifère, suggérant l'existence d'eaux quasi-stagnantes dans l'aquifère confiné. A l'issue de cette étude un modèle conceptuel de fonctionnement de l'aquifère est proposé.

La source karstique du Lez, localisée dans le bassin Méditerranéen (sud-est de la France), fournit de l'eau potable pour la ville de Montpellier et son agglomération depuis le XIXe siècle. Depuis 1981, un pompage intensif est effectué directement dans le conduit principal au moyen d'une station souterraine de pompage, avec un débit maximal autorisé de 1,700 l/s. Afin de mieux caractériser la dynamique et l'origine des eaux souterraines, mais également d'évaluer l'impact de trois décennies d'un pompage intensif de l'aquifère, des prélèvements ont été réalisés dans différentes conditions hydrologiques depuis mars 2006. La source du Lez ainsi que d'autres sources et forages appartenant à ce système et aux systèmes karstiques voisins ont été régulièrement échantillonnées pour le suivi en continu des paramètres physico-chimiques, des éléments majeurs et en trace, du Carbone Organique Total (COT), des coliformes fécaux et totaux ainsi que des d18O, d2H, d13CTDIC et 87Sr/86Sr. Au moment des crues de reprise qui surviennent après l'étiage, des eaux fortement minéralisées sont identifiées à la source du Lez. Ce comportement singulier a été étudié à un pas de temps fin. L'utilisation d'analyses statistiques multivariées a permis de caractériser les différents types d'eau s'écoulant à la source du Lez. Une approche couplée intégrant les données hydrochimiques et isotopiques a permis de définir les différents types d'eau et les lithologies associées, ainsi que les principales réactions qui contrôlent la chimie des eaux souterraines. Parmi les cinq types d'eau identifiés, deux correspondant à des pôles géochimiques très contrastés, et sont à mentionner : le premier pôle correspond à des eaux géochimiquement plus évoluées, caractérisées par une forte minéralisation, un enrichissement marqué en Cl, Na, Mg, Li, B et Br, des rapports Sr/Ca, Mg/Ca et Cl/Br élevés ainsi que des valeurs en d13CTDIC et 87Sr/86Sr enrichies. Ces eaux, qui correspondent à une signature évaporitique, sont vraisemblablement issues d'un réservoir profond, et associées à un temps moyen de résidence important. Parmi toutes les sources et forages étudiés, cette signature chimique a été uniquement observée pour les eaux de la source du Lez. Le second pôle correspond à des eaux faiblement minéralisées, contenant de fortes concentrations en NO3, bactéries et COT, représentant le flux d'infiltration rapide. Elles soulignent la vulnérabilité du système à l'infiltration rapide et à la contamination anthropique via des systèmes de pertes et de réseaux de fractures bien développé. Des déconvolutions d'hydrogramme à l'aide de multiples traceurs ont été réalisées pour estimer les proportions de participation des deux ou trois pôles d'eau précédemment définis dans les multiples événements de crue survenus entre 2008 et 2010. En considérant les chlorures comme traceur, la participation moyenne des différents types d'eau à l'écoulement à la source est la suivante : 12% pour les eaux profondes, 5% pour les eaux nouvellement infiltrées et 83% pour les eaux de l'aquifère principal. La comparaison entre les données obtenues dans cette étude et les données obtenues avant l'installation de la station souterraine de pompage (données de 1973-1974) montre des changements notables dans la composition chimique des eaux de la source du Lez, en indiquant une diminution de la proportion de participation du réservoir profond aux écoulements à cette source. Cette modification de la composition chimique des eaux peut être attribuée au pompage intensif du système karstique et, en l'absence de changement climatique perceptible, traduit les conséquences directes de ce forçage anthropique sur le fonctionnement général de l'aquifère. L'approche multi-traceurs combinée à l'hydrodynamique apparaît comme un outil très efficace pour caractériser les écoulements souterrains et leurs origines, et semble être potentiellement applicable à d'autres systèmes karstiques complexes similaires comprenant des compartiments profonds qui contribuent à l'écoulement de la source, notamment sur le pourtour méditerranéen où la crise messinienne à permis la mise en place d'une karstification profonde.