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Rapport

FloodScale : Observation et modélisation hydro-météorologique multi-échelles pour la compréhension et la simulation des crues éclairs, Rapport scientifique final du projet, ANR-2011 BS56 027 01

Résumé : Le projet FloodScale avait pour objectif de progresser sur la connaissance, la compréhension et la simulation des processus hydrologiques conduisant aux crues rapides en zone Méditerranéenne. Ces crues rapides et les épisodes pluvieux importants qui les génèrent conduisent chaque année à des pertes humaines et matérielles très importantes dans cette région mais les processus conduisant à leur genèse restaient encore mal connus ou hiérarchisés. Par ailleurs, FloodScale représente une contribution importante au volet « hydrologie » du programme international HyMeX (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment). Le projet a abordé plusieurs volets : l’observation, la compréhension et la simulation des crues rapides, avec en toile de fond, deux questions fondamentales en hydrologie : le changement d’échelle et la prédiction en bassins non jaugés. Ces deux problématiques sont particulièrement pertinentes pour les crues rapides qui affectent souvent de petits bassins sans mesure des débits et peuvent concerner de larges étendues, nécessitant une compréhension et une modélisation à échelle fine et sur de vastes territoires. Pour l’observation des crues rapides et le recueil de données permettant d’aborder les questions ci-dessus, une stratégie multi-échelle a été mise en ½uvre sur deux bassins de méso-échelle des Cévennes : le Gard et l’Ardèche. Trois échelles spatiales ont été considérées : 1/ le versant pour la documentation des processus ; 2/ l’échelle du petit bassin (1-100 km2) pour la description de la variabilité spatiale des paysages et des réponses hydrologiques et 3/ l’échelle du bassin de méso-échelle (100-2000 km2) pertinente pour la gestion et la prévision. Ces observations ont combiné des mesures en continu sur quatre ans (pluie, hauteur d’eau, débits, humidité des sols) et des mesures sur alerte durant les quatre automnes du projet : jaugeages en crue, échantillonnage de l’humidité des sols, échantillonnages géochimiques. Cette stratégie d’observations s’est révélée pertinente et a permis de documenter non seulement plusieurs épisodes de crues rapides à différentes échelles mais aussi le fonctionnement « normal » des bassins versants. Le projet a aussi permis de tester et valider des méthodes de mesure innovantes telles que le saturomètre pour les capacités d’infiltration des sols, ainsi que l’intérêt de mesures sans contact pour 1/ l’estimation des profondeurs de sols ou le suivi des flux d’eau grâce à la résistivité électrique, 2/ les mesures de débit de crue (utilisation de radars de vitesse, de caméras fixes, analyses de vidéo amateurs). Des méthodes de fusion de données radar et pluviomètres ont aussi été proposées et développées et se sont aussi révélées pertinentes pour améliorer la connaissance de la pluviométrie et sa variabilité spatiale et temporelle. Mentionnons aussi les avancées méthodologiques permettant de quantifier les incertitudes sur les pluies et les débits. L’analyse des données collectées a permis de mettre en évidence une forte variabilité spatiale des propriétés hydrodynamiques des sols intra-versant, mais une relative stabilité de ces propriétés inter-versants. A l’échelle des Cévennes, la géologie et l’occupation des sols apparaissent comme des éléments discriminants sur la variabilité spatiale de ces grandeurs. La variabilité des profondeurs des sols est aussi une caractéristique des milieux étudiés, qu’il est nécessaire de prendre en compte dans les modèles. Les expérimentations de versants, mais aussi l’analyse des données géochimiques des campagnes sur alerte ou mesurées en continu confirment la prépondérance d’écoulements latéraux de sub-surface rapides en terrain granitiques ou sur schiste et végétation naturelle, et leur importance, même sur terrains sédimentaires et agricoles. Il a aussi été montré que les capacités de stockage des sols issues de bases de données sols étaient largement sous-estimées car elles ne prennent pas en compte le stockage dans les horizons de socle altéré et fracturé. L’interface sol-bedrock s’est par ailleurs révélée perméable, avec des capacités d’infiltration élevées. Les mesures d’humidité des sols combinées à l’analyse de la réponse hydrologique mettent en évidence un effet de seuil au moment du passage de conditions de sol sèches à humides avec une réponse hydrologique très faible en conditions sèches et une forte variabilité de la réponse hydrologique en conditions humides. La modélisation et la simulation des crues rapides ont été abordées dans un esprit d’évaluation/comparaison de différentes hypothèses de fonctionnement en s’appuyant sur les données collectées et l’analyse des différences entre simulation et observation. Les résultats du projet ont aussi permis de valider la pertinence de cette approche itérative. A l’échelle des petits bassins, différents modèles reposant sur différentes hypothèses de processus dominants ont été mis en ½uvre et testés. Ces essais montrent qu’un seul processus ne peut suffire à expliquer les réponses observées et que les flux de sub-surface doivent impérativement être considérés pour une simulation correcte des observations, de même que la variabilité spatiale des capacités de stockage des sols. En particulier, une modélisation distribuée, construite à partir des observations de terrain s’est révélée particulièrement pertinente et robuste au changement d’échelle. A l’échelle régionale, deux approches de modélisation « top-down » et « bottom-up » ont été mise en ½uvre et évaluée. Les études confirment la nécessité de prendre en compte les horizons altérés pour la bonne représentation des capacités de stockage dans les sols. Elles mettent en évidence la nécessité de bien prendre en compte la géologie pour simuler correctement la variabilité des réponses hydrologiques et que les deux types d’approches permettent de représenter de manière satisfaisante cette variabilité, notamment pour les crues rapides. Ces modèles permettent d’obtenir des simulations en bassins non jaugés. Durant le projet, un effort important a été consacré à l’acquisition, la validation et la mise à disposition de riches jeux de données documentant différents aspects pertinents pour la compréhension des crues rapides. Ces données ont été exploitées de manière fragmentaire durant le projet, avec une focalisation sur des analyses par site d’études visant à confirmer la cohérence des données acquises. Une des perspectives les plus prometteuses est maintenant la mise en perspective des données des différents sites et une analyse globale des comportements à l’échelle de toute la région cévenole. Les efforts menés pour caractériser les incertitudes sur la pluie et les débits offrent aussi d’intéressantes perspectives pour une meilleure prise en compte dans les modèles, leur évaluation et leur calibration.
Mots-clés : FLOODSCALE
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Soumis le : samedi 16 mai 2020 - 08:57:11
Dernière modification le : vendredi 3 juillet 2020 - 16:45:21

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  • HAL Id : hal-02603603, version 1
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Citation

Isabelle Braud, J. Andrieu, P.A. Ayral, C. Bouvier, F. Branger, et al.. FloodScale : Observation et modélisation hydro-météorologique multi-échelles pour la compréhension et la simulation des crues éclairs, Rapport scientifique final du projet, ANR-2011 BS56 027 01. irstea. 2016, pp.149. ⟨hal-02603603⟩

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