1.2.1 Les différents outils
Avant tout, il est nécessaire d’avoir à l’esprit que la prévision est un compromis entre le degré d’anticipation souhaité (échéance ou horizon de prévision) et le niveau des incertitudes associées. En effet, plus l’échéance est importante, plus la valeur prévue sera incertaine. Il est donc possible voire souhaitable d’exploiter différents types d’informations et d’outils complémentaires, que l’on choisira selon le moment auquel la prévision est réalisée, l’anticipation désirée et le niveau d’in- certitude requis.
La prévision hydraulique « débit-débit » Pour simplifier (cf. FIG.1.1 page 19), la première façon de prévoir un débit à un exutoire donné, consiste à propager dans le réseau les débits me- surés à l’amont (hydraulique ou hydrodynamique), s’ils existent (i.e. s’ils sont mesurés) et s’ils
Propagation hydraulique Transformation pluie-débit Prévision météorologique
(temps de propagation) (temps de concentration)
Mesure des débits amont Mesure des pluies précipitées Champ de pression, humidités, etc
5 Propagation Quelques heures à quelques jours Quelques heures Quelques heures à quelques jours Concentration Météo
FIG. 1.1 – Les différentes méthodes/échéances de prévisions des crues.
sont suffisamment représentatifs (contribution des bassins intermédiaires supposée négligeable). L’échéance de prévision est le temps de parcours de la crue dans le réseau hydrographique. Cette méthode peut être utilisée avec davantage de succès lorsque les contributions des bassins intermé- diaires sont faibles ou négligeables, que les bassins amont sont représentatifs et jaugés, et que les temps de propagation sont suffisants pour permettre une réponse adaptée au risque produit par la crue. Typiquement, cette démarche de prévision est bien adaptée aux grands bassins versants, pour lesquels la contribution des bassins versants intermédiaires peut parfois être négligée.
La prévision « pluie-débit » Une technique de prévision différente est utilisée lorsque la situa- tion correspond, soit à un exutoire situé davantage à l’amont que dans le cas précédent pour lequel il n’existe pas de point de mesure amont, soit à un exutoire pour lequel les points de mesure situés à l’amont ne sont pas jugés suffisamment représentatifs (les apports intermédiaires contribuent pour une part importante à la formation du débit à l’exutoire), ou pour lequel les échéances de prévision débit-débit ne sont pas suffisantes pour permettre une anticipation efficace (alerte des services de secours, prise de décision, évacuation, etc). Les outils pluie-débit sont alors à privilégier car ils permettent – en théorie – d’augmenter le temps d’anticipation. Au temps de parcours de la crue entre deux points du réseau (prévision débit-débit), ils permettent d’ajouter le temps de réaction du bassin versant (prévision pluie-débit), c’est-à-dire le temps que met la crue pour se former, à partir des pluies précipitées sur le bassin versant.
La prévision météorologique La dernière situation se produit lorsque les délais de prévision des méthodes précédentes sont encore insuffisants (bassins plus petits, réactivité plus élevée, nécessité d’une plus grande anticipation) ou que l’on désire être capable de détecter suffisamment en avance
un état potentiellement dangereux. Elle consiste à baser la prévision sur la météorologie. Sur les bassins « rapides », les délais d’anticipitation sont alors sensiblement plus élevés que dans le cas des situations précédentes, mais les incertitudes associées, sont elles aussi très élevées – et sans couplage avec un modèle hydrologique, seules les pluies sont prévues.
L’intérêt de la transformation pluie-débit au sein de chaînes de prévision Des couplages entre ces différentes techniques peuvent bien sûr être utilisés. Même sur de grands bassins pour lesquels des méthodes de propagation hydrodynamique de l’onde de crue sont utilisées avec suc- cès, Arduino et al. (2005) préconisent de se détacher de ces outils purement hydrodynamiques. Pour privilégier l’utilisation d’outils croisant les disciplines, et donc les compétences. La trans- formation pluie-débit, parce qu’elle utilise directement les observations (ou les prévisions) de précipitations, apparaît être un outil pertinent au potentiel efficace pour augmenter les échéances de prévision. Utilisée comme premier maillon d’une chaîne de prévision (prévision hydrologique pure ou prévision associant hydrologie et hydraulique (Lian et al., 2007)), elle permet d’augmenter les échéances de prévision avec des incertitudes associées limitées. Utilisée en couplage avec des prévisions météorologiques (prévision hydrométéorologique), elle permet de valoriser les infor- mations sur la prévision des pluies augmentant ainsi de manière cruciale (parfois plusieurs jours) l’anticipation des prévisions (Tomassetti et al., 2005; Habets et al., 2005; Gouweleeuw et al., 2005; Bartholmes & Todini, 2005; Kobold & Sugelj, 2005). Ceci fournit un outil de « vigilance » parti- culièrement pertinent – même si, dans ce dernier cas, les incertitudes associées sont plus élevées. Enfin, certains modèles de prévision permettent de prendre en compte ces trois aspects : météo- rologie, transformation pluie-débit et écoulements dans le réseau hydrographique (Rabuffetti & Milelli, 2005; Blöschl et al., 2007).
1.2.2 Le choix des outils
Le choix des outils peut être guidé par différents aspects : les habitudes, le type de bassin versant, le type de crues, etc.
L’influence historique Apparue en France au XIXe siècle (Houdré, 2001), la mission d’an- nonce des crues – c’est-à-dire le suivi en temps réel de l’évolution de la crue – a initialement eu recours à l’hydraulique (Bachet, 1934). Sur les bassins suffisamment grands, cette approche a ap- porté des résultats satisfaisants. Cependant, déjà au XIXe siècle, la nécessité de relier l’ampleur et le comportement des crues aux types, volumes et intensités de précipitations s’est faite ressen- tir, notamment par les ingénieurs des Ponts et Chaussées (par exemple Jollois (1881); Imbeaux (1892)). Depuis quelques années, l’hydrologie commence à être considérée comme une alterna- tive à la simple « alerte à la pluie dangereuse » (se basant uniquement sur la météorologie) et à la propagation hydraulique1.
L’influence du bassin versant Comme cela a déjà été évoqué, la taille et les caractéristiques du bassin versant (temps de concentration, zones de plus forte vulnérabilité) conditionnent en partie
1. Propagation hydraulique qui rencontre des difficultés dans certains cas : quand le point concerné par la prévision est situé trop à l’amont, il n’est pas possible de faire de prévision hydraulique et souvent aucune alternative n’est envisagée (constat d’échec).
le choix des outils à privilégier. Par exemple, sur les petits bassins amont montagneux ou semi- montagneux, le recours à la transformation pluie-débit peut être justifié par les éléments suivants : – la rapidité de parcours des crues ne permet pas, une fois la crue formée (comme c’est le cas pour pouvoir propager), de prendre des décisions, de diffuser et de mettre en œuvre des mesures de sécurité avec un délai suffisant ;
– la contribution de l’ensemble du bassin ne permet pas de propager une mesure amont repré- sentative – qui de toute façon ne laisserait pas le temps d’agir ;
– les processus hydrologiques tels que la formation des écoulements superficiels liés à la sa- turation des sols deviennent parfois déterminants1rendant inefficace la seule utilisation de la prévision météorologique ;
L’influence du type de crues rencontrées De plus, les méthodes de prévision mises au point pour le cas des crues « classiques » ne sont pas toujours bien adaptées au cas des crues « éclair » – ce qui peut également être le cas pour les crues « rapides ». Il est donc parfois nécessaire d’utiliser des outils spécifiques. Par exemple, aux États-Unis, des modèles hydrologiques « classiques » sont utilisés pour prévoir les débits des cours d’eau, alors que la surveillance et la prévision des crues éclair sont réalisées par zone, en évaluant numériquement la quantité d’eau sur une surface nécessaire pour provoquer des crues dans les petits ruisseaux d’une aire prédéfinie2: quand une prévision de pluie est supérieure à cette valeur3, les prévisionnistes s’efforcent ensuite de réaliser des prévisions de la crue (Noel & Dobur, 2003; Georgakakos, 2006; Reed et al., 2007). En France, le modèle ALTHAÏR, utilisé en 2002 par le service d’annonce des crues du Gard (Bressand, 2002), utilisait un modèle intégrant la pluie radar, avec une fonction d’infiltration de Horton et d’une fonction de transfert calculée à l’aide d’un système d’information géographique (SIG). Le modèle, développé afin de pouvoir prévoir les événements les plus intenses, ne donnait de résultats corrects que sur les épisodes d’une période de retour supérieure à 10 ans. Ces deux exemples montrent à la fois, qu’il n’existe pas d’outil universel et que le choix des outils dépend de ce que l’on désire en faire ; mais il montre également que, si la prévision de la pluie est importante, elle ne peut cependant pas être utilisée sans modèle pluie-débit (permettant ici de calculer la quantité d’eau qui pourrait provoquer une crue, et/ou de prévoir l’évolution de la crue).
1.2.3 Les informations utilisées pour la prévision des crues
Davantage d’informations pour la prévision des crues ? Une définition de la « prévision » a été proposée en 1.1.2.1. La « prévision » se distingue de la « simulation » par le fait qu’on ne connaît pas le futur mais que l’on a accès à toutes les informations du passé récent. Si l’on veut prendre en compte des informations sur le futur, il est alors nécessaire de réaliser des scénarios : ceci est en particulier vrai pour les données de précipitations. La seconde différence est que, dans le cadre de la prévision, on s’autorise à utiliser toutes les informations disponibles à l’instant auquel la prévision est réalisée. Ce dernier point implique l’utilisation de techniques de mise à jour.
Concentration de la pluie par le bassin – et par le modèle Un débit à un instant donné est la composition, parfois complexe, de pluies précipitées à des pas de temps antérieurs. Selon les
1. Par exemple, la mauvaise prévision de la crue du 8 septembre 2005 dans l’Hérault, basée uniquement sur l’in- formation et les outils météorologiques.
2. Cette technique a pour nom « Flash Flood Guidance ».
3. Samuels (2004) affirme que cette méthode de prévision par dépassement d’un seuil des prévisions quantitatives de précipitations devrait être systématisée sur les bassins du pourtour méditerranéen, plus enclins à des crues rapides, conduisant à développer des outils et des critères pour cela.
temps caractéristiques des bassins (temps de concentration, temps de réaction), le nombre de pas de temps pluvieux qui participent au débit de crue peut être plus ou moins grand ; et ceux-ci peuvent être plus ou moins éloignés dans le temps. Les toutes dernières précipitations enregistrées prennent donc, selon les caractéristiques du bassin concerné, une part plus ou moins importante à la formation du débit de crue (cf. FIG.1.2). En se plaçant dans une perspective de prévision, les débits futurs vont eux aussi être formés par les pluies déjà précipitées mais également par les pluies à venir. Le rapport des contributions des pluies futures par rapport aux pluies passées évolue avec les échéances de prévision : pour les premiers pas de temps prévus, le poids des pluies passées sera vraisemblablement plus important (ce qui peut permettre de faire du « nowcasting »), alors que pour des échéances plus longues, il va devenir progressivement négligeable (ce qui rend indispensable l’utilisation de scénarios de pluies futures).
Hydrogramme unitaire Contribution de chaque pas de temps pluvieux Evénement pluvieux supposé constant
FIG. 1.2 – Contribution des différents pas de temps de pluie à la formation des débits (d’après le cours de Ch. Obled).
« Nowcasting » et prévision hydrologique Sur les premières fractions du temps de concen- tration d’un bassin, le rôle de la pluie future est négligeable devant celui de la pluie passée. Si bien que, même sans information sur les pluies futures, les modèles de transformation pluie-débit peuvent proposer des prévisions de débits réalistes (par exemple sur la figure FIG.1.3, il est pos- sible de voir que sur quelques pas de temps, tous les débits prévus se superposent quel que soit le scénario de pluie future (pluie constante de 0 à 30 mm pendant les quatre heures à venir) alors qu’ensuite, ils évoluent différemment. Utiliser ainsi les modèles, en prévision, mais sans prévision de pluie, revient à faire de la « prévision immédiate », du « nowcasting ». Ce mode d’utilisation a pour principal inconvénient de limiter de manière importante l’horizon de prévision (qui sera une fraction du temps de concentration du bassin), mais permet aux modèles pluie-débit d’être utilisés même lorsque des scénarios de pluies ne sont pas disponibles. De plus, à des fins scientifiques, cela permet d’évaluer séparément les incertitudes liées à la transformation pluie-débit des incertitudes liées à la prévision de la pluie.
L’utilisation de scénarios de précipitations Sur l’intérêt des scénarios de précipitations1, il est possible de citer de nombreux auteurs. D’après (Goswami et al., 2005), les techniques d’analyses de séries temporelles appliquées à la prévision des précipitations peuvent être très décevantes, en
0 1 2 3 4 5 6 7 8 20/10/01 04:00 20/10/01 06:00 20/10/01 08:00 20/10/01 10:00 20/10/01 12:00 20/10/01 14:00 20/10/01 16:00 20/10/01 18:00 20/10/01 20:00 20/10/01 22:00 21/10/01 00:00 21/10/01 02:00 21/10/01 04:00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pluie (mm) Débit obs ervé (mm.h -1.km -2)
FIG. 1.3 – Exemple de prévisions à Goudet, selon différents scénarios de précipitations futures (le temps de montée très rapide et le temps de réaction aux pluies relativement long seraient expliqués pour cette crue sur ce bassin de la Loire à Goudet par l’influence du barrage de Lapalisse.)
particulier pour le pas de temps journalier. Pour un pas de temps horaire et couplées avec des techniques de prévision des erreurs de modélisation, Brath et al. (2002) obtiennent, grâce à elles, des améliorations dans les prévisions de débits. Toth et al. (2000) comparent un scénario de pluies futures nulles (qui revient à ne pas tenir compte des précipitations futures) et des scénarios issus de différentes techniques plus ou moins complexes : sur un bassin de temps de concentration de 10 heures environ, le fait de ne pas prendre en compte les pluies futures n’a pas d’impact durant 3 heures environ ; au delà, les performances en prévision y sont de plus en plus sensibles. De la même façon, sur la figure FIG.1.3, à Goudet, il peut être observé que le choix du scénario de pluie n’a pas d’impact pendant deux heures.
Synthèse sur les scénarios de pluie future La question du choix des scénarios de pluies futures, des échéances de prévision (de l’ordre de quelques heures, de la journée, de quelques journées ou à plus long terme (prévisions saisonnières)) dépend tout d’abord essentiellement de la disponibi- lité ou non des prévisions de pluies. Deux types d’échéances concernent plus particulièrement la prévision des crues rapides : (i) la prévision de l’évolution des débits à très court terme (« now- casting »), c’est-à-dire essentiellement à partir des pluies déjà précipitées (on ne dispose pas de scénarios de pluies futures) et/ou de celles qui sont imminentes (exemple de la valorisation de l’information radar qui permet d’extrapoler les pluies à venir à partir des vitesses de déplacement et des formes des zones orageuses actuelles) ; (ii) la prévision à l’échéance d’une journée environ (voire un tout petit peu plus) quand des prévisions de pluie sont disponibles, ce qui peut permettre de mettre les services opérationnels en vigilance.
Les méthodes de mise à jour Les méthodes de mises à jour1(« updating ») ont pour objectif d’utiliser les dernières informations mesurées afin de corriger en temps réel différents éléments de la modélisation. Ces erreurs de modélisations c’est-à-dire les écarts entre les débits modélisés et les débits mesurés, peuvent avoir comme origine des inadéquations dans la structure du modèle, une mauvaise estimation des paramètres du modèle, des erreurs dans les données ou l’absence de relation cohérente entre les données (Kachroo & Liang, 1992). Les méthodes de mises à jour
consistent donc en une réévaluation, grâce à une information supplémentaire, de la variable sur laquelle elles portent : entrées, variables d’état, paramètres ou sorties du modèle. En général, si la technique de mise à jour est efficace, cela permet d’obtenir des prévisions plus cohérentes avec les observations.
Conclusion du chapitre
Objectifs de ce chapitre Ce chapitre avait pour objectif d’introduire les notions de crues rapides et de prévision des crues, d’en balayer les caractéristiques puis d’examiner quels sont les outils disponibles adaptés à cet objectif.
Des crues rapides Le concept de « crues rapides » a été proposé pour caractériser des crues plus rapides que les crues classiques, dont certaines correspondent aux définitions des « crues éclair » habituellement rencontrés, et d’autres sont plus en marge de ces définitions.
Analyse a priorisur les outils à utiliser Il a été montré que les phénomènes de crues rapides – et à plus forte raison de crues éclair – sont encore mal connus. Le cas de la prévision des crues rapides a été présenté. Il aboutit à l’utilisation de modèles pluie-débit. Pour de courtes échéances (une fraction du temps de concentration), les modèles pluie-débit utilisés seuls sont censés pouvoir fournir des informations intéressantes sur l’évolution des débits. Pour des échéances plus longues (équivalentes ou supérieures au temps de concentration du bassin), la prévision de pluie – en plus de la transformation pluie-débit – devient déterminante.
Pour ce travail Au cours de ce travail, on s’intéressera essentiellement aux performances des modèles pluie-débit sur le temps de réaction du bassin aux pluies. Celles-ci dépendent de la qualité des modèles pluie-débit et des performances des techniques de mise à jour qui leur sont éventuel- lement associées. A la fin de ce mémoire, et dans un souci prospectif, une chaîne de prévision couplant un modèle pluie-débit et des prévisions de pluie, permettant ainsi d’effectuer des prévi- sions à plus long terme, sera présentée et évaluée dans le cas de la Loire supérieure (CHAP.10).
2
La zone d’étude
Sommaire Introduction . . . 25 2.1 Contexte géographique . . . 26 2.1.1 Description physique . . . 26 2.1.2 Description géologique et pédologique . . . 26 2.1.3 Hydrographie . . . 29 2.1.4 L’Homme et son milieu . . . 33 2.2 Contexte hydroclimatique . . . 35 2.2.1 Climatologie . . . 35 2.2.2 Hydrologie . . . 40 2.2.3 Les conditions de formation des crues rapides . . . 41 2.2.4 Les enjeux liés à l’hydrologie . . . 46 Synthèse du chapitre . . . 48Introduction
Objectif L’objectif de ce chapitre est de présenter la zone d’étude afin de mieux connaître le forçage climatique auquel est soumis le bassin versant (i.e. les entrées de la transformation pluie- débit) et d’identifier les éléments susceptibles d’influencer la façon dont le bassin transforme les pluies en débit (i.e. la topographie, la géologie et la pédologie, l’occupation des sols) puis ceux qui contrôlent la propagation des débits (le réseau hydrographique et les ouvrages hydrauliques). Ainsi la formation de ces crues a la particularité d’être parfois très rapide et en identifier les conditions sous-jacentes est capital.
Démarche La démarche a été la suivante : dégager, à partir de la littérature, les points caracté- ristiques des bassins et compléter ces informations par d’autres sources, d’autres analyses.
Plan de ce chapitre Tout d’abord sont exposées les caractéristiques géographiques, permettant de mieux appréhender le contexte d’étude et jouant en même temps un rôle déterminant sur la transformation de la pluie en débit et sur l’évaluation de la vulnérabilité aux inondations. En- suite sont présentées les particularités climatiques et hydrologiques qui sont au cœur même de la formation des crues rapides1.
1. Il est à noter que dans cette partie, c’est l’ensemble du bassin de la Loire à Bas-en-Basset qui est présenté. Pour retrouver des informations spécifiques, bassin par bassin, se reporter à l’annexe A.2 page 300.
2.1
Contexte géographique
Sont ici décrites de manière synthétique les caractéristiques géographiques de la zone d’étude : sa situation, sa forme, sa topographie, sa pédologie et son hydrographie ainsi que la façon dont l’homme occupe ce territoire1.
2.1.1 Description physique
La Loire avec une longueur de 1 020 km est le plus long fleuve de France. Son bassin, d’une super- ficie de 117 000 km2, couvre environ 1/5e du territoire français. Notre zone d’étude (cf. FIG.2.1 page 27) concerne la Loire supérieure, c’est-à-dire le fleuve sur la première centaine de kilomètres, de sa source en Ardèche (au Mont Gerbier de Jonc à 1 408 m NGF2), à sa sortie du département de la Haute-Loire (à peu près à la hauteur de Bas-en-Basset (environ 440 m), tout près de Monistrol sur Loire). Le bassin ainsi formé couvre une superficie de 3 234 km2, soit moins de 3% de la su- perficie totale du bassin de la Loire. Le bassin de la Loire en amont de Bas-en-Basset se situe donc dans le sud-est du Massif Central à peu près au niveau du 45eparallèle, à la limite entre les régions Auvergne et Rhône-Alpes, et plus précisément, à cheval sur les départements de la Haute-Loire et de l’Ardèche. Il occupe une bande de terrain orientée du sud au nord dont les dimensions sont 100 km de long pour 70 km de large.
Le fleuve prend sa source à l’extrême sud-est où le bassin forme une pointe. Il coule ensuite sur