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C. Fouchier

To cite this version:

C. Fouchier. Développement d’une méthodologie pour la connaissance régionale des crues. Sciences de l’environnement. Doctorat Université Montpellier II, 2010. Français. �tel-02595115�

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THÈSE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ MONTPELLIER II SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC

École doctorale : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement

Filière : Eaux continentales et Société présentée par

Catherine FOUCHIER

Ingénieur des Ponts, des Eaux et des Forêts

pour obtenir le grade de

Docteur de l'Université Montpellier II

Développement d’une méthodologie pour la connaissance régionale des crues

Thèse préparée au sein du Groupe de Recherche en Hydrologie, Cemagref, Aix-en-Provence et soutenue publiquement le 18 novembre 2010 devant le jury composé de :

M. Christophe BOUVIER DR, IRD Directeur de thèse

M. Patrick ARNAUD IR, Cemagref Encadrant

M. Vazken ANDRÉASSIAN ICPEF, Cemagref Rapporteur

M. Hervé ANDRIEU DR, LCPC - IRSTV Rapporteur

M. Roger MOUSSA DR, INRA Examinateur

M. Bruno JANET ICPEF, SCHAPI Examinateur

M. Jacques LAVABRE IR, Cemagref Invité

CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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CemOA : archive ouverte

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Deux volets distincts de l'hydrologie sont abordés, prévision et prédétermination, au travers d'une problématique commune, le transfert à l'exutoire des bassins versants d'une information hydrologique distribuée, et d'un objectif commun, la connaissance de le l'aléa de crues sur les bassins versants non jaugés.

Dans le domaine de la prévision des crues, la technologie radar procure une information pluviométrique spatialement continue. Les hydrologues disposent ainsi en temps réel de la connaissance des champs de pluie, atout indéniable pour l'anticipation des crues, notamment sur des petits bassins versants non instrumentés, par le biais de la modélisation de la pluie en débit. Dans le cadre de la méthode AIGA d'alerte crues, développée au Cemagref, une modélisation mise en œuvre à l'échelle du pixel de pluie fournit une cartographie des contributions de débit des pixels.

Dans le domaine de la prédétermination, le Cemagref a développé la méthode SHYREG qui associe un modèle régionalisé de simulation de pluies horaires à une modélisation de la pluie en débit. Une estimation statistique régionale des pluies et des débits spécifiques de différentes durées, dans une large plage de fréquence (du courant à l’exceptionnel) peut ainsi être proposée et cartographiée.

L’objectif du travail présenté est d’étudier et d’élaborer des méthodologies simples de transformation de ces deux informations débitmétriques discrétisées – information temps réel pour le volet prévision et information statistique pour le volet prédétermination – en information débit à l’exutoire du bassin versant. La méthodologie met en œuvre des informations spatiales et une modélisation de la pluie en débit. Pour répondre à l'objectif fixé, trois axes de travail sont développés. Le premier est l'étude du comportement d'un modèle pluie-débit simple développé pour être mis en œuvre à la maille du km². On examine en particulier s'il satisfait les caractéristiques d'invariance et de parcimonie souhaitée pour une utilisation à la fois en reconstitution de crues et en simulation. Le second axe de travail concerne l'agrégation, en prédétermination, de l'information débit statistique connue au km² pour l’estimation des quantiles de débit à l’exutoire de bassins versants de superficie plus importante dans le cadre de la méthode SHYREG. Il s'agit de tenir compte de deux phénomènes hydrologiques distincts : l'abattement spatial de la pluie et le transfert dans le réseau hydraulique. Le troisième axe de travail concerne l'agrégation de l’information hydrologique distribuée pour la reconstitution des crues dans le cadre de l'outil AIGA d'alerte crues. Différentes modélisations sont proposées pour transférer à l'exutoire les contributions des débits modélisées aux pixels.

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We address the routing of distributed hydrological information to the outlet of watersheds, in the fields of flood forecasting and flood prediction on ungauged watersheds in the French Mediterranean area.

Flood forecasting can benefit of areal rainfall data provided in real-time by radar networks. This data used as an input to rainfall runoff models gives access to flood anticipation on small ungauged watersheds. Within the framework of the AIGA method, developed by the Cemagref institute to provide floods alert, a rainfall-runoff model is implemented at the spatial resolution of the radar data, thus providing a map of the 1 km² pixel contributions to the runoff at the catchment outlet.

Flood prediction consists of assessing the frequency of occurrence of floods of different given magnitude without reference to the times at which they would occur. The SHYREG flood prediction method, developed by the Cemagref institute associates a regionalized stochastic rainfall model with a rainfall-runoff model. It provides grids of statistical estimates of rain and runoff for various duration and return periods.

Our purpose is to study and work out simple methodologies to aggregate these two gridded hydrological data - real time information for the AIGA forecasting method and statistical data for the SHYREG prediction method – in order to deliver discharge real time and statistical values at the outlet of any catchments. Our methodology implements distributed information and a rainfall-runoff model. We have first studied the behaviour of a simple rainfall-runoff model developed to be implemented in a gridded resolution (1 km² cells) for prediction as well as for forecasting purposes. We have checked that the model parameters show no redundancy and no link with the characteristics of the rainfall events.

We have then addressed the question of the aggregation of gridded hydrological data. Within the SHYREG method, it consists of assessing statistical flow estimates at catchments outlets, knowing simulated flow distributions in each cell of the catchments. This aggregation would combine two distinct hydrological phenomena: areal reduction of rainfall and discharge attenuation in the channel network. Within the AIGA method, we have focused on the routing function of the rainfall-runoff model at the 1 km² cell scale, this scale being the first step of the runoff routing from the production area to the outlet of the catchment. We have then produced streamflow hindcasts for selected observed events using different routing function within our rainfall-runoff model.

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À l'heure de clôturer ce mémoire de thèse, il est temps de remercier tous ceux qui m'ont accompagnée lors de ce travail, en espérant n'oublier personne.

J'adresse en premier lieu mes remerciements les plus sincères aux membres de mon jury de thèse qui ont évalué avec beaucoup d'attention et d'indulgence le travail présenté. Mes remerciements vont ainsi à mes rapporteurs Vazken Andréassian et Hervé Andrieu pour leur relecture attentive et critique de mon manuscrit et leurs questions pointilleuses mais fort utiles lors de la soutenance ; à mes examinateurs Hervé Moussa et Bruno Janet dont j'ai apprécié chez le premier la curiosité scientifique et la gentillesse, qualités qui en ont fait un président de jury tout désigné, et chez le second l'intérêt attentif d'un opérationnel et l'amitié bienveillante d'un ancien camarade de promotion.

J'ai pu apprécier tout au long de ce parcours la patience inébranlable de mon directeur de thèse Christophe Bouvier qui a toujours répondu présent. Merci Christophe pour nos échanges sur les méthodes que j'ai mises en œuvre même si elles étaient éloignées de ton approche scientifique, merci pour ton regard critique et tes conseils avisés sur la conduite de mon travail.

Mon travail a bénéficié de l'encadrement au jour le jour de Jacques Lavabre et Patrick Arnaud dont je remercie les nombreux conseils et la grande qualité de l'accompagnement. Merci Jacques de m'avoir encouragé à me lancer sur ce sujet, merci pour tes idées. Trop nombreuses pour tenir dans une seule thèse, j'ai essayé malgré tout d'en suivre quelques unes, les autres ne sont pas perdues : elles me serviront pour l'avenir. Merci Patrick de m'avoir patiemment guidée dans ce travail, pour lequel, bien que ne l'ayant pas initié (ce qui te donne d'autant plus de mérite), tu m'as aidée à trouver et démêler un fil conducteur.

Je remercie également les membres de mes comités de pilotage de thèse, Luc Neppel, Jean-Alain Fine, Roger Moussa, Christian Puech et Jean-Paul Mizzi, pour les nombreux conseils qu'ils m'ont prodigués.

Si j'ai pu mener ce travail à bien, c'est aussi grâce aux directeurs successifs des écoles doctorales Terre, Eau, Espace puis SIBAGHE de l'université Montpellier II, MM. Daignieres et Godelle dont je remercie la compréhension face au déroulement assez peu académique de cette thèse ainsi qu'aux responsables successifs du département Ressources en eau, Usages et Risques, maintenant département Eaux du Cemagref, MM. Lacroix et Torterotot. Merci au premier de m'avoir encouragée à commencer, merci au second de m'avoir encouragée à terminer. Je suis également reconnaissante à Patrice Mériaux, ancien responsable de l'Unité de recherche OHAX, pour son écoute attentive et ses encouragements décisifs au bon moment. Je ne saurai oublier dans mes remerciements Mme Lopez de l'UMII et Mme Pérès du laboratoire Hydrosciences pour leur grande disponibilité et leur efficacité dans le traitement de toutes mes requêtes administratives.

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également à Dominique pour ses réalisations graphiques et sa grande disponibilité même à des heures indues ; et pour ne pas faire de jaloux : merci à tout RHAX ! J'ai une pensée, un peu émue puisque je rejoins leurs rangs, pour tous les anciens thésards de l'équipe : aussi bien ceux que j'ai croisés parfois bien en amont de cet itinéraire (Flavie, Sébastien), que ceux que j'ai côtoyé au cours de ma thèse (Benjamin, Patrick, Stéphanie et Philippe) ; et je souhaite bon courage à celui qui termine brillamment bientôt (Yoann) et celui qui commence tout juste non moins brillamment (Dimitri). Merci également à Jean-Alain et Didier, les Dupont et Dupond d'Hydris et membres de cœur de RHAX, pour leur bonne humeur et leur intérêt pour mon travail ainsi qu'à tous les collègues et anciens collègues non hydrologues qui m'ont témoigné de leur soutien au cours de cette thèse.

Les derniers remerciements et non les moindres vont à mon entourage, famille et amis, pour son soutien sans faille et ses encouragements constants. Une petite pensée pour le relecteur attentif qui s'est longuement plongé dans ce mémoire armé de tout son courage et de son stylo à l'affût de la moindre faute (j'espère que je n'ai rien oublié) et qui y a perdu son latin. Un grand merci à mes organisateurs du pot de soutenance. La palme des remerciements revient à David sans qui il ne m'aurait pas été possible de mener ce travail à bien. De tout cœur, merci pour ton sourire, tes encouragements, ton écoute, ta patience à toutes épreuves.

Je réserve les derniers mots de conclusion pour une pensée affectueuse à mes grands parents, qui n'en sauront rien car c'est plus simple comme cela ("docteur en hydrologie ? Mais c'est pour soigner quelle maladie ?"), et pour mes petits bonheurs, Lisa et Victor, dont l'arrivée, tellement attendue et malgré tout, ou parce que, si peu prévisible, aura beaucoup chamboulé le déroulement de cette thèse.

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Résumé ... 3

Abstract ... 4

Remerciements ... 5

Sommaire ... 7

Introduction générale... 15

PARTIE I. Problématique et choix de modélisation ... 21

Introduction ... 23

Chapitre 1. Contexte ... 25

1.1. Positionnement du travail dans le domaine de l'hydrologie... 25

1.1.1. Des sciences hydrologiques en général à l'hydrologie de surface en particulier ... 25

1.1.2. Les applications de l'hydrologie de surface... 26

1.1.3. Les échelles de temps et d'espace en hydrologie... 27

1.2. Définition des notions abordées... 29

1.2.1. Crues et inondations ... 29

1.2.2. Aléa, vulnérabilité et risque... 29

1.2.3. Connaissance et gestion de l'aléa hydrologique grâce à la prévention ... 32

1.2.4. Connaissance et gestion de l'aléa hydrologique grâce à la prévision ... 33

1.3. Les méthodes étudiées : SHYREG et AIGA, deux formes de réponse aux besoins opérationnels de prédétermination et d'alerte ... 35

1.3.1. La méthode SHYREG de prédétermination des débits de crue... 35

1.3.2. La méthode AIGA d'alerte crues ... 36

1.4. Synthèse du contexte... 39

Chapitre 2. Modélisation pluie-débit ... 41

2.1. État de l'art ... 41

2.1.1. Classification selon l'objet étudié : modèles probabilistes, modèles déterministes ... 41

2.1.2. Classification selon l'approche temporelle : modélisation événementielle ou continue... 42

2.1.3. Classification selon l'approche spatiale : modélisation globale ou distribuée ... 43

2.1.4. Classification des modèles selon la représentation des processus hydrologiques ... 43

2.2. Un modèle pluie-débit commun aux deux méthodes... 47

2.2.1. Contraintes de mise en œuvre dans les méthodes AIGA et SHYREG... 47

2.2.2. Le modèle global GR3H : précurseur du modèle GR simple... 51

2.2.3. Description du modèle GR simple global ... 55

2.2.4. Étude de sensibilité des débits modélisés aux valeurs des paramètres de transfert du modèle GR simple ... 57

2.3. Une mise en oeuvre du modèle distincte selon les méthodes ... 60

2.3.1. Utilisation du modèle GR simple distribué couplé à des simulations de pluies pour la prédétermination des crues dans le cadre de SHYREG... 60

2.3.2. Mise en œuvre du modèle GR simple distribué en temps réel pour l'alerte crue dans le cadre de AIGA... 61

2.4. Synthèse des problématiques de modélisation... 65

Chapitre 3. Présentation des données pluie-débit utilisées ... 67

3.1. Quelles données pour quels objectifs ? ... 67

3.2. Échantillon 1 : données de crues des bassins métropolitains ... 69

3.3. Échantillon 2 : données de crues du Réal-Collobrier... 71

3.3.1. Constitution des couples averse-crue ... 71

3.3.2. Échantillonnage des événements... 72

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3.5. Échantillon 4 : quantiles de débits des bassins méditerranéens ... 90

3.6. Synthèse des données disponibles... 92

Conclusion de la première partie ... 93

PARTIE II. Étude de comportement du modèle... 95

Introduction : objectifs méthodologiques de la deuxième partie ... 97

Chapitre 4. Examen de l'indépendance des paramètres ... 101

4.1. Résultats du calage... 101

4.2. Indépendance des paramètres au sein de chaque bassin... 104

4.2.1. Méthodologie... 104

4.2.2. Indépendance des paramètres entre eux ... 104

4.2.3. Indépendance des paramètres avec la pluie ... 106

4.3. Examen des relations inter bassins... 110

4.3.1. Lien entre B et C ... 110

4.3.2. Lien entre B et S0/A ... 111

4.3.3. Lien entre C et S0/A ... 112

4.4. Synthèse sur l'indépendance des paramètres... 113

Chapitre 5. Recherche de relation avec des variables d'environnement ... 115

5.1. Description des variables descriptives quantitatives utilisées... 116

5.2. Étude des régressions linéaires ... 118

5.2.1. Paramètre B ... 118

5.2.2. Paramètre C ... 120

5.3. Synthèse des relations avec les variables d'environnement ... 122

Conclusion de la deuxième partie... 123

PARTIE III. Du pixel à l'exutoire en prédétermination des débits de crue dans le cadre de la méthode SHYREG... 125

Introduction ... 127

Chapitre 6. État de l'art et problématique... 129

6.1. Aperçu des méthodes probabilistes de prédétermination des débits de crues ... 129

6.1.1. Techniques de prédétermination en site jaugé... 129

6.1.2. Techniques de prédétermination en site non jaugé... 131

6.2. Problématique posée par la méthode SHYREG... 133

6.2.1. Principes de la méthode SHYPRE... 133

6.2.2. Les étapes de l'évolution de la méthode SHYPRE vers sa version régionale SHYREG... 135

6.2.3. Principe de l'agrégation des quantiles de débits pixélisés ... 137

6.2.4. Limites... 139

Chapitre 7. Évolution de la fonction de transfert statistique ... 143

7.1. Nouvelle formulation ... 143

7.2. Optimisation des paramètres de contrôle de l'abattement des débits de pointe et journaliers... 146

7.2.1. Méthodologie... 146

7.2.2. Optimisations n°1 à l'aide des quantiles décennaux ... 147

7.2.3. Optimisations n° 2 à l'aide des quantiles 2, 5 et 10 ans ... 147

7.2.4. Optimisations n° 3 et 4 à l'aide des quantiles 2, 5 et 10 ans avec pondération... 148

7.2.5. Comparaison des optimisations ... 149

7.3. Étude de l'influence d'un abattement saisonnier... 151

7.4. Optimisation selon un nouveau critère d'écart ... 153

7.5. Abattement des débits de durée intermédiaire ... 157

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7.6. Discussion... 159

7.6.1. Examen de l'abattement direct... 159

7.6.2. Comparaison avec des abattements de pluies... 159

Conclusion de la troisième partie ... 161

PARTIE IV. Du pixel à l'exutoire en reconstitution de crues dans le cadre de la méthode AIGA... 163

Introduction ... 165

Chapitre 8. Méthodologie ... 169

8.1. Présentation de la distribution du transfert mise en œuvre ... 169

8.1.1. Principe... 169

8.1.2. Étude de sensibilité des débits calculés à la distribution du transfert... 171

8.2. Modélisations réalisées ... 173

8.2.1. Évaluation de l'apport de la connaissance de la distribution spatiale de la pluie... 173

8.2.2. Évaluation de la distribution du transfert ... 174

8.2.3. Mise en œuvre en situation non jaugée de la distribution régionale du transfert ... 175

8.3. Précisions sur les calages effectués... 177

8.3.1. Optimisation de la production ... 177

8.3.2. Principe du calage du modèle GR simple distribué... 177

8.3.3. Critère d'optimisation des modélisations... 179

8.4. Méthodes d'évaluation des performances ... 181

8.4.1. Évaluation de l'adéquation des hydrogrammes calculés aux hydrogrammes observés ... 181

8.4.2. Évaluation de la pertinence des alertes... 181

8.4.3. Évaluation de l'anticipation des alertes... 183

8.4.4. Évaluation de la possibilité d'initialisation ... 183

8.5. Synthèse de la méthodologie ... 184

Chapitre 9. Résultats et discussion... 185

9.1. Impact de la connaissance de la distribution spatiale de la pluie ... 185

9.1.1. Examen des performances en reconstitution de crues ... 185

9.1.2. Examen des statistiques de contingence... 187

9.1.3. Conséquence de la connaissance de la distribution de la pluie sur la paramétrisation du modèle . 188 9.1.4. Conclusion partielle... 189

9.2. Apport de la distribution du transfert, cas d'un paramétrage local... 191

9.2.1. Examen des performances... 191

9.2.2. Comportement des paramètres ... 195

9.2.3. Effet de la distribution du transfert sur les hydrogrammes de crues ... 197

9.3. Apport de la distribution du transfert, cas d'un calage régional ... 200

9.3.1. Examen des performances... 200

9.3.2. Effet de la distribution sur les hydrogrammes de crues... 203

9.4. Mise en œuvre en situation non jaugée de la distribution régionale du transfert ... 206

9.4.1. Principe de la transposition des paramètres... 206

9.4.2. Résultats du calage aval. ... 207

9.4.3. Résultats en non jaugé... 208

Conclusion de la quatrième partie ... 211

Conclusion générale ... 213

Références bibliographiques ... 217

Tables des illustrations ... 227

Annexes ... 233

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Crue de la Nartuby à Trans-en-Provence, le 6 juillet 1827, ex-voto commémoratif.

Au premier plan : le Pont Bertrand, à l'arrière plan : le Pont-Vieux

"Un orage épouvantable de grêle et d'eau a éclaté sur les communes d'Ampus, de Châteaudouble, de Montferrat et de Tourtour. Ses effets ont été aussi prompts que désastreux. L'eau tombant par les torrents sur un sol de plusieurs lieues carrées entouré de collines. La rivière de Nartuby, les ruisseaux et les ravins qui y affluent ont acquis en peu d'instants un volume prodigieux, et les campagnes inférieures ont aussitôt présenté l'image d'une vaste mer. Tous ces courants débordés prenant une force et impétuosité extraordinaires ont entraîné tout ce qui se trouvait sur leur passage. Nombres de maisons ont été renversées, le toit de plusieurs autres a cédé sous le poids de la grêle.

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d'arbres, emporté la terre végétale et n'ont laissé sur leurs traces que la stérilité et la désolation. Le joli hameau de Rebouillon à une lieue de Draguignan a particulièrement reçu des dommages qui seront à jamais irréparables. Un foulon très utile à la contrée et la maison contiguë ont été complètement détruits ; il n'en est pas resté un seul mur. Il se trouvait dans cette usine une quantité considérable de pièces de draps qui ont disparu avec tous les instruments, les meubles et les bestiaux du propriétaire. Les amateurs d'antiquités regretteront le pont de la Granegone bâti sur la voie aurélienne par les Romains, dont on admirait la hardiesse et la légèreté. Ce monument précieux, qui avait résisté à vingt siècles, a été démoli en un instant par l'inconcevable fureur des eaux. Le territoire de Montferrat est celui de tous qui, dans cette circonstance, a souffert les plus vastes et les plus irréparables dégradations ; aussi est-il bien difficile de se faire une idée de la douleur et du désespoir de la presque totalité de ses habitants, lorsque après le danger personnel passé, ils n'ont plus vu que de profonds ravins, des tas de sable et de pierres, là où deux heures auparavant l'œil satisfait pouvait contempler de riants vergers d'arbres fruitiers et de florissantes prairies. […]

Les communes de Draguignan et de Trans, quoique hors de l'action immédiate du météore orageux n'ont pas éprouvé de moindres dommages dans leurs territoires respectifs. Elles ont eu même le malheur particulier de compter des victimes. La funeste inondation a atteint ces deux communes au moment où rien ne donnait lieu de la craindre. La moisson s’y terminait, les champs étaient couverts de gerbes, les ouvriers et les propriétaires s’aidaient aux derniers travaux de cette intéressante récolte. Tout à coup apparaît une masse effroyable d'eau traînant avec elle des charpentes, des meubles, des bestiaux ; cette eau impétueuse enveloppe, enlève tout ce qu'elle rencontre ; les travailleurs ont à peine le temps de se sauver sur les hauteurs, quelques uns grimpent sur les arbres où ils restent jusqu'à la nuit : le torrent dévastateur sape et renverse les murs de clôture, arrache vignes et arbres fruitiers, et sème partout les débris des premières démolitions. Pourquoi faut-il qu’en gémissant sur un désastre ruineux pour tant de familles, nous ayons encore à déplorer la mort de six personnes : cinq hommes et une jeune fille qui ont péri en tentant de sauver leurs gerbes emportées par les eaux. Leurs corps n'ont été retrouvés que le surlendemain de l'orage. Quatre de ces infortunés appartiennent à la commune de Trans, et deux à celle de Draguignan. Le nombre des victimes eût été sans doute plus grand, sans la présence d'esprit et le zèle prévoyant d'un habitant de Trans qui, dès la première apparition du danger, monta à cheval et parcouru rapidement les lieux menacés avertissant à grands cris les travailleurs de pourvoir à leur sûreté. […]

Les dommages des six communes ravagées ont été, au premier aperçu, évaluées en totalité à un million de francs. Mais on se convaincra qu'ils dépassent de beaucoup cette somme si l'on considère le nombre et l'étendue des démolitions, la perte des provisions et des meubles, celle de la présente récolte de grains et de fourrages, celle des bestiaux, etc... et, plus que tout le reste la valeur du sol dont la terre végétale a été emportée jusqu'au roc et dont la remise en culture est au-dessus de tout les efforts de la puissance humaine".

Témoignage d'un contemporain sur la crue de la Nartuby du 6 juillet 1827, cité dans le PPRi de la Nartuby à Draguignan (DDE du Var, 2005)

"Messieurs, vous avez encore présente à la mémoire la fatale journée du 6 juillet dernier qui détruisit une partie de vos récoltes et qui vit périr, au milieu des flots, quatre personnes de cette commune.

Voulant perpétuer le souvenir de cette époque désastreuse et le transmettre à nos neveux et arrière- neveux pour qu'ils aient à se prémunir dans le cas où un pareil désastre viendrait à se reproduire, j'ai fait graver, sur une pierre de marbre, une inscription qui rappelle cette déplorable journée, et les malheurs qui en furent la suite. Elle est placée comme vous savez, à l'angle du mur de la maison Boyer, au pied du Pont vieux et à la hauteur où les eaux de la rivière se sont élevées lors de cette effroyable inondation."

Délibération du conseil municipal de Trans-en-Provence du 14 mai 1828.

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Crue de la Nartuby à Trans-en-Provence, le 15 juin 2010.

Au premier plan : le Pont Bertrand, à l'arrière plan : le Pont-Vieux

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Les récentes inondations de juin 2010 sur le département du Var avec les débordements de l'Argens et de son affluent la Nartuby rappellent, avec leur lourd bilan humain (23 victimes) l'exposition du territoire métropolitain aux inondations et en particulier celle de la région méditerranéenne aux crues rapides. Cet événement vient s'ajouter à une liste malheureusement longue d'épisodes de crues tragiques.

Si la mémoire "médiatique" de ces crues ne remonte souvent qu'aux événements de Nîmes (1988) et Vaison-la-Romaine (1992), l'examen d'études historiques comme celles de Champion (Champion, 1862) ou Pardé (1928, 1934) permet de rappeler le caractère récurrent de ces épisodes sur le pourtour méditerranéen : phénomènes d'aïguats en Roussillon, crues cévenoles en Languedoc, mais également crues rapides des rivières et fleuves provençaux ou azuréens. Dans le cas de la Nartuby, on peut ainsi évoquer la crue du 6 juillet 1827. Sa description par les contemporains, reproduite en prologue de ce mémoire, donne une idée de la violence de cet événement historique.

Les inondations au sens large regroupent plusieurs types de phénomènes. Une typologie classique des inondations, schématisée sur la figure 1, consiste à les distinguer selon leur origine, naturelle ou anthropique, puis pour les crues naturelles, selon leur rapidité. Les inondations provoquées par les crues rapides ou crues torrentielles se distinguent ainsi des inondations liées aux crues lentes de plaine. Ces dernières se produisent lorsque les rivières sortent pendant une longue période, de quelques jours à quelques semaines, de leur lit mineur, soit en raison de fortes précipitations, soit en raison d'une remontée de leur nappe alluviale. La cinétique de ces crues, qui concernent des bassins versants de grande taille (au delà de 1000 km²), permet souvent de les anticiper correctement. À l'inverse, les crues torrentielles se caractérisent par la soudaineté de leur apparition et de leur évolution (quelques heures) avec une réponse rapide aux précipitations souvent intenses et un temps de montée bref (Estupina Borrell, et al., 2005). Elles sont provoquées par des précipitations intenses sur des bassins versants de quelques dizaines à quelques centaines de km². On parle également de phénomène de crues éclairs. Leur cinétique rapide rend leur anticipation délicate.

figure 1 : typologie des inondations

Quelques chiffres récents du Commissariat général au développement durable (2009, 2010) permettent d'évaluer l'impact socio-économique des inondations au sens large sur le territoire métropolitain. Entre

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d'habitants. Ces zones se caractérisent par la forte concentration des populations et des biens. Elles regroupent ainsi 20% de la population et des logements des villes de plus de 10 000 habitants soumises à un risque majeur d'inondation. Malgré une réglementation contraignante², la croissance du nombre de logements y est plus forte qu'en zone non inondable³. Les inondations⁴ ont représenté par ailleurs plus des deux tiers de l'effectif des catastrophes de classe 4⁵ ayant affecté le territoire métropolitain au cours du XXème siècle (Ministère de l'Ecologie et du Développement Durable, 2004).

L'impact de différents facteurs anthropiques sur la fréquence des crues catastrophiques est largement débattu. De nombreux auteurs se sont intéressés aux modifications de la réponse des bassins versants aux précipitations suite aux interventions humaines que sont le déboisement, le débocagement, la diminution des surfaces enherbées, l'évolution des pratiques culturales ou encore l'imperméabilisation des sols et l'urbanisation. Le rôle des forêts sur les crues en particulier a alimenté plusieurs décennies de controverses, synthétisées par Andréassian (2002), entre tenants d'un rôle amplificateur et partisans d'un impact atténuateur. Il semble dorénavant admis que les crues rares sont peu affectées par le boisement ou le reboisement. Le changement climatique est l'autre facteur évoqué, en écho aux prévisions du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (Christensen, et al., 2007, IPCC, 2007), pour tenter d'expliquer la succession rapprochée des crues. Des études de tendance effectuées sur de longues séries de mesures hydrométriques, et répertoriées par Grésillon et al. (2007) et Hubert (2008), ne montrent cependant pas, pour l'instant, de variation significative et généralisée de la fréquence des crues, que ce soit à l'échelle mondiale, européenne ou nationale.

1 Sont confondues dans cette estimation les inondations par débordement de cours d'eau, par remontées de nappes, par ruissellement, et les coulées de boue.

2 En matière de construction en zone inondable, on peut citer : la circulaire du 24/01/94 relative à la prévention des inondations et à la gestion des zones inondables, la circulaire n° 94-69 du 16 août 1994 relative à la prévention des inondations provoquées par les crues torrentielles, la loi n° 95-101 du 2 février 1995 relative au renforcement de la protection de l'environnement (dite loi "Barnier", qui met en place les Plans de Prévention des Risques naturels prévisibles ou PPRn). Cette réglementation pourrait encore se voir renforcée (cf. la proposition de loi du 29 avril 2010 de révision de la réglementation sur la construction à usage d’habitation en zone inondable).

3 Le Commissariat général au développement durable a observé entre 1999 et 2006 une croissance de 7% des logements au sein des zones inondables des communes de plus de 10 000 habitants et à risque majeur d'inondation (2009, Commissariat général au développement durable, 2010).

4 Sont confondues dans cette synthèse les inondations par débordement de cours d'eau, par remontée de nappes, par ruissellement, les coulées de boues ainsi que les submersions marines.

5 Selon l'échelle de gravité des dommages établie en 1999 par la Mission d'inspection spécialisée de l'environnement, un événement naturel dommageable est classé comme catastrophe de classe 4 s'il cause la mort de 100 à 1000 personnes et/ou s'il occasionne de 300 millions à 3 milliards d'euros de dommages matériels. Si les dommages humains ou matériels sont supérieurs, la catastrophe est classée comme majeure (classe 5). On notera l'absence d'inondation dans les catastrophes majeures ayant affecté le territoire national (métropole et outre-mer) au cours du XX^ème siècle (Ministère de l'Ecologie et du Développement Durable, 2004).

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Le facteur le plus sensible d'augmentation des risques liés aux crues concerne les croissances démographique et économique dans les zones inondables, et ce même en faisant l'hypothèse de stationnarité du phénomène naturel (Bourrelier et Brugnot, 2008). Ces évolutions entraînent une augmentation des enjeux exposés aux crues et, en cas de catastrophe, une augmentation des dommages (Neppel, et al., 2003a, Lescure, 2004). Le pourtour méditerranéen apparaît particulièrement vulnérable à ce titre, comme le montre la cartographie des logements situés en zone inondable (figure 2) et celle des communes à risques inondation (figure 3).

figure 2 : répartition territoriale des logements exposés aux inondations dans les communes de plus de 10 000 habitants soumises à un risque majeur d'inondation.

D'après le Commissariat général au développement durable (2009).

figure 3 : les communes à risques inondation.

D'après le Recueil national 2004 des communes à risques (MEDD-DPPR-SDPR 2004).

La réponse des pouvoirs publics au risque de crues repose, comme dans toute gestion de sinistre, sur un découpage temporel par rapport à la crise :

• avant : pour se prémunir contre les crues et leurs conséquences catastrophiques, l'État met en œuvre l'information préventive sur le risque⁶, la protection contre les crues et la prévision ;

• pendant : la réponse à une crue relève de l'organisation des secours⁷ ;

• après : la période post-crise permet d'organiser le retour d'expérience et enrichit la connaissance du risque.

6 L'information préventive repose sur les Préfets qui établissent les Dossiers Départementaux des Risques Majeurs (DDRM), et les Maires chargés de l'élaboration des Documents d'Information Communaux sur les Risques Majeurs (DICRIM) et de l'affichage des repères des plus hautes eaux connues. Enfin tout vendeur ou bailleur d'un bien immobilier, situés dans une commune couverte par un PPRn, est tenu d'informer l'acquéreur ou le locataire sur l'existence de ces risques.

7 L'organisation des secours repose sur les Maires et les Préfets secondés par tout le dispositif de sécurité civile depuis l'échelon communal avec le PCC (Poste de Commandement Communal) jusqu'à l'échelon national avec le COGIC (Centre opérationnel de gestion interministériel de crise). Elle s'appuie sur les Plans Communaux de Sauvegarde PCS, et les Plans ORSEC d'organisation de la réponse de la sécurité civile.

Nombre de logements exposés aux inondations dans les communes de plus de 10 000 habitants soumises à un risque majeur d'inondation et disposant d'une cartographie numérisée des zones inondables

avec enjeu humain enjeu humain non défini sans enjeu humain Les communes à risques

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l'aménagement du territoire (par le biais notamment des Plans de Prévention des Risques inondations), soit à se soustraire à l'aléa grâce à des aménagements hydrauliques⁸ (barrages, digues, …). Cette protection permet de se prémunir contre un certain niveau d'aléa : crue de référence des PPR inondations ou bien crues de projet des barrages. La définition de ce niveau d'aléa fait appel à la connaissance statistique des débits de crue ou prédétermination. Pour les grands bassins versants, cette connaissance s'appuie sur les chroniques de débits mesurées. Elle est en revanche délicate à acquérir sur des bassins versants non jaugés pour lesquels on ne dispose d'aucune information.

La surveillance des cours d'eau et l'alerte permettent le déclenchement des secours pour faire face aux aléas qui ne peuvent être évités, c'est-à-dire ceux qui dépassent le niveau de l'aléa de référence qui a servi à l'établissement des mesures de protection. L'efficacité de l'alerte repose sur la prévision de l'aléa.

Au niveau national, elle est menée par le Service central d'hydrométéorologie et d'appui à la prévision des inondations (SCHAPI) et les 22 Services de Prévision des Crues (SPC) chargés d'une mission de vigilance crues sur un peu plus de 20 000 km de cours d'eau réglementaires. Les cours d'eau réglementaires sont définis en fonction de la densité des enjeux et de la possibilité de mesure et de télétransmission des débits. Un tel dispositif contient des zones "aveugles" comme illustré par le cas de la Nartuby, qui n'appartenait pas, lors de la crue de juin 2010, au réseau réglementaire⁹. Cet exemple illustre une problématique de la prévision des crues sur les petits bassins versants à enjeux exposés aux crues rapides mais non surveillés en temps réel : comment anticiper des situations à risque sur ces bassins versants dont le grand nombre constitue un obstacle au suivi en temps réel et dont la petitesse pénalise le délai de prévision ?

La prévision de crues sur ces bassins se trouve confrontée à :

• la méconnaissance des lames d'eau précipitées et écoulées. À cet égard, le développement de la mesure de pluie par la technologie radar constitue, malgré les défauts inhérents à cette technique (Andrieu, 2002), un atout pour la connaissance des événements extrêmes à l'origine des crues ;

• la non linéarité de la réponse des bassins versants aux précipitations (en dehors des bassins spécifiquement urbains). Ceci limite par conséquent les possibilités de recours à une simple alerte fondée sur la seule pluviométrie et justifie l'utilisation de modèles de transformation de la pluie en débit.

La connaissance de l'aléa de crues sur les bassins versants non jaugés s'entend donc, comme souligné par l'initiative PUB (Predictions in Ungauged Basins) de l'AISH (IAHS, 2003), comme :

8 On notera que les pouvoirs publics restreignent le recours à la protection défensive. La circulaire du 24/01/94 pose ainsi comme principe "d'éviter tout endiguement ou remblaiement nouveau qui ne serait pas justifié par la protection de lieux fortement urbanisés. En effet, ces aménagements sont susceptibles d'aggraver les risques en amont et en aval."

9 L'Argens, la Nartuby et le Gapeau font dorénavant partie des tronçons surveillés par le SPC Méditerranée Est (mise à jour du 18/08/2010 du Règlement de surveillance, de prévision et de transmission de l’Information sur les Crues – RIC – du Service de Prévision des Crues Méditerranée Est).

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• un besoin de connaissance de l'aléa dans un futur probable (prédétermination),

• un besoin de connaissance de l'aléa dans le futur immédiat (prévision).

Le travail présenté ici est une contribution à cette connaissance de l'aléa de crues rapides sur les bassins versants non jaugés. Il s'appuie sur les méthodes SHYREG¹⁰ et AIGA¹¹ développées par le Cemagref, la première afin de fournir une estimation des quantiles de débits de différentes durées et périodes de retour en tout point du réseau hydrographique, la seconde pour anticiper l'aléa de crue sur les bassins non instrumentés.

Ces méthodes mettent en œuvre une modélisation régionale de la pluie en débit. L'approche pluie-débit est retenue, outre le motif évoqué plus haut, en raison de la disponibilité d'informations pluviométriques qui constituent la seule source d'information en matière de crues sur les bassins non jaugés. Il s'agit, dans le cas de la prévision, de l'information pluviométrique apportée par la mesure radar des champs de pluie, et, dans le cas de la prédétermination, des sorties d'un générateur stochastique de pluies horaires développé par Cernesson (1993) et Arnaud (1997) et mis en œuvre en tout point du territoire. Le choix d'une modélisation régionale est guidé par le souhait de développer des méthodologies opérationnelles sur tout le territoire étudié et particulièrement sur les bassins non jaugés.

On cherche à modéliser le comportement des bassins versants face à des pluies intenses : événements pluvieux extrêmes modélisés dans le cas de SHYREG, événements pluvieux observés à l'origine de crues dans le cas de AIGA. Ceci a motivé l'utilisation d'un modèle hydrologique commun aux deux approches. La première étape de notre travail a alors consisté à nous assurer que le modèle pressenti était apte à traduire le comportement hydrologique des bassins versants en cas d'événements pluvieux intenses et qu'il se prêtait à la régionalisation.

La disponibilité d'une information pluviométrique discrétisée a orienté le choix d'une mise en œuvre du modèle pluie-débit à la maille du km², aussi bien dans l'approche prévision avec les champs de pluie radar, que dans l'approche prédétermination avec la pluie issue du générateur stochastique. Les deux approches ont en commun de fournir une information hydrologique discrétisée. Pour disposer d'une information hydrologique exploitable de manière opérationnelle, il faut transformer cette information discrétisée en débit à l'exutoire des bassins versants. La deuxième étape de notre travail s'est intéressée à cette question du passage du pixel à l'exutoire d'abord d'un point de vue statistique dans le cadre de la méthode SHYREG puis d'un point de vue événementiel dans le cadre de la méthode AIGA.

La combinaison des deux approches AIGA et SHYREG a pour objectif de constituer une chaîne de connaissance de l'aléa hydrologique représenté par les crues, et plus particulièrement les crues rapides, sur les bassins versants non instrumentés. La zone d'étude privilégiée pour notre travail est celle du pourtour méditerranéen en raison de son exposition aux crues rapides et de la constitution, dans le cadre du groupe de projet AIGA, d'une base de données événementielle de pluie radar.

10 Acronyme pour méthode SHYPRE régionalisée, SHYPRE étant l'acronyme de la méthode de Simulation d'HYdrogrammes pour la PRÉdétermination des crues.

11 Acronyme pour Adaptation d'Information Géographique pour l'Alerte inondation

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• la deuxième partie présente les résultats d'une étude de comportement de ce modèle destinée à tester sa capacité à traduire la réponse des bassins versants face à des pluies intentes et, ainsi, à contrôler son adéquation avec les contraintes identifiées dans la première partie ;

• la troisième partie présente nos recherches sur l'agrégation à l'exutoire de l'information statistique pixélisée fournie par la méthode SHYREG ;

• la quatrième partie présente nos travaux sur le transfert à l'exutoire de l'information débitmétrique temps réel fournie de manière discrétisée par la méthode AIGA.

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E chi non intende meglio i periodi de i movimenti de i pianeti, che quelli dell'acque di diversi mari?¹²

Galilée (1612). Terza lettera del Sig. Galileo Galilei al Sig. Marco Velseri delle macchie solari - Troisième lettre de Galilée sur les taches solaires à Marcus Welser.

IN: Favaro A. (1905). Le Opere di Galileo Galilei. Firenze, Edizione nazionale, vol.

V : pp 186-249.

12 Qui ne comprend mieux les périodes et mouvements des planètes que ceux des eaux des différentes mers ? traduction d'après : Dame (1966) Galilée et les taches solaires (1610-1613). Revue d'histoire des sciences et de leurs applications vol 19, (n°4) pp 307 - 370.

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Il est question dans ce travail de thèse de la mise en œuvre de modélisations en hydrologie. Nous essayons, dans cette première partie, de présenter les notions recouvertes par ces deux termes aux vastes champs d'application – hydrologie et modélisation – pour préciser le contexte particulier et forcément très limité du présent travail de recherche. Le premier chapitre présente ainsi le sujet traité, les débits de crues, en partant du contexte général des sciences hydrologiques. Il définit ensuite les concepts associés à notre thématique de travail : risque, prévision et prédétermination. Cette définition du contexte nous permet de présenter la problématique scientifique étudiée dans le cadre du développement de deux méthodes de connaissance de l'aléa hydrologique à finalité opérationnelle.

Ces deux méthodes s'appuient sur une modélisation de la pluie en débit, dont la présentation fait l'objet du deuxième chapitre. Après un état de l'art des différents modèles utilisés pour la connaissance du risque hydrologique de crues, nous présentons les contraintes qui ont orienté la construction d'un modèle polyvalent destiné à fonctionner à la fois dans un contexte d'alertes en temps réel et dans un contexte de simulation de crues pour la prédétermination des débits. La présentation de ce modèle nous permet ensuite de poser les questions étudiées dans le cadre de ce travail :

• celle de la l'aptitude du modèle pressenti à satisfaire les contraintes de modélisation que nous imposons pour une mise en œuvre opérationnelle en alerte et en prédétermination ;

• celle liée au choix d'une modélisation de type distribué : la question du transfert à l'exutoire d'une information pixélisée à la maille du km².

Pour répondre à ces objectifs de travail, nous utilisons différents échantillons de données pluie-débit

dont la présentation fait l'objet du troisième chapitre. ^CemOA

: archive ouverte d'Irstea / Cemagref

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1.1. POSITIONNEMENT DU TRAVAIL DANS LE DOMAINE DE L'HYDROLOGIE

1.1.1. Des sciences hydrologiques en général à l'hydrologie de surface en particulier

Les sciences hydrologiques au sens large s'attachent à décrire, de manière qualitative et quantitative, le cycle de l'eau (Wisler et Brater, 1959, Chow, 1964, Black, 1991), de son départ de l'atmosphère sous forme de précipitation à son retour dans cette même atmosphère sous forme de vapeur. Les sciences hydrologiques s'intéressent en conséquence à chacun des trois grands compartiments¹³ concernés par le cycle de l'eau : l'atmosphère, les océans et enfin les continents, dont les eaux constituent le champ d'étude de l'hydrologie dite continentale (Cosandey et Robinson, 2000). Ces eaux continentales, qu'elles se trouvent en surface, dans le sol ou bien en sous-sol, sont sujettes à des fluctuations permanentes tant quantitatives, avec par exemple les successions de crues et d'étiages pour les eaux de surface, que qualitatives avec les variations naturelles ou non de leurs caractéristiques physico-chimiques. L'étude des eaux continentales, de leurs stocks et de leurs fluctuations, relève de différentes disciplines parmi lesquelles l'hydrologie de surface (Laborde, 1999). Celle-ci traite de la circulation des eaux à la surface des continents, depuis l'impact des précipitations sur le sol jusqu'à l'écoulement dans les cours d'eau, ainsi qu'aux fluctuations spatiales et temporelles de cette circulation. L'hydrologie de surface a pour objet la mesure, l'étude et la modélisation des précipitations, de leur interception par la végétation, de la reprise évaporative par le sol et les plantes, de l'infiltration, du ruissellement et des écoulements.

Il est d'usage de distinguer l'hydrologie de surface selon le degré d'anthropisation du milieu étudié avec d'un côté l'hydrologie des zones urbaines (Chocat, 1997) et de l'autre celle des bassins versants dits naturels ou ruraux (Michel, 1987). Cette distinction est fondée sur des problématiques propres au cycle de l'eau en milieu urbain : bassins versants de petite taille à forte vulnérabilité, ruissellement des eaux sur des surfaces fortement imperméabilisées et écoulements accélérés dans des biefs artificiels ou artificialisés induisant des temps de réponse rapides, phénomène d'inondation par ruissellement pluvial qui peut se surajouter aux inondations par débordement de cours d'eau, charge polluante élevée des rejets urbains de temps de pluie, évacuation et épuration des eaux usées… De par leurs spécificités mêmes, ces problématiques nécessitent une modélisation des phénomènes distincte de celle mise en œuvre en hydrologie "classique" et requièrent des pas de temps et d'espace plus courts (Cyr, et al., 1998, Berne, et al., 2004). On remarque toutefois que cette distinction entre hydrologie urbaine et hydrologie rurale vaut surtout pour les événements de crue et s'estompe dès lors que l'on s'intéresse à des chroniques de débit. On retiendra également que l'évolution rapide des modes d'occupation des sols avec en particulier le développement des zones péri-urbaines peut rendre cette distinction délicate (Andrieu et

13 Un quatrième "compartiment" transversal aux océans et aux continents peut être évoqué : celui des masses glaciaires – banquises et glaciers – étudiées par la glaciologie.

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Chocat, 2004). L'approche préconisée est alors celle conduite à l'échelle territoriale des phénomènes étudiés, c'est-à-dire le bassin versant.

1.1.2. Les applications de l'hydrologie de surface

L'hydrologie de surface trouve ses applications dans tous les domaines où l'homme cohabite avec l'eau, que celle-ci représente une ressource ou bien un danger. Les usages de l'eau ressource sont multiples (eau potable, agriculture, force motrice, transports, loisirs, réceptacle et vecteur de pollutions …) tout comme les dangers qu'elle génère lorsqu'elle vient à manquer (pénuries, sécheresse, augmentation de la charge polluante, …) ou lorsqu'elle est en excès (inondations, crues, glissements de terrain, érosion …).

À la dualité de la perception représentée par les eaux de surface (ressource ou danger), s'ajoute la dualité qualité / quantité avec d'un côté les questions de concentration, de dilution, de transport de matière et de l'autre l'étude des fluctuations de débits et notamment les situations extrêmes : déficits (étiages) ou excès (crues). Le tableau I-1 présente quelques unes des applications de l'hydrologie quantitative pour lesquelles des estimations de variables hydrologiques sont attendues.

tableau I-1 : problématiques quantitatives de l'hydrologie de surface et échelles de temps associées.

D'après Blöschl et Sivapalan (1995) et Michel (1987).

Ce tableau présente les applications pour les deux extrêmes de l'eau en excès ou de l'eau rare, d'après Michel (1987), et différents horizons de temps, d'après Blöschl et Sivapalan (1995) :

• celui du court terme pour le contrôle en temps réel des eaux de surface et des équipements associés,

• celui du moyen terme pour la gestion à la fois des eaux de surface et de ces équipements,

• celui du long terme pour la conception des équipements en lien avec l'évaluation quantitative des eaux de surface.

(28)

1.1.3. Les échelles de temps et d'espace en hydrologie

La notion d'échelle de temps et d'espace intervient à trois niveaux (Blöschl et Sivapalan, 1995) :

• celui des processus hydrologiques,

• celui de la représentation de ces processus,

• celui de l'extrapolation des processus observés sur des échelles de temps et/ou d'espace différentes de celles de leur observation et de leur modélisation.

Klemes (1983) indique que les phénomènes hydrologiques – au sens large du terme – se déroulent sur des classes de superficie allant de quelques dizaines de km² à plusieurs milliers de km² et des classes temporelles allant de la minute à quelques centaines d'années, conduisant Blöschl et Sivapalan (1995) à parler de "8 ordres de magnitude dans le temps et l'espace". Ces échelles spatio-temporelles aussi étendues sont nécessaires pour appréhender des phénomènes hydrologiques aussi divers que les écoulements de surface dans un bassin versant ou bien les conditions de circulation atmosphérique à l'échelle globale ou encore la recharge d'un aquifère. Elles reflètent la diversité des volumes et des temps de renouvellement qui sont en jeu dans les différents composantes du cycle de l'eau (Gleick, 1993). Dans un essai de classification des différentes approches possibles dans le domaine des sciences hydrologiques, depuis la description moléculaire des milieux hydriques jusqu'à l'étude des climats, Dooge (1983) détaille les échelles spatio-temporelles rencontrées plus spécifiquement dans le champ de l'hydrologie de surface. Les échelles se trouvent alors réduites avec un ordre de magnitude de 6 pour les échelles spatiales (du sous bassin versant de quelques hectares au bassin d'alimentation de plusieurs milliers de km² pour les grands fleuves) et un ordre de magnitude de 2 pour les échelles temporelles (de quelques minutes pour les sous bassins à plusieurs jours pour les grands bassins). Il considère également l'échelle d'étude expérimentale qui s'intéresse aux processus hydrologiques sur des surfaces de l'ordre du mètre carré et sur des pas de temps de l'ordre de la minute.

L'unité spatiale élémentaire en hydrologie de surface est le bassin versant (quelques km² à plusieurs milliers de km²). Au sens topographique du terme, il est défini par une surface relative à une section de talweg. Cette surface, limitée par une ligne de partage des eaux, est telle que toute précipitation qu'elle reçoit finit par s'écouler, au bout d'une certaine durée, à travers la section de talweg considérée, sous réserve qu'elle n'ait pas été évaporée, échangée avec les couches profondes, fixée par la biomasse ou bien détournée par les activités anthropiques. Comme le soulignent Sivapalan et al (2003), le bassin versant constitue une unité paysagère fondamentale pour le cycle de l'eau. Il en intègre en effet tous les aspects au sein d'une zone définie qui peut être étudiée, quantifiée et sur laquelle il est possible d'intervenir. Le bassin versant constitue dès lors le lieu symbolique d'intégration des processus hydrologiques liés aux eaux de surface, aux eaux souterraines, à l'évapotranspiration … :

"Drainage basins are a fundamental landscape unit for the cycling of water, sediment and dissolved geochemical and biogeochemical constituents. As such, they integrate all aspects of the hydrological cycle within a defined area that can be studied, quantified and acted upon. The drainage basin, thus, is a metaphor for integration of hydrological processes related to surface water, groundwater, evapotranspiration, etc., and the explicit coupling of hydrology, geochemistry and ecology."

(Sivapalan, et al., 2003)

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Selon l'échelle spatiale considérée on parle de parcelle, de versant, de sous bassin versant ou de bassin versant (Puech, 2000). Le tableau I-2 propose un croisement des principaux phénomènes rencontrés en hydrologie de surface (Blöschl et Sivapalan, 1995) avec ces différents niveaux d'organisation spatiale.

tableau I-2 : organisation spatiale et principaux processus en hydrologie de surface.

D'après Blöschl et Sivapalan (1995) et Puech (2000).

À chaque échelle d'espace, couplée à une échelle de temps, correspondent des niveaux privilégiés pour l'observation et la représentation de tel ou tel processus. Ainsi, pour des petits bassins versants de quelques km², les principaux processus en jeu au pas de temps horaire sont des précipitations de type convectif ou orageux, un ruissellement soit par dépassement de la capacité d'infiltration soit par extension des zones saturées et, si les conditions topographiques et géologiques sont réunies, un écoulement organisé en réseau. À ces échelles d'espace et de temps, et lorsque l'on cherche à représenter le phénomène de crue, il est admis d'omettre la représentation des processus d'évaporation considérés comme négligeables, en terme de volumes mobilisés, au regard des processus principaux. La part des écoulements de sub-surface dans les volumes de crue, évaluée par le biais de traçages chimiques et isotopiques, est d'importance variable lors des crues selon la région climatique considérée et l'état de saturation du sol avant l'épisode pluvieux (McDonnell, 1990, Hoeg, et al., 2000, Marc, et al., 2001).

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1.2. DÉFINITION DES NOTIONS ABORDÉES

1.2.1. Crues et inondations

L'excès d'écoulement superficiel des eaux se manifeste par les crues des cours d'eau ou bien, en dehors de tout réseau hydrographique organisé, par le phénomène de ruissellement. A l'extrême, ces phénomènes peuvent engendrer des inondations : inondation par débordement de cours d'eau dans le premier cas et inondation par ruissellement dans le second. Le travail de recherche mené dans le cadre de cette thèse porte sur les crues, c'est-à-dire l'augmentation plus ou moins brutale du débit des cours d'eau, et leur origine par le biais de l'étude de la relation entre les pluies et les débits. Les crues sont décrites par leur débit, leur durée et leur fréquence. Les inondations, conséquences des crues, ne sont pas abordées ici ; elles relèvent du champ de l'hydraulique qui s'attache à leur description quantitative en s'intéressant aux superficies inondées, à la hauteur et à la vitesse de l'eau ainsi qu'à la durée de la submersion.

1.2.2. Aléa, vulnérabilité et risque

Les crues sont un phénomène physique d'origine naturelle. En raison de leur nature aléatoire, la terminologie des sciences du risque nomme aléa ce type de phénomènes naturels. On associe à l'aléa une probabilité d'occurrence par l'intermédiaire de sa période de retour. De fait, le terme aléa est assimilé à cette notion de probabilité comme indiquée dans la terminologie proposée par l'UNDRO (1980, 1991) pour les aléas naturels et précisée par l'UNISDR (2009) pour les aléas hydro- météorologiques :

"Natural hazard [means] the probability of occurrence, within a specific period of time in a given area, of a potentially damaging natural phenomenon."

(UNDRO - United Nations Disaster Relief Office, 1980)

“Natural hazard: The probability of occurrence associated with an extreme event that can cause a failure. […] Hazard is a probabilistic function of magnitude - or intensity, according to the hazard type - over time.”

(UNDRO - United Nations Disaster Relief Office, 1991)

"In technical settings, hazards are described quantitatively by the likely frequency of occurrence of different intensities for different areas, as determined from historical data or scientific analysis. […] [A] hydrometeorological hazard [is a] process or phenomenon of atmospheric, hydrological or oceanographic nature that may cause loss of life, injury or other health impacts, property damage, loss of livelihoods and services, social and economic disruption, or environmental damage."

(UNISDR - United Nations International Strategy for Disaster Reduction, 2009)

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L'aléa hydro-météorologique est donc caractérisé par :

• sa probabilité d'occurrence temporelle (estimée par la période de retour) et spatiale (influencée par la climatologie mais également par la topographie, l'occupation du sol et la pédologie qui contrôlent la susceptibilité des territoires à l'inondation) ;

• son intensité, mesurée par la pluie maximale sur une certaine durée, par le débit maximal atteint dans le cours d'eau ;

• sa localisation (extension géographique des précipitations, portions du réseau hydrographique affectées par la crue) ;

• sa durée (durée des précipitations, durée de la crue).

Le risque hydrologique représenté par les crues résulte de la cohabitation de cet aléa hydrologique et de nos sociétés, installées en très grande majorité à proximité des cours d'eau. Dans la terminologie de l'analyse et de la gestion des risques, la notion de risque au sens strict est définie comme la rencontre d'un aléa et d'une vulnérabilité¹⁴ (Faugères et Noyelle, 1992). Cette notion de risque, définie de manière complète par l'UNDRO¹⁵ (1980), a été largement employée avec quelques variantes en géosciences (Panizza, 1987, Mejia-Navarro, et al., 1994, Greminger, 2003, Barbolini, et al., 2004, Bell et Glade, 2004) pour évaluer l'impact des différents aléas naturels : séismes, glissements de terrain, éruptions volcaniques, avalanches... Cette définition s'est également imposée en hydrologie, (Bourrelier, 1997, Gilard et Givone, 1997, Plate, 1997, Frances, et al., 2001) à partir du moment où il a été admis que l'étude du risque inondation devait inclure les phénomènes humains et sociaux en plus de l'analyse des phénomènes physiques (Faugères, 1990), cette analyse des phénomènes physiques étant réalisée par la météorologie, l'hydrologie et l'hydraulique.

C'est le bassin versant qui, par sa réponse aux précipitations, transforme l'aléa météorologique en aléa hydrologique (figure I-1). La réponse du bassin versant aux précipitations est fonction de caractéristiques pérennes dans le temps, ou supposées telles à l'échelle des phénomènes étudiés (pédologie, géologie, superficie, pente, aménagements anthropiques) et de caractères variables dans le temps (antécédents pluviométriques, taux d'humidité du sol, état du couvert végétal, pratiques culturales, …). Cette variabilité temporelle de certaines des caractéristiques du bassin versant participe à la non linéarité de sa réponse aux précipitations : une même pluie n'aura pas les mêmes conséquences en terme de ruissellement puis de crue selon l'époque à laquelle elle se produit en raison précisément de la variabilité des états de surface du sol, de la couverture végétale… qui varient d'une saison à l'autre,

14 La vulnérabilité désigne le niveau de perte ou de dommage d’un élément donné exposé au risque, résultant de l’occurrence d’un phénomène naturel de magnitude donnée (UNDRO - United Nations Disaster Relief Office, 1980). Elle exprime le niveau de conséquence prévisible de l'aléa sur les enjeux. Sa définition est complexe et variable selon l'aléa considéré, elle relève du champ de l'économie et des sciences humaines et sociales.

15 La définition stricte du risque (UNDRO - United Nations Disaster Relief Office, 1980) est la quantification humaine (nombre de décès, nombre de blessés) et économique des dommages occasionnés par un phénomène naturel. Le risque R est donné comme le produit des enjeux E (elements at risk : population, équipements, biens et activités d'une zone donnée, exposés au risque) et de leurs risques spécifiques Rs (specifik risk), ces derniers étant le niveau attendu de perte ou de dommages suite à un phénomène naturel particulier. C'est ce risque spécifique qui est exprimé par une fonction de l'aléa naturel A et de la vulnérabilité V de l'enjeu. Cette formulation du risque R = E . (A . V) a ensuite été simplifiée par la relation R = A . V (UNISDR - United Nations International Strategy for Disaster Reduction, 2004).