Cartographies préventives du risque lié aux " crues rapides " dans le nord de la France

National audienceThis article aims to better assess the risk due to flash floods occurring at the end of the spring or during summer in the north of the Parisian Basin. Most of the hydrological studies focused in this area on classical floods as overflowing and water table rising but not on floods rarely occurring in dry valleys. Based on sensitive and relevant parameters observed at two various scales, such approach might address to the stakeholders and to the risk managements a few preventive maps. The mapping firstly defines the flash floods risk at a regional scale comparing urban densities and the spatial distribution of sensitive watersheds to hazard. The latter are identified according to morphological characteristics. This exploratory approach permits us to detect high degree of risk in several bottom valleys due to the strong land lobby. Another mapping is secondly defined at local scales. Influence of the structural efficiency of a catchment is combined with the distribution of houses within the studied watershed. Our knowledge on exposed areas and those of local expert advices validate results. So, this approach gives satisfying results and should be used to anticipate exposed urban areas.Le risque lié aux " crues rapides " printanières et estivales constitue une préoccupation grandissante dans les régions du nord de la France (bassin parisien). Cependant, peu d'études ont été menées sur ce type de phénomènes et les analyses hydrologiques se sont essentiellement focalisées sur les inondations par débordement ou par remontée de nappes. Dans le cadre de cette recherche, nous proposons alors d'offrir aux gestionnaires du risque des cartographies préventives sur l'aléa " crues rapides ", et ce à deux niveaux d'observation. Une première spatialisation des zones à risque à une échelle régionale a été réalisée en confrontant la localisation des bassins versants sensibles à l'aléa aux foyers de population. Cette approche exploratoire permet de voir que le risque est élevé dans certaines vallées du fait de la forte pression foncière. En croisant l'efficacité structurelle interne des bassins versants, mesurée par l'automate cellulaire RuiCells, à la distribution spatiale des zones bâties aux échelles fines, il est possible d'affiner le diagnostic régional en passant à une échelle " intra-bassin ". Les cartes proposées sur quelques bassins versants paraissent conformes à notre connaissance du terrain et aux dires des experts locaux. Ces essais cartographiques donnent des résultats encourageants qui pourraient, à court terme, améliorer la prise en compte de ce risque encore mal connu et sous-estimé dans ces régions

Méthodes de régionalisation pour un modèle pluie-débit distribué et à base physique dédié aux crues éclair

Cette étude s’intéresse aux méthodes de régionalisation pour des jeux de paramètres d’un modèle pluie‑débit distribué et à base physique, dédié aux crues éclair. Les performances du modèle MARINE sont testées sur un total de 117 évènements de crues éclair survenues sur des bassins versants de l’arc méditerranéen français. Etant donnée la relative rareté des enregistrements de crues éclair, ce jeu de données représente un échantillon conséquent des paysages et de l’hydrologie des régions allant du piémont pyrénéen à la Provence en passant par les Cévennes et le Vivarais. Des approches de régionalisation basées sur la proximité géographique ou les similarités physiographiques sont testées avec plusieurs combinaisons de descripteurs. Des résultats encourageants sont obtenus avec les deux méthodes de similarités physiographiques basées sur deux ou trois bassins donneurs. Une perte de performance de 10% en régionalisation par rapport à la calibration/validation est relevée pour ces méthodes. Pour 13 bassins versants sur 16, au moins un évènement est simulé avec de bonnes performances. Cette étude met en avant l’importance des informations hydrologiques contenues dans les évènements de calibration disponibles sur site ou sur les bassins donneurs. De plus les techniques de régionalisation produisent de meilleures performances sur les bassins présentant un comportement hydrologique apparemment plus régulier. Le paramètre le plus sensible du modèle MARINE, CZ, contrôlant le volume de sol et ainsi le bilan en eau, est plutôt bien contraint par les approches de régionalisation par similarité grâce aux descripteurs du socle rocheux

L'impact des prélèvements d'eau pour l'irrigation sur les régimes hydrologiques des sous-bassins du Tescou et de la Séoune (bassin Adour-Garonne, France)

Les besoins en eau pour l'irrigation des cultures des sous-bassins du Tescou et de la Séoune (Bassin Adour-Garonne) se sont considérablement accrus ces trente dernières années. Cela s'est manifesté, entre autres, par la création de très nombreuses retenues collinaires. Pour le sous-bassin du Tescou, aux crues rapides et peu volumineuses, on totalise 184 retenues individuelles dont le volume théorique cumulé s'élève à 4,3 Mm3 et qui interceptent environ un tiers (92 km2) de sa superficie (287 km2). Pour la Séoune, la pression due à l'usage de l'eau pour l'irrigation est un peu moins forte, compte tenu de sa taille (463 km2) et d'une ressource relativement abondante en hautes eaux. Près de 160 retenues collinaires sont dénombrées, elle représentent un volume de stockage théorique de 6,5 Mm3 pour une superficie interceptée d'environ un quart du sous-bassin (122 km2). Le suivi hydrométrique des sous-bassins permet de disposer pour chacun d'eux d'une chronique de débit influencée Q(t) sur une période d'observation d'environ 30 ans. A partir des débits observés, notre objectif a été d'identifier et de quantifier l'impact anthropique pour trois composantes du régime hydrologique : crue, module et étiage. L'approche saisonnière des crues et modules a permis une différenciation de l'impact anthropique selon les saisons "hiver" (mois 12 à 6) et "été" (mois 7 à 11). Cette saisonnalisation hydrologique reflète bien le mode de gestion actuel de la ressource en eau de ces sous-bassins agricoles : stockage l'hiver et irrigation à partir des retenues collinaires durant les premiers mois d'été. Pour identifier l'impact, nous avons fait usage de tests de détection de rupture de stationnarité des chroniques hydrologiques : de LANG (2004) pour les crues et d'une adaptation du test de BOIS (1986) pour les modules et étiages des sous-bassins. Pour ce qui concerne les crues d'été et les modules d'été les tests montrent que les chroniques sont stationnaires sur l'ensemble de la période d'observation. Pour les crues et les modules d'hiver par contre, les tests relèvent des ruptures de stationnarité des chroniques qui vont nous permettre de définir des sous-périodes stationnaires. Ces sous-périodes sont sensiblement cohérentes avec l'évolution des prélèvements théoriques cumulés de ces trente dernières années. L'analyse des ruptures de stationnarité menée sur les débits a été de même effectuée sur les pluies pour consolider nos résultats. La stationnarité des chroniques de pluie observées montre qu'il n'y a pas de composante climatique, autrement dit que la tendance détectée sur les débits est essentiellement d'origine anthropique. Il ne semble pas y avoir d'impact des éventuels pompages sur les débits d'étiage et tout particulièrement pour ce qui concerne la norme VCN30 "débit moyen minimum annuel sur 30 jours consécutifs" des deux sous-bassins. Finalement, l'usage de l'eau pour l'irrigation affecte essentiellement les crues et les modules de la saison hiver. Un essai de quantification de cette tendance a été menée à partir d'une analyse statistique associant les observations des sous-périodes stationnaires et les débits simulés pour une même référence pluviométrique. A partir des modélisations statistiques réalisées et des courbes de pression des besoins théoriques de l'irrigation, nous en avons déduit une tendance vraisemblable sur les quantiles de crue et les modules d'hiver. De manière générale, les crues de la saison hiver des deux sous-bassins sont fortement réduites en pointe et volume par l'ensemble des petites retenues. L'impact observé sur les quantiles de crue reste cohérent par rapport aux volumes théoriques prélevés dernièrement référencés. Les retenues collinaires sont sans action significative sur le temps de transfert (19j environ) du sous-bassin de la Séoune dont les crues sont volumineuses. Pour le Tescou par contre, aux crues rapides et peu volumineuses, le temps de transfert augmente sensiblement de 8h entre l'état de prélèvement zéro ("naturel" : 1,73j) et l'état actuel proche de 6 Mm3 (2,07j). Pour ce qui concerne les modules d'hiver des sous-bassins de la Séoune et du Tescou le coefficient d'écoulement moyen d'hiver diminue respectivement de 31% en moyenne et de 42% en moyenne entre l'état "naturel" et l'état anthropisé actuel. Cette diminution des coefficients d'écoulement est sans commune mesure avec les volumes théoriques stockés à partir des retenues collinaires. Autrement dit, les volumes théoriques des retenues collinaires ne peuvent expliquer à eux seuls la forte diminution des coefficients d'écoulement observés. Cependant, la cohérence des divers contrôles effectués, tant sur les chroniques observées que sur les modélisations effectuées, nous incitent à valider ces résultats. Ceux-ci devraient être retenus pour des objectifs de gestion immédiats ou ultérieurs de la ressource, si les conditions climatiques et d'occupation du sol n'évoluent guère.The water needs for farming irrigation in the Tescou and Séoune sub-basins (Basin Adour-Garonne) have increased considerably over the past thirty years. The needs were met, in part, by the creation of numerous reservoirs. For the Tescou catchment, with rapid but small-volume floods, we have 184 individual reservoirs with an accumulated theoretical volume of 4.3 Mm3, which intercept about a third (92 km2) of its surface (287 km2). For the Séoune catchment, the need for irrigation is a little less strong, considering its size (463 km2) and the presence of a relatively more abundant water resource. Close to 160 reservoirs can be counted, with a theoretical storage volume of 6.5 Mm3 for an intercepted surface of about a quarter of the sub-basin (122 km2). Hydrological monitoring data are available in the form of an influenced time series Q(t) with a period of observation of about 30 years for each sub-basin. From the observed discharges, our objective was to identify and to quantify anthropogenic impacts on three components of the hydrological regime: floods, annual mean discharge and low-flows. The seasonal approach of floods and annual mean discharges permitted a differentiation of the anthropogenic impact according to the "winter" (months 12 to 6) and "summer" (months 7 to 11) seasons. This approach reflects the present management of water in these agricultural sub-basins: storage in winter and irrigation during the first months of summer. To identify the impact, we used tests to detect stationnarity breaks in the time series: LANG (2004) for floods and an adaptation of BOIS (1986) for annual mean discharges and low-flows. For summer floods and summer annual mean discharges, the tests showed that the time series were stationary during the period of observation. For winter floods and winter annual mean discharges the tests showed stationnarity breaks in the time series, which allowed us to define the stationary sub-periods. These sub-periods were consistent with the evolution of the accumulated theoretical withdrawals during the last thirty years. The same analysis of stationnarity breaks made on flows was also done on rainfall to strengthen our results. The stationnarity of the rainfall observed over the time series shows that there is not a climatic component; in other words, the trends detected in the streamflow record are essentially of anthropogenic origin. For both sub-basins, the BOIS statistical test did not reveal any impact of possible pumping on the low-flows, and especially for the VCN30 norm (minimum annual mean flow over a period of 30 consecutive days).Finally, the use of water for irrigation essentially affects winter floods and annual mean discharges. A test to quantify this trend was carried out with a statistical analysis associating the observations of each stationary sub-period and the discharges simulated for a similar rainfall. From the resulting statistical models and the curves of pressure of theoretical irrigation requirements, we deduced a probable trend for the quantiles of winter floods and mean annual winter discharges. In a general way, winter floods in both sub-basins were strongly reduced in peak and volume by the set of the small reservoirs. The impact observed on the flood quantiles remains coherent in relation to the theoretical withdrawal volumes referenced above. The reservoirs are without significant action on the transfer time (approximately 19 days) in the Séoune sub-basin, where the floods are voluminous. On the other hand, for the Tescou sub-basin, with rapid and small-volume floods, the time of transfer increases considerably (8 h) between the state of zero withdrawal (natural: 1.73 days) and the present state close to 6 Mm3 (2.07 days). Concerning winter annual mean discharge in both sub-basins, the winter mean runoff coefficient decreased 31% and 42%, for the Séoune and Tescou sub-basins respectively, between the natural state and the present state. This reduction of the runoff coefficients does not correspond to the theoretical volumes stocked in the reservoirs. In other words, the theoretical volumes of the reservoirs cannot completely explain the observed strong reduction of the runoff coefficients. However, the consistency of the various controls, both on the observed time series and the modelled results, lend credibility to the overall results. These results should be taken into consideration in water management, if the climatic conditions and soil occupation don't change

La stabilité des formes fluviales de l’Orange, entre variabilité naturelle et impacts des grands barrages (secteur Boegoeberg-Augrabies, Afrique du Sud)

Le fleuve Orange (Afrique du Sud) est l’un des systèmes fluviaux les plus aménagés au monde : les barrages hydroélectriques ont modifié le volume d’écoulement du fleuve et son débit solide a diminué depuis les années 1930. Plus encore, dans son cours moyen inférieur (secteur d’Upington), le fleuve a été contraint entre des digues de 5 à 10 m de hauteur, des chenaux secondaires ont été remplis pour permettre le développement agricole et plus de 10 déversoirs de bas niveau ont été construits à travers le chenal. Dans des conditions similaires, des changements géomorphologiques visibles et rapides (incision du chenal, alluvionnement, etc.) ont été enregistrés dans divers systèmes fluviaux en région semi-aride. Pourtant, l’étude de cartes anciennes (des années 1920) et de photographies aériennes (à partir de 1937) montre une stabilité remarquable des formes fluviales, et ce, même à petite échelle : des bancs sableux et des seuils rocheux sont facilement reconnaissables dans le chenal principal. L’objectif de cet article est d’explorer les différentes hypothèses expliquant cette stabilité, en utilisant le concept de discontinuité et la théorie de la catastrophe, et de confronter les résultats avec les travaux récents sur le fleuve Orange. Notre recherche est basée sur le calcul des puissances spécifiques des crues vicennales, la reconnaissance de terrain (entre 2000 et 2003) et le prélèvement de sédiments, en utilisant la méthode de la courbe de Passega. Nous avons également effectué des comparaisons entre les photographies aériennes et les cartes anciennes et les photographies aériennes les plus récentes à l’aide des outils SIG (MapInfo). À micro-échelle, la progression et la destruction des roseaux (Phragmites australis et Arundo donax) a été utilisée comme indicateur des changements géomorphologiques du chenal. Les résultats montrent que les concepts de stabilité et d’équilibre, et les changements géomorphologiques fluviaux sont plus complexes qu’une simple comparaison statique.The Orange River (South Africa) is one of the most manipulated water system in the world : power dams have modified the flow volume of the river, and the sediment load has been decreasing since the 1930s. Moreover, in the lower middle reaches of the river (Upington region), the river has been constrained between 5 to 10 m high levees, secondary channels have been filled for agricultural development, and more than 10 low level weirs have been built across the channel. In comparable conditions, visible and rapid geomorphological changes (channel incision, aggradation, etc.) have been monitored in various water systems in semi-arid regions. Yet, the comparison between old maps (from the 1920s) and aerial photographs (from 1937 onwards) shows a remarkable stability of fluvial patterns, even at a small scale : sandy banks and rocky outcrops are easily recognizable in the main channel. The aim of this paper is to explore several hypotheses about this stability, using the Serial Discontinuity Concept and the Catastrophe Theory, and confronting the results with recent works on the Orange River. Our research is based on unit stream power calculation for 20-year return floods, field recognition (from 2000 to 2003) and sediment sampling, sorted using the Passega curve methodology. We also made comparisons between old maps and aerial photographs and the most recent aerial photographs using GIS tools (MapInfo). At the micro-scale level, the progression and the destruction of reeds (Phragmites australis and Arundo donax) has been used as an indicator of geomorphological changes in the river channel. The results show that the notion of stability and equilibrium, and fluvial morphological changes are much more complex that the one given by a simple static comparison

Saturation des sols et genèse des crues sur le bassin versant de la Latte (Mont-Lozère)

10 pages, 1 tableau, 5 figures, 4 photographies.National audienceDe 2001 à 2003, le dispositif de mesure du bassin versant de la Latte (0,195 km2), instrumenté depuis 1981, a été complété par un limnigraphe sur un drain intermittent et par trois piézographes. Les données acquises lors de plusieurs épisodes permettent de discuter l'hypothèse de la genèse des crues de type cévenol par l'extension vers le bas de zones actives apparaissant en haut de versant, où les sols sont les plus minces. Dans le cas du bassin de la Latte, cette hypothèse n'est pas vérifiée

Conséquences de la forêt méditerranéenne sur les écoulements de crue - Synthèse des recherches menées en France

1 tableau ; 4 figuresTrois ensembles de bassins expérimentaux permettent d'étudier, en France méditerranéenne, les conséquences de la forêt sur les crues. Les résultats diffèrent de façon considérable d'un bassin à l'autre, montrant la complexité des relations pluies-débits. Il est à noter que l'augmentation des crues extrêmes est loin d'être avérée dans tous les cas. Une réflexion sur le fonctionnement hydrologique des bassins permet de lever la contradiction apparente entre les résultats observés

Une méthode pour anticiper les mises en alerte de crues sur la rivière Thoré (France)

Cet article présente les conclusions d'une recherche visant l'amélioration de l'annonce des crues, et son application à la rivière Thoré, dans le contexte du système d'alerte français. On y exploite les informations météorologiques contenues couramment dans les bulletins d'alerte aux précipitations [BAP] émis par Météo-France, dans le but d'aider les prévisionnistes du Service d'annonce de crues [SAC] à anticiper l'atteinte de la cote d'alerte sur une rivière. Le travail présenté fait partie d'une approche visant à munir les SAC d'outils prévisionnels fonctionnant en temps réel et aptes à prévenir d'une mise en alerte probable. L'approche préconisée conduit à une utilisation directe des informations contenues dans les BAP reçus des services de météorologie dans le processus de surveillance des crues. C'est au moyen de courbes d'intensité-durée-temps d'alerte [IDTA], préalablement établies pour des prévisions de pluies uniformément réparties, et de courbes d'intensité-superficie-temps d'alerte [ISTA] pour les prévisions relatives à des cellules orageuses localisées, que l'approche proposée est développée.This work was designed to contribute to the improvement of flood forecasting, in the context of the French alert system. We propose that the meteorological information contained in the French weather forecast bulletin (Bulletins d'alerte aux précipitations; BAP), produced by Météo-France (French meteorological organization), should be utilized in order to aid the forecasters of the French flood forecasting agencies (Services d'annonce de crues; SAC) to anticipate the timing of an alert associated with an increase in the water level of a river. The goal was to develop an approach to provide the SAC with a real-time operational forecasting tool in order to improve the evaluation of a probable Flood Alert decision. This approach integrates the information contained in the BAP received from Météo-France into the existing flood control process with the use of Duration-Intensity-Warning Time (durée-intensité-temps d'alerte, IDTA) curves for uniform rainfall forecasting, and Intensity-Area-Warning Time curves (intensité-superficie-temps d'alerte, ISTA) for localized storm cells.The rainfall parameters considered were the intensity (I, mm/h), the duration (D, h), and the area of the watershed affected by the rainfall (S, km2). These parameters are related by the equation V=I x D x S, where V is the volume of rain (hm3). The parameter directly related to the Flood Alert decision is the warning time (Talerte), measured in hours. It is defined as the time from the beginning of the rainfall to the time when the flow at the watershed outlet reaches the alert flow (Qalerte in m3 /s), regardless of the maximum discharge (Qmax). Although Qmax may be an important indicator of the magnitude of the upcoming event, the chief concern is the Flood Alert decision, and therefore, the time to alert parameter (Talert) is of primary importance.The proposed approach involves creating a graphical connection of a series of rainfall intensity values (I) as a function of a range of rainfall (D) duration values with time to alert (Talert) curves, which represent the I-D couples. As a result, a SAC forecast agent that receives a BAP indicating the quantitative precipitation forecast in a precise region for a defined period will be able to evaluate the time after the start of the rainfall that the alert flow (Qalert) will be reached, simply by referring to the IDTA and/or ISTA curves. If an alert is foreseen within a certain delay, the flood forecast agent can wait to receive improved forecasts before making the decision whether to start the flood alert procedures or not.The construction of the IDTA and ISTA curves requires numerous simulations in order to cover a wide variety of intensity-duration and intensity-area of rainfall couples for which the alert flow (Qalert) will be reached at the watershed outlet, and therefore the time corresponding to this discharge can be estimated. The simulations were performed through the use of a combination of a deterministic distributed parameter hydrological model and a hydraulic one-dimensional hydrograph transfer model. The neuronal models of the Generalized Regression Network (GRNN) type were also used. This allowed for the extraction of and/or interpolation between values in the database containing the parameters intensity, duration, area, and the hydrographs that resulted from the simulations done with the first two models. The interest in using the GRNN model is to cover a large range of values for all of the parameters considered, without having to simulate all cases, therefore reducing the potential computation time.We developed this forecasting approach on the basis of a specific case related to the extreme flooding that occurred in southern France on November 1999. More precisely, our case study concerns the mountainous region in the upstream area of the Thoré watershed, in the Tarn Department. The simulation scenarios were 1) uniformly distributed rainfall on a watershed of 208 km2 ; 2) storm cells of 9, 36, 64 and 144 km2 located in the watershed center; and 3) a storm cell located in various zones of the watershed.The main observation of the simulation results was that the Talert was constant for a rainfall of intensity I, as long as the duration was longer than the Talert (i.e., provided it was still raining after Qalert was attained at the outlet). On the other hand, if the rain stops before Qalert is attained, Talert is delayed. Talert increases as a function of the duration of the rainfall, for a constant I. This is true for both uniform and localized rainfall.The IDTA and ISTA curves were developed on the basis of several simplifying hypotheses and should be improved in order to increase their precision and flexibility. Therefore this approach can be amended by taking into account the following factors:- infiltration (when the laws defining it are established);- the initial conditions: since the results of the simulations for this study are valid for constant initial conditions of Qini=20 m3/s, it would be pertinent to include a correction factor to adjust the results (Talert) for the real initial conditions such as the actual Qini and the actual soil humidity;- the spatial variability of the storm cells; and- the combination of uniformly distributed rainfall and localized storm cells.Nevertheless, we evaluated the use of the forecasting approach with the IDTA and ISTA curves referring to the November 1999 events. The contribution of these curves in the Flood Alert decision process was assessed with a fictitious scenario defined by the issued BAP related to this event. Understanding the simplifying hypotheses discussed above, we conclude that the flood alert on the Thoré River watershed could have been advanced up to seven hours and thirty minutes from the actual time it was issued. In a fast or flash flood event, this range of anticipation could have a considerable impact