TABLE RONDE : VERS UNE MEILLEURE GESTION DE L'EAU PAR LES INDUSTRIELS

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Chapter 4. Risk prevention

L’intensité et la fréquence des événements hydro-météorologiques extrêmes sont susceptibles d’évoluer notablement en région méditerranéenne du fait du changement climatique. Les projections climatiques concernant ces extrêmes restent certes incertaines, mais nos sociétés doivent se préparer à ces évolutions probables. Ce chapitre évoque des mesures d’adaptation aux risques naturels hydro-climatiques. Il est intéressant de noter que les mesures d’adaptation considérées sont des mesures «non structurelles»: i.e. elles ne sont pas fondées sur la construction d’ouvrages de génie civil, tels que les barrages et les digues. Cela correspond à l’évolution des politiques de prévention des risques naturels dans les pays bordant la Méditerranée. Les ouvrages de protection coûteux, dont le but est de contrôler ou de réduire le niveau de l’aléa naturel, ont une efficacité souvent limitée dans le cas d’événements exceptionnels et une faible résilience aux évolutions climatiques. La construction d’ouvrages de protection n’apparaît plus comme la principale, voire l’unique, réponse possible pour limiter les risques. Les politiques de prévention mettent désormais en avant des mesures d’adaptation fondées sur la maîtrise de l’occupation des sols et l’amélioration des capacités de gestion des crises et des catastrophes.Le premier article de ce chapitre rappelle que le niveau d’exposition aux aléas naturels a considérablement augmenté en région méditerranéenne au cours du siècle dernier, du fait de la très forte croissance démographique et de la concentration des populations dans les villes. Au cours des cinquante dernières années, les évolutions socio-économiques et démographiques en Méditerranée ont bien plus fortement pesé sur l’augmentation des dommages liés aux risques naturels que les changements climatiques. Cela restera vrai dans un proche avenir. La maîtrise de l’occupation des sols et de l’urbanisation est donc un élément essentiel des politiques de prévention des risques. Le reste du chapitre présente les progrès récents et les perspectives d’évolution des dispositifs d’observation et de prévision météorologiques et hydrologiques. L’amélioration des prévisions des sécheresses, des pluies et des crues, combinée à une meilleure organisation de l’information des populations et des services de secours, constitue un autre type de mesures d’adaptation et de prévention des risques. Ces mesures n’évitent pas la survenue de l’inévitable catastrophe, mais permettent d’en limiter notablement les conséquences

Chapter 3. Hydro-meteorological extremes

Les régions méditerranéennes sont particulièrement soumises aux risques hydrométéorologiques, comme les pluies intenses et les crues rapides, les tempêtes induisant des submersions marines et des fortes houles, les vagues de chaleur et les sécheresses favorisant les feux de forêts. L’intensité et la fréquence de ces événements hydrométéorologiques extrêmes sont susceptibles d’évoluer sous l’effet du changement climatique. L’analyse de ces événements extrêmes repose sur l’observation, l’analyse de données et la modélisation numérique afin d’interpréter et d’extrapoler les observations et de prévoir les évolutions à venir. L’étude des extrêmes est cependant une tâche particulièrement complexe. Les événements extrêmes sont rares par nature. Les bases de données disponibles ne s’enrichissent donc que très progressivement. Ces événements sont par ailleurs souvent caractérisés par de fortes hétérogénéités spatiales et temporelles que les réseaux de mesure existants peuvent difficilement capturer précisément. La mesure de valeurs exceptionnellement élevées, pour lesquelles les réseaux de mesure n’ont pas été conçus et ajustés, peut aussi être entachée d’incertitudes importantes. Tout ceci explique notre niveau de connaissance encore aujourd’hui imparfait et les conclusions parfois contradictoires des études scientifiques sur les évolutions passées et futures. Nos connaissances ont cependant fortement progressé ces dernières années grâce à un certain nombre de programmes de recherche dédiés et à la mise en place de bases de données partagées. Ce chapitre présente l’état des connaissances sur les phénomènes extrêmes hydro-climatiques autour de la Méditerranée, leur répartition géographique et saisonnière, leurs évolutions passées et à venir. Les questions non résolues et les incertitudes sont aussi exposées et discutées

Evidence for a gravitational Myers effect

An indication for the existence of a collective Myers solution in the non-abelian D0-brane Born-Infeld action is the presence of a tachyonic mode in fluctuations around the standard diagonal background. We show that this computation for non-abelian D0-branes in curved space has the geometric interpretation of computing the eigenvalues of the geodesic deviation operator for U(N)-valued coordinates. On general grounds one therefore expects a geometric Myers effect in regions of sufficiently negative curvature. We confirm this by explicit computations for non-abelian D0-branes on a sphere and a hyperboloid. For the former the diagonal solution is stable, but not so for the latter. We conclude by showing that near the horizon of a Schwarzschild black hole one also finds a tachyonic mode in the fluctuation spectrum, signaling the possibility of a near-horizon gravitationally induced Myers effect.Comment: LaTeX, 23 page

Projet NoBaby : Apprentissage de la conception/réalisation de produits en mode projet

L'Institut Supérieur d'ingénieur de Franche-Comté est une jeune école d'ingénieurs spécialisée dans le génie biomédical. Les étudiants recrutés viennent d'horizons et de cultures scientifique et technique très différents. Dans le cadre des enseignements de construction mécanique, on propose de concevoir et réaliser un système mécanique. Les étudiants doivent concevoir un prototype fonctionnel du produit. Il est ensuite réalisé par prototypage rapide. On propose ici de donner la structuration pédagogique de ce type de projet et des démarches à suivre

The catastrophic flash-flood event of 8–9 September 2002 in the Gard region, France: a first case study for the Cévennes–Vivarais Mediterranean Hydrometeorological Observatory

The Cévennes–Vivarais Mediterranean Hydrometeorological Observatory (OHM-CV) is a research initiative aimed at improving the understanding and modeling of the Mediterranean intense rain events that frequently result in devastating flash floods in southern France. A primary objective is to bring together the skills of meteorologists and hydrologists, modelers and instrumentalists, researchers and practitioners, to cope with these rather unpredictable events. In line with previously published flash-flood monographs, the present paper aims at documenting the 8–9 September 2002 catastrophic event, which resulted in 24 casualties and an economic damage evaluated at 1.2 billion euros (i.e., about 1 billion U.S. dollars) in the Gard region, France. A description of the synoptic meteorological situation is first given and shows that no particular precursor indicated the imminence of such an extreme event. Then, radar and rain gauge analyses are used to assess the magnitude of the rain event, which was particularly remarkable for its spatial extent with rain amounts greater than 200 mm in 24 h over 5500 km2. The maximum values of 600–700 mm observed locally are among the highest daily records in the region. The preliminary results of the postevent hydrological investigation show that the hydrologic response of the upstream watersheds of the Gard and Vidourle Rivers is consistent with the marked space–time structure of the rain event. It is noteworthy that peak specific discharges were very high over most of the affected areas (5–10 m3 s−1 km−2) and reached locally extraordinary values of more than 20 m3 s−1 km−2. A preliminary analysis indicates contrasting hydrological behaviors that seem to be related to geomorphological factors, notably the influence of karst in part of the region. An overview of the ongoing meteorological and hydrological research projects devoted to this case study within the OHM-CV is finally presented

Twenty-three unsolved problems in hydrology (UPH) – a community perspective

This paper is the outcome of a community initiative to identify major unsolved scientific problems in hydrology motivated by a need for stronger harmonisation of research efforts. The procedure involved a public consultation through on-line media, followed by two workshops through which a large number of potential science questions were collated, prioritised, and synthesised. In spite of the diversity of the participants (230 scientists in total), the process revealed much about community priorities and the state of our science: a preference for continuity in research questions rather than radical departures or redirections from past and current work. Questions remain focussed on process-based understanding of hydrological variability and causality at all space and time scales. Increased attention to environmental change drives a new emphasis on understanding how change propagates across interfaces within the hydrological system and across disciplinary boundaries. In particular, the expansion of the human footprint raises a new set of questions related to human interactions with nature and water cycle feedbacks in the context of complex water management problems. We hope that this reflection and synthesis of the 23 unsolved problems in hydrology will help guide research efforts for some years to come

Eléments d'analyse sur les crues éclair

Flash floods (i.e.floods produced by severe thunderstorms of limited areal extent) are certainly the most destructive natural hazard in France. They also give rise to numerous questions but no systematic studies have been conducted in the past on such events. The relatively poor hydrological knowledge about this type of flood is not in accordance with the risk that they represent or with the ambitious prevention policy objectives of the stake holders in France. In the first part of this document, a post flood investigation methodology is proposed and tested on five case studies. Besides the analysis of the available rainfall data and the estimations of peak discharges on the basis of high water marks, elements concerning the timing of the floods given by eyewitnesses were gathered. The first results obtained are hopeful and reveal some original aspects of the rainfall-runoff relationship during flash floods : 1) the watershed response to the intense storm bursts is late and relatively sudden, 2) a large amount of rainwater (150 to 200 millimetres in the present case studies) is retained on the catchments and does not contribute to the flood flow, 3) no significant effects of the land use type could be identified. The second part of the document, is devoted to the theoretical analysis of the flood peak distributions. The potential of the so called derived distribution methods consisting in coupling a stochastic rainfall simulator and a mathematical rainfall-runoff model is assessed. It appears that, due to the properties of the rainfall-runoff process, flood peak distributions (FPD) belong most probably to none of the three extreme value distribution types. The asymptotic behaviour of the FPD is controlled by the maximum rainfall intensities measured over a duration characteristic of the studied watershed. The shape of the FPD depends on the rainfall-runoff model used for the intermediate range of return periods - typically 10 to 106 years. Some realistic hypothesis, according to the results of the post flood investigations, lead to multi modal distributions, which local gradient on a Gumbel paper can be much larger than the Gradex of the rainfall intensities over a limited range of return periods.Les crues éclair (i.e. crues soudaines provoquées par des événements pluvieux orageux) constituent sans aucun doute le risque naturel le plus destructeur en France. Malgré la menace qu'elles représentent et les nombreuses questions qu'elles suscitent, elles n'ont pas fait l'objet par le passé d'études systématiques. L'état des connaissances est actuellement loin d'être à la hauteur des enjeux exposés à ces crues et des ambitions désormais achées par les pouvoirs publics en matière de prévention. Dans la première partie de ce document, une méthodologie d'analyse hydrologique post-événementielle a été mise au point et testée sur cinq études de cas. Outre l'exploitation classique des données pluviographiques et RADAR et l'estimation des débits de pointes de crues à partir des niveaux d'eau atteints, les informations concernant l'évolution temporelle des hauteurs d'eau et des débits correspondants ont été collectées auprès des témoins oculaires. Les premiers résultats obtenus sont encourageants et relativement inattendus : a) les bassins versants réagissent avec retard aux épisodes de pluies intenses, b) les volumes d'eau de pluie retenus sur les bassins et ne participant pas à la crue sont importants (de 150 à 200 millimètres dans les études de cas traitées), c) le type d'occupation des sols ne semble pas jouer un rôle déterminant sur la réponse hydrologique des bassins versants. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'analyse théorique des lois de probabilité des débits de pointes de crues. Les possibilités ouvertes par l'approche qualiée de semi-déterministe, consistant à coupler un modèle mathématique de genèse aléatoire de séries pluviographiques et un modèle pluie-débit sont explorées. Il apparaît que, compte tenu des propriétés de la relation pluie-débit, les distributions des débits pointes de crues (DDPC) n'appartiennent probablement à aucun des trois types de lois des valeurs extrêmes. Elles sont asymptotiquement contrôlées par la distribution des intensités moyennes maximales des événements pluvieux, mesurées sur une durée caractéristique du bassin versant. La forme des DDPC dans la gamme des périodes de retour intermédiaires - typiquement 10 à 100 ans - dépend du modèle pluie-débit utilisé. Certaines hypothèses, réalistes au regard des retours d'expériences, conduisent à des distributions multi-modales, dont le gradient local très élevé sur papier de Gumbel peut largement dépasser le Gradex des pluies sur une plage limitée de périodes de retour

Un parcours dans l'étude des phénomènes extrêmes en hydrologie

Ce mémoire paraîtra certainement un peu volumineux. Etait-il bien nécessaire d'écrire autant de pages pour un mémoire d'habilitation à diriger des recherches et d'infliger sa lecture aux membres du jury, alors que cela n'est pas imposé par les règles non écrites de l'exercice ? Je me suis moi-même posé la question à plusieurs reprises au cours de cette rédaction. A quoi bon dépenser du temps et de l'énergie pour un document qui sera peu lu et que l'on ne comptabilisera pas au rang des publications importantes ? La réponse est que j'avais besoin de mettre sur le papier ce que contient ce mémoire, de révéler la logique d'un parcours de recherche diversifié mais non pas dispersé qui m'a conduit des mathématiques à l'hydrologie des processus en passant par le terrain et de montrer comment cette divagation dans le monde de la recherche hydrologique nourrit une réflexion sur l'avenir de cette discipline. Trier trop sévèrement dans les activités passées afin de raccourcir le mémoire n'aurait pas permis de révéler cette logique d'ensemble. Ce mémoire est structuré en trois parties. Il débute par une excursion dans le monde de l'hydrologie mathématique qui m'a naturellement attiré compte tenu de ma formation d'ingénieur. Les possibilités et les limites de différents outils mathématiques qui ont fait récemment l'objet de recherches et de publications en hydrologie y sont étudiées. A l'exception du chapitre 3, les autres chapitres de cette partie conduisent au même constat : les modèles mathématiques ne sont que des représentations très imparfaites de la réalité perceptible au travers des jeux de données mesurées disponibles. Il est donc plus qu'hasardeux de fonder des conclusions générales concernant la relation pluie-débit, sur la base de modèles mathématiques ajustés à partir de données mesurées souvent peu nombreuses et entachées d'incertitudes. Il est encore plus illusoire de vouloir en tirer des enseignements sur les extrêmes hydrologiques. Ce constat m'a conduit à rechercher directement sur le terrain des données complémentaires sur les extrêmes hydrologiques - principalement les crues extrêmes - et à tenter de les exploiter. C'est de cette démarche que témoigne la seconde partie de ce mémoire. Deux pistes complémentaires ont été suivies : la collecte et l'exploitation d'informations immédiatement après une crue importante sur le ou les bassins versants touchés (i.e. les retours d'expérience ou enquêtes hydrologiques) et la recherche de données sur les crues majeures anciennes ou historiques. Cette recherche s'est avérée fructueuse et riche en enseignements. Elle débouche cependant sur de nouvelles questions concernant la dynamique de la réponse pluie-débit des bassins versants soumis à des pluies intenses et l'influence possible de leurs caractéristiques géologiques, morphologiques ou pédologiques. Pour y répondre, une analyse des processus hydrologiques à petite échelle est nécessaire. La dernière partie de ce mémoire, consacrée aux perspectives, s'ouvre donc sur le champ de l'hydrologie expérimentale, celle des processus. J'ai pour le moment abordé la question de la genèse des écoulements sur les versants au travers de la modélisation numérique - on résiste difficilement à ses penchants naturels. Le temps de la confrontation aux versants réels me semble cependant venu. Le bassin versant idéal de l'hydrologue de surface, celui sur lequel se mettent en place les zones saturées contributives, possède un sol plus ou moins profond sur un substratum imperméable. Or sur de nombreux bassins versants, les aquifères profonds jouent un rôle important en période de crues mais aussi et surtout en période d'étiage. Pour couvrir l'ensemble du cycle de l'eau qui est l'objet d'étude principal de l'hydrologie et être en mesure d'aborder sérieusement l'autre phénomène extrême de l'hydrologie que sont les étiages, les hydrologues devront s'intéresser au fonctionnement des aquifères souterrains et en particulier à leur recharge et donc se rapprocher des hydrogéologues. C'est une perspective à plus long terme que nous évoquerons à la fin de cette troisième partie. Ce mémoire se clôt sur une courte réflexion sur la nature de l'hydrologie et sur la place de la modélisation, de l'observation et de l'expérimentation. L'hydrologie est une science de la nature ; elle doit fondamentalement reposer sur l'observation non pas simplement limitée à la mesure des pluies et des débits mais élargie à tous les indicateurs potentiels de la circulation de l'eau dans les bassins versants. Mais l'hydrologie est aussi une science qui doit pouvoir mobiliser les ressources de la modélisation et de l'expérimentation. L'observation, l'expérimentation et la modélisation sont donc trois approches complémentaires qui, afin qu'elles puissent se nourrir l'une l'autre, devraient idéalement être menées de front par les mêmes équipes de recherche si ce n'est par les mêmes chercheurs. Afin de faciliter la lecture du mémoire, chaque partie comporte deux courts chapitres d'introduction et de synthèse. Chaque chapitre est de plus précédé d'un résumé et d'une liste de mes publications qui s'y rattachent. J'ai tenté d'être didactique, en particulier dans la première partie de ce mémoire. On ne l'est certainement jamais assez et quelques cobayes pourtant bien choisis m'ont fait remarquer que la lecture de certains chapitres mathématiques restait ardue. Ce mémoire peut cependant se lire par morceaux. Les chapitres de la première partie sont indépendants. Ils illustrent, à l'exception du chapitre 3, une même idée, reprise en conclusion : les limites de l'approche mathématique lorsqu'elle n'est par réalimentée régulièrement par l'expérience et la connaissance. Il est donc possible de lire l'introduction, une illustration puis la conclusion avant de revenir à la lecture d'autres chapitres d'illustration de cette partie. La rédaction de ce mémoire a été pour moi un plaisir : plaisir de reprendre et de remettre en forme des travaux parfois anciens, plaisir de montrer le fil conducteur d'un parcours qui peut paraître au premier abord dispersé, plaisir de plaider pour une hydrologie qui tout en étant une discipline d'ingénieurs peut aussi revendiquer sans complexe le titre de science.Ce mémoire paraîtra certainement un peu volumineux. Etait-il bien nécessaire d'écrire autant de pages pour un mémoire d'habilitation à diriger des recherches et d'infliger sa lecture aux membres du jury, alors que cela n'est pas imposé par les règles non écrites de l'exercice ? Je me suis moi-même posé la question à plusieurs reprises au cours de cette rédaction. A quoi bon dépenser du temps et de l'énergie pour un document qui sera peu lu et que l'on ne comptabilisera pas au rang des publications importantes ? La réponse est que j'avais besoin de mettre sur le papier ce que contient ce mémoire, de révéler la logique d'un parcours de recherche diversifié mais non pas dispersé qui m'a conduit des mathématiques à l'hydrologie des processus en passant par le terrain et de montrer comment cette divagation dans le monde de la recherche hydrologique nourrit une réflexion sur l'avenir de cette discipline. Trier trop sévèrement dans les activités passées afin de raccourcir le mémoire n'aurait pas permis de révéler cette logique d'ensemble. Ce mémoire est structuré en trois parties. Il débute par une excursion dans le monde de l'hydrologie mathématique qui m'a naturellement attiré compte tenu de ma formation d'ingénieur. Les possibilités et les limites de différents outils mathématiques qui ont fait récemment l'objet de recherches et de publications en hydrologie y sont étudiées. A l'exception du chapitre 3, les autres chapitres de cette partie conduisent au même constat : les modèles mathématiques ne sont que des représentations très imparfaites de la réalité perceptible au travers des jeux de données mesurées disponibles. Il est donc plus qu'hasardeux de fonder des conclusions générales concernant la relation pluie-débit, sur la base de modèles mathématiques ajustés à partir de données mesurées souvent peu nombreuses et entachées d'incertitudes. Il est encore plus illusoire de vouloir en tirer des enseignements sur les extrêmes hydrologiques. Ce constat m'a conduit à rechercher directement sur le terrain des données complémentaires sur les extrêmes hydrologiques - principalement les crues extrêmes - et à tenter de les exploiter. C'est de cette démarche que témoigne la seconde partie de ce mémoire. Deux pistes complémentaires ont été suivies : la collecte et l'exploitation d'informations immédiatement après une crue importante sur le ou les bassins versants touchés (i.e. les retours d'expérience ou enquêtes hydrologiques) et la recherche de données sur les crues majeures anciennes ou historiques. Cette recherche s'est avérée fructueuse et riche en enseignements. Elle débouche cependant sur de nouvelles questions concernant la dynamique de la réponse pluie-débit des bassins versants soumis à des pluies intenses et l'influence possible de leurs caractéristiques géologiques, morphologiques ou pédologiques. Pour y répondre, une analyse des processus hydrologiques à petite échelle est nécessaire. La dernière partie de ce mémoire, consacrée aux perspectives, s'ouvre donc sur le champ de l'hydrologie expérimentale, celle des processus. J'ai pour le moment abordé la question de la genèse des écoulements sur les versants au travers de la modélisation numérique - on résiste difficilement à ses penchants naturels. Le temps de la confrontation aux versants réels me semble cependant venu. Le bassin versant idéal de l'hydrologue de surface, celui sur lequel se mettent en place les zones saturées contributives, possède un sol plus ou moins profond sur un substratum imperméable. Or sur de nombreux bassins versants, les aquifères profonds jouent un rôle important en période de crues mais aussi et surtout en période d'étiage. Pour couvrir l'ensemble du cycle de l'eau qui est l'objet d'étude principal de l'hydrologie et être en mesure d'aborder sérieusement l'autre phénomène extrême de l'hydrologie que sont les étiages, les hydrologues devront s'intéresser au fonctionnement des aquifères souterrains et en particulier à leur recharge et donc se rapprocher des hydrogéologues. C'est une perspective à plus long terme que nous évoquerons à la fin de cette troisième partie. Ce mémoire se clôt sur une courte réflexion sur la nature de l'hydrologie et sur la place de la modélisation, de l'observation et de l'expérimentation. L'hydrologie est une science de la nature ; elle doit fondamentalement reposer sur l'observation non pas simplement limitée à la mesure des pluies et des débits mais élargie à tous les indicateurs potentiels de la circulation de l'eau dans les bassins versants. Mais l'hydrologie est aussi une science qui doit pouvoir mobiliser les ressources de la modélisation et de l'expérimentation. L'observation, l'expérimentation et la modélisation sont donc trois approches complémentaires qui, afin qu'elles puissent se nourrir l'une l'autre, devraient idéalement être menées de front par les mêmes équipes de recherche si ce n'est par les mêmes chercheurs. Afin de faciliter la lecture du mémoire, chaque partie comporte deux courts chapitres d'introduction et de synthèse. Chaque chapitre est de plus précédé d'un résumé et d'une liste de mes publications qui s'y rattachent. J'ai tenté d'être didactique, en particulier dans la première partie de ce mémoire. On ne l'est certainement jamais assez et quelques cobayes pourtant bien choisis m'ont fait remarquer que la lecture de certains chapitres mathématiques restait ardue. Ce mémoire peut cependant se lire par morceaux. Les chapitres de la première partie sont indépendants. Ils illustrent, à l'exception du chapitre 3, une même idée, reprise en conclusion : les limites de l'approche mathématique lorsqu'elle n'est par réalimentée régulièrement par l'expérience et la connaissance. Il est donc possible de lire l'introduction, une illustration puis la conclusion avant de revenir à la lecture d'autres chapitres d'illustration de cette partie. La rédaction de ce mémoire a été pour moi un plaisir : plaisir de reprendre et de remettre en forme des travaux parfois anciens, plaisir de montrer le fil conducteur d'un parcours qui peut paraître au premier abord dispersé, plaisir de plaider pour une hydrologie qui tout en étant une discipline d'ingénieurs peut aussi revendiquer sans complexe le titre de science