Prévision des crues : les modèles utilisés (HU) : Différence entre versions

Version du 29 avril 2024 à 17:29

Traduction anglaise : Models used for flood forecasting

Dernière mise à jour : 27/04/2024

article en chantier

Cet article a pour objectif de présenter les différents modèles qui sont utilisés en France pour la prévision des crues.

Il a bénéficié de la relecture et des contributions de Renaud Marty et de Pierre-Adrien Hans (tous deux du SPC Loire-Allier-Cher-Indre), de Charles Perrin (INRAE-HYCAR, à Antony), Etienne Le Pape et Didier Narbaïs-Jauréguy (tous deux du SCHAPI).

Introduction

Cet article fait partie d'une série de sept articles qui traitent des différents aspects de la prévision des crues, un article général :

• Prévision des crues et des inondations : vue globale (HU) ;

et 5 autres articles détaillant différents aspects (actuellement en cours d'écriture) :

• Prévision des crues : son historique en France ;
• Prévisions des crues : les données nécessaires ;
• Prévisions des crues : erreurs, incertitudes et évaluation des performances ;
• Prévision des crues : les outils opérationnels utilisés en France ;
• Prévision des crues : développements récents ou en cours en France.

Cet article fait également référence à une partie des fiches de la famille « B. Description des principales sources d’incertitudes à considérer dans l’élaboration [par modélisation] d’une prévision de débit et de hauteur d’eau » Ces fiches ont été élaborées entre 2013 et 2015 par un groupe de travail constitué de prévisionnistes des SPC et du SCHAPI, ainsi que de confrères de Météo-France, de l’IRSTEA (devenu INRAE) et de l’IFSTTAR (devenu Université Gustave Eiffel). En effet, ces fiches, pour présenter les incertitudes liées aux données utilisées et modèles eux-mêmes, décrivent assez précisément les processus qu’ils mettent en œuvre.

Il traite successivement :

• des divers types de modèles utilisés par le réseau national français pour la prévision des crues ;
• des modèles hydrologiques, simulant la relation entre la pluie précipitée sur les bassins versants élémentaires et les débits à leur exutoire (où ils sont « injectés » dans le réseau hydrographique principal et modélisé) ;
• des modèles hydrauliques (ou hydrodynamiques), simulant la propagation des ondes de les 2crues et leurs compositions aux confluences, dans le réseau hydrographique modélisé.

Les modèles, hydrologiques et hydrauliques, y sont présentés suivant un schéma similaire :

• les fonctions et les limites de ces modèles,
• les divers types de modèles utilisés pour la prévision, et ceux qui ont été choisis pour un soutien prioritaire aux développements et pour l’aide à leur maîtrise, faits dans le cadre de la stratégie du réseau national français pour la prévision des crues,
• des points d’attention majeurs pour la construction et l’utilisation de ces modèles,
• des cas particuliers.

Présentation générale des modèles utilisés pour la prévision des crues

Les modèles utilisés pour la prévision des crues ont pour fonction de prévoir l'évolution des débits (et des lignes d'eau dans le cas de la prévision des inondations) sur le linéaire d'un cours d'eau lors d'un événement pluvieux. Comme pour de nombreuses autres applications en hydrologie, ils sont le plus souvent de type semi-distribué, c'est à dire que le territoire d'étude est décomposé en sous-bassins versants qui produisent des débits en fonction des précipitations qu'ils reçoivent, ces sous-bassins versants étant connectés entre eux par des tronçons de rivière (et éventuellement des ouvrages de stockage). Ils reposent donc sur deux catégories distinctes de modèles qui doivent être utilisés de façon conjointe :

• les modèles hydrologiques qui simulent la transformation des variables météorologiques (en particulier des précipitations) ou hydrologiques antérieures, en variables débitmétriques à l'exutoire des bassins versants ; ils sont alimentés par les observations et les prévisions météorologiques et sont chargés de prévoir les valeurs de débit qui vont s'écouler dans les cours d'eau aval (figure 1) ;
• les modèles hydrauliques (ou hydrodynamiques), ou leurs versions simplifiées qui simulent uniquement la propagation des ondes de crues (comprenant les phénomènes de déplacement de ces ondes et d’amortissement-stockage intermédiaire, voir Modèle de propagation d’ondes de crue (HU)) ; ces modèles sont chargés de représenter l'évolution prévue des débits, des hauteurs d'eau et des vitesses dans les lits mineurs, moyens ou majeurs des cours d’eau modélisés, ainsi que la composition des ondes de crue aux confluences et, éventuellement, leur transformation dans les retenues ou d’autres phénomènes d’hydraulique influencée, comme en zone fluviomaritime ou en amont de certaines confluences (voir Modèles d'écoulement en réseau et en rivière (HU)) ; ils sont alimentés par les prévisions issues des modèles hydrologiques, les résultats simulés étant éventuellement corrigés par des observations hydrométriques (figure 2).

Figure 1 : Illustration schématique d’une chaîne de prévision hydrologique sur un bassin versant ; les observations météorologiques sont formulées en valeur instantanée pour la température et en moyennes sur un pas de temps des intensités de pluie (mm/h) et des observations et prévision hydrologiques en débit (m3/s) ; Source : Marty, 2020.

Figure 2 : Illustration schématique d’une chaîne de prévision hydraulique sur un tronçon de cours d’eau pour représenter la propagation d’une onde de crue : les « entrées » du modèles sont constituées : des observations hydrométriques, en amont du tronçon sur le cours d’eau principal ainsi que sur les affluents ; des prévisions hydrologiques à l’exutoire des bassins versants « élémentaires » situés immédiatement en amont du tronçon ; de l’estimation des apports hydrologiques intermédiaires entre points d’injection des apports de ces bassins versants « élémentaires ou entre 2 stations hydrométriques ; et des prévision hydrauliques ; Source : Marty, 2020.

Deux familles de modèles sont utilisées en prévision des crues :

• des modèles événementiels. : leur objectif est de simuler les crues résultant d’un évènement pluvieux particulier ou d’une série de pluies suffisamment rapprochées pour générer des ruissellements qui interfèrent entre eux, ce qui justifie que l'on considère la crue de façon globale ; ces modèles sont souvent limités par la difficulté à déterminer pour eux des conditions initiales fiables, ce qui conduit par exemple à les coupler avec des modèles continus (ils sont de moins en moins souvent utilisés seuls) ou à anticiper leur mise en route par une phase de « chauffe » ;
• des modèles continus : ces modèles prennent en compte en continu toutes les précipitations qui se succèdent sur le bassin hydrographique durant une longue période (base annuelle glissante). Ils permettent de connaître les variables (comme l’humidité du sol) qui dépendent à la fois de l'antécédent pluviométrique, des conditions météorologiques, de la succession des saisons. Ils sont utiles notamment pour déterminer les conditions initiales nécessaires aux modèles événementiels, hydrologiques mais aussi hydrauliques.

Nota : Il existe dans la littérature plusieurs typologies des modèles. On peut s’appuyer en partie sur celles de (Todini, 2007) et de (Roche et al., 2012) au Chapitre 10.3, ou de (Le Pape, 2020). On distingue par exemple souvent : les modèles empiriques (basés sur l’expérience et les données d’observation disponibles), les modèles conceptuels et les modèles à base physique. Les frontières entre ces catégories ne sont pas toujours très nettes et plusieurs modèles peuvent être considérés comme hybrides. Nous renvoyons le lecteur à l'article Modèle (HU) pour en savoir plus sur les différentes classifications possibles.

Rapide historique des modèles de plus en plus élaborés utilisés en France pour la prévision des crues

Les premières prévisions des crues modernes et structurées ont été faites en France à partir du milieu du XIXe siècle (Voir l'article Prévision des crues : son historique en France), après les crues de 1840 sur le Rhône et de 1846 sur la Loire, en élaborant des combinaisons linéaires des hauteurs d’eau relevées sur des échelles en amont, en des points choisis pour représenter au mieux la réaction de parties assez homogènes (en pédologie, géologie et topographie). Elles ont été élaborées pour évaluer le niveau maximum à attendre et le moment où il se produira plus en aval, au droit de zones particulièrement vulnérables aux inondations.

Malgré la proposition, dès 1871 par Adhémar Barré de Saint-Venant, d’un système d'équations différentielles décrivant la propagation des ondes de crues dans les cours d’eau, ainsi que des compléments apportés par d’autres dans les années suivantes, ces équations n’ont pas eu de suites pratiques pendant près d’un siècle, faute de moyens pour les résoudre aisément, avant l’avènement de l’informatique.

En 1934 pour la prévision des crues de la Loire de Gien à Montjean, puis en 1940 et en 1948 (Bachet, 1948) propose une méthode, pouvant aussi être qualifiée de modèle, traduite, notamment pour compenser un peu des pertes de compétences, par un ingénieux jeu d’abaques, les « Réglettes de Bachet », longtemps utilisées dans plusieurs Services d’Annonce des Crues (figure 3). (Voir Fiche B.23 – Modèles hydrologiques empiriques).

Exemple de réglette de Bachet dans le bassin de la Garonne : la prévision à la station de LAMAGISTERE se fait à partir de deux stations : VERDUN et SAINT-SULPICE ; Source : Ntonga, 1984.

En parallèle, dans les années 1930, on voit apparaître la notion de modèles numériques, essentiellement hydrauliques, conceptuels ou simplifiant les équations de Barré de Saint-Venant, qui seront utilisés plus tard pour expliquer, représenter à des fins d’aménagement et prévoir la propagation des crues. A partir des années 1960, à titre expérimental (Cunge, 2020), puis plus opérationnel, et de façon largement dominante depuis le début des années 2010, les modèles hydrologiques et hydrauliques (ou hydrodynamiques) numériques sont les outils utilisés pour la prévision des crues.

La généralisation relativement rapide, en une dizaine d’années, de l’utilisation de modèles numériques de prévision des crues est le résultat de plusieurs facteurs :

• la maturation antérieure sur la modélisation hydrologique et hydraulique au niveau de certaines Directions régionales de l’environnement (DIREN) qui avaient eu recours à de tels modèles pour les Plans Grands Fleuves (Loire, Rhône, Seine, etc.) ou pour consolider, avec les Directions départementales de l’Équipement puis des Territoires (et de la Mer), les Plans de Prévention des Risques d’Inondation (PPRI) ;
• la création en 2002 des Services de Prévision des Crues (SPC), dont une majorité au sein des DIREN, avec l’affichage de l’ambition d’une prévision des crues allant au-delà de leur annonce (comme auparavant), et l’invitation, ensuite, à publier de plus en plus sur le site Vigicrues ces prévisions ainsi que les incertitudes associées ;
• le fonctionnement en réseau des SPC et du SCHAPI, créé en 2003, avec des échanges renforcés et des formations structurées ;
• l’établissement de relations fortes, avec un soutien financier croissant, entre le SCHAPI, et les SPC, d’une part, et les milieux de la recherche et des développements, d’autre part ;
• la mise à disposition progressive de données nécessaires (pluviométriques et radar-météorologiques ; humidité des sols calculée par Météo-France ; possibilité de relevés topographiques suffisamment précis, par GPS puis aussi par LIDAR aéroporté, réalisés depuis 2011 sur la quasi-totalité des zones inondables par les cours d’eau du réseau hydrographique surveillé par l’État ;
• l’organisation de Retours d’expérience (REX) des évènements marquants en matière d’importance des dommages mais aussi d’enseignements à tirer dans le processus de prévision, notamment d’améliorations souhaitables des modèles ; le dispositif de collaboration continue avec les équipes de recherche et développement impliquées dans ceux-ci permet de dégager assez rapidement des évaluations des performances et des perspectives d’améliorations ciblées : on peut citer, par exemple, le travail mené par l’Equipe HYDRO (UR HYCAR) de l’INRAE, concernant le modèle GRP, par suite des importants inondations de mai-juin 2016 ayant touché le bassin de la Seine et le nord de celui de la Loire (Pinna, 2017), et l’analyse par suite de la crue de février 2021 sur la Garonne marmandaise (Marchandise et al., 2023) ou celle des crues de juillet 2021 sur les bassins du nord-est de la France (Diederics et al, 2023).