Influence anthropique sur le régime des eaux 1 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique DETERMINATION DES RISQUES D'INONDATION EFFETS DE L'AMENAGEMENT

Influence anthropique sur le régime des eaux 1P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique

DETERMINATION DES RISQUES D'INONDATION

EFFETS DE L'AMENAGEMENTDE L'ESPACE


POSITION DU PROBLEMEIdentifier les effets induits par les aménagements de l'espace sur le régime des eaux(crues, inondations)Evaluer quantitativement et, si possible, analytiquement ces conséquencesEclairer le fonctionnement du système complexe "naturel et social", caractéristique de ce type de questionnementMobiliser la programmation et les produits de la recherche, bien au-delà de l'HydrologieProduire des méthodes rigoureuses à l'attention des aménageurs


Le cycle de l’eau

Adaptation d’une illustration de l’Agence de l’Eau Loire Bretagne


UN OBJET DE RECHERCHE COMPLEXE

Etude des processus physiques, biologiques et chimiques élémentaires

Changement d’échelle - Utilisation de concepts/modèles à différentes échelles

Stationnarité des processus (modèles statistiques)

Interactions avec les Aménageurs


Occupation des sols, une évolution/redistribution permanente



Occupation des sols, des changements historiques


Occupation des sols, des changements historiques


SEGMENTATION DU PROBLEME

On traitera successivement :Les effets des aménagements du réseau hydrographique lui-

même (topologie de réseau, problématique 1D). On dispose du maximum d'outils

Un type d'impact de l'usage des sols du bassin versant, l'interaction forêt-inondations-régime des eaux (topologie de domaine, problématique 3D). On dispose de moins d'outils

La diversité spatialisée des aménagements de l'espace, qui traduit la problématique complète. L'expérimentation est très difficile, et les outils rares

Le schéma d'étude étant toujours basé sur l'intégration des besoins de connaissance du fonctionnement du système physique et des besoins des Aménageurs


Les fondements scientifiques de la connaissance (et de la modélisation) du cycle de l'eau dédiée à cette thématique "aménagements-inondations" se retrouve dans deux notions essentielles :

La FONCTION DE PRODUCTION (pluie nette)La FONCTION DE TRANSFERT (formation du débit) qui représentent un niveau d'agrégation des processus de base cohérent avec les besoins de l'aménagement et scientifiquement pertinents.

Notions "médiatrices" entre les processus et l'aménagement

LE FONCTIONNEMENT DU SYSTEME PHYSIQUE


LES STRATEGIES D'AMENAGEMENT DE L'ESPACE

L'ensemble des aménagements de l'espace, dans leurs interactions avec la dynamique du fonctionnement du système naturel peut également se retrouver dans une notion fondamentale qu'on résumera par :

"ECHANGER du TEMPS contre de l'ESPACE, et RECIPROQUEMENT"

Le barrage est l'exemple de mobilisation de l'espace pour "se donner du temps", l'endiguement préserve l'espace mais accélère considérablement les flux.

"TRAITER les FLUX versus les VOLUMES"


AMENAGEMENT HYDRAULIQUE DU RIUL NEGRU

La surface du bassin versant du Riul Negru est de 2320 km2. La longueur de la rivière principale est de 80 Km, et elle a 5 affluents principaux. La période étudiée est [1953-1993]. 125 km d'endiguements ont été réalisés en 78/79 à des fins de protection agricole (BV : 55% forestier, le reste est essentiellement rural)

Le régime des pluies est resté stationnaire pendant toute la période étudiée


AMENAGEMENT HYDRAULIQUE DU RIUL NEGRU

avant travaux après travaux

Figure 4 : La chronique de débits journaliers utilisée à RECI

STATION RIVIERE SURFACE(Km2)

D1 (Heures) D2 (Heures) Q1 (M3/s) Q2 (M3/s)

Tinoasa Riul Negru 293 39 22 32.4 94.9Reci Riul Negru 1672 60 50 147.3 338.6Casin Ruseni 476 30 30 70.2 82.9Covasna Borosneul 239 20 18 76.4 121.3

Influence des aménagementsdu Riul Negru sur le régime des crues à l'aval


QIXA10 Débit Instant. Maxi. T=10

ans


La spirale de l'aménagement hydraulique


FORÊTS, CRUES et REGIME DES EAUX

Comment identifier les modifications du comportement hydrologique liées à l'évolution du couvert forestier ?

Le traitement par l'action, la déforestation/reforestation des bassins versants … de recherche

L'étude de bassins versants adjacents, appariés ou "jumeaux"

La modélisation à base conceptuelle, et la détection de tendances et d'instationnarités (débits), en relation avec l'évolution du couvert végétal

La modélisation à base physique qui explicite l'ensemble des cheminements de l'eau et des transferts de matières et d'énergie à l'échelle du BV


FORÊTS, CRUES et REGIME DES EAUX

Les études (biblio internationale 2002 dans la thèse de V. Andréassian) sur bassins versants ont montré que la suppression de l'écosystème forestier (déboisement) pouvait augmenter à la fois les pointes et les volumes des crues, mais cet effet est très variable, et peut même s'inverser certaines années.

Les conditions du déboisement (travaux d'exploitation) sont peut être la composante principale de l'impact sur les crues

Les études de reboisement (plus rares) montrent un effet très faible, qui devient nul pour les crues les plus fortes.


BILAN BIBLIOGRAPHIQUEBassin

Versant

Surface

ha

Référence Surface traitée

Variation du pic (%)

Variation du volume (%)

Wagon Wheel Gap

81 Bates et Henry 1928

100% +50% +30%

Coweeta 44 à 144 Swank et al

1988

100% +7 à 30%

Hubbard Brook

16 à 35 Horneck et al 1997

100% -40 à +63%

Fool Creek 289 Troendel et

King 1985

40% -18 à +108% -5 à +18%

ECEREX 1 à 1.6 Fritsch 1990 100% +17 à +166% +21 à +104%

Brownie Creek

2134 Burton 1997 25% +45%


INFLUENCE DU COUVERT VEGETAL SUR LES CRUESLes deux bassins suivants ont été étudiés du point de vue de leur couvert végétal différent

Bassinversant

Relief Aireen

Km2

Déniveléeen mètres

Compacité Densitéde

drainage

Forêtset

prairies

Vignes Substrat Pédologie Pluiemoyenneen mm

Ardière Montagneux 54.5 700 1.338 0.917 90% 10% Granite Arènegraniti.

9661280.13

Vauxonne Montagneux 49.3 670 1.406 1.004 30% 70% Granite Arènegraniti.

8181280.16

Les modélisations conduites montrent que les crues de la Vauxonne sont deux fois plus fortes et intenses que celles de l'Ardière, ce qui met en évidence, dans ce cas précis, le rôle régulateur de la forêt.MAIS, si on simule d'autres régimes de pluie (Nantes -796 mm- et Chartreux -2042 mm-) on montre que le rôle régulateur de la forêt s'estompe avec l'intensité de la pluie.


Dans un premier temps l'étude montre que le paramétrage des modèles hydrologiques, fortement différencié d'un bassin à l'autre, est la "signature" (donc proche d'un invariant) du rôle joué par l'entité végétale sur les crues observées;

Dans un deuxième temps, des simulations permettent de comparer, pour une même pluie fictive d'entrée, le comportement hydrologique d'un bassin du même type dans un contexte climatique différent (océanique, continental alpin, ..).

INFLUENCE DU COUVERT VEGETAL SUR LES CRUES


INFLUENCE DE L'AMENAGEMENT DE L'ESPACE SUR LES CRUES

Confrontés à la complexité maximale de la distribution d'aménagements, eux mêmes de types multiples, dans un bassin versant, on ne dispose que de méthodes d'étude plus ou moins adaptées, de très peu de mesures pertinentes, et de quasiment aucune expérimentation (sauf en milieux urbains denses).

Deux outils hydrologiques principaux :

La modélisation à base conceptuelle

La modélisation à base physique

Il existe des ELEMENTS DE CONVERGENCE


LA MODELISATION A BASE CONCEPTUELLE

Elle a beaucoup d'inconvénients et de limitations :Ne pas rendre compte des processus naturels (pluie moyenne de BV ?)Souvent limitée à la transformation pluie-débitTravaille sur des chroniques longues, Donc a posteriori Elle a aussi beaucoup d'avantages et de points forts :Simplicité, parcimonie des variables d'état et de contrôleConsomme peu de types différents de donnéesPeut se mettre en œuvre sur un grand nombre de casSimple à transférer vers l'ingénierie et donc l'aménagement

Action principale : détection d'instationnarités (variables caractérisant le régime des eaux) à mettre en regard de l'évolution de l'occupation/usage des sols


MODELISATION A BASE PHYSIQUE

En théorie, c'est l'outil parfait dans ce domaine, dès lors que l'ensemble des processus, cheminements, bilans de masse et d'énergie, …, sont explicités de manière distribuée (maillage) dans le bassin versant

En pratique, et au-delà des problèmes fondamentaux de l'échelle à laquelle ont peut utiliser LES équations de la physique, la mesure des paramètres distribués est impossible (infaisable pour l'avenir, impossible dans le passé), les questions d'unicités de solution et d'incertitudes redoutables. Par ailleurs ces modèles restent sur-paramétrés et soumis à des processus de calage (d'apprentissage)

Ils sont indispensables comme "boite à outils" analytique


La recherche reste assez démunie pour affronter ce problème, ceci d'autant plus que le problème inverse, et pas seulement le problème direct, intéresse les aménageurs, ce que l'on peu traduire par :

"quels sont les paramètres à considérer, et sur lesquels agir, pour que la dynamique de fonctionnement du système considéré (bassin versant) se retrouve sur une trajectoire prévue à l'avance, et souhaitée optimale"

Un élément fondamental pour la recherche est la capacité de recueil de données/information et d'expérimentation

INFLUENCE DE L'AMENAGEMENT DE L'ESPACE SUR LES CRUES


Le problème de la mesure des paramètres environnementaux est crucial en France :

Les réseaux nationaux opérationnels sont en difficulté

La culture de la "mesure" est à réhabiliter

Les ORE sont un outil indispensableL'évaluation scientifique et technique de la métrologie environnementale est à revaloriser impérativement

CE QUI SE MESURE S'AMELIORE


ELEMENT DE COMPLEXITE SUPPLEMENTAIRE : L’HUMIDITE DANS LES SOLS

Etat de l’humidité dans les sols

Entre les deux « bosses » d’une crue


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1.8.20022.8.20023.8.20024.8.20025.8.20026.8.20027.8.20028.8.20029.8.200210.8.200211.8.200212.8.200213.8.200214.8.200215.8.200216.8.200217.8.200218.8.200219.8.2002

daily total in mm

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

max.discharge m3/sPraha

Ústí

Praha

Ústí n.L

80 mm

110 mm

Conséquences de l'humidité des sols


L'IMPACT des AMENAGEMENTS PEUT AUSSI DEVENIR MARGINAL


POUR PROGRESSER, RENVERSONS LE PROBLEME

La recherche peut aussi s'organiser pour répondre aux sollicitations opérationnelles, dans un rapport d'interactivité avec ses utilisateurs, plutôt que "descendant", du cognitif académique vers la recherche de solutions (problem solving)

L'accroissement des connaissances sur les processus élémentaires de l'Hydrologie est une nécessité, ce n'est pas la seule d'une part, et surtout ce n'est pas une condition suffisante pour traiter cette question de l'effet des aménagement sur le régime des eaux

L'élaboration de stratégies d'aménagement (suscitées) par les utilisateurs doit aussi rentrer dans le système à étudier globalement par la recherche


Le Ralentissement Dynamique


MULTI-FONCTION de L'ESPACE, CRUES et INONDATIONS

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