The research presented in this Thesis aims at defining the strengths and weaknesses of an Improved 1D/1D model when compared with a more accurate 1D/2D model. Although both coupled-models (sewer/surface) solve the St.\ Venant equations in both layers, the latter uses a higher approximation (2D two-dimensional) on the surface layer. Consequently, the 1D/1D model is computationally more efficient when compared to the 1D/2D model, however there is some compromise with the overall accuracy. The hypothesis is that "The inundation extent of urban flooding can be reproduced by 1D/1D models in good agreement with the 1D/2D models if the results are kept within certain limits of resolution and under certain conditions". The Thesis starts by investigating ways of improving an existing 1D/1D model to rival the more accurate 1D/2D model. Parts of the 1D/1D model code are changed and new algorithms and routines implemented. An innovative GIS tool translates the 1D output-results into 2D flood-inundation-maps enabling a thorough comparison between the two models. The methodology assures the set-up of two equivalent models, which includes a novel algorithm for calibrating the 1D/1D model vs.\ the 1D/2D model results. Developments are tested in two distinctly different case studies of areas prone to flooding. The conclusion is that the 1D/1D model is able to simulate flooding in good agreement with the 1D/2D model; however, it is found that features such as topography, density of the urbanised areas and rainfall distribution may affect the agreement between both models. The work presented herein is a step forward in understanding the modelling capabilities of the analysed coupled-models, and to some extent may be extrapolated to other models. Research is growing in urban flooding and this work may well prove to be a strong foundation basis for future research.

Le but de cette thèse est d'étudier la modélisation détaillée des écoulements qui ont lieu lors des inondations urbaines. Dans une première partie, des écoulements en bifurcation incluant des petits obstacles génériques ou des profils de canaux avec trottoirs sont étudiés sur une maquette expérimentale, puis simulés numériquement avec le modèle bidimensionnel Rubar20. Les résultats expérimentaux et numériques montrent l'avantage d'inclure des obstacles de petite taille dans un modèle d'inondation urbaine, alors qu'il n'y a qu'un intérêt limité à utiliser une topographie détaillée des rues. Dans une deuxième partie, les interactions entre écoulements de surface et écoulements en conduites souterraines sont étudiées. Un modèle physique de système de drainage urbain permet de valider un modèle analytique prédisant les débits d'échange entre les deux couches d'écoulement. Une modélisation 1D/2D (conduite/rue) est mise en place avec les modèles Rubar3/Rubar20 et validée sur des écoulements expérimentaux observés sur le modèle physique. Dans une troisième partie, les inondations dans la ville d'Oullins (près de Lyon, France) sont étudiées. La modélisation des écoulements de surface est validée avec des données de terrain, et nous discutons l'intérêt de plusieurs représentations du milieu urbain. L'intégration du réseau d'assainissement dans un modèle 1D/2D reste affectée par plusieurs incertitudes, mais cette étape montre l'intérêt de la modélisation couplée pour décrire les interactions complexes des écoulements lors d'inondations urbaines, ainsi que les limites de l'approche développée pour les écoulements à faible profondeur / Aim of this thesis is to study the detailed modelling of flows that occur during urban floods. In a first part, bifurcation flows including small obstacles or channel profiles with sidewalks are studied on an experimental facility, and then numerically simulated with the two dimensional model Rubar20. Experimental and numerical results show the benefits of including small obstacles in an urban flood model, whereas there is only little benefit of using a detailed representation of the streets topography. In a second part, interactions between surface and underground pipe flows are studied. A physical model of an urban drainage system allows the validation of an analytical model predicting exchange discharges between both flow layers. A 1D/2D modelling (pipe/street) is set up with the models Rubar3/Rubar20 and validated on experimental flows observed on the physical model. In a third part, floods in the city of Oullins (near Lyon, France) are studied. Surface flows modelling is validated with field data, and we discuss the interest of several representations of the urban area. Integration of the sewer system in a 1D/2D model remains impacted by several uncertainties, yet this step shows the interest of the coupled modelling to describe complex flows interactions during urban floods, as well as limitations of the developed approach for shallow flows

Les contours théoriques en hydrologie, hydraulique et les outils de calcul correspondants sont largement développés et utilisés dans le monde. Cependant en parallèle, des problématiques importantes surviennent pendant les crises sans pouvoir être résolues et des solutions développées peinent à être implémentées. En plus, le changement climatique ne va pas faciliter les choses. Pour noircir le tableau, les moyens économiques locaux en France ne vont pas augmenter pour aider les communes à s’attaquer au problème. L’objectif de cette thèse est de conduire une investigation des moyens à disposition pour améliorer notre connaissance locale des concepts en lien avec le pluvial pour permettre une modélisation efficiente. La méthodologie proposée est composée de trois étapes évolutives incluant : 1. Une analyse approfondie des données topographiques locales ; 2. L’évaluation des interactions entre les écoulements de surface et le souterrain ; 3.Une approche intégrée permettant de modéliser les inondations générées par la pluie en zone urbanisée. Les résultats de l’étape 1 montrent que la donnée topographique est essentielle pour la définition des chemins d’écoulement et impactent significativement les résultats de modélisation hydrauliques. Ceci conduit à l’étape 2 lors de laquelle on observe que les débordements provenant du réseau souterrain contribuent à l’inondation mais seulement en partie. Les volumes d’inondations générés par le ruissellement de surface devraient être inclus dans les modèles d’inondation. L’étape 3 présente une configuration possible de modèle intégré permettant de mieux représenter les processus réels en jeu. / Theoretical background about hydrology, hydraulics and computational tools and methods are widely developed and worldwide used. In the same time however, important issues during flood crisis are not solved and practical solutions take time to be implemented. On top of that, ongoing climatic change will not make things easier and intense events will increase in frequency. To worsen the picture, local economic means in France will not increase to help municipalities and local communities to tackle the issue. The objective of this thesis is to investigate on the available ways to improve our local knowledge of stormwater related concepts to allow an efficient modelling. The proposed methodology consists in a three-step-approach including: 1. A thorough analysis of local topography data; 2. The assessment of sewer-surface interactions; 3. An integrated approach to model pluvial flood in urban areas. The results of Step 1 show that topography data is essential in flow path definition and significantly impacts hydraulic modelling results. This leads to Step 2 where it is seen that sewer overflow is one aspect of urban flood issues but represents only part of flood sources. Overland flow generated by runoff should be included in flood models. Then Step 3 presents that integrated urban pluvial modelling is possible with existing tools and can represent the real processes better. This proposed modelling approach should not be disconnected from the reality of stormwater management practical aspects and current constraints. It is shown how complementary actions can be taken to enrich local knowledge and memory thus allowing a more efficient and wiser modelling process.