Cette thèse aide à approfondir les connaissances sur les différentes sources d’incertitude dans l’évaluation économique du risque inondation. Elle explore plusieurs disciplines afin d’analyser l’impact des stratégies utilisées pour modéliser l’aléa inondation et la vulnérabilité d’un territoire, sur l’évaluation des dommages potentiels. On a mesuré la variabilité des estimations en fonction des bases de données, modèles, méthodes et échelles considérés pour : analyser la probabilité des inondations (hydrologie) ; modéliser et cartographier l’aléa inondation (hydraulique) ; caractériser la vulnérabilité des enjeux et leur susceptibilité à subir des dommages (génie civil, géographie et économie de l’environnement). Les analyses et méthodes développées devront appuyer la prise en compte d’incertitudes, la détermination de priorités et l’optimisation de la distribution des ressources entre les différents modules de l’évaluation. Afin d’explorer un degré de complexité supplémentaire d’analyse de risque, nous avons développé une méthode d’analyse de la vulnérabilité systémique des réseaux d’infrastructure en lien avec leur résilience. / This thesis aims at exploring different sources of uncertainty related to the economic analysis of the flood risk. It embraces several fields of knowledge in order to determine how the selection of strategies used to model flood hazard and assess the vulnerability of a territory may affect damage potential estimations. We measured the variability of damage estimations as a function of the datasets, methods, models and scales considered to: analyse the probability of floods (hydrology); model and map flood hazard (hydraulics); assess the vulnerability and susceptibility of properties to floods (civil engineering, geography and environmental economics). The methods and analyses developed here should bring support for practitioners in the investigation of uncertainties, determination of evaluation priorities and optimisation of the distribution of resources between the different modules of the evaluation process. In order to explore a second level of complexity of flood risk evaluations, we developed a method for analysing the systemic vulnerability of infrastructure networks, in relation with their resilience.

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Ce travail de recherche vise à optimiser la procédure opérationnelle des centrales hydroélectriques en cascade afin de les utiliser efficacement pour la production d’électricité et l’irrigation. Le défi consistait à trouver le modèle le plus réaliste basé sur la caractéristique stochastique des ressources en eau, sur la demande en énergie et sur le profil d'irrigation. Tous ces aspects sont affectés à court et à long terme par un large éventail de conditions différentes (hydrologique, météorologique et hydraulique). Au cours de ce projet, une étude bibliographique a été réalisée afin d'identifier les problèmes techniques qui empêchent l'utilisation efficace des centrales hydroélectriques dans les pays en développement. Le système est modélisé numériquement en tenant compte de toutes les variables et paramètres impliqués dans le fonctionnement optimal. L'approche la plus appropriée est choisie afin de maximiser l'utilisation efficace de l'eau et de minimiser les pertes économiques, où différents scénarios sont simulés afin de valider les solutions adoptées. / This research work aims to optimize the operational procedure of cascade hydro plants in order to be efficiently used for power generation and irrigation. The challenge was to find the most realistic model based on the stochastic feature of water resources, on the power demand and on the irrigation profile. All these aspects are affected on the short and on the long run by a wide range of different conditions (hydrological, meteorological and hydraulic). During this project a bibliographic study was done in order to identify the technical issues that prevent the efficient use of hydro plants in developing countries. The system is numerically modelled taking into consideration all the variables and parameters involved in the optimal operation. The most appropriate approach is chosen in order to maximize the efficient use of water and to minimize economical losses, where different scenarios are simulated in order to validate the adopted suggestions.

En vue des divers facteurs pesant sur le choix, développement d'un modèle dont la fonction-objectif est le coût de construction ; optimisation par programmation dynamique d'un système d'équations, prenant le trace et les débits comme données, résoluble sur microordinateur (IBM-PC), en rapport aux réglementations techniques en vigueur. 4 chapitres: - chap. 1 : méthodologie du choix des matériaux constitutifs des réseaux - chap. 2 : étude hydraulique des canalisations - chap. 3 : contrôle de stabilité des tuyaux enterrés - chap. 4 : caractéristiques fonctionnelles du modèle général.

Nous analysons dans cette thèse différents aspects associés à la modélisation des écoulements à surface libre en eaux peu profondes (Shallow Water). Nous étudions tout d’abord le système d’équations de Saint-Venant à deux dimensions et leur résolution par la méthode numérique des volumes finis, en portant une attention particulière sur les aspects hyperboliques et conservatifs. Ces schémas permettent de traiter les équilibres stationnaires, les interfaces sec/mouillé et aussi de modéliser des écoulements subcritique, transcritique et supercritique. Nous présentons ensuite la théorie de la méthode d’assimilation variationnelle de données adaptée à ce type d’écoulement. Son application au travers des études de sensibilité est longuement discutée dans le cadre de l'hydraulique à surface libre. Après cette partie à caractère théorique, la partie tests commence par une qualification de l’ensemble des méthodes numériques qui sont implémentées dans le code DassFlow, développé à l’Université de Toulouse, principalement à l’IMT mais aussi à l’IMFT. Ce code résout les équations Shallow Water par une méthode de volumes finis et est validé par comparaison avec les solutions analytiques pour des cas tests classiques. Ces mêmes résultats sont comparés avec un autre code d’hydraulique à surface libre aux éléments finis en deux dimensions, Telemac 2D. Une particularité notable du code DassFlow est de permettre l’assimilation variationnelle de données grâce au code adjoint permettant le calcul du gradient de la fonction coût. Ce code adjoint a été obtenu en utilisant l'outil de différentiation automatique Tapenade (Inria). Nous testons ensuite sur un cas réel, hydrauliquement complexe, différentes qualités de Modèles Numériques de Terrain (MNT) et de bathymétrie du lit d’une rivière. Ces informations proviennent soit d’une base de données classique type IGN, soit d’informations LIDAR à très haute résolution. La comparaison des influences respectives de la bathymétrie, du maillage et du type de code utilisé, sur la dynamique d’inondation est menée très finement. Enfin nous réalisons des études cartographiques de sensibilité aux paramètres du modèle sur DassFlow. Ces cartes montrent l’influence respective des différents paramètres ou de la localisation des points de mesure virtuels. Cette localisation optimale de ces points est nécessaire pour une future assimilation de données efficiente. / We analyze in this thesis various aspects associated with the modeling of free surface flows in shallow water approximation. We first study the system of Saint-Venant equations in two dimensions and its resolution with the numerical finite volumes method, focusing in particular on aspects hyperbolic and conservative. These schemes can process stationary equilibria, wetdry interfaces and model subcritical, transcritical and supercritical flows. After, we present the variational data assimilation method theory fitted to this kind of flow. Its application through sensitivity studies is fully discussed in the context of free surface water. After this theoretical part, we test the qualification of numerical methods implemented in the code Dassflow, developed at the University of Toulouse, mainly at l'IMT, but also at IMFT. This code solves the Shallow Water equations by finite volume method and is validated by comparison with analytical solutions for standard test cases. These results are compared with another hydraulic free surface flow code using finite elements in two dimensions: Telemac2D. A significant feature of the Dassflow code is to allow variational data assimilation using the adjoint method for calculating the cost function gradient. The adjoint code was obtained using the automatic differentiation tool Tapenade (INRIA). Then, the test is carried on a real hydraulically complex case using different qualities of Digital Elevation Models (DEM) and bathymetry of the river bed. This information are provided by either a conventional database types IGN or a very high resolution LIDAR information. The comparison of the respective influences of bathymetry, mesh size, kind of code used on the dynamics of flooding is very finely explored. Finally we perform sensitivity mapping studies on parameters of the Dassflow model. These maps show the respective influence of different parameters and of the location of virtual measurement points. This optimal location of these points is necessary for an efficient data assimilation in the future.

Depuis plusieurs décennies, une importante activité scientifique se concentre sur la description numérique, théorique ou expérimentale de l'hydrodynamique des écoulements multiphasiques. Ces écoulements sont caractérisés par l'existence d'interfaces, et d'une force à l'interface, la tension superficielle, séparant généralement deux fluides non miscibles. Un cas d'étude dans ce contexte est le problème du drainage d'une unique goutte dans une phase continue, l'ensemble étant soumis à la gravité. Ce système fait apparaître des écoulements récemment décrits pour une goutte d'eau dans l'huile de paraffine. Ce système constitue également un modèle simple pour l'étude des propriétés aux interfaces, Mais d'un point de vue numérique, se pose alors le problème de la stabilité des algorithmes pouvant être utilisés. Les effets aux interfaces impliquent en effet des domaines spatiaux très limités dans lesquels les grandeurs physiques entre les deux fluides sont discontinues. D'importants artéfacts numériques peuvent alors être générés dans les simulations et faire perdre la richesse de la physico-chimie du système considéré. Le problème de la simulation d'écoulements multiphasiques intéresse aussi bien le monde académique que le monde industriel. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'implémenter les techniques numériques les plus récentes et de développer un code pour permettre la simulation de l'hydrodynamique de systèmes dispersés. Pour parvenir à ce but, il reste encore des problèmes algorithmiques importants à résoudre comme la prise en compte des effets thermocapillaires et thermosolutaux. Ces deux derniers points sont l'objet de cette thèse. / For several decades, an important scientific activity has focused on the numerical, theoretical and experimental hydrodynamics of drops. This work presents numerical results of a single droplet in the gravity field and in non-isothermal conditions. The simulation such a multiphase system is important in both academic and industrial world. This is particularly the case in the field of emulsions, wetting problems and evaporation. To achieve this goal, there are still important algorithmic problems due to the free moving interfaces and the description of capillary effects. Here, a Volume of Fluid technique has been implemented with high order temporal and spatial schemes to preserve the sharpness of the drop interface. The system under consideration is a simplified model consisting in a single water droplet in a continuous paraffin oil phase. These liquids are immiscible and non-compressible and the overall evolution is unsteady. Capillary contributions such as temperature and surfactant dependent surface tension are fully accounted for. This presentation is aimed to show the capabilities of VOF techniques for the simulations of unsteady multiphase systems in non-isothermal configurations. The role of the droplet initial position and temperature field is described with good numerical stability. There are still important problems remaining in the simulation of free interface systems with such a technique. Spurious currents induced by the description of capillarity can in particular come into play. But these latter can be controlled once the droplet average velocity due to drainage becomes large enough.

Les bassins versants du pourtour méditerranéen français sont touchés par des pluies parfois intenses et à fort cumuls, qui peuvent engendrer des crues à cinétique rapide. Les derniers exemples majeurs en date sont ceux de l’Aude en 1999, du Gard en 2002 et du Var en 2010, dont les conséquences furent dramatiques. Ces travaux de thèse visent à évaluer une approche de modélisation complémentaire aux outils dont disposent déjà les Services de Prévision des Crues pour la prévision des crues à cinétique rapide : le couplage de modèles hydrologique et hydraulique, qui est a priori adapté pour la modélisation à l’échelle des grands bassins méditerranéens, de superficies supérieures à 1 000 km² (Ardèche, Cèze, Gardon, Vidourle…). Des éléments de réponses aux 4 questions suivantes sont recherchés : 1) le couplage est-il adapté pour la modélisation des débits atteints lors d’évènements passés, d’importance intermédiaire ? 2) le couplage est-il performant pour la modélisation des débits, cotes atteintes, et extension d’inondation, observés lors d’un épisode majeur? 3) comment envisager d’améliorer la modélisation des apports latéraux non-jaugés au modèle hydraulique, tout en adoptant une démarche adaptée à la prévision ? 4) le couplage est-il performant en prévision ? Le couplage employé combine le modèle hydrologique SCS-LR de la plateforme ATHYS (Bouvier et al., 2004), et le code de modélisation hydraulique 1D MASCARET (EDF-CETMEF, 2011). Il est appliqué au bassin versant du Gardon (2 040 km²), dans le sud de la France. / The French catchments around the Mediterranean Sea are affected by intense rains, which can cause fast and flash floods. The last major events are the one of the Aude river in 1999, of the Gard area in 2002, and of the Var area in 2010, whose consequences were tragic. This PhD intends to assess a modeling strategy complementary to the tools that are already used by the regional flood warning services: the coupling of hydrologic and hydraulic models, which is a priori well-adapted for the modelling of catchments of large-scale areas (larger than 1 000 km²) around the Mediterranean Sea (such as the ones of the Ardèche river, the Cèze river, the Vidourle river, the Gardon river…). The works aim at bringing elements of responses to the following questions: 1) is the coupling adapted to the modelling of floods hydrographs of past events of moderate importance? 2) in case of an extreme event (like in September 2002), is the coupling effective for the modelling of discharges, of water levels, and of flood extension? 3) how can we improve the modelling of ungauged lateral inflows to the hydraulic model, while applying a method adapted to forecasting? 4) Is the coupling efficient at forecasting? The coupling used combines the SCS-LR hydrologic model of the ATHYS platform (Bouvier et al., 2004), and the MASCARET 1D hydraulic model (EDF-CETMEF, 2011). It is applied to the Gardon river basin (2 040 km²), in the South of France.

Doctorat en philosophie et lettres / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail concerne l'étude thermohydraulique d'un écoulement d'hélium superfluide diphasique en conduite horizontale, comparable à celui mis en œuvre dans le refroidissement des aimants supraconducteurs du LHC au Cern. On montre que pour des vitesses de vapeur de quelques 3 à 4 m.s\mun, la phase liquide initialement stratifiée subit une atomisation qui se traduit par la présence d'un brouillard de gouttelettes transporté par la phase vapeur. Ceci a pu être montré en hélium superfluide comme en hélium normal sans différence majeure sur l'atomisation. Grâce à différents instruments et dispositifs de visualisation, plusieurs corrélations ont pu être mesurées entre la fraction de gouttelettes entraînées et la capacité frigorifique de l'écoulement diphasique, et ceci en fonction de paramètres expérimentaux comme le niveau liquide, la vitesse de la vapeur, ou encore sa densité.

PILOTE est un système qui reproduit des décisions d'experts dans la définition de stratégies de pompage. Pour cela, le système combine à la fois des modèles mathématiques et des jeux d'heuristiques. Les modèles comprennent des procédures statistiques de prévisions horaires de consommation et un module de simulation hydraulique. Les heuristiques sont basées sur des facteurs en relation avec la quantité et la qualité de l'eau, et les coûts de pompage et de maintenance. Une évaluation du système a indiqué que les procédures de prévision fonctionnaient bien, mais que le modèle de simulation surestimait de façon conséquente les volumes élevés. Les heuristiques utilisées dans le programme représentent bien les régies utilisées par les experts, excepté pour le classement des stratégies alternatives de pompage. L'évaluation a aussi défini les priorités de développement pour un passage vers un système opérationnel.