Thèse de doctorat : sciences. Mécanique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. 110 réf.

Th.--Math.--Toulouse--I.N.P., 1978. N°: 35.

Dans les dernières années, un grand nombre d’inondations ont touché le Québec et ont eu des effets tant sur les populations que sur l’environnement bâti. Certaines populations sont d’ailleurs plus vulnérables aux impacts d’une inondation que d’autres. Pour évaluer cette vulnérabilité, deux dimensions peuvent être analysées, soit la sensibilité et la capacité à faire face. La capacité à faire face constitue souvent le maillon faible dans le processus d’évaluation de la vulnérabilité, en particulier lorsqu’on souhaite évaluer cette vulnérabilité sur un vaste territoire pour une échelle relativement fine. Parmi le nombre limité d’indicateurs disponibles de la capacité à faire face, la majorité concerne des indicateurs d’accessibilité et de proximité à des services. Ce manque de connaissances théoriques et pratiques sur la capacité à faire face rend l’analyse de la vulnérabilité incomplète étant donné qu’une population peut réduire sa vulnérabilité en améliorant sa capacité à faire face. Ainsi, ce mémoire vise à diversifier et proposer de possibles indicateurs de la capacité à faire face de la population québécoise aux inondations afin d’améliorer l’évaluation de la vulnérabilité de ces populations. Dans le but d’identifier ces indicateurs, une revue de littérature ainsi qu’un sondage auprès de professionnels du domaine de la sécurité incendie, des mesures d’urgence, de l’aménagement du territoire et autres s’appuyant sur la méthode de la cartographie conceptuelle ont été réalisés. À terme, les résultats du sondage ont permis d’identifier les indicateurs qui semblent déterminants pour la capacité à faire face aux inondations. Parmi ceux-ci, on retrouve la proportion d’espaces verts, le taux de possession automobile, la mise en place d’un plan de mesures d’urgence et d’un système d’alerte, la désignation d’un coordonnateur en mesures d’urgence, etc. Nos recherches ont toutefois démontré que certaines données nécessaires à l’élaboration de ces indicateurs sont indisponibles, inexistantes ou confidentielles. Ce mémoire met ainsi en évidence la pertinence d’approfondir la réflexion à ce sujet et de diversifier les indicateurs de la capacité à faire face aux inondations.

Ce projet de recherche a pour but d’identifier une méthode d’assimilation automatique de données qui pourrait être utilisée dans le cadre de la prévision opérationnelle de crues. Le filtre de Kalman d’ensemble (EnKF) et l’assimilation variationnelle ont ainsi été comparés en premier lieu en utilisant le modèle GR4Jneige. Les résultats ont montré que l’EnKF fournit la meilleure performance pour tous les horizons de prévision lorsque comparé à différentes implantations de la méthode variationnelle. La performance de la méthode variationnelle varie toutefois d’un bassin à un autre. Les prévisions hydrologiques déterministes émises à partir de l’EnKF produisent une performance supérieure au scénario sans assimilation, ce qui n’est pas toujours le cas pour la méthode variationnelle. L’assimilation naïve des sorties ne donne pas des bons résultats au-delà du second jour de prévision. L’EnKF a par la suite été mis en œuvre avec un modèle hydrologique semi-distribué (Hydrotel) afin d’améliorer les conditions initiales de la prévision hydrologique d’ensemble (PHE). La vérification de la qualité des PHE sur le bassin versant au Saumon, pour la période exempte de l’influence de la neige, a révélé une amélioration considérable de la performance et de la fiabilité par rapport aux résultats sans assimilation. L’assimilation manuelle fournit une performance similaire à l’EnKF, mais est beaucoup moins fiable que cette dernière. Les 1000 membres de la PHE générée par EnKF peuvent se réduire jusqu’à 50 sans perte de fiabilité ou de performance. De bons résultats ont aussi été obtenus pour la période d’accumulation et de fonte de la neige, notamment par mise à jour de l’équivalent en eau de la neige en plus des variables identifiées précédemment : la teneur en eau du sol et l’écoulement terrestre. Différents produits canadiens de prévision météorologique d’ensemble (PME) ont finalement été comparés pour évaluer l’impact de leur résolution spatiale sur la qualité de la PHE – ils ont aussi été comparés à des produits déterministes. Les résultats ont montré que la PME mène à une meilleure performance que les produits déterministes. Les PME globale et régionale partagent la même performance, par contre le produit régional s’est révélé plus fiable et a une meilleure capacité à caractériser l’incertitude de la prévision. / The aim of this research project is to identify an automatic data assimilation method that could be used in an operational flood forecasting context. The Ensemble Kalman Filter (EnKF) and the variational assimilation method were first compared on the GR4Jsnow model. Results showed that the EnKF provides the best performance for all forecast horizons when compared to various implementations of the variational method. The performance of the variational method varied from one watershed to another. The deterministic hydrological forecasts issued from the EnKF generate better performance than forecasts without assimilation, which is not always the case for the variational method. The naïve output assimilation is not recommended for forecasts beyond a 2-day horizon. The EnKF was next implemented on a semi-distributed hydrological model (Hydrotel) to improve the initial conditions of the hydrological ensemble predictions (HEP), for the snow-free flows on the au Saumon watershed. The verification of the quality of the HEP showed a considerable improvement in both performance and reliabilty in comparison to the results of model without assimilation. Manual assimilation provides performance similar to the EnKF, but with much less reliability. The 1000-member HEP obtained from the EnKF can be reduced up to 50 members without any loss of reliability or performance. Similar results were obtained for snow accumulation and melt periods, especially when updating the snow water equivalent in addition to the state variables previously identified for the snow-free flows, namely the soil water content and the land flow. Different Canadian meteorological ensemble prediction systems (EPS) were also compared to assess the impact of spatial resolution of these systems on the quality of the HEP – they were also compared to deterministic products. The results showed that EPS are superior to the deterministic products. Global and regional EPS share the same performance, in contrast the regional product that turned out more reliable and characterize the uncertainty of the forecast.

Au Québec, chaque année, les inondations printanières présentent un défi majeur pour les autorités québécoises. Ainsi, l'élaboration de nouveaux outils et de nouvelles méthodes pour diffuser et visualiser des données massives spatiotemporelles 3D dynamiques d'inondation est très important afin de mieux comprendre et gérer les risques reliés aux inondations. Cette recherche s'intéresse à la diffusion de données géospatiales massives 3D (modèles de bâtiments 3D, arbres, modèles numériques d'élévation de terrain (MNE), données LiDAR, imageries aériennes, etc.) en relation avec les inondations. Le problème est qu'il n'existe pas, à travers la littérature, des systèmes de diffusion efficaces des données massives 3D adaptées aux besoins de cette recherche. En ce sens, notre objectif général consiste à développer un outil de diffusion des données géospatiales massives 3D qui sont des bâtiments 3D et des modèles de terrains de haute résolution à l'échelle de la province du Québec. Les défis de diffusion du flux de données massives, nous ramènent à considérer la technique de tuilage 3D pour convertir les données brutes en formats et structures vectoriels plus légers et adaptés à la diffusion comme la spécification "3D Tiles" pour tuiler les bâtiments 3D, les nuages de points LiDAR et d'autres modèles géoréférencés 3D et le maillage irrégulier, notamment les TIN, pour tuiler les modèles numériques de terrain. Aussi, l'utilisation des techniques de traitement parallèle permet de gérer efficacement les flux massifs de données et d'améliorer le temps de traitement permettant ainsi la scalabilité et la flexibilité des systèmes existants. A cet effet, deux pipelines de tuilage ont été développés. Le premier pipeline concerne la création des tuiles de bâtiments 3D selon la spécification "3D Tiles". Le deuxième est pour créer des tuiles de terrain basées sur des maillages irréguliers. Ces pipelines sont ensuite intégrés dans un système de traitement distribué basé sur des conteneurs Docker afin de paralléliser les processus de traitements. Afin de tester l'efficacité et la validité du système développé, nous avons testé ce système sur un jeux de données massif d'environ 2.5 millions bâtiments 3D situés au Québec. Ces expérimentations ont permis de valider et de mesurer l'efficacité du système proposé par rapport à sa capacité de se mettre à l'échelle (Scalabilité) pour prendre en charge, efficacement, les flux massifs de données 3D. Ces expérimentations ont aussi permis de mettre en place des démarches d'optimisation permettant une meilleure performance dans la production et la diffusion des tuiles 3D. / Every year, floods present a major challenge for Quebec authorities. Thus, the development of new tools and methods to disseminate and visualize massive 3D dynamic flood data is very important to better understand and manage flood-related risks. This research focuses on the streaming of massive 3D geospatial data (3D building models, trees, digital elevation models (DEM), LiDAR data, aerial imagery, etc.) related to flooding. The problem is that there is no efficient streaming systems in the literature for massive 3D data adapted to the needs of this research. In this sense, our general objective is to develop a tool for the streaming of massive 3D geospatial data which are 3D buildings and high-resolution terrain models at the scale of the province of Quebec. The challenges of streaming massive data lead us to adopt the 3D tiling technique to convert raw data into lighter vector formats and structures suitable for streaming such as the "3D Tiles" specification to tile 3D buildings, LiDAR point clouds and other 3D georeferenced models and irregular meshes, including TIN, to tile digital terrain models. Also, the use of parallel processing techniques allows efficient management of massive data flows and improve processing time allowing the scalability and the flexibility of existing systems. For this purpose, two tiling pipelines have been developed. The first pipeline is for creating 3D building tiles according to the "3D Tiles" specification. The second is for creating terrain tiles based on irregular meshes. These pipelines are then integrated into a distributed processing system based on Docker containers in order to parallelize the treatment processes. To test the efficiency and validity of the developed system, we tested this system on a massive dataset of about 2.5 million 3D buildings located in Quebec. These experiments allowed us to validate and measure the efficiency of the proposed system to be scalable in order to efficiently handle massive 3D data flows. These experiments also allowed to set up optimization approaches allowing a better performance in the production and the streaming of 3D tiles.

Les travaux de recherche menés par les scientifiques du monde entier exposent de plus en plus les menaces liées aux impacts de la dégradation de l'environnement. Par contre, ils ne semblent pas être en mesure de provoquer des changements dans l'élaboration et la mise en oeuvre de politiques environnementales par les États. Ceux-ci continuent plutôt de privilégier leur développement économique à court et moyen termes. Face à ces constats, l'objectif de ce mémoire consiste à vérifier l'hypothèse selon laquelle les catastrophes naturelles, en faisant prendre conscience aux États des impacts de la dégradation environnementale, stimulent des réponses en faveur de la protection de l'environnement. Pour ce faire, nous procéderons à une étude de cas comparative des différentes mesures mises en place dans le secteur forestier en Thaïlande, victime de graves inondations récurrentes liées à la déforestation, et en Malaysia, moins affectée par ce type de catastrophe.

Située dans le centre-Sud du Viêt-Nam, la ville portuaire de Quy-Nhon est le chef-lieu de la province de Binh-Dinh. Celle-ci se développe rapidement depuis la fin de la guerre de libération (1975). L’expansion urbaine transforme l’occupation du sol dans le delta du fleuve Ha Thanh. Le régime hydrologique de ce petit fleuve côtier est encore mal connu. Toutefois, il est susceptible de connaître de dangereuses crues rapides au moment du passage récurrent des typhons. Tandis que l’urbanisation de son delta multiplie les enjeux localisés dans la plaine inondable, cette thèse entend remplir un besoin de connaissance de l’aléa inondation et de la vulnérabilité sociale dans ce delta afin de contribuer à une meilleure gestion des risques. Pour cela, une évaluation environnementale et géomatique est conduite en vue de qualifier le rythme des crues et de leur propagation d’une part et de spatialiser les risques d’autre part. Cette thèse fait le point aussi sur les manipulations de l’environnement du fleuve et de son bassin versant qui sont susceptibles de modifier son comportement hydrologique. / Located in South-Central Vietnam, the port city of Quynhon is the capital city of the Binhdinh province. The city undergoes a rapid expansion since the end of the Vietnam war (1975). Urban spread changes land use patterns in the Ha Thanh river delta. The Ha Thanh river hydrologic regime has not been thoroughly studied so far. However, it is susceptible to flash flood during the frequent typhoon events. Because urban development multiplies exposed buildings within the floodplain, the present dissertation aims at providing a better knowledge of flood hazard and vulnerability in the delta for better risk management. For this purpose, an environmental and geomatic assessment is conducted to identify flood speed and expanse on the one hand, and draw a hazard exposure map on the other hand. This dissertation also analyses the environmental manipulations of the river and its watershed that impact its hydrological regime.

Dans un contexte où l'action publique de prévention est en pleine évolution, la profession de l'assurance a chargé son groupement technique, la Mission des sociétés d'assurances pour la connaissance et la prévention des risques naturels, d'une étude sur la contribution des Plans de Prévention des Risques Naturels (PPRN) à la réduction de la vulnérabilité collective et individuelle. Cette thèse présente la démarche évaluative mise en œuvre et s'interroge sur sa contribution au changement de l'action publique de prévention. La démarche présentée et étudiée se positionne du point de vue de l'assurance et vise à répondre aux besoins des assureurs. Elle repose sur une méthode d'évaluation de la pertinence de la couverture des PPRN Inondations automatisée et reproductible au niveau national, complétée par des études de cas qui élargissent la réflexion à d'autres instruments de l'action publique de prévention et à d'autres dimensions de l'évaluation (pertinence et efficacité). L'étude de sa contribution au changement de l'action publique de prévention s'appuie sur une analyse des " interactions d'acteurs contextualisées " menée dans le cadre d'une observation participante. Cette grille de lecture permet de mettre en évidence la fenêtre d'opportunité qui se présente aux assureurs et les stratégies mises en œuvre pour en tirer partie. Les effets observés sur l'action publique de prévention sont indirects. La démarche évaluative renforce le positionnement des assureurs qui sont en mesure d'intégrer de nouvelles connaissances dans leurs interactions avec les assurés d'une part et les pouvoirs publics d'autre part, et ainsi de participer à l'orientation du changement en cours.

En dépit de son importance pour les écosystèmes aquatiques, l’origine et les mécanismes de production du carbone organique dissous (COD) sont toujours sujets à discussion. Cette thèse vise à mieux comprendre le rôle joué par l’hydrologie tant sur les mécanismes de production et la location des sources du COD que sur les flux et les processus de transfert du sol vers les cours d’eau. Un suivi haute fréquence des eaux du sol et de rivière a été réalisé sur la totalité d’un cycle hydrologique dans le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan, Observatoire de Recherche en Environnement (ORE) AgrHys). Le COD contenu dans ces eaux a été caractérisé par sa composition isotopique en carbone (δ13C), et ce suivi a été complété par l’analyse de la dynamique de la nappe. L’analyse des variations saisonnières de concentration et de composition du COD révèle l’existence d’un relais dans les sources et les mécanismes de production du COD dans les sols des zones de fond de vallée en phase avec les changements de régime hydrologique du bassin. Ainsi, lors de la période automnale de remontée de la nappe, le compartiment COD présente un caractère faiblement aromatique et une composition isotopique particulière, suggérant une origine microbienne. Ce réservoir de très faible taille (5% du flux annuel de COD exporté par le cours d’eau) est entièrement épuisé par les premières crues d’automne. La mise en charge de la nappe en versant conduit à la mobilisation d’un second réservoir de COD caractérisé par une aromaticité élevée et une signature isotopique proche de celle de la matière organique des sols. Ce compartiment correspond au fond humique « ancien » des sols et présente une taille nettement plus important que le premier (90% du flux annuel). Cependant ce compartiment ne se limite pas au COD produit dans sols des zones de bas-fond mais comprend aussi des apports de matières organiques issues des sols de bas de versant. Enfin, le rabattement de la nappe au milieu du printemps marque le début de la période d’assèchement du bassin versant et le retour dans les sols de bas-fond d’un COD faiblement aromatique et isotopiquement similaire à celui observé en automne. En conséquence, la teneur et la composition du COD véhiculé par le cours d’eau varient fortement à l’échelle saisonnière (variabilité temporelle des processus de production du COD). Les horizons superficiels des sols des zones de bas-fond sont la principale source de COD, par lesquels transitent entre 60 et 80% du flux de COD exporté lors des événements de crues. Concernant le réservoir humique, un résultat important est qu’il semble limité dans les sols de bas de versant, alors qu’il semble au contraire illimité dans les sols de bas fond. Au final, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse démontrent le contrôle majeur de la dynamique de la nappe sur les mécanismes de production de COD par le sol ainsi que sur la localisation spatiale et les flux de COD transférés de ces sols vers les cours d’eau à l’échelle de la saison. Ils valident également l’hypothèse émise selon laquelle l’exportation du COD par les cours d’eau ne résulterait pas d’un simple « flushing » du COD produit dans les sols de bas-fond mais mobiliserait plutôt un ensemble de sources localisées le long du continuum rivière-zone de bas-fond-zone de versant, et dont le caractère plus moins limité du réservoir expliquerait les dynamiques des concentrations en COD annuelles observées à l’exutoire de ces bassins. Un autre résultat majeur de cette thèse est la qualification des isotopes comme outil de traçage des sources et de la dynamique du COD dans les bassins versants. Un point clé de ce travail est la différenciation isotopiques des réservoirs COD des sols de bas-fond et des sols de bas de versant, qui a permis pour la première fois de révéler la participation de l'un et de l’autre au flux exporté à l’exutoire et d’estimer quantitativement leur contribution respective à ce même flux. / Despite its importance to aquatic ecosystems, origin and production mechanisms of dissolved organic carbon (DOC) are still subject to discussion. This thesis aims to better understand the role of hydrology in controlling both DOC production in soils and export by stream waters. High frequency monitoring of soils and streams waters was carried out during an entire hydrological cycle in the Kervidy-Naizin catchment (Morbihan). The DOC was characterized by its stable carbon isotopic composition, and groundwater table dynamic was also analyzed during the same period. The analysis of seasonal variations in both DOC concentration and composition reveals a succession in the sources and mechanisms of production of DOC in soils of valley bottom in line with changes in the hydrological regime of the basin. Thus, during the autumn period of rising water-table, the COD compartment has a low aromatic character and a particular isotopic composition, suggesting a microbial origin. This reservoir of very small size (5% of the annual flux of DOC exported by the stream) is fully exhausted by the first autumn storm events. The increase of water-table in the upland domain leads to the mobilization of a second DOC pool characterized by a high aromaticity and a isotopic signature similar to those of soil organic matter. This compartment corresponds to "old" humic fraction of the soil and has a size much larger than the first (90% of annual flux). However, this compartment includes contributions of DOC from riparian soils and also upland soils. Finally, the water-table drawdown in the middle of spring marks the beginning of the drying period of the catchment and the return to the soil of the “fresh” DOC pool. As a result, concentration and composition of DOC transported by the stream vary greatly across a seasonal scale (temporal variability of production processes DOC). The surface horizons of soils riparian soils are the main source of DOC, which handle between 60 and 80% of stream DOC flux during flood events. An important result is that the DOC pool seems limited in upland soils, while its seems no-limited in riparian soils. Finally, the results obtained in this thesis demonstrate the major control of the dynamics of the water-table on the mechanisms of production of DOC from the soil as well as the spatial location of DOC sources and DOC flux transferred from the soil to stream through the hydrological cycle. They also validate the hypothesis that DOC export by rivers mobilizes rather a set of sources located along the upland-riparian-stream continuum. Another major result of this thesis is the validation of stable carbon isotopes as a tool for tracing sources and dynamics of DOC in the catchment.

Située dans le centre-Sud du Viêt-Nam, la ville portuaire de Quy-Nhon est le chef-lieu de la province de Binh-Dinh. Celle-ci se développe rapidement depuis la fin de la guerre de libération (1975). L’expansion urbaine transforme l’occupation du sol dans le delta du fleuve Ha Thanh. Le régime hydrologique de ce petit fleuve côtier est encore mal connu. Toutefois, il est susceptible de connaître de dangereuses crues rapides au moment du passage récurrent des typhons. Tandis que l’urbanisation de son delta multiplie les enjeux localisés dans la plaine inondable, cette thèse entend remplir un besoin de connaissance de l’aléa inondation et de la vulnérabilité sociale dans ce delta afin de contribuer à une meilleure gestion des risques. Pour cela, une évaluation environnementale et géomatique est conduite en vue de qualifier le rythme des crues et de leur propagation d’une part et de spatialiser les risques d’autre part. Cette thèse fait le point aussi sur les manipulations de l’environnement du fleuve et de son bassin versant qui sont susceptibles de modifier son comportement hydrologique. / Located in South-Central Vietnam, the port city of Quynhon is the capital city of the Binhdinh province. The city undergoes a rapid expansion since the end of the Vietnam war (1975). Urban spread changes land use patterns in the Ha Thanh river delta. The Ha Thanh river hydrologic regime has not been thoroughly studied so far. However, it is susceptible to flash flood during the frequent typhoon events. Because urban development multiplies exposed buildings within the floodplain, the present dissertation aims at providing a better knowledge of flood hazard and vulnerability in the delta for better risk management. For this purpose, an environmental and geomatic assessment is conducted to identify flood speed and expanse on the one hand, and draw a hazard exposure map on the other hand. This dissertation also analyses the environmental manipulations of the river and its watershed that impact its hydrological regime.