La surverse d’une digue fluviale (levée) peut conduire au développement d’une brèche par érosion externe, suivie d’une rupture brutale de la digue. Cela provoquerait une vague de submersion dans la plaine protégée, laquelle peut présenter des enjeux humains, économiques et financiers majeurs. La gestion et la prévention du risque d’inondation passe par une détermination précise de l’aléa. Pour ce faire, il est nécessaire d’avoir une estimation fiable du débit au travers de la brèche, donc du mécanisme de formation de la brèche et de sa dynamique d’expansion. Les approches existantes sont souvent adaptées pour les digues frontales (barrage et remblai en terre) soumises aux surverses. La transposition de ces approches pour les digues fluviales demeure peu fiable. Les processus qui régissent la formation des brèches dans les digues fluviales restent donc encore du domaine de la recherche. Un programme expérimental visant à améliorer notre compréhension des processus physiques qui régissent la rupture graduelle des digues fluviales par surverse a été mené conjointement par le Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement (LNHE) de la division R&D d’EDF et le groupe de recherche Hydraulics in Environmental and Civil Engineering (HECE) de l’Université de Liège. Les travaux ont été conduits sur deux dispositifs expérimentaux distincts, chacun constitué d’un canal principal et d’une plaine d’inondation, séparés par une digue fluviale. Nous nous sommes focalisés sur les surverses localisées de digues homogènes non-cohésives. Une métrologie adaptée, incluant la mesure détaillée de l’évolution de la géométrie de la brèche en continu, par une technique non intrusive (profilométrie laser), a été développée et exploitée dans les travaux de cette thèse. Les tests, réalisés sous conditions contrôlées, ont permis d’investiguer l’évolution de la bèche et des débits sortants pour différentes conditions hydrauliques (débits d’entrée dansle canal principal, régulation du débit sortant en aval du canal principal, confinement de la plaine inondable). Les effets des dimensions du canal principal, de la taille des sédiments et de la cohésion apparente ou encore de la mobilité des fonds au pied de la digue ont fait également l’objet d’étude. En exploitant les mesures, l’évolution des écoulements au voisinage de la brèche a été simulée avec le code de calcul bidimensionnel TELEMAC-2D, permettant d’évaluer les performances de ce code pour des cas d’écoulements, en rupture de digue fluviale, hautement transitoires et complexes. Le couplage avec le code morpho dynamique 2-D SISYPHE a permis d’apprécier l’apport d’une modélisation hydro-morpho dynamique détaillée à l’étude des brèches dans les digues fluviales / Overtopping of fluvial dikes (dykes or embankment levees) can promote external erosion, leading to the initiation of breaching and potentially brutal dike failure and inundation of the protected area. This can generate major human, economic, and financial losses. Flood risk management and prevention require precise hazard quantification. Accurate estimate of the flow through the breach is paramount, for which a precise understanding of the breach formation and expansion is required. Existing methods are often the result of investigations conducted on overtopping of frontal dikes (embankment dams). The application of such approaches to fluvial dikes is not reliable and processes underpinning breach expansion are still under research. An innovative experimental program was conducted to fill this gap by investigating the physical processes involved in overtopping induced fluvial dike gradual breaching. Experiments were conducted in the framework of collaboration between the National Laboratory for Hydraulics and Environment (LNHE) of the R&D division of EDF and the research team Hydraulics in Environmental and Civil Engineering (HECE) of University of Liège. Experiments were conducted on two distinct experimental setups, each consisting of a main channel and floodplain area separated by an erodible fluvial dike. The focus was made on overtopping induced spatial erosion of homogenous, non-cohesive dikes. Measurements included continuous scanning of the dike geometry using a non-intrusive method (Laser Profilometry Technique), which was designed and developed specifically for the present works. Tests conducted under controlled flow and dike configurations allowed assessing the effects of channel inflow discharge, downstream channel regulation system, and floodplain confinement on the breach development and outflow. Effects of main channel size, dike material size, apparent cohesion, and bottom erodibility were studied as well. Using the experimental data, the flow features near the breach area was simulated using the two-dimensional depth-averaged hydrodynamic code TELEMAC-2D, which allowed assessing the performance of the code for highly transient and complex flows such as involved in dike breaching. Coupling TELEMAC-2D with the morphodynamic model SISYPHE enabled investigating the interest of a detailed hydro-morphodynamic modeling for fluvial dike breaching studies

Ce travail porte sur la morphodynamique d'un banc de galets en rivière de montagne aménagée, l'Arc (Maurienne, France). L'analyse s'appuie sur des observations de terrain détaillées menées lors de trois chasses de dégravage et d'une crue naturelle. Des méthodes de suivi innovantes ont été exploitées et améliorées (LS-PIV et analyse de photographies aériennes). A partir des observations expérimentales, une description du transfert des matières en suspension dans le cours d'eau est proposée pour les chasses. Les modifications morphologiques du banc de galets sont interprétées sur les quatre épisodes de débit important, mais aussi sur les périodes inter-événements. Au cours du temps, un renforcement du banc est observé, malgré les effets d'érosion/dépôt antagonistes des événements, crue ou chasse, et des érosions marquées de chenaux de jonction transversaux à la surface du banc. Les dépôts de sédiments fins à la surface du banc ont été évalués. D'autre part, des modélisations numériques bidimensionnelles avec le code Rubar20TS ont été<br />utilisées pour modéliser les écoulements hydro-sédimentaires pour une chasse et une crue naturelle. Les modifications morphologiques calculées pour une chasse sont qualitativement proches de celles observées.

Il s'agit de concevoir et de réaliser une chaîne d'outils pour évaluer des projets de réaménagement de gravières en eau en milieu alluvionnaire qui soit en accord avec les dispositifs prévus par le législateur. Ce dernier est particulièrement sensible aux impacts de la future gravière sur les écoulements d'eau souterrains et superficiels ainsi que sur la modification des paysages. Une réhabilitation réussie des sites après exploitation repose aujourd'hui sur les principes, désormais bien connus, de réaménagement intégré des gravières. Les modèles hydrauliques et hydrodynamiques, couplés à une base de données géographiques de type S.I.G., simulent la réponse de l'aquifère à l'aménagement, mettant ainsi en évidence les paramètres clés à prendre en compte. Les paramètres paysagers, issus de l'écologie du paysage, sont déterminés en utilisant les propriétés topologiques et géométriques des objets. La valeur générale d'une telle composition d'outils nécessite de recourir à une analyse multicritère pour décomposer le système complexe étudié. Il s'agit d'organiser et de hiérarchiser ces critères en tenant compte de leurs relations essentielles. La contribution de chaque critère y est appréciée au moyen d'une pondération effectuée, eu égard à l'impossibilité d'en acquérir une mesure « mathématiquement » précise, au moyen d'une démarche d'expertise contrôlée par une évaluation de la cohérence. Ainsi constituée, cette arborescence sert de support pour évaluer l'adéquation entre la vocation future du plan d'eau telle qu'elle est envisagée par l'aménageur et les potentialités « écologiques » réelles du milieu. Le site d'application se localise en bordure du fleuve Loire, au coeur de la plaine du Forez ( 42-France). Sur ce territoire, deux gestionnaires principaux sont impliqués : d'une part un exploitant de granulats qui a délaissé le lit mineur du fleuve pour le lit majeur, et, d'autre part une association de protection de la nature qui a réhabilité les plans d'eau laissés après exploitation, en s'appuyant sur le savoir-faire de l'exploitant.

Dans l'étude du ruissellement et de l'érosion à l'échelle des bassins versants, la résistance hydraulique à l'écoulement d'une surface est évaluée par l'intermédiaire d'un coefficient de frottement. Nous avons à notre disposition de nombreuses expressions de ces coefficients issues de tout aussi nombreuses études expérimentales ou théoriques.<br />Cependant, la plupart de ces coefficients ont été établis sous l'hypothèse implicite de micro rugosité. C'est-à-dire que la lame d'eau est considérée suffisamment importante pour que l'influence des aspérités de la surface sur l'écoulement se borne à leur effet sur la friction. La diversité des tailles des rugosités sur les surfaces naturelles, fait qu'une telle hypothèse est rarement vérifiée.<br /><br /> Dans ce travail, nous proposons de considérer une séquence de réseaux hydrauliques fonctions du degré d'inondation de la surface. En nous appuyant sur ces réseaux, nous présentons des modèles hydrauliques afin de déterminer le coefficient de frottement de la surface en fonction du taux d'inondation. Les modélisateurs ayant besoin d'associer un coefficient de frottement à un type de surface, nous avons voulu généraliser nos résultats en appliquant notre démarche à des surfaces aléatoires de mêmes caractéristiques statistiques que la surface originale. Ce faisant, nous avons mis en évidence l'influence de la répartition spatiale des rugosités.<br />Si nous n'avons pas pu valider expérimentalement notre modèle numérique en raison du peu de résultats pour les faibles taux d'inondation, nous avons mis en évidence que la transition entre les régimes d'inondation partielle et marginale se traduit par une brusque augmentation de la croissance des débits.

Avec le développement des mesures de pluie à hautes résolutions spatiales et temporelles , l’utilisation de modèles hydrométéorologiques distribués est désormais envisagée pour anticiper les phénomènes de crue soudaine sur les petits bassins versants non jaugés. Toutefois les approches développées jusqu’ici se sont généralement concentrées sur l’évaluation des phénomènes hydrologiques, laissant de côté la question de leurs impacts, qui dépendent fortement de la configuration du terrain et des enjeux qui y sont présents. Ce travail de thèse a permis de développer et tester une méthode d’évaluation directe de ces impacts à partir des sorties d’un modèle pluie-débit sur un territoire limité. La démarche mise en oeuvre repose sur un travail préalable d’analyse du territoire permettant d’une part d’évaluer les emprises submergées dans une large gamme de débits par une approche hydraulique simplifiée, puis de construire des relations univoques débit-enjeux pour chaque bief de cours d’eau. Ces relations permettent de produire des cartes d‘enjeux potentiellement touchés ,pouvant être actualisées régulièrement en cours d’événement. Deux études des cas ont permis de réaliser une première évaluation des performances de cette approche, du point de vue de la qualité d’estimation des emprises inondées, et du point de vue des impacts estimés à l’échelle d’un événement grâce à la comparaison avec des données d’assurance. Finalement, ces travaux ont permis de confirmer le potentiel de la méthode, dont les performances semblent en adéquation avec l’objectif visé : obtenir rapidement une première hiérarchisation des impacts occasionnés par les crues soudaines à l’échelle d’un grand territoire. / With the development of rainfall measurements at highspatial and temporal resolutions, the use of distributed hydrometeorological models is now considered to forecast flash floods on small and ungauged catchment areas. Current flashflood monitoring systems generally enable a real-time assessment of the potential flash-flood magnitudes. However they do not assess the potential impacts of flash-flood, which highly depends on the catchment areas configuration and on the importance of potentially affected assets. The purpose of this PhD research work was to develop and test a method which can be used to directly estimate the impacts of flash-floods, based on the outputs of a distributed rainfall-run off model. The approach is based on a prior analysis of the study area in order to assess the potential impact of different discharge levels on the flooded areas and to identify from geography database the associated buildings at risk. The aim is to build impact models on specific river reaches, using discharge versus impact graphs. The use of these impact models combined with a rainfall-run off model, has enabled us to compute maps of potential impacts, based on real time assessment of flood events updated every 15 minutes. This method was evaluated on two case studies looking at the accuracy and relevance of estimated impacts for each event – and comparing the outcomes to insurance losses data. This research work has helped to confirm the efficiency of this new combined method, which may become a useful tool to forecast large-scale effects of local impacts of flash-floods.

L'objectif de ce travail consiste à produire des représentations territoriales validées et complémentaires pour faciliter un processus de négociation dans le cadre de projets territoriaux locaux multi-acteurs dans le domaine de l'eau. La méthodologie multidisciplinaire mise en oeuvre permet d'appréhender un territoire en tant qu'entité pluridimensionnelle biophysique, afin de faciliter la gestion équilibrée d'un patrimoine écologique et anthropique. En d'autres termes, permettre une négociation plus écologique et une conservation plus humaine d'un bien commun environnemental, l'eau, en combinant étude des écosystèmes et de sociosystèmes.<br /><br />La négociation territoriale nécessite de considérer de manière attentive des acteurs faibles, des acteurs absents et des valeurs morales pour une décision à la fois respectueuse des hommes et des écosystèmes. La méthodologie proposée est testée sur un site d'application situé dans la Plaine du Forez (Loire, France), secteur rural et agricole en bordure du fleuve Loire, où cohabitent un industriel du granulat et une association de protection de la nature. Ce site, qui a subi de nombreuses modifications et altérations d'origine anthropique (exploitation de granulats, agriculture intensive, endiguement du fleuve, barrage hydroélectrique), fut aussi pionnier en matière d'aménagement à vocation écologique d'anciennes gravières.<br /><br />L'application proposée se focalise sur la nappe phréatique de la zone et aborde le territoire en 3 dimensions. Une dimension physique prise en charge par un modèle mathématique aux différences finies d'écoulement souterrain. Une dimension biologique qui combine analyses physico-chimiques et indicateurs biologiques (invertébrés souterrains et macrophytes des gravières). Une dimension humaine qui est explorée à l'aide d'un modèle d'inspiration sociologique appelé l'acteur en 4 dimensions. Les résultats de ces 3 études spécifiques permettent d'une part d'améliorer la connaissance de la ressource en eau du territoire, notamment l'aquifère, et d'autre part d'obtenir des représentations territoriales validées et complémentaires (cartes issues de SIG). Il s'agit d'améliorer et de compléter les représentations physiques du territoire à l'aide des représentations biologiques et réciproquement. L'étude sociologique permet de connaître les représentations territoriales les plus adaptées en fonction des acteurs. Au final, ces représentations, une fois converties en argumentaires spatiaux adaptés, sont mobilisables en tant qu'outils d'aide à la négociation/médiation territoriales, par exemple, pour le choix du site d'implantation et l'aménagement d'une gravière en milieu alluvial.<br /><br />Au final, ce travail a permis de mettre en oeuvre une plate-forme pédagogique informatisée qui permet de tester l'argumentation spatiale et de simuler un processus de négociation en incluant jeu de rôles (acteurs, médiateurs), outils d'aide à la négociation/médiation et représentations territoriales. La négociation simulée vise à choisir l'emplacement et le mode de réhabilitation/réaffectation d'une gravière en milieu alluvial selon un processus participatif. La simulation propose ainsi un partage des connaissances acquises dans ce travail, ainsi qu'un déroulement permettant aux apprenants (joueurs) de se familiariser avec des outils d'aide à la négociation et les processus de négociations multi-acteurs. Cette simulation a permis de tester les argumentaires spatiaux développés dans le cadre de ce travail.

Les modèles hydrauliques sont couramment utilisés pour l'aménagement des rivières et la prévention des dommages liés aux inondations. Ces modèles calculent les hauteurs d'eau et débits sur un tronçon de rivière à partir de sa géométrie et des conditions aux limites du système: débit à l'amont du tronçon, débits d'apports latéraux provenant du bassin intermédiaire et hauteurs d'eau à l'aval. Lorsque le tronçon est long, les apports latéraux deviennent conséquents tout en demeurant rarement mesurés car provenant d'affluents secondaires. L'évaluation de ces apports constitue alors une étape essentielle dans la simulation des crues sous peine de fortes sous ou surestimations des variables hydrauliques. Cette thèse a pour objectif principal d'identifier une méthode de complexité minimale permettant de reconstituer ces apports. Nos travaux s'appuient sur un échantillon de 50 tronçons de rivière situés en France et aux Etats-Unis sur lesquels les apports latéraux ont été estimés à l'aide d'un modèle hydrologique semi-distribué connecté avec un modèle hydraulique simplifié. Une méthode automatisée de découpage du bassin intermédiaire en sous-bassins a d'abord été élaborée afin de faciliter la construction du modèle hydrologique sur les 50 tronçons de rivière. Des tests de sensibilité ont été menés sur le nombre de sous-bassins, la nature uniforme ou distribuée des entrées de pluie et des paramètres du modèle hydrologique. Une configuration à 4 sous-bassins présentant des pluies et des paramètres uniformes s'est avérée la plus performante sur l'ensemble de l'échantillon. Enfin, une méthode alternative de calcul des apports latéraux a été proposée utilisant une transposition du débit mesuré à l'amont et une combinaison avec le modèle hydrologique.

Ce travail vise à étendre les méthodes d'analyse d'images satellitaires de crues au-delà de la détection des limites d'inondation afin d'estimer des niveaux d'eau distribués dans l'espace et d'aider la modélisation hydraulique.Inspirée des travaux de Raclot (2003) sur photographies aériennes qui fournissent des incertitudes moyennes de ±20cm, la méthode d'estimation des niveaux d'eau utilise des images satellitaires RADAR de crue et un MNT fin. Elle repose sur 1) une phase de télédétection pour cartographier l'inondation et analyser la pertinence de ses limites pour l'estimation des niveaux d'eau, 2) une phase d'analyse spatiale dans laquelle les niveaux d'eau sont estimés par croisement entre les limites pertinentes et un MNT fin, puis contraints par le schéma de circulation des eaux. Les estimations de niveaux d'eau obtenues ont une incertitude moyenne de ±38cm pour une image RADARSAT-1 d'une crue de la Moselle (France, 1997). Des travaux de validation ont permis de calculer une RMSE de l'ordre de 13cm pour une image ENVISAT de l'Alzette (Luxembourg, 2003).Pour aider la modélisation hydraulique, la démarche proposée vise à réduire le phénomène d'équifinalité grâce aux images satellitaires. Pour cela, un calage "traditionnel" à partir d'hydrogrammes observés est complété par la comparaison entre résultats du modèle et surfaces inondées ou niveaux d'eau extraits des images. Pour cerner les incertitudes du calage, des simulations Monte-Carlo ont été mises en place. En perspective, la prévision de l'évolution d'une crue après acquisition d'une image devrait bénéficier de modèles mieux contraints grâce à l'utilisation des images comme condition initiale ou donnée de calage.

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.

L'importance des enjeux liés à la qualité et à la connaissance de l'eau souterraine nécessite de caractériser le fonctionnement des nappes d’eaux souterraines. En hydrogéologie, les méthodes qui permettent de réaliser le modèle conceptuel d’un aquifère reposent généralement sur l’observation et la caractérisation du milieu, à partir notamment de la mise en place de forages et la réalisation de pompages d’essai. Cependant, ces méthodes présentent des limites pour caractériser la variabilité spatiale des aquifères hétérogènes. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au développement d’approches expérimentales qui utilisent des informations issues de traçage thermique ou salin pour la caractérisation des paramètres hydrauliques des milieux hétérogènes poreux. Ce choix expérimental a été justifié 1) par les difficultés de prise en compte des hétérogénéités hydrauliques dans les milieux poreux naturels et 2) pour une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu en situation contrôlée. Dans les travaux réalisés, nous avons tout d’abord proposé d’utiliser des mesures thermiques ponctuelles, puis obtenues dans l'infrarouge thermique pour estimer les paramètres hydrauliques en milieux poreux hétérogènes. Cependant, les méthodes de traçage thermiques étant limitées dans les zones faiblement perméables, nous avons fait évoluer notre approche en la combinant avec une méthode géophysique (Potentiel Spontané). Cette méthode, sensible aux écoulements des fluides et aux processus thermoélectrique et électrochimique, nous a permis de collecter des données temporelles intéressantes pour surveiller des variations thermiques ou saline provoquées dans les milieux. Les mesures obtenues ont été par la suite utilisées dans des algorithmes d’inversion pour estimer les distributions spatiales des propriétés hydrauliques. Les résultats obtenus nous ont permis de montrer l’efficacité de ces approches pour la caractérisation des milieux hétérogènes et par conséquent pour la modélisation des écoulements des fluides dans ces milieux. / The importance of issues related to the quality of groundwater requires characterizing the operation of groundwater aquifers. Hydrogeological methods used to carry out conceptual model of an aquifer are generally based on the observation and characterization of the medium, by using boreholes and carrying out of pumping test operations. However, these methods present some limitations in characterizing the spatial variability of heterogeneous aquifers. In this thesis, we develop experimental approaches that use information from thermal or saline tracing for the characterization of hydraulic parameters in heterogeneous porous media. The choice of using experimental approaches was justified 1) by difficulties of taking into account hydraulic heterogeneities in natural porous media and 2) for a better understanding of the phenomena involved in a controlled situation. In this work, we first proposed the use of punctual thermal measurements, then measurements obtained by using thermal infrared to estimate hydraulic parameters in heterogeneous porous media. However, as thermal tracing methods are limited in low permeability areas, we improved our approach by combining it with a geophysical method (Spontaneous Potential). This method, sensitive to fluid flows and thermoelectric and electrochemical processes, has allowed us to collect interesting temporal data to monitor thermal or saline variations in the media. The measurements obtained were then used in inversion algorithms to estimate the spatial distributions of hydraulic properties. The results obtained allowed to demonstrate the effectiveness of these approaches for the characterization of heterogeneous media and consequently for the modelling of fluid flows.