Les variations du niveau marin lors des grandes tempêtes affectent le littoral en provoquant de sévères inondations. L'objectif de cette thèse est d'apporter, grâce à la modélisation numérique (chaîne TELEMAC), une meilleure compréhension des phénomènes d'interaction entre surcote / marée / houle / vent dans la génération et la propagation des surcotes et des raz de marée dans les Pertuis Charentais, qui, grâce à une ligne de côte complexe et des faibles profondeurs, représentent un grand intérêt pour ce type d'étude. Dans cette thèse, nous avons démontré que la prise en compte de ces interactions est indispensable pour un modèle qui prétend à une prédiction précise des surcotes dans les Pertuis Charentais.

Pour caractériser le risque de submersion marine, il est très important d'avoir une connaissance précise des lois de distribution des niveaux d'eau marins, et plus particulièrement des niveaux d'eau extrêmes. En effet ce sont eux qui sont à l'origine des conséquences les plus dramatiques. Le programme de recherche mené au cours de cette thèse a été financé par le Ministère de l'Écologie, du Développement Durable et de l'Énergie. L'objectif final est de fournir des valeurs de référence de niveau d'eau marin le long des côtes françaises, par le biais d'une méthode d'analyse statistique des extrêmes. Ces niveaux comprennent les trois composantes suivantes : la marée, la surcote météorologique et le wave set-up. Le principe de base utilisé est le suivant : une analyse statistique est effectuée aux ports où la donnée marégraphique est disponible, puis le résultat est interpolé entre les ports. Différentes approches sont testées. Les points suivants sont en particulier étudiés :- la dépendance marée surcote, avec deux différents types de dépendance, une dépendance temporelle et une dépendance en amplitude ;- la méthode d'interpolation, avec la comparaison d'une analyse site-par-site (ASS) avec une analyse régionale (RFA), et celle d'interpolations 1D et 2D ;- l'estimation du wave set-up, basée sur l'état de l'art des formules paramétriques ;- la dépendance surcote vagues, avec des lois bi-variées de valeurs extrêmes. Le résultat final se présente sous la forme de deux profils de niveau d'eau de période de retour 100 ans : le premier sans l'action des vagues (marée et surcote météorologique) et le deuxième avec l'action des vagues. Les valeurs les plus élevées sont atteintes, pour le littoral de la Mer du Nord, la Manche et l'Atlantique, en Baie du Mont-Saint-Michel (à cause des conditions de marée), et pour le littoral méditerranéen au niveau de Marseille. L'analyse montre que la modélisation de la dépendance temporelle marée surcote n'influe pas significativement sur les estimations des valeurs extrêmes. Par contre la modélisation de la dépendance en amplitude donne des résultats intéressants pour certains ports. En comparaison avec l'ASS, la RFA tend à lisser les résultats. Les estimations issues de la RFA sont supérieures pour le littoral méditerranéen, et équivalentes pour le littoral de Mer du Nord, Manche et Atlantique. La RFA serait recommandée pour l'estimation des niveaux de retour en dehors du domaine de validité de l'ASS.À cause du petit nombre de sites d'observation, il est préféré une interpolation 1D le long du trait de côte lissé. Le wave set-up est calculé par la formule de Dean et Walton [2009].La dépendance surcote vagues est moyenne le long du littoral méditerranéen. Le facteur de dépendance montre des variations plus importantes le long du littoral de Mer du Nord, Manche et Atlantique, avec un maximum observé en Baie de Seine et des minima en Baie de Mont-Saint-Michel et au niveau de Calais. Des suggestions sont faites pour améliorer les méthodologies développées et appliquées dans le cadre d'un futur travail / Accurate knowledge of the statistical distribution of extreme sea levels is of the utmost importance for the characterization of flood risks in coastal areas, with a particular interest devoted to extreme water levels because they may induce the most dramatic consequences. Research was funded by the French Ministry of Ecology, Sustainable Development and Energy to identify the risk of flooding from the sea in France. The aim is to provide values on design levels along the French coasts by a statistical method of extreme value analysis. These levels must include the effect of the three following components: tide, meteorological surge and wave set-up. The principle is as follows: an analysis is carried out at the harbours, where seal level observations are available, then the result is interpolated between the harbours. Different approaches are tested. In particularly, the following specific items are studied:- the tide surge dependence, with two different types of dependence: a temporal dependence and an amplitude dependence;- the interpolation method: with the comparison of a site-by-site analysis (SSA) with a Regional Frequency Analysis (RFA), and a 1-D with a 2-D interpolation;- the estimation of the wave set-up, based on the state of art of parametric formula;- the surge wave dependence, with the bivariate laws of extreme values. The final result is two profiles of the 100-year water level: one for the still water level (tide and meteorological surge), and the other for the sea level with the wave set-up. The highest sea levels are located, for the English Channel and Atlantic coasts at the Saint-Michel-bay (because of the tide), and for the Mediterranean coast around Marseille. The analysis shows that the temporal tide surge dependence has no effect on the estimation of the sea level extreme values. In contrast, the model of the amplitude tide surge dependence shows some interesting results for few harbours. In comparison with the SSA, the RFA tends to smooth the result. RFA estimates are higher along the Mediterranean coast, and similarly along the English Channel and Atlantic coasts. RFA would be recommended for estimating return levels out of the SSA validity domain. Because of the small number of observation sites, a 1-D interpolation, along a smoothed coastline, is preferred. The wave set-up is calculated with the formula of Dean and Walton [2009].The surge wave dependence is medium along the Mediterranean coast. Variations of the dependence factor are more important along the English Channel and the Atlantic coasts, with a maximum at the bay of the Seine and some minima at the bay of Saint-Michel and Calais. Some ideas are provided to perform the methodology for further work

À partir d'une approche basée sur l'étude d'évènements de submersion passés et d'épisodes observés durant ce travail, l'objectif de cette thèse était de mieux comprendre les processus atmosphériques, météo-marins et hydro-sédimentaires qui interviennent lors des submersions marines sur les côtes bretonnes. Dans un premier temps, tous les épisodes de submersions marines qui ont eu lieu depuis 1960 en Bretagne sont recensés puis analysés à une échelle régionale afin de cibler les situations atmosphériques considérées comme " à risque ". L'analyse des conditions synoptiques durant ces épisodes passés montre que la position du centre dépressionnaire et le gradient de pression au moment des pleines mers, jouent un rôle essentiel dans la localisation des secteurs submergés. Le gradient de pression s'avère être l'élément fondamental car il détermine l'ensemble des paramètres qui rentrent en compte dans l'élévation exceptionnelle du niveau d'eau à la côte. L'analyse de l'évolution de ces situations atmosphériques depuis les cinquante dernières années indique une augmentation des situations à fort gradient de pression de sud-ouest et une baisse des épisodes de nord-ouest et de nord-est. Dans un deuxième temps, l'étude des processus météo-marins à l'échelle locale indique que depuis 1960, 95 % des submersions ont été générées par la combinaison d'une marée à fort coefficient, d'une surcote (générée par une faible pression atmosphérique et l'action de vents d'afflux) et d'une forte agitation marine. En Bretagne, le passage de fronts froids actifs n'intervient que dans 30 % des cas de submersion mais peut jouer un rôle sur certains sites. L'étude du phénomène de runup à partir de mesures in situ sur deux plages du Finistère apporte un certain nombre de réponses aux questions relatives à ce phénomène jusqu'alors peu étudié. En milieu macrotidal et mégatidal, l'emploi de la pente de la zone intertidale avec les formules issues de la littérature sous-estime vraisemblablement les valeurs de runup. L'utilisation de la pente de la portion mobile prévaut. Dans un troisième temps, la question du risque de submersion marine a été abordé à travers une démarche de recherche appliquée. Une méthode de prévision multi-scalaire des situations à risque en Bretagne et une méthode de cartographie du risque de submersion sont élaborées.

Les submersions marines d’origine météorologique sont des catastrophes naturelles majeures, responsables chaque année de milliers de morts et de milliards d’euros de dégâts. La partie centrale du Golfe de Gascogne est un territoire particulièrement vulnérable à cet aléa, comme nous l’a rappelé la forte submersion engendrée par la tempête Xynthia en 2010. L’objectif de ce travail est d’améliorer la compréhension des surcotes et des submersions marines dans cette zone de France dans une approche pluridisciplinaire mêlant la géomorphologie, l’océanographie et l’analyse d’archives historiques. Afin de juger du caractère exceptionnel de Xynthia, une recherche de l’ensemble des submersions marines qui ont affecté la région d’étude depuis 500 ans a été menée. La modélisation numérique des surcotes des 5 tempêtes engendrant des submersions au 20ème siècle, révélées par ces recherches, montre que des conditions météo-marines variées ont induit des niveaux d’eau et des submersions comparables à ceux provoqués par Xynthia. Ce constat est en désaccord avec les estimations de périodes de retour de niveau marin extrêmes basées sur l’analyse statistique de mesures marégraphiques et met en avant l’apport de l’approche historique dans de telles problématiques. Devant la forte vulnérabilité des Pertuis Charentais aux submersions marines, la modélisation statique de la submersion marine, méthode simple mais néanmoins fréquemment utilisée pour estimer l’extension des zones inondées, a été évaluée. Cette méthode fournit de bonnes estimations de l’extension de l’inondation dans les zones de faibles altitudes caractérisées par une faible distance entre le trait de côte et la limite continentale de la zone inondable, mais mauvaises lorsque cette distance est grande. En effet, lorsque l’inondation se propage loin du trait de côte, la dynamique de l’écoulement ne peut plus être négligée sur ces grandes distances. Afin d’anticiper de futures submersions, deux configurations des digues ont été testées par modélisation numérique au travers de l’exemple de l’estuaire de la Charente. Les hauteurs d’eau et l’inondation de Xynthia sont simulées en augmentant la hauteur des digues de l’estuaire, empêchant toute inondation des zones basses adjacentes ; puis en abaissant les digues bordant l’estuaire au niveau des plus hautes marées astronomiques et en créant une seconde rangée de digues protégeant les zones habitées. Cette seconde configuration permet l’inondation des zones non habitées mais empêche l’inondation des zones à enjeux importants, comme la ville de Rochefort. Il est montré que la rehausse de l’ensemble des digues entraîne des niveaux d’eau supérieurs de 1.2 m à Rochefort par rapport à la simulation sans modification de digues, alors que l’abaissement de celles-ci et la protection des zones à forts enjeux ne modifient pas la hauteur d’eau dans l’estuaire. Ainsi, la rehausse des digues côtières n’est pas une solution systématique car la protection contre l’inondation de toutes les zones côtières peut augmenter la vulnérabilité des zones à forts enjeux. / Storm-induced coastal flooding are major natural disasters, responsible for thousands of deaths and billions of euros of damages each year. The central part of the Bay of Biscay is vulnerable to this hazard, as recently shown by the strong flooding induced by Xynthia in 2010. This study aims to improve the understanding of storm surges and coastal floods in this area of France, using several methods such as numerical or static modeling. To assess the uniqueness of Xynthia, historical researches of coastal floods affecting the study area for 500 years was conducted. Numerical modeling of the storm surges related to 5 storms of the 20th century revealed by these researches shows that various meteo-oceanic settings induced water levels and coastal floods comparable to those caused by Xynthia. This finding challenges return periods estimations of extreme sea levels based on statistical analysis of tide gauges measurements and highlights the contribution of the historical approach to such issues. Given the high vulnerability on coastal floods of Pertuis Charentais, static modeling, a simple but frequently used method to estimate the extension of flooded areas is evaluated. This analysis shows that this method provides good estimations of flood extents in low-lying areas characterized by a small distance between the shoreline and the continental limits of the lower area, but bad estimations when this distance is large. These poor performances when floods spread away from the coastline are explained by the dynamics of the flow, which can no longer be ignored. Two coastal defenses strategies are investigated in the Charente-river Estuary by numerical modeling. Water levels and coastal floods induced by Xynthia are simulated with increased dikes height, preventing flooding of adjacent low-lying areas, and then with dikes lowered to highest high spring tide height and with a second rank of dikes preventing flooding of important issues areas, such as the town of Rochefort. It is shown that raising dikes leads to higher levels of 1.2 m in Rochefort compared to the simulation without changing dikes, while protecting issues do not affect the water level in the estuary. Thus, it is demonstrated that the systematic raising of dikes is not a solution because it can increase the vulnerability of important issues areas.