L'eau fait partie intégrante de la vie sur notre planète et joue un rôle important dans les études pour évaluer l'impact du changement climatique. La recherche des ressources en eau est donc très importante pour la communauté scientifique du "climat" non seulement en surveillant de près le budget régional et mondial des ressources en eau, mais aussi pour comprendre les changements dans la fréquence et l'intensité des événements météorologiques ponctuels. Cela est particulièrement vrai pour les phénomènes météorologiques extrêmes, qui ont de grands impacts socio-économiques. L'impact des tempêtes tropicales plus ou plus intenses, des méga-neiges ou des coupes de poussières est l'un des principaux domaines de la recherche climatique. Le but de mon travail de recherche est de fournir des moyens d'évaluer l'impact des changements climatiques sur les ressources en eau et de trouver des outils flexibles permettant une gestion durable de l'eau. Des études récentes ont montré que l'on peut tirer parti des ondes émises en continu par les constellations du système mondial de navigation par satellite (GNSS) pour mesurer l'humidité du sol. Cette technique de télédétection opportuniste, connue sous le nom de réflectométrie GNSS (GNSS-R), consiste à comparer l'interférence des ondes réfléchies par le sol et celles provenant directement des satellites. Dans ma thèse, je me suis concentré sur la base GNSS-R sur le rapport signal-sur-bruit (SNR) enregistré par un récepteur GNSS conventionnel avec une unique antenne pour récupérer les variations d'humidité du sol. Beaucoup d'études ont montré l'efficacité de la méthode sur les sols argileux, et j'ai démontré dans ma thèse qu'elle était tout aussi efficace sur les sols sableux à condition d'appliquer la méthode du déroulement de phase. Cette méthode que je propose a été appliquée avec succès pour déterminer les variations locales d'humidité du sol: (1) 100% du sable dans le terrain de jeu de volleyball (Toulouse, France); et (2) >85% de sable dans la zone critique sahélienne de Dahra (Sénégal). En outre, la mesure précise et continue des niveaux d'eau des rivières est un élément important de la gestion des ressources en eau, afin d'obtenir une estimation continue du débit de la rivière dans le monde. La précision de la technique GNSS-R pour l'altimétrie fluviale est son pas d'échantillonnage élevé permet de suivre les événements hydrologiques extrêmes. Deux méthodes, les moindres carrés et la technique "Larson", ont été appliquées avec succès pour déterminer les variations des hauteurs au Vietnam: (1) sur la fleuve Rouge (21 ° 2'44.04 "N, 105 ° 51'48.86" E) où les événements et changements morphologiques associés aux événements hydrologiques (tempête tropicale) en 2016; et (2) sur le delta du Mékong (9 ° 31'38.63 "N, 106 ° 12'2.01" E) où les eaux continentales interagissent avec les eaux océanique. Mon travail montre que le GNSS-R est une alternative puissante et un complément significatif aux techniques actuelles de mesure de la gestion des ressources en eau en établissant un lien entre les différentes résolutions temporelles et spatiales actuellement obtenues par les outils conventionnels (in-situ capteurs, télédétection radar, etc.). Cette technique présente le grand avantage d'être basic sur le réseau pérenne du constatation GNSS et peut donc être utilisé sur n'importe quelle station GNSS. Par conséquent, en implantant une chaîne de traitement SNR, on peut automatiquement suivre les variations des environnementaux fondamentaux, i.e. la hauteur de la rivière, la pente locale de la surface de l'eau, les zones inondées, les variations d'humidité du sol et même la hauteur de végétation. / Water is an integral part of life on our planet and it plays an important role in climatic changes. Water resources research is, therefore, very important for the climate communities to not only closely monitor the regional and global water supply budget, but to also understand changes in frequency of occurrence and strength of individual weather events. This is especially true for extreme weather events, which have great societal and economic impacts. Whether we will have more or more intense tropical storms, mega-snow events, or dust-bowls in the near or far future climate. This is one of the key focus areas of climate research. The aim of my PhD work is to provide some answers to assess the impact of future climate change threats on water resources. And we are trying to find the adaptive tools needed for sustainable water resources management. In an effort to optimize water resource management, it is crucial to improve soil moisture situation awareness. With the advent of remote sensing, soil moisture is systematically monitored at the global scale but at the expense of the temporal and/or spatial resolution. Recent studies suggested to take advantage of continuously emitted waves by the Global Navigation Satellite System (GNSS) constellations, to retrieve soil moisture. This opportunistic remote sensing technique, known as GNSS Reflectometry (GNSS-R), consists in comparing the interference of reflected waves by the ground and those which come directly from satellites. In my thesis, I focused on GNSS-R technique base on the signal-to-noise ratio (SNR) recorded by conventional GNSS receiver with single antenna to retrieve soil moisture variations. Previous studies show the efficiency of this methodology for clay soil and I demonstrate for the first time, it's efficiency for sandy soil using Unwrapping phase method. This method that I propose has been successfully applied to determine local soil moisture variations of : (1) 100% of sand in Volleyball playground (Toulouse, France); and (2) >85% of sand in the Sahelian critical zone of Dahra (Senegal). In addition, accurate and continuous measurement of river water levels is an important element in water resource management, to obtain an ongoing estimate of the river's flow around the world. The accuracy of GNSS-R technique for river altimetry is useful for detection of extreme hydrological events and to show the competition between continental and oceanic water near coastal area. The two methods, Least Square and "Larson" methods, has been successfully applied to determine local variations in Vietnam of: (1) the Red river (21°02'44.04"N, 105°51'48.86"E) to identify flood events and morphological changes associated to the hydrological events (tropical storm) in 2016; and (2) the Mekong river delta (9°31'38.63"N, 106°12'2.01"E) where continental water interacts with oceanic water. My work shows that GNSS-R is a powerful alternative and a significant complement to the current measurement techniques for managing water resource by establishing a link between the different temporal and spatial resolutions currently achieved by conventional tools (in-situ sensors, remote sensing radar, etc.). This technique has a great advantage based on already-developed and sustainable GNSS satellites networks and can be applied to any GNSS geodetic station. Therefore, by installing a processing chain of the SNR acquisitions, we are able to monitor various environmental parameters i.e. height river, local slope of water surface, flooded areas, soil moisture variations and even vegetation/plant height.

En France, au contraire de pays comme les États-Unis, la pratique de l'évaluation économique a priori des actions collectives de lutte contre les inondations est largement déficiente. Ce constat est inquiétant dans une perspective d'allocation optimale de ressources nécessairement limitées. Quand elle existe, cette évaluation n'intègre pas les préférences des populations affectées. Ce manque est à contre-courant des préconisations de la convention d'Aarhus signée par la France. Dans cette thèse, l'apport envisageable de l'évaluation contingente est explorée. Deux enquêtes ont été réalisées, sur deux terrains aux caractéristiques contrastées : sur le bassin versant de l'Yzeron (zone péri-urbaine sur un petit bassin versant aux crues rapides et aux enjeux humains forts) et au Mans (zone urbaine à la confluence de la Sarthe et de l'Huisne aux crues lentes et aux enjeux humains faibles). Inscrite dans une perspective d'évaluation a priori de différents niveaux de protection collective, la réalisation de ces enquêtes a nécessité l'élaboration d'un outil de communication permettant une description, accessible aux non-experts, des effets des scénarios contingents sur le degré d'exposition d'une collectivité aux inondations. L'analyse des enquêtes permet un certain nombre d'analyses critiques quant aux choix méthodologiques employés (impact du choix des taxes locales comme support de paiement sur le taux de refus par exemple). Elle permet également de dégager un comportement des individus interprété comme une acceptabilité du risque d'inondation au-delà d'un certain niveau de protection. Confirmée, cette conclusion aurait un impact direct sur la nécessité de pratiquer enfin une évaluation économique a priori des actions collectives de lutte contre les inondations, intégrant de surcroît explicitement les préférences des populations affectées.

Dans les métropoles du Sud, les risques sont souvent mal connus et sous-estimés ; leurs effets sont rarement tempérés par des politiques de mitigation. La côte mauritanienne au droit de Nouakchott fait partie de ces sites vulnérables qu'il appartient à l'homme de préserver. En effet, sous peine d'être rayée des cartes, la jeune capitale a dû, précocement et sans autre solution de continuité, composer avec un environnement hostile et inhospitalier. Cinquante ans plus tard, l'ensablement, les inondations, les pollutions, y sont toujours d'actualité. Si l'on a abondamment écrit sur Nouakchott et sa région, longtemps la mémoire collective semble n'en avoir gardé aucune trace. Or, les pouvoirs d'information et d'action résident précisément dans la capacité à articuler entre elles des analyses issues d'expertises différentes. À partir des témoignages recueillis et des géodonnées acquises, deux modèles conceptuels ont été formalisés. Décrivant l'environnement régional et permettant d'évaluer le niveau de danger d'un territoire compte tenu de sa vulnérabilité et de la menace d'aléas variés, ils favorisent les prises de conscience et de décision. Cette approche de capitalisation-croisement de données multi-format et multi-date, dont la plupart ont été produites dans un autre but, a conduit à l'élaboration d'un Sig opérationnel, au service du développement.

L'utilisation des moyens d'observation de la Terre et des techniques spatiales d'analyse pour modéliser, cartographier et évaluer le risque d'inondation de plaine constitue la problématique de ce travail. Appliquée aux bassins de la Moselle et de l'Elbe, la démarche est fondée sur une gestion du risque en trois phases : prévision et anticipation, gestion de crise, retour d'expérience et prévention. Dans la première, l'intégration d'informations spatialisées constitue une des applications clef de l'observation de la Terre. Au sein du bassin versant, les processus naturels sont étudiés grâce à l'imagerie radar et aux mesures in situ pour identifier des zones aux comportements hydrauliques homogènes. Une stratégie de calage des modèles de propagation de crue est proposée, prenant en compte les incertitudes de toutes les sources d'information utilisées (radar, terrain). La cartographie de l'extension de l'inondation est exploitable tant pour caler ces modèles, que pour fournir un support d'aide à la gestion de crise. L'instrument radar d'ENVISAT offre de nouvelles solutions techniques pour cette seconde phase, notamment par ses capacités multi-incidences, multi-polarisations et multi-résolutions. Mais l'imagerie spatiale, notamment optique, alimente la phase de prévention en décrivant les enjeux, au sens des biens et des personnes, et leur évolution au cours du temps. La combinaison avec une information sur l'aléa fournit une évaluation de la vulnérabilité des populations et des territoires, ainsi que du degré de prise en compte du risque dans leur aménagement.

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.

Un évènement Natech est un accident TECHnologique provoqué par l'impact d'un aléa NAturel sur une installation industrielle. Cet accident peut porter atteinte à l'extérieur de l'emprise du site, aux personnes, aux biens ou à l'environnement. L'objectif de ce travail est de mettre au point une méthodologie pour l'analyse et la prévention du risque d'accidents technologiques induits par l'inondation (Natech inondation) d'un site industriel. La méthodologie repose, dans un premier temps, sur une étude des Retours d'Expériences. Il a été identifié que les accidents Natech sont imputables à un rejet de matières dangereuses sur des équipements dits critiques endommagés directement ou indirectement par les eaux d'inondation. Les rejets de matières dangereuses vont amener à trois types d'accidents (incendie, pollution, explosion). Dans un deuxième temps, la méthode MADS-MOSAR a été adaptée à l'application aux accidents Natech inondation. L'analyse a abouti à cinq scénarios génériques d'accident Natech inondation sous forme de cinq nœuds papillons. Une soixantaine de Mesures de Maîtrise de Risque de prévention et de protection ont été identifiées. La validation de la complétude et de la plausibilité des nœuds papillons génériques est effectuée, d'une part, à l'échelle du secteur d'activité de traitement de surface et, d'autre part, à l'échelle spécifique d'établissements industriels. Ce travail a abouti à un outil de diagnostic de la vulnérabilité d'une installation industrielle aux accidents Natech inondation, accompagné d'un catalogue de MMR. Enfin, ce diagnostic a été appliqué sur un site industriel afin d'évaluer son mode opératoire et de l'enrichir par l'expérimentation.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les inondations représentent le premier danger naturel sur chaque continent, avec des préoccupations particulières centrées sur les inondations urbaines pour l'urbanisation sans précédent, qui augmente la vulnérabilité des sociétés humaines aux inondations. Pour les difficultés d'accès aux données en temps réel, la méthode numérique semble être une approche puissante pour la prévision des inondations et l'atténuation des dommages. Dans cette thèse, un nouveau logiciel Flood1D2D pour la modélisation des crues urbaines a été proposé en utilisant le maillage de couplage 1D2D, avec 1D dans la rue et 2D appliqué au carrefour. Le logiciel est conçu sur la base de l'installation située dans ICube Strasbourg et validée à l'aide de cas de tests synthétiques. La nouveauté du modèle est de rendre compte de l'effet de recirculation en utilisant la fonction de porosité, et de reproduire la convexité dans les profils de profondeur le long de la rue en aval de chaque carrefour où une zone de recirculation apparaît. Une analyse de sensibilité basée sur la variance est également réalisée pour les modèles classiques d'eau peu profonde 1D et 2D pour l'étalonnage de modèles et la collecte de données. / Flooding represents the first natural hazard on each continent, with special concerns are focused on urban flooding for the unprecedented urbanization, which increases the vulnerability of human societies to floods. For the accessing difficulties of real-time data, numerical method seems to be a powerful approach for flood forecasting and damage mitigation. In this thesis, a new software Flood1D2D for urban flood modeling has been proposed using 1D2D coupling mesh, with 1D on the street and 2D applied on the crossroad. The software is designed based on the rig located in ICube Strasbourg and validated using synthetic test cases. The novelty of the model is to account for the recirculation effect using porosity function, and it can reproduce the convexity in water depth profiles along the street downstream each crossroad where a recirculation zone appears, which can't be accounted using roughness only. Variance based sensitivity analysis is also performed for classical 1D and 2D shallow water models for model calibration and data collections.

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

Pour l'évaluation du risque inondation, l’emploi de modèles numériques 2D d’hydraulique à surface libre reposant sur la résolution des équations de Saint-Venant est courant. Ces modèles nécessitent entre autre la description de la topographie de la zone d’étude. Sur des secteurs urbains denses ou des sites industriels, cette topographie complexe peut être appréhendée de plus en plus finement via des technologies dédiées telles que le LiDAR et la photogrammétrie. Les Modèles Numériques d'Elévation Haute Résolution (HR MNE) générés à partir de ces technologies, deviennent employés dans les études d’évaluation du risque inondation. Cette thèse étudie les possibilités, les avantages et les limites, liées à l'intégration des données topographiques HR en modélisation 2D du risque inondation en milieux urbains et industriels. Des modélisations HR de scénarios d'inondation d'origines pluviale ou fluviale sont testés en utilisant des HR MNE crées à partir de données LiDAR et photo-interprétées. Des codes de calculs (Mike 21, Mike 21 FM, TELEMAC-2D, FullSWOF_2D) offrant des moyens différent d'intégration de la donnée HR et basés sur des méthodes numériques variées sont utilisés. La valeur ajoutée de l'intégration des éléments fins du sur-sol impactant les écoulements est démontrée. Des outils pour appréhender les incertitudes liées à l'emploi de ces données HR sont développés et une analyse globale de sensibilité est effectuée. Les cartes d'indices de sensibilité (Sobol) produites soulignent et quantifient l'importance des choix du modélisateur dans la variance des résultats des modèles d'inondation HR ainsi que la variabilité spatiale de l'impact des paramètres incertains testés. / High Resolution (infra-metric) topographic data, including LiDAR photo-interpreted datasets, are becoming commonly available at large range of spatial extent, such as municipality or industrial site scale. These datasets are promising for High-Resolution (HR) Digital Elevation Model (DEM) generation, allowing inclusion of fine aboveground structures that influence overland flow hydrodynamic in urban environment. DEMs are one key input data in Hydroinformatics to perform free surface hydraulic modelling using standard 2D Shallow Water Equations (SWEs) based numerical codes. Nonetheless, several categories of technical and numerical challenges arise from this type of data use with standard 2D SWEs numerical codes. Objective of this thesis is to tackle possibilities, advantages and limits of High-Resolution (HR) topographic data use within standard categories of 2D hydraulic numerical modelling tools for flood hazard assessment purpose. Concepts of HR topographic data and 2D SWE based numerical modelling are recalled. HR modelling is performed for : (i) intense runoff and (ii) river flood event using LiDAR and photo-interpreted datasets. Tests to encompass HR surface elevation data in standard modelling tools ranges from industrial site scale to a megacity district scale (Nice, France). Several standard 2D SWEs based codes are tested (Mike 21, Mike 21 FM, TELEMAC-2D, FullSWOF_2D). Tools and methods for assessing uncertainties aspects with 2D SWE based models are developed to perform a spatial Global Sensitivity Analysis related to HR topographic data use. Results show the importance of modeller choices regarding ways to integrate the HR topographic information in models.