Kreis, Nicolas (2004) Mountainous river flood medelling for integrated flood risk management. Application to the Thur river (France). PhD thesis Sciences de l'Eau, ENGREF.

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Abstract

The traditional flood management fails to protect people from floods and threatens the functionality of alluvial ecosystems. Flood risk management should be projected at a large scale and integrate the natural functionality of rivers. New engineering tools should be developed to build a decision support system. We propose an operational methodology to improve flood risk management applied to mountainous rivers.
Flood risk diagnostic highlights the needs for protection and the ecosystems which should be restored. A foresight simulation of natural flooding restoration has been tested on the Thur river and on a "virtual" mountainous river. Both simulations show that this kind of project does not improve a better flood mitigation for strong slope rivers.We also have shown that embankments are not a sustainable flood management. Climatic change scenarios applied to the Thur river forecast an aggravation of floods for the 21st century. That's why we propose a new flood management based on resilience strategies. Society should learn to live with floods and to reconcile economical development and functional ecosystems.

Table of content

- 9 -
RESUME 5
ABSTRACT 7
TABLE DES MATIERES 9
LISTE DES FIGURES 13
LISTE DES TABLEAUX 18
LISTE DES SIGLES ET ABREVIATIONS 19
INTRODUCTION 23
1 ) ENJEUX, CONTEXTE ET OBJECTIFS DE LA THESE 27
1.1 ENJEUX ET METHODES DE LUTTE CONTRE LES CRUES 27
1.1.1 IMPACT DES INONDATIONS ET EVOLUTION DU RISQUE 27
1.1.1.1 Historique des inondations les plus récentes 27
1.1.1.2 Evolution du risque d'inondation en France 30
1.1.1.3 Indemnisation et protection des riverains 32
1.1.2 LES PLANS DE PREVENTION DES RISQUES 34
1.1.2.1 Réglementation de l'urbanisation 34
1.1.2.2 Information de la population 36
1.1.2.3 Mesures applicables aux constructions existantes 40
1.1.3 MOYENS DE LUTTE CONTRE LES INONDATIONS 41
1.1.3.1 Historique de la lutte contre les inondations 41
1.1.3.2 Ouvrages de protection: digues et murs 44
1.1.3.3 Ouvrages de rétention des crues 48
1.2 GESTION INTEGREE DES CRUES ET PROBLEMATIQUES SCIENTIFIQUES INDUITES 51
1.2.1 PRINCIPES DE LA GESTION INTEGREE ET TEXTES DE LOI 51
1.2.1.1 Loi sur l'eau du 3 janvier 1992 51
1.2.1.2 Directive cadre européenne sur l'eau 53
1.2.1.3 Loi du 30 juillet 2003 55
1.2.2 LES ASPECTS BENEFIQUES DES INONDATIONS 56
1.2.2.1 Dynamique fluviale et laminage des crues 57
1.2.2.2 Dynamique des hydrosystèmes et biodiversité 59
1.2.2.3 Flood-pulse et protection de la ressource en eau 61
1.2.3 LES PROBLEMATIQUES SCIENTIFIQUES INDUITES PAR LA GESTION INTEGREE 63
1.2.3.1 Attribution d'une fréquence à une crue 64
1.2.3.2 Des approches aux échelles variées 67
1.2.3.3 Recherche et validation de solutions techniques 69
1.2.3.4 Modèle générique de rivière 70
Table des matières
- 10 -
1.3 CONTEXTE GEOGRAPHIQUE ET OBJECTIFS DE LA METHODOLOGIE 71
1.3.1 CONTEXTE PARTICULIER DES RIVIERES DE MOYENNE MONTAGNE, EXEMPLE DE LA THUR 71
1.3.1.1 Situation géographique et enjeux de la vallée 71
1.3.1.2 Particularités des rivières de moyenne montagne 73
1.3.1.3 L'aménagement hydraulique de la Thur 76
1.3.2 OBJECTIF N°1: DEVELOPPER UNE METHODOLOGIE COHERENTE ET OPERATIONNELLE 79
1.3.2.1 Assurer la cohérence de la méthodologie 79
1.3.2.2 Utiliser des outils éprouvés et simples 81
1.3.2.3 Maîtriser les coûts des études 83
1.3.3 OBJECTIF N°2: PROPOSER UNE AIDE A LA DECISION 86
1.3.3.1 La modélisation comme support pédagogique 86
1.3.3.2 Une approche prospective 87
1.3.3.3 Une modélisation plus souple 89
2 ) METHODOLOGIE ET MODELES 93
2.1 ARCHITECTURE DE LA METHODOLOGIE 93
2.1.1 OBJECTIFS DE LA MODELISATION 93
2.1.1.1 Approche spatialisée 93
2.1.1.2 Fréquence d'une crue et crues de fréquence rare 96
2.1.1.3 Intégration des scénarios de prospective 99
2.1.2 PROCESSUS ET MODELES ASSOCIES 101
2.1.2.1 La pluie et sa modélisation 101
2.1.2.2 La transformation de la pluie en débit 104
2.1.2.3 Ecoulement en rivière 106
2.1.2.4 Inondations et modèles numériques de terrain 108
2.1.3 ORGANISATION DES MODELES 109
2.1.3.1 Echanges de données entre modèles 110
2.1.3.2 Le chaînage des modèles 112
2.1.3.3 Intégration spatiale des modèles 114
2.2 APPROCHE EVENEMENTIELLE SPATIALISEE DES CRUES 117
2.2.1 CHOIX DU MODELE PLUIE-DEBIT 117
2.2.1.1 Approche événementielle 117
2.2.1.2 Approche spatialisée 119
2.2.1.3 Présentation du modèle GR3 120
2.2.2 LA METHODE SHYPRE 125
2.2.2.1 Principe de fonctionnement de SHYPRE 125
2.2.2.2 Générateur de pluie horaire 127
2.2.2.3 Application à la vallée de la Thur 129
2.2.3 SELECTION DES EVENEMENTS DE REFERENCE 135
2.2.3.1 Variable représentative de la crue 136
2.2.3.2 Méthode de sélection des événements de référence 138
2.2.3.3 Evénements de référence retenus pour la Thur 140
Table des matières
- 11 -
2.3 CARTOGRAPHIE DE L'ALEA A GRANDE ECHELLE 144
2.3.1 CONTRAINTES DE MODELISATION ET CHOIX DU MODELE 144
2.3.1.1 Représentation des écoulements 144
2.3.1.2 Prise en compte des régimes transitoires 146
2.3.1.3 Recherche d'un logiciel simple et efficace 149
2.3.2 ACQUISITION DES DONNEES TOPOGRAPHIQUES 152
2.3.2.1 Besoins en données topographiques 152
2.3.2.2 Choix d'une technique de lever adaptée 156
2.3.2.3 Exploitation des données topographiques 159
2.3.3 MODELISATION DE L'ALEA ET CARTOGRAPHIE 170
2.3.3.1 Hypothèses et simplifications 170
2.3.3.2 Calage et validation du modèle hydraulique 175
2.3.3.3 Simulation hydraulique et cartographie 178
3 ) DU DIAGNOSTIC INTEGRE A LA PROSPECTIVE 187
3.1 DIAGNOSTIC INTEGRE DU RISQUE D'INONDATION 187
3.1.1 DEFINITION DU RISQUE ET METHODES D'ANALYSE 187
3.1.1.1 Définition du risque 188
3.1.1.2 Méthodes d'analyse du risque 189
3.1.1.3 Concertation des acteurs 192
3.1.2 EVALUATION DU RISQUE A GRANDE ECHELLE 194
3.1.2.1 Approche qualitative 194
3.1.2.2 Approche semi-quantitative 197
3.1.2.3 Approche quantitative 200
3.1.3 DIAGNOSTIC INTEGRE DU RISQUE 202
3.1.3.1 Variabilité spatiale 202
3.1.3.2 Effets de seuil 205
3.1.3.3 Fonctionnalité des zones inondables 208
3.2 RENATURATION DES COURS D'EAU 210
3.2.1 PROSPECTIVE DE RENATURATION DE LA THUR 210
3.2.1.1 Objectifs de la renaturation 210
3.2.1.2 Méthode de simulation prospective 211
3.2.1.3 Résultats de la prospective sur la vallée de la Thur 213
3.2.2 RIVIERE "VIRTUELLE" POUR LA GENERALISATION 215
3.2.2.1 Objectifs d'une approche générique simplifiée 215
3.2.2.2 Principes de construction de la rivière virtuelle 216
3.2.2.3 Généralisation de la prospective de renaturation 219
3.2.3 LIMITES ET PERSPECTIVES 221
3.2.3.1 Fréquence des événements simulés en prospective 221
3.2.3.2 Evolution de l'occupation du sol 224
3.2.3.3 Equilibre géomorphologique de la rivière 226
Table des matières
3.3 VERS UNE PROTECTION DURABLE CONTRE LES CRUES 230
3.3.1 ENDIGUEMENT GENERALISE D'UNE VALLEE 230
3.3.1.1 Objectif des endiguements 230
3.3.1.2 Prospective d'endiguement généralisé 233
3.3.1.3 Les limites des endiguements 235
3.3.2 PROSPECTIVE DE CHANGEMENT CLIMATIQUE 237
3.3.2.1 Scénarios de changement climatique 238
3.3.2.2 Prospective appliquée à la Thur 240
3.3.2.3 Apports et limites de la prospective 244
3.3.3 UNE NOUVELLE GESTION DU RISQUE: LA RESILIENCE 247
3.3.3.1 Définition et objectifs de la résilience 247
3.3.3.2 Prospective de résilience appliquée à la Thur 250
3.3.3.3 Atouts et limites des stratégies de résilience 252
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 255
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 259
ANNEXE 1: DISTRIBUTIONS DES LAMES SIMULEES POUR DIFFERENTES DUREES 271
ANNEXE 2: PROFIL EN LONG - LIGNE D'EAU CENTENNALE 277
ANNEXE 3: CARTES DE LA CRUE CENTENNALE 291
ANNEXE 4: CARTES DES INONDATIONS DE DIFFERENTES PERIODES DE RETOUR 299
ANNEXE 5: CARTES D'ANALYSE QUALITATIVE DU RISQUE 307
ANNEXE 6: CARTES D'ANALYSE QUANTITATIVE DU RISQUE 315
ANNEXE 7: CALCUL DU COUT MOYEN ANNUEL 323
ANNEXE 8: CARTES D'ANALYSE QUALITATIVE APRES CHANGEMENT CLIMATIQUE 333
ANNEXE 9: CARTES D'ANALYSE QUALITATIVE APRES AMELIORATION DE LA RESILIENCE 341

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