Versini, Pierre-Antoine (2007) Flash flood risk study for main roads - Construction of a prototype for road warning system. PhD thesis Hydrologie, Laboratoire central des Ponts et Chaussées, ENPC 2007 ENPC 0736 p.255.

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Abstract

The recent ash ood which occurred in the South of France showed that the flooding

of roads is a major problem for two reasons: i) it is a significant source of danger for car

passengers ii) emergency services need to have a clear overview of the road conditions to be

efficient. Therefore it appears important to determine the points of a road network liable

to be submerged during flash floods.

The objective of this study is to progress in the forecasting of road flooding. The Gard

region is taken as the reference case study to develop and to test the proposed method,

thanks to the inventory of the road points flooded during a forty years period.

The proposed approach regroups three steps. First, the vulnerability of these structures

has been determining, regarding the location of the road in its environment, and the

characteristics of the upstream watershed. Every information available on the catchments

drained at the concerned points has been analysed to characterize and evaluate this vulnerability.

In a second step, the hydrological hazard has been quantified. A semi-distributed

rainfall-runoff model has been used to simulate the peak of discharge for the identified

outlets. Then, this information of hazard and vulnerability can be combined to assess the

a risk of ooding at any location. This approach has finally been validated successfully for

ve recent events for those maps of observed road submersions are available.

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Table of content

1 Introduction 1

1.1 Présentation du sujet - 1

1.2 Contexte - 2

1.3 Problématique - 4

1.4 Quelques acquis - 5

1.5 Plan de travail - 6

2 Le département du Gard : PICH et autres données disponibles 9

2.1 Le PICH : Plan d'Intervention aux Crises Hydrologiques - 11

2.2 Présentation des zones de calibrage et de validation - 14

2.2.1 Présentation des zones de calibration - 14

2.2.2 Présentation des zones de contrôle - 18

2.3 Présentation des données géographiques - 19

2.3.1 Le SIG GRASS - 20

2.3.2 La BD ALTI - 20

2.3.3 La BD CARTO - 21

2.3.4 L'occupation des sols - 22

2.3.5 Les données Sol - 23

2.4 Les données hydrologiques - 25

2.4.1 Données pluviométriques - 25

2.4.2 Données de débit - 27

2.4.3 Critique des données débimétriques - 28

2.5 Données relatives au réseau routier - 30

2.5.1 Inventaire des ouvrages d'art - 30

2.5.2 Carte de gestion de trac - 31

3 Identication des points sensibles 35

3.1 Extraction des points a priori sensibles - 36

3.1.1 Extraction des points d'intersection - 36

3.1.2 Extraction des points de côtoiement - 36

3.1.3 Extraction des points bas - 38

3.2 Bilan sur les points extraits - 39

3.2.1 Critique des méthodes utilisées - 39

3.2.2 Bilan par zone de calibration - 41

3.3 Études particulières de points PICH ne gurant pas dans les échantillons

extraits - 45

3.3.1 Point no 60 - 45

3.3.2 Point no 76 - 45

3.3.3 Point no 151 - 46

3.4 Bilan - 46

4 Analyse géographique et méthode de caractérisation de la vulnérabilité

structurelle 49

4.1 Procédure de diérentiation - 50

4.1.1 Création d'un échantillon unique - 50

4.1.2 Distribution statistique et fonction de densité - 51

4.1.3 Utilisation d'un test statistique - 52

4.1.4 Dénition des seuils - 53

4.1.5 Niveaux de la vulnérabilité structurelle - 54

4.2 Caractérisation de la vulnérabilité structurelle locale - 54

4.2.1 Dénition des indices topographiques : utilisation du MNT - 55

4.2.2 Prépondérance des indices topographiques locaux - 57

4.2.3 Conclusion - 60

4.3 Caractérisation de la vulnérabilité structurelle à l'échelle du bassin versant . 60

4.3.1 Présentation des indices - 60

4.3.2 Prépondérance des indices à l'échelle du bassin versant - 62

4.3.3 Conclusion - 66

4.4 Caractérisation de la vulnérabilité structurelle : l'ouvrage de franchissement 67

4.4.1 Calcul du débit critique de l'ouvrage - 67

4.4.2 Estimation du débit décennal - 68

4.4.3 Résultats - 68

4.5 Combinaison des indices - 70

4.5.1 Etude préliminaire - 70

4.5.2 Combinaison des indices géographiques - 71

4.6 Validation - 73

4.7 Utilisation des fréquences de submersion - 74

4.8 Utilisation de la méthode - 76

5 Choix d'un modèle Pluie-Débit 79

5.1 Utilisation d'un modèle simple et semi-distribué : conséquences et contraintes 80

5.1.1 Pourquoi un modèle semi-distribué? - 80

5.1.2 Utilisation d'une pluie spatialement distribuée - 80

5.1.3 Prise en compte du processus hydrologique dominant pendant la crue 81

5.1.4 Pré-détermination des paramètres et utilisation de l'information géographique

- 82

5.2 Modèles Pluie/débit existants pour la modélisation des crues éclair - 83

5.2.1 CINECAR - 83

5.2.2 Un autre dérivé du SCS - 85

5.2.3 ALTHAÏR - 86

5.2.4 TOPMODEL - 86

5.2.5 Intercomparaison de modèles - 87

5.3 Protocole de modélisation - 88

5.3.1 Mise en place de CINECAR - 88

5.3.2 Tests de sensibilité - 88

5.3.3 Vers une pré-détermination des paramètres - 92

6 Modélisation hydrologique et pré-détermination des paramètres 97

6.1 Calage à l'aide d'un CN uniforme - 99

6.1.1 Résultats du calage - 99

6.1.2 Transfert des paramètres - 107

6.1.3 Bilan - 111

6.2 Régionalisation à l'aide de l'occupation des sols - 111

6.2.1 Résultats du calage - 113

6.2.2 Transfert des paramètres - 115

6.2.3 Variation des CN - 115

6.3 Régionalisation à l'aide de la géologie - 116

6.3.1 Résultats du calage - 116

6.3.2 Transfert des paramètres - 117

6.3.3 Variation des CN - 117

6.4 Etude des variabilités saisonnières - 119

6.4.1 Etude des coecients d'écoulement - 119

6.4.2 Relier les paramètres à cette variabilité saisonnière - 120

7 Vers la qualication du risque de submersion 125

7.1 Combinaison vulnérabilité/aléa : dénition d'un indice de risque - 127

7.1.1 Démarche - 127

7.1.2 Distribution des périodes de retour de submersion par classe de vuln

érabilité - 127

7.1.3 Dénition des niveaux de risque de submersion - 128

7.1.4 Calcul des seuils de débits - 130

7.1.5 Etude comparative sans l'information de vulnérabilité - 131

7.2 Utilisation du modèle d'annonce de coupure - 132

7.3 Ecacité du modèle d'annonce de coupure : étude des points submergés

retrouvés - 133

7.3.1 21 Novembre 2003 - 133

7.3.2 29 Novembre 2003 - 137

7.3.3 17 Décembre 2003 - 140

7.3.4 3 Novembre 2004 - 141

7.3.5 6 Septembre 2005 - 142

7.4 Lisibilité du modèle d'annonce de coupure : étude des fausses alertes - 145

7.4.1 Etude du critère de Lisibilité - 146

7.4.2 Exemple 1 : 29 novembre 2003, zone 2 - 146

7.4.3 Exemple 2 : 29 novembre 2003, zone 4 - 147

7.4.4 Bilan - 148

7.5 Etude de la chronologie des annonces d'alerte - 148

7.5.1 Etudes ponctuelles - 148

7.5.2 Représentation chronologique à l'échelle de la zone - 150

7.6 Bilan sur 3 critères - 156

8 Conclusion 159

Bibliographie 174

A Politique de gestion du risque inondation : inventaire de l'existant 175

A.1 La gestion du risque inondation : dénitions et méthode - 175

A.1.1 Une vision moderne de la gestion de risque : l'approche intégrée . . . 175

A.1.2 Utilisation des SIG - 177

A.2 Les outils de gestion du risque inondation - 177

A.2.1 PPRI : Plan de Prévention du Risque Inondation - 178

A.2.2 Plan communal de sauvegarde - 179

A.2.3 ALTHAIR (Alarme Hydrologique Territoriale Automatisée par Indicateur

de Risque) - 180

A.2.4 ALPHEE: Estimation des dégâts engendrés par une crue dans la

région Ile de France - 181

A.2.5 Osiris (Operational Solutions for the management of Inundations

Risks in the Information Society) - 182

A.2.6 AIGA (Adaptation d'Information Géographique pour l'Alerte de crue)183

A.2.7 PACTES (Prévention Anticipation des Crues au moyen des TEchniques

Spatiales) - 184

B Enquête auprès des diérents acteurs de la gestion de crise 187

C Synthèse sur les modèles Pluie/Débit 197

C.1 Classication des modèles Pluie-débit - 197

C.2 Les processus hydrologiques - 198

C.2.1 Evapotranspiration - 198

C.2.2 Écoulement de surface - 198

C.2.3 Écoulement de subsurface ou hypodermique - 199

C.2.4 Écoulements souterrains - 199

C.3 Fonction de production - 200

C.3.1 GR4 (génie rural 4 paramètres) - 200

C.3.2 SCS (Soil Conservation Service) - 201

C.3.3 SCS continu - 202

C.3.4 VIC (Variable Inltration Capacity) - 204

C.3.5 TOPMODEL (TOPography based hydrological MODEL) - 205

C.3.6 IHACRES (Identication of unit Hydrographs and Component ows

from Rainfalls, Evaporation and Streamow data) - 209

C.3.7 ALHTAïR - 209

C.4 Fonction de transfert - 211

C.4.1 Traitement du MNT - 211

C.4.2 Fonctions de transfert géomorphologique (GIUH) - 215

C.4.3 Fonction de transfert basée sur les équations de Saint-Venant - 217

C.5 Utilisation de l'information géographique - 223

D Résultats de modélisation 227

D.1 Présentation des bassins versants jaugés - 228

D.2 Résulats de la modélisation Pluie-Débit par événement - 229

D.2.1 Evénement du 19 septembre 2000 - 229

D.2.2 Evénement du 27 septembre 2000 - 232

D.2.3 Evénement du 17 octobre 2001 - 235

D.2.4 Evénement du 8 septembre 2002 - 238

D.2.5 Evénement du 30 septembre 2003 - 241

D.2.6 Evénement du 15 novembre 2003 - 244

D.2.7 Evénement du 21 novembre 2003 - 247

D.2.8 Evénement du 29 novembre 2003 - 250

D.2.9 Evénement du 25 octobre 2004 - 253

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