La gestion des inondations sur le bassin versant des 4 vallées

Utilisation du logiciel HEC-RAS

   HEC-RAS (Hydraulic Engineering Center’s River Analysis System), est un logiciel libre de droit distribué par le corps d’ingénieurs de l’armée américaine (USACE). C’est un logiciel de modélisation hydraulique qui permet de modéliser les écoulements dans le lit mineur et dans le lit majeur en régime permanent ou transitoire. Le modèle hydraulique HEC-RAS peut être de 3 types différents, selon les résultats attendus. Tout d’abord, la modélisation 1D permet de modéliser les écoulements unidimensionnels. Pour ce type de modèle, les résultats se limitent au lit mineur, mais il permet de modéliser de façon précise les ouvrages hydrauliques. Ensuite, la modélisation 2D permet quant à elle de connaître les écoulements, les hauteurs d’eau et les vitesses dans le lit majeur, mais simplifie la représentation des ouvrages, et ne permet pas une connaissance précise des écoulements dans le lit mineur. Enfin, le modèle couplé 1D/2D permet de combiner les deux premiers types de modèles, ce qui permet une bonne représentation des écoulements à la fois en lit mineur et majeur. Cependant, cela induit des temps de calculs relativement long et parfois des instabilités de calculs. Deux versions de HEC-RAS sont utilisées à ISL, soit la 5.0.7 et la 6.0. J’ai eu l’occasion de travailler sur chacune des deux versions et donc de pouvoir tester les différences.

Les étapes de la modélisation hydraulique

   La construction d’un modèle hydraulique couplé 1D/2D comporte plusieurs étapes :
– Définition de l’emprise du modèle. La définition de l’emprise du modèle doit être assez large pour modéliser la crue de retour mille ans. Elle se base sur la topographie de la zone, en définissant une altitude qui ne sera jamais dépassée avec les crues modélisées. Cette emprise servira par la suite à la définition des zones 2D du modèle.
– Identification des ouvrages et des éléments de topographie structurants. Les ouvrages présents dans le lit mineur et majeur que nous devions intégrer au modèle ont été identifiés. Certaines singularités topographiques ont aussi été identifiées afin de densifier le maillage de la zone 2D à ces endroits.
– Élaboration du modèle numérique de terrain (MNT). L’élaboration du MNT se base sur une couche LIDAR, qui doit avoir la meilleure résolution et être la plus récente possible. Il faut ensuite l’importer dans HEC-RAS avec la bonne projection et l’associer à la géométrie du projet.
– Construction du modèle 1D sur l’emprise du lit mineur seul. Les relevés LIDAR ne prennent pas en compte la géométrie du lit mineur, il est donc nécessaire de la construire grâce à des données bathymétriques ou grâce à des levés topographiques de profils en travers.La construction des zones 2D nécessitent de choisir la taille des mailles et les zones où ces mailles doivent être affinées. Nous avons ici choisi des mailles de 10x10m, la taille est estimée afin d’avoir une bonne précision mais conserver des temps de calculs raisonnables. Il faut ensuite corriger le maillage à la main à certains endroits où il ne s’est pas correctement créé. Les ouvrages présents dans le lit majeur ne peuvent pas être renseignés comme les ouvrages du lit mineur : ils sont renseignés à l’aide de “breakline”, structure qui permet de modéliser un ouvrage (seuil, pont ou digue) sans cross section associée, donc dans une zone 2D.
– Définition des liens latéraux entre le modèle 1D (lit mineur) et 2D (lit majeur). Cette étape consiste en la construction de “laterals structures” qui représentent les berges du cours d’eau au point le plus haut. Ces structures servent de lien entre le lit mineur et les zones 2D construites auparavant. Cela va permettre au logiciel de modéliser le débordement hors du lit mineur.
– Paramétrage du modèle : définition des conditions limites, conditions initiales et coefficients de frottement du modèle. Les conditions limites amont représentent l’hydrogramme d’entrée, calculé lors d’une phase préalable, et déterminé par un modèle hydrologique, pour les différentes crues de projet (Q10, Q50, Q100 et Q500). Ces hydrogrammes sont associés à des conditions de débits initiales qui sont fonction de la position du tronçon dans le bassin et du débit transitant. En effet, HEC RAS ne peut faire tourner un modèle dont l’hydrologie est à 0, il faut donc paramétrer certaines valeurs pour qu’il puisse tourner sans changer les valeurs de l’hydrogramme. Les hydrogrammes d’entrée représentent les débits entrant à des points identifiés du cours d’eau. Ils peuvent être des points ponctuels, comme les affluents et la branche amont, mais aussi plus progressif, sur un linéaire compris entre 2 profils en travers en cas d’apports diffus. La condition limite aval est fonction de la pente moyenne du cours d’eau principal du bassin versant. Les coefficients de frottement sont représentés par le coefficient de Manning-Strickler. Il doit être défini dans le lit mineur et dans le lit majeur. Pour le lit mineur, deux types de coefficients sont à choisir : le fond du lit et les berges. Nous avons opté pour deux coefficients pour le fond de lit, soit k=25 dans les portions les plus chenalisées et 22 dans les portions où il semble plus naturel. Dans le lit majeur, il a fallu créer une couche d’occupation des sols (figure 7) sous QGIS afin de d’adapter le jeu de données à une précision adaptée au modèle, à partir de la BD OSCOM (Base de données Occupation du Sol à l’échelle Communale) fournie par le maître d’ouvrage.

Calage du sous-modèle de la Véga

   Pour le calage du sous-modèle de la Vega, les crues de 1983, 1993 et 2008 ont été utilisées. Le niveau d’eau obtenu par modèle à partir de ces simulations est ensuite comparé aux niveaux observés (tableau 5). Pour la crue de 1983, les résultats mesurés sont assez éloignés de ceux attendus (41.2 cm de différence en moyenne, les différences de résultats se situent entre 3 cm et 1m). Plusieurs paramètres peuvent expliquer cette différence :
● Influence de la micro topographie, non représentée dans les modèles ;
● Influence de la condition avale (représentée dans le modèle par le niveau bas du Rhône).
La crue de 2008 présente des résultats satisfaisants, cohérents avec ceux mesurés par le modèle, sauf pour un ouvrage qui montre une différence de +13 cm de hauteur d’eau avec le résultat attendu. Pour les crues de 1750 et de 1856, les débits correspondants n’étaient pas donnés, ils ont donc été évalués grâce au modèle hydraulique, en mettant en correspondance les périodes de retour et les débits correspondant pour atteindre le niveau d’eau réellement mesuré lors de ces événements. L’estimation de la période de retour est une crue de retour 100 ans pour la crue de 1750 et une crue de retour 10 ans pour la crue de 1856. Ces estimations serviront par la suite pour le calage des deux autres sous-modèles, la Gère et la Vésonne. Les crues de 1750 et de 1856 ne peuvent pas servir réellement de calage pour le modèle de la Véga, puisque les débits ont été estimés par rapport à ce modèle. Le choix a donc été fait de ne pas changer le coefficient de rugosité, les données de calage n’étant pas assez précises pour réaliser un changement fiable.

Gère aval

  Sur le modèle de la Véga, qui intègre la partie avale de la Gère, notamment en aval de la confluence avec la Véga, un test de sensibilité a aussi été mis en place au niveau du coefficient de rugosité en lit mineur. Ce dernier, fixé initialement à 25, comme sur le reste du modèle, a été testé avec une valeur de 27, comme cela est le cas sur le lit mineur de la Sévenne à Vienne (aval de la Sévenne). Sur la figure 27 représentant le linéaire allant de la confluence avec la Véga jusqu’à la confluence avec le Rhône, la courbe rouge représente la ligne d’eau obtenue pour la crue centennale avec un coefficient en lit mineur de 27 et la courbe bleu la ligne d’eau pour un coefficient de 25. Les différences oscillent entre 5 et 10 cm en moyenne avec un maximum localement de 30 cm, ce qui est similaire en ordre de grandeur aux différences constatées pour le choix du coefficient en lit majeur sur la Sévenne. Le test de sensibilité semble donc satisfaisant puisqu’on obtient des différences de hauteurs d’eau peu significatives, aussi bien pour la Gère que pour la Sévenne, ce qui prouve la robustesse du modèle hydraulique.

CONCLUSION

    L’étude des inondations sur ce territoire avait donc pour but d’évaluer les risques liés à cette problématique, pour pouvoir mieux comprendre la dynamique et agir en conséquence. Les résultats de cette étude ont montré quels étaient les secteurs les plus vulnérables. Plusieurs secteurs à enjeux importants ont été mis en avant, et peuvent être proposés comme prioritaires pour la proposition de scénarios d’aménagements futurs, partie à laquelle je n’ai malheureusement pas pu participer, puisqu’elle se déroulera après la fin de mon stage. Cette étude a aussi montré quelle validité il fallait donner à ces résultats, qui ne sont pas toujours entièrement fiables en termes de hauteurs d’eau ou d’emprise inondable. Cela prouve que le modèle hydraulique est très utile pour comprendre le territoire, la dynamique globale des inondations, mais ne devrait pas servir de seul support pour les décisionnaires, car les imprécisions du modèle peuvent être importantes sur certains secteurs. Lors de ce stage, j’ai eu la chance de travailler sur de nombreuses affaires différentes, voir de multiples types de modèles HEC-RAS et de participer à l’élaboration d’un modèle à toutes ses étapes de construction. Cela m’a permis d’acquérir de nombreuses compétences pratiques en modélisation hydraulique, et de compléter la formation HEC-RAS donnée lors de mon cursus, dispensée uniquement sur des modèles de type 1D. J’ai aussi approfondi mes connaissances globales sur la gestion de cours d’eau, la dynamique des inondations, l’hydromorphologie, et la renaturation de cours d’eau. Grâce à ce stage, j’ai aussi pu acquérir des compétences pluridisciplinaires en termes de savoir être, de capacité rédactionnelle, de synthèse et d’analyse.

Table des matières

REMERCIEMENTS
SOMMAIRE
TABLE DES ILLUSTRATIONS
ABRÉVIATIONS
INTRODUCTION
I. PRÉSENTATION DE LA STRUCTURE
II. MATÉRIELS ET MÉTHODES
II.1 Description des missions réalisées
II.2 Utilisation de logiciels
II.2.1 Utilisation du logiciel HEC-RAS
II.2.2 Utilisation du logiciel QGIS
II.3 Etude globale de gestion des inondations sur le bassin versant des 4 vallées
II.3.1 Description de la zone d’étude et de l’organisme commanditaire
II.3.2 Contexte de l’étude
II.3.3 Construction du modèle de l’état initial
III. Résultats et discussion
III.1 Cartographie des zones inondables
III.1.1 Sous-modèle de la Sévenne
III.1.2 Sous-modèle de la Véga
III.1.3 Sous-modèle de la Gère
III.1.4 Sous-modèle de la Vésonne
III.2 Calage
III.2.1 Calage du sous-modèle de la Sévenne
III.2.2 Calage du sous-modèle de la Véga
III.2.3 Calage du sous-modèle de la Gère
III.2.4 Calage du sous-modèle de la Vésonne
III.3 Etude de sensibilité sur la Sévenne amont et sur la Gère aval
III.3.1 Sévenne amont
III.3.2 Gère aval
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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