Enjeux et vulnérabilité du territoire, comment mesurer l’immesurable ?

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Caractéristiques des inondations

Définitions : de la crue à l’inondation

Par définition, la crue d’un cours d’eau correspond à une augmentation de son niveau d’eau due à l’augmentation de son débit. Elle peut être caractérisée par :
• L’intensité de la crue, dite également magnitude : elle se mesure par la hauteur de submersion (en mètre) ou le par le débit de pointe (en mètre cube par seconde),
• La forme de son hydrogramme, qui permet de donner une information sur la temporalité de la crue c’est-à-dire sur la vitesse de montée des eaux, la durée de la crue et la vitesse de la décrue.
La crue d’un cours d’eau dépend de la réponse hydrologique du bassin versant qu’il draine. Les caractéristiques de cette réponse reposent sur un certain nombre de facteurs tels que les précipitations (intensité, durée, répartition spatiale), les conditions climatiques du milieu (température, vent, type de précipitations), la morphologie du bassin versant (forme, pente, taille), la nature et l’humidité des sols, le couvert végétal ou encore l’occupation du sol.
A la différence de la crue qui n’est pas toujours synonyme de débordement, l’inondation peut être définie comme « la submersion temporaire par l’eau d’un espace normalement non immergé » (Commission des Communautés Européennes 2006). Ainsi, le terme inondation renvoie plutôt à une notion de géomorphologie. Ce terme désigne aussi bien le débordement d’un cours d’eau de son lit mineur que le remplissage d’une cuvette topographique par l’eau. Ainsi, toutes les crues ne conduisent pas à la survenue d’inondations, et les inondations ne sont pas toutes dues à la crue d’un cours d’eau.

Typologie des inondations

Il existe de nombreuses classifications des types d’inondations dans la littérature. Plusieurs caractéristiques peuvent être prises en compte afin de les différencier. Parmi elles, on peut notamment retrouver le facteur déclenchant, la durée de submersion, le débit, ou encore la taille de la zone affectée. Dans le Tableau 1.2 sont répertoriés quelques exemples de typologies d’inondations présentes dans la littérature.
On retiendra de ces différentes typologies, que deux éléments principaux permettent de classifier les inondations à savoir leur échelle temporelle (cinétique) et leur échelle spatiale (zone de survenue, étendue de l’inondation). Ainsi, afin de différencier les chaînes d’alerte qui les caractérisent nous avons choisi de nous rapprocher d’une typologie classique des inondations, basée sur la cinétique des phénomènes étudiés. Une distinction est donc proposée entre d’un côté les inondations à cinétique lente et de l’autre celles à cinétique rapide. Une définition de chaque type d’inondation considéré est proposée ci-après.
Si plusieurs auteurs ont choisi d’intégrer les phénomènes de type lave torrentielle et coulée de boue à leurs typologies des inondations, nous avons préféré les exclure. En effet, nous considérons qu’ils ne correspondent pas à la définition d’inondation adoptée dans ce manuscrit.
Inondation à cinétique lente
• Inondation de plaine : il s’agit d’une inondation qui survient en zone de plaine suite à des précipitations peu intenses réparties sur une période de temps importante. En fonction de la topographie, ces inondations peuvent être très étendues dans l’espace et la décrue peut durer plusieurs jours voire plusieurs semaines. Ces inondations touchent principalement les grands bassins versants. Par exemple, on peut citer les inondations de la Loire en 1956 ainsi que celles de la Seine en 1910.
• Inondation par remontée de nappes : il s’agit d’une inondation causée par l’apport de précipitations pluvieuses à une nappe phréatique dont le niveau est déjà haut. La nappe ne pouvant évacuer l’eau précipitée, son niveau monte jusqu’à déborder en surface. Exemple : inondations de la Somme en avril 2001.
Inondation à cinétique rapide
Gourley et al. (2012) caractérisent les inondations à cinétique rapide comme présentant « un débit rapide et extrême de hautes eaux dans une région normalement sèche, ou une augmentation rapide du niveau de l’eau dans un torrent ou un ruisseau supérieur à un niveau de crue prédéterminé commençant dans les 6 heures suivant l’événement déclencheur (pluies intenses, rupture de digue ou de barrage, embâcle de glace) ».
Selon cette définition, les inondations à cinétique rapide peuvent avoir divers éléments déclencheurs. A partir de la nature de ces éléments, nous avons choisi de différencier six types d’inondations selon une classification génético-descriptive dans le Tableau 1.4.
On peut ainsi distinguer d’un côté les phénomènes dits non-climatiques et de l’autre les phénomènes dits climatiques :
• Les phénomènes dits non-climatiques ne peuvent être prévus à l’avance, car ils découlent d’un aléa d’origine géodynamique (séisme) ou de la défaillance technique d’un ou de plusieurs ouvrages. Cependant, dans le deuxième cas, un dimensionnement adapté en amont de la construction de ces ouvrages, leur entretien ainsi que leur suivi permettent de prévenir la survenue de ces inondations.
• Les phénomènes dits climatiques reposent sur la survenue de fortes précipitations dont les conséquences peuvent être alourdies par des facteurs aggravants tels que la fonte du manteau neigeux, le type de sol… Ces phénomènes peuvent être prévus à l’avance avec une précision variable.
Dans la prochaine section nous nous focaliserons plus en détail sur les inondations de type crue rapide, dont l’anticipation répond à des logiques particulières selon leurs caractéristiques.

Les crues rapides

Terminologie des crues rapides
Les crues à cinétique rapide sont désignées par une multitude de termes dans la littérature spécialisée. Ainsi dans sa thèse, Douvinet (2008) souligne lui aussi cette absence de consensus terminologique et recense plus de 12 termes différents afin de nommer ce même phénomène. Afin d’identifier et de définir ce que sont les crues rapides, il est donc nécessaire de voir ce qui distingue ces différentes terminologies. Le Tableau 1.5 recense les plus usitées dans la littérature scientifique en Français, ainsi que leur définition propre.
Dans ce même tableau, nous avons cherché à évaluer de manière innovante la fréquence de l’utilisation de ces différentes dénominations par les chercheurs dans la littérature scientifique. Pour cela, dans le Tableau 1.5 figure également le nombre de résultats obtenus en rentrant chacun de ces termes individuellement dans les moteurs de recherche de publications scientifiques suivants :
• Google Scholar est un moteur de recherche mis en place par Google (Etats-Unis) en 2004, inventoriant les publications pouvant intéresser le monde universitaire. Si Google ne fournit pas directement de chiffres sur son contenu, des chercheurs indépendants l’estimaient en 2014 à plus de 160 millions de documents. (Orduña-Malea et al. 2015) pour une exhaustivité estimée à 80% minimum dans la langue anglaise.
• BASE (Bielefeld Academic Search Engine) est une base de données issue d’un projet visant à promouvoir les archives ouvertes, gérée par la Bibliothèque Universitaire de Bielefeld (Allemagne) depuis 2004 (Summann and Lossau 2004). Elle compte plus de 120 millions de documents issus de plus de 6000 sources différentes.
• Microsoft Academic est un moteur de recherche public mis en place par Microsoft Research en 2016. Il compte plus de 375 millions d’entrées dont 170 millions d’articles scientifiques.
Ainsi pour chaque dénomination, une recherche a été effectuée dans les titres de documents pour l’ensemble de l’expression donnée (exemple : « crue cévenole »), au singulier ainsi qu’au pluriel.
La multiplication des terminologies est spécifique à la langue française alors qu’en anglais une même dénomination de « Flash Flood » est utilisée pour qualifier l’ensemble des inondations à cinétique rapide. Elle retourne ainsi plus de 3760 résultats sur le moteur de recherche Google Scholar, 4475 sur Microsoft Academic et 2031 sur BASE.
Après analyse de ce tableau, nous pouvons voir que les dénominations de « crue éclair » et « crue rapide » sont les plus usitées dans le monde académique selon les trois moteurs de recherche retenus. Ainsi, nous avons choisi d’utiliser la terminologie de crue rapide car il s’agit de la plus générale et englobante. Si des différences peuvent apparaître dans la définition de chacun des termes, leur point commun reste la cinétique du phénomène. Il est important de souligner que cette pluralité de définitions créer un flou autour de l’objet « crue rapide ». En effet, selon les auteurs le même phénomène n’aura pas la même dénomination.

Formation des crues rapides

Les crues rapides sont définies par l’Association Internationale des Sciences Hydrologiques comme des « crues dont l’apparition est soudaine, souvent difficilement prévisible, de temps de montée rapide et de débit relativement important. Ces crues sont donc généralement liées à des épisodes pluvieux intenses et se manifestent sur des bassins de taille modérée » (Gaume 2002). Les crues rapides sont donc des crues de cours d’eau caractérisées par une rapide montée des eaux et une décrue tout aussi rapide (moins de 12h). Elles surviennent à la suite d’intenses précipitations, le plus souvent à l’automne, période particulièrement favorable aux pluies extrêmes (Toreti et al. 2010).
Ce type de crues se manifeste sur des bassins versants à réaction rapide c’est-à-dire présentant des caractéristiques physiques : petite taille, forte pente, type de sol ; ou climatiques : saturation du sol, propices à leur survenue.
Ainsi la survenue de ce type de crues repose sur deux éléments principaux qui sont :
• Des précipitations intenses,
• Des bassins-versants à réaction rapide.
Les précipitations à l’origine des crues rapides peuvent être issues de deux types de phénomènes distincts qui sont pourtant souvent confondus en France sous la dénomination « d’épisode cévenol ». On distinguera ainsi d’un côté les épisodes de forte pluie où le relief joue un rôle majeur, appelés également à juste titre « épisodes cévenols » (Figure 1.2 – a), et de l’autre les « épisodes méditerranéens » dont la survenue ne repose que sur un phénomène météorologique (Figure 1.2 – b).
Episode cévenol
Dans le cas des épisodes cévenols, des masses d’air chaud et chargées en humidité se forment au-dessus de la Méditerranée – notamment à la fin de l’été où la mer est encore chaude (Mariotti et al. 2002) – et, poussées par des vents de basse altitude, viennent se heurter au relief montagneux du Massif Central, des Alpes ou des Pyrénées (Figure 1.3). Au contact du relief, cette masse d’air va s’élever et se refroidir, causant ainsi la précipitation des vapeurs d’eau qu’elle contient (Ducrocq et al. 2016).
Le contexte orographique méditerranéen est particulièrement favorable au déclenchement de phénomènes de ce type (Ducrocq et al. 2014). En France, les départements cévenols (Gard, Hérault et Ardèche) sont particulièrement concernés par ce phénomène, c’est pourquoi ils lui ont donné leur nom (Cosandey and Didon-Lescot 1990).
Episode Méditerranéen
Les épisodes Méditerranéens ont les mêmes conditions de formation que les épisodes cévenols, mais ils s’en distinguent car leur survenue n’est pas liée à l’orographie. Ainsi, à l’origine des épisodes méditerranéens on retrouve, comme pour les épisodes cévenols, des masses d’air chaud et humide en provenance de la Méditerranée, qui vont être poussées vers l’intérieur des terres. Cependant, au lieu de rencontrer le relief, ces masses d’air chaud vont rencontrer des masses d’air froid en altitude (Figure 1.4). Le contraste de température entre ces deux masses d’air chaud et froid va favoriser la convection et la formation d’orages. Ce sont donc les plaines et les littoraux qui sont particulièrement concernés par ce type de phénomène.
Ces orages peuvent devenir stationnaires s’ils évoluent en systèmes orageux plus complexes, dits à propagation rétrograde ou « en V ». C’est-à-dire que les cellules orageuses se reforment continuellement au même endroit, provoquant ainsi des précipitations intenses et localisées sur plusieurs heures, à l’origine d’importantes inondations (Figure 1.5).
Figure 1.5 : Crue de la Nartuby à Trans-en-Provence suite à un épisode Méditerranéen, le 15 juin 2010. Le débit de pointe lors de cet évènement a été estimé entre 360 et 520m3/s à Trans-en-Provence selon Payrastre et al. (2012). © Cantet Philippe / Irstea
D’un point de vue morphologique, les crues rapides touchent principalement des bassins de petite et moyenne tailles (jusqu’à 100km²). La topographie joue également un rôle majeur, car des versants pentus favorisent des temps de réaction courts (Garambois 2012). En effet, plus la pente sera forte plus l’écoulement sera rapide. Il faut également noter que le type de sol peut influencer l’écoulement dans le bassin ainsi que son humidité au moment de la survenue des précipitations. Enfin, le rôle de l’occupation du sol ne doit pas être négligé : les zones urbaines présentent une imperméabilisation de leurs sols, favorisant le ruissellement.
Selon ces différentes caractéristiques, l’Arc Méditerranéen est particulièrement propice à la survenue de crues rapides, aussi bien d’un point de vue météorologique qu’orographique, comme l’ont souligné Gaume et al. (2009) et plus récemment le Groupe Intergouvernemental d’Experts sur l’évolution du climat (GIEC) (Stocker et al. 2013). C’est pourquoi les crues rapides méditerranéennes ont fait l’objet de nombreuses études et sont donc bien présentes dans la littérature scientifique (Antoine, Desailly and Gazelle 2001, Delrieu et al. 2005, Westrelin et al. 2010, Llasat et al. 2014).
Les crues à cinétique rapide sont fréquentes dans le monde et ont des conséquences particulièrement dramatiques en termes de dommages matériels et de victimes. Elles représentent un enjeu majeur pour la chaîne de l’alerte en raison de la difficulté de leur prévision (Gaume 2002). En effet, ce type de phénomènes est particulièrement complexe à prévoir et anticiper. De plus, il ne s’agit pas seulement de prévoir la survenue d’un tel évènement, il s’agit également d’en évaluer la localisation exacte, la durée ainsi que la sévérité (Doswell III, Brooks and Maddox 1996).

Les chaîne d’alerte aux inondations à travers le monde

La mise en œuvre de chaînes d’alerte permet de réduire considérablement le nombre de victimes et de dommages liés aux crues, et plus particulièrement aux crues rapides. Cependant, leur mise en œuvre pose un certain nombre de difficultés. Pagano et al. (2014) soulignent parmi elles la pertinence des alertes qui en découlent, l’accessibilité des données ou encore le passage de la modélisation au système opérationnel d’avertissement des crues.
Dans cette section, trois exemples de chaînes d’alerte seront présentés à travers le monde, couvrant trois types d’organisations distinctes. Ainsi, nous présenterons tout d’abord le système de prévision opérationnel aux Etats-Unis (système national à l’échelle d’un continent), puis celui mis en place en Europe (système transnationale à l’échelle continentale), et enfin le système développé en France (système national, à l’échelle sous-continentale).

Exemples de chaînes d’alerte aux inondations dans le monde

Aux Etats-Unis : le fonctionnement du National Weather Service
Aux Etats-Unis, la chaîne nationale de l’alerte aux inondations repose sur un organisme fédéral américain dit NWS (National Weather Service) qui dépend lui-même de l’administration océanique et atmosphérique nationale appelée NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). En raison de la taille du territoire qu’il gère, le NWS s’appuie sur 13 centres de prévision hydrologique régionaux (RFC) répartis sur le territoire américain par grand bassin hydrographique. Ils gèrent la modélisation et la prévision hydrologique sur leur territoire, et viennent en appui aux 122 centres d’alerte hydrométéorologique (WFO).
Les données collectées à l’échelle locale pour la prévision des crues sont multiples : précipitations, température, épaisseur du manteau neigeux, débit du cours d’eau, influence des ouvrages hydrauliques, humidité du sol…
Une fois ces différentes données collectées, elles sont soigneusement vérifiées avant d’être utilisées par le NWS pour fournir des prévisions et avertissements météorologiques, climatiques et hydrologiques sur l’ensemble du territoire américain en se basant sur le système de prévision présenté de manière simplifiée en Figure 1.6. En parallèle, les RFC fournissent également des prévisions locales au niveau des stations hydrologiques du réseau.
Le processus allant de la collecte des données à l’alerte fournie au public, en passant par la prévision hydrologique, est particulièrement complexe (Restrepo 2017). En raison de la taille du territoire américain, de nombreuses chaînes d’alerte locales se sont développées au sein de collectivités ou de régions. Leurs données peuvent également être utilisées par le NWS
Les informations de prévision des crues et les données collectées par les RFC et WFO sont communiquées en temps réel sur une plateforme web accessible librement et gratuitement à la population et aux gestionnaires du territoire (https://water.weather.gov/ahps/) dont un exemple est disponible en Figure 1.7 à l’échelle nationale et à une échelle plus réduite autour de la région de Chicago.
En Europe : le système européen d’alerte aux inondations EFAS
Avant les années 2000 aucune chaîne d’alerte n’existait à l’échelle de l’Europe. Ainsi chaque pays possédait son propre système sans que les données ne soient mises en commun. Or, suite aux inondations catastrophiques liées aux crues transfrontalières de l’Elbe et du Danube en 2002, la Commission Européenne a initié la création d’un nouveau système dédié à la prévision, à l’avertissement et au suivi des inondations en Europe. Acronyme pour European Flood Awareness System, le système EFAS est le premier système de prévision et de suivi des crues développé pour l’ensemble du territoire européen (www.efas.eu).
Ce système est basé sur un fonctionnement de dépassement de seuils. Ainsi, quand le débit modélisé dans une rivière dépasse un certain seuil, un avertissement est émis aux territoires concernés (Thielen et al. 2009). EFAS utilise un modèle hydrologique appelé LISFLOOD. Ce modèle est alimenté par des prévision d’ensembles de pluie fournies par le Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme basé à Reading au Royaume-Uni (Ramos, Thielen and de Roo 2009).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Compléter la chaîne d’alerte aux inondations
1. Caractéristiques des inondations
1.1. Définitions : de la crue à l’inondation
1.2. Typologie des inondations
1.3. Les crues rapides
1.4. Formation des crues rapides
2. Les chaîne d’alerte aux inondations à travers le monde
2.1. Exemples de chaînes d’alerte aux inondations dans le monde
2.2. Les chaînes d’alertes dédiées aux crues rapides
3. La méthode AIGA
3.1. Présentation de la méthode
3.2. Travaux de thèses antérieurs
Conclusion du chapitre et positionnement de la thèse
Chapitre 2 : Enjeux et vulnérabilité du territoire, comment mesurer l’immesurable ?
Introduction du chapitre
1. Une profusion de termes et de significations
1.1. Qu’est-ce qu’un enjeu ?
1.2. L’exposition à l’aléa
1.3. Pas une, mais des vulnérabilités
1.4. Les mesures de la vulnérabilité territoriale
1.5. Typologie des enjeux selon leur nature
2. Méthode développée pour l’évaluation de la vulnérabilité territoriale
2.1. Une typologie d’enjeux s’appuyant sur la BDTOPO
2.2. Choix d’une méthode d’aide à la décision multicritères
2.3. La méthode AHP
3. Application de la méthode à la région Provence-Alpes-Côte d’Azur
3.1. Sélection d’un panel d’experts représentatif de la vulnérabilité du territoire
3.2. Présentation des résultats obtenus
3.3. Analyse des résultats obtenus
Conclusion du chapitre
Chapitre 3 : Mise au point d’un indice pour passer de l’aléa au risque
Introduction du chapitre
1. Qu’est-ce que le risque inondation ?
1.1. Définir le risque
1.2. L’évaluation du risque
2. Identifier les territoires du risque
2.1. Comment définir une zone inondable ?
2.2. Produits utilisés dans le cadre de la thèse
2.3. Comparaison EAIP / CARTINO
3. Construction d’un indice de risque
3.1. Méthode proposée
3.2. Application de l’indice de risque à l’échelle communale
3.3. Application de l’indice de risque à l’échelle de la méthode AIGA
Conclusion du chapitre
Chapitre 4 : Données de dommages
Introduction du chapitre
1. Quelles données de dommages ?
1.1. Terminologie et définitions
1.2. Type de dommages
2. Les bases de données existantes sur les dommages liés aux catastrophes
2.1. Les bases de données multi-aléa
2.2. Les bases de données spécialisées sur les inondations
2.3. Les bases de données françaises
2.4. Limites et besoins en termes de données de dommages
3. La base de données DamaGIS
3.1. Présentation de la base de données
3.2. Sources d’information
3.3. Structure de la base de données
3.4. Typologie des enjeux endommagés
3.5. Evaluation de la sévérité des dommages matériels
3.6. Limites et avantages présentés par l’utilisation de DamaGIS
Conclusion du chapitre
Chapitre 5 : Mise en application de la méthode et évaluation des performances
1. Présentation des zones d’études pour l’évaluation de l’indice de risque
1.1. Département du Gard : Les Gardons
1.2. Département du Var : L’Argens
1.3. Département des Alpes-Maritimes : le Riou de l’Argentière, la Grande Frayère et la Brague
2. Evaluation de la méthode dans les zones d’étude
2.1. Tables de contingence
2.2. Courbe de ROC (Receiver Operating Curve)
3. Evaluation exhaustive à partir de données CATNAT
3.1. Données de validation : les arrêtés CATNAT
3.2. Méthodologie
3.3. Résultats de l’évaluation à partir des CATNAT
3.4. Analyse des résultats
4. Evaluation spatiale événementielle à partir des données de DamaGIS
4.1. Méthodologie
4.2. Résultats issus des scores
4.3. Analyse détaillée de deux évènements
Evènement du 25 au 27 novembre 2014
Evènement du 3 octobre 2015
Conclusion du chapitre
Conclusion générale
· Comment passer de l’aléa crue au risque de dommages liés aux inondations ?
· Comment passer d’une caractérisation « statique » à une caractérisation « dynamique » du risque de dommages ?
· Comment passer d’une évaluation qualitative à une évaluation exhaustive ?
Principaux résultats
Perspectives de la thèse
Une continuation de DamaGIS en fonctionnement participatif ?
Une évaluation de l’exposition humaine ?
Une application multirisque ?
Bibliographie
Annexes
Annexe A : Recueil de définitions pour la notion de vulnérabilité dans la littérature
Annexe B : Support de présentation des entretiens AHP
Annexe C : Support de présentation des entretiens AHP
Annexe D : Evaluation du risque de dommages à l’échelle communale de T50 à T1000
Annexe E : Data Paper sur la base de données DamaGIS
Annexe F : Liste des communes par zone d’étude
Annexe G : Ratio de la surface CARTINO/EAIP par commune et par zone d’étude
Annexe H : Comparaison des qualifications AIGA avec l’estimation du risque de dommages potentiels et les dommages observés pour différents évènements de crues
Evènement du 5 au 6 novembre 2011
Evènement du 12 au 13 septembre 2015
Evènement du 17 au 21 septembre 2014
Evènement du 10 novembre 2014
Evènement du 19 janvier 2014