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Influence anthropique sur le régime des eaux 1 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique DETERMINATION DES RISQUES D'INONDATION EFFETS DE L'AMENAGEMENT.

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1 Influence anthropique sur le régime des eaux 1 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique DETERMINATION DES RISQUES D'INONDATION EFFETS DE L'AMENAGEMENT DE L'ESPACE

2 Influence anthropique sur le régime des eaux 2 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique POSITION DU PROBLEME Identifier les effets induits par les aménagements de l'espace sur le régime des eaux(crues, inondations) Evaluer quantitativement et, si possible, analytiquement ces conséquences Eclairer le fonctionnement du système complexe "naturel et social", caractéristique de ce type de questionnement Mobiliser la programmation et les produits de la recherche, bien au-delà de l'Hydrologie Produire des méthodes rigoureuses à l'attention des aménageurs

3 Influence anthropique sur le régime des eaux 3 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique

4 Influence anthropique sur le régime des eaux 4 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique UN OBJET DE RECHERCHE COMPLEXE Etude des processus physiques, biologiques et chimiques élémentaires Changement déchelle - Utilisation de concepts/modèles à différentes échelles Stationnarité des processus (modèles statistiques) Interactions avec les Aménageurs

5 Influence anthropique sur le régime des eaux 5 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique Occupation des sols, une évolution/redistribution permanente

6 Influence anthropique sur le régime des eaux 6 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique

7 Influence anthropique sur le régime des eaux 7 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique Occupation des sols, des changements historiques

8 Influence anthropique sur le régime des eaux 8 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique Occupation des sols, des changements historiques

9 Influence anthropique sur le régime des eaux 9 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique SEGMENTATION DU PROBLEME On traitera successivement : Les effets des aménagements du réseau hydrographique lui-même (topologie de réseau, problématique 1D). On dispose du maximum d'outils Un type d'impact de l'usage des sols du bassin versant, l'interaction forêt-inondations-régime des eaux (topologie de domaine, problématique 3D). On dispose de moins d'outils La diversité spatialisée des aménagements de l'espace, qui traduit la problématique complète. L'expérimentation est très difficile, et les outils rares Le schéma d'étude étant toujours basé sur l'intégration des besoins de connaissance du fonctionnement du système physique et des besoins des Aménageurs

10 Influence anthropique sur le régime des eaux 10 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique Les fondements scientifiques de la connaissance (et de la modélisation) du cycle de l'eau dédiée à cette thématique "aménagements-inondations" se retrouve dans deux notions essentielles : La FONCTION DE PRODUCTION (pluie nette) La FONCTION DE TRANSFERT (formation du débit) qui représentent un niveau d'agrégation des processus de base cohérent avec les besoins de l'aménagement et scientifiquement pertinents. Notions "médiatrices" entre les processus et l'aménagement LE FONCTIONNEMENT DU SYSTEME PHYSIQUE

11 Influence anthropique sur le régime des eaux 11 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique LES STRATEGIES D'AMENAGEMENT DE L'ESPACE L'ensemble des aménagements de l'espace, dans leurs interactions avec la dynamique du fonctionnement du système naturel peut également se retrouver dans une notion fondamentale qu'on résumera par : "ECHANGER du TEMPS contre de l'ESPACE, et RECIPROQUEMENT" Le barrage est l'exemple de mobilisation de l'espace pour "se donner du temps", l'endiguement préserve l'espace mais accélère considérablement les flux. "TRAITER les FLUX versus les VOLUMES"

12 Influence anthropique sur le régime des eaux 12 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique AMENAGEMENT HYDRAULIQUE DU RIUL NEGRU La surface du bassin versant du Riul Negru est de 2320 km 2. La longueur de la rivière principale est de 80 Km, et elle a 5 affluents principaux. La période étudiée est [ ]. 125 km d'endiguements ont été réalisés en 78/79 à des fins de protection agricole (BV : 55% forestier, le reste est essentiellement rural) Le régime des pluies est resté stationnaire pendant toute la période étudiée

13 Influence anthropique sur le régime des eaux 13 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique AMENAGEMENT HYDRAULIQUE DU RIUL NEGRU Influence des aménagements du Riul Negru sur le régime des crues à l'aval

14 Influence anthropique sur le régime des eaux 14 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique QIXA10 Débit Instant. Maxi. T=10 ans

15 Influence anthropique sur le régime des eaux 15 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique La spirale de l'aménagement hydraulique

16 Influence anthropique sur le régime des eaux 16 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique FORÊTS, CRUES et REGIME DES EAUX Comment identifier les modifications du comportement hydrologique liées à l'évolution du couvert forestier ? Le traitement par l'action, la déforestation/reforestation des bassins versants … de recherche L'étude de bassins versants adjacents, appariés ou "jumeaux" La modélisation à base conceptuelle, et la détection de tendances et d'instationnarités (débits), en relation avec l'évolution du couvert végétal La modélisation à base physique qui explicite l'ensemble des cheminements de l'eau et des transferts de matières et d'énergie à l'échelle du BV

17 Influence anthropique sur le régime des eaux 17 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique FORÊTS, CRUES et REGIME DES EAUX Les études (biblio internationale 2002 dans la thèse de V. Andréassian) sur bassins versants ont montré que la suppression de l'écosystème forestier (déboisement) pouvait augmenter à la fois les pointes et les volumes des crues, mais cet effet est très variable, et peut même s'inverser certaines années. Les conditions du déboisement (travaux d'exploitation) sont peut être la composante principale de l'impact sur les crues Les études de reboisement (plus rares) montrent un effet très faible, qui devient nul pour les crues les plus fortes.

18 Influence anthropique sur le régime des eaux 18 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique BILAN BIBLIOGRAPHIQUE Bassin Versant Surface ha RéférenceSurface traitée Variation du pic (%) Variation du volume (%) Wagon Wheel Gap 81Bates et Henry %+50%+30% Coweeta44 à 144Swank et al %+7 à 30% Hubbard Brook 16 à 35Horneck et al %-40 à +63% Fool Creek289Troendel et King %-18 à +108%-5 à +18% ECEREX1 à 1.6Fritsch %+17 à +166%+21 à +104% Brownie Creek 2134Burton %+45%

19 Influence anthropique sur le régime des eaux 19 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique INFLUENCE DU COUVERT VEGETAL SUR LES CRUES Les deux bassins suivants ont été étudiés du point de vue de leur couvert végétal différent Les modélisations conduites montrent que les crues de la Vauxonne sont deux fois plus fortes et intenses que celles de l'Ardière, ce qui met en évidence, dans ce cas précis, le rôle régulateur de la forêt. MAIS, si on simule d'autres régimes de pluie (Nantes -796 mm- et Chartreux mm-) on montre que le rôle régulateur de la forêt s'estompe avec l'intensité de la pluie.

20 Influence anthropique sur le régime des eaux 20 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique Dans un premier temps l'étude montre que le paramétrage des modèles hydrologiques, fortement différencié d'un bassin à l'autre, est la "signature" (donc proche d'un invariant) du rôle joué par l'entité végétale sur les crues observées; Dans un deuxième temps, des simulations permettent de comparer, pour une même pluie fictive d'entrée, le comportement hydrologique d'un bassin du même type dans un contexte climatique différent (océanique, continental alpin,..). INFLUENCE DU COUVERT VEGETAL SUR LES CRUES

21 Influence anthropique sur le régime des eaux 21 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique INFLUENCE DE L'AMENAGEMENT DE L'ESPACE SUR LES CRUES Confrontés à la complexité maximale de la distribution d'aménagements, eux mêmes de types multiples, dans un bassin versant, on ne dispose que de méthodes d'étude plus ou moins adaptées, de très peu de mesures pertinentes, et de quasiment aucune expérimentation (sauf en milieux urbains denses). Deux outils hydrologiques principaux : La modélisation à base conceptuelle La modélisation à base physique Il existe des ELEMENTS DE CONVERGENCE

22 Influence anthropique sur le régime des eaux 22 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique LA MODELISATION A BASE CONCEPTUELLE Elle a beaucoup d'inconvénients et de limitations : Ne pas rendre compte des processus naturels (pluie moyenne de BV ?) Souvent limitée à la transformation pluie-débit Travaille sur des chroniques longues, Donc a posteriori Elle a aussi beaucoup d'avantages et de points forts : Simplicité, parcimonie des variables d'état et de contrôle Consomme peu de types différents de données Peut se mettre en œuvre sur un grand nombre de cas Simple à transférer vers l'ingénierie et donc l'aménagement Action principale : détection d'instationnarités (variables caractérisant le régime des eaux) à mettre en regard de l'évolution de l'occupation/usage des sols

23 Influence anthropique sur le régime des eaux 23 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique MODELISATION A BASE PHYSIQUE En théorie, c'est l'outil parfait dans ce domaine, dès lors que l'ensemble des processus, cheminements, bilans de masse et d'énergie, …, sont explicités de manière distribuée (maillage) dans le bassin versant En pratique, et au-delà des problèmes fondamentaux de l'échelle à laquelle ont peut utiliser LES équations de la physique, la mesure des paramètres distribués est impossible (infaisable pour l'avenir, impossible dans le passé), les questions d'unicités de solution et d'incertitudes redoutables. Par ailleurs ces modèles restent sur- paramétrés et soumis à des processus de calage (d'apprentissage) Ils sont indispensables comme "boite à outils" analytique

24 Influence anthropique sur le régime des eaux 24 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique La recherche reste assez démunie pour affronter ce problème, ceci d'autant plus que le problème inverse, et pas seulement le problème direct, intéresse les aménageurs, ce que l'on peu traduire par : "quels sont les paramètres à considérer, et sur lesquels agir, pour que la dynamique de fonctionnement du système considéré (bassin versant) se retrouve sur une trajectoire prévue à l'avance, et souhaitée optimale" Un élément fondamental pour la recherche est la capacité de recueil de données/information et d'expérimentation INFLUENCE DE L'AMENAGEMENT DE L'ESPACE SUR LES CRUES

25 Influence anthropique sur le régime des eaux 25 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique Le problème de la mesure des paramètres environnementaux est crucial en France : Les réseaux nationaux opérationnels sont en difficulté La culture de la "mesure" est à réhabiliter Les ORE sont un outil indispensable L'évaluation scientifique et technique de la métrologie environnementale est à revaloriser impérativement CE QUI SE MESURE S'AMELIORE

26 Influence anthropique sur le régime des eaux 26 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique ELEMENT DE COMPLEXITE SUPPLEMENTAIRE : LHUMIDITE DANS LES SOLS Etat de lhumidité dans les sols Entre les deux « bosses » dune crue

27 Influence anthropique sur le régime des eaux 27 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique Conséquences de l'humidité des sols

28 Influence anthropique sur le régime des eaux 28 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique L'IMPACT des AMENAGEMENTS PEUT AUSSI DEVENIR MARGINAL

29 Influence anthropique sur le régime des eaux 29 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique POUR PROGRESSER, RENVERSONS LE PROBLEME La recherche peut aussi s'organiser pour répondre aux sollicitations opérationnelles, dans un rapport d'interactivité avec ses utilisateurs, plutôt que "descendant", du cognitif académique vers la recherche de solutions (problem solving) L'accroissement des connaissances sur les processus élémentaires de l'Hydrologie est une nécessité, ce n'est pas la seule d'une part, et surtout ce n'est pas une condition suffisante pour traiter cette question de l'effet des aménagement sur le régime des eaux L'élaboration de stratégies d'aménagement (suscitées) par les utilisateurs doit aussi rentrer dans le système à étudier globalement par la recherche

30 Influence anthropique sur le régime des eaux 30 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique Le Ralentissement Dynamique

31 Influence anthropique sur le régime des eaux 31 P. GIVONE, Cemagref, Direction Scientifique MULTI-FONCTION de L'ESPACE, CRUES et INONDATIONS


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