DIRECTION DEPARTEMENTALE DES TERRITOIRES ET DE LA MER DU NORD

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1 PPRI Aunelle et Hogneau COTEC DIRECTION DEPARTEMENTALE DES TERRITOIRES ET DE LA MER DU NORD Méthode d'élaboration du PPRNI et de définition des solutions alternatives Livrable 1.2 : Méthode particulière de définition des aléas et des enjeux Phase I Version 4.0 Février 2011

2 Le PPRNI de l'aunelle et de l'hogneau a été prescrit par le préfet du Nord. La Direction Départementale des Territoires et de la Mer du Nord assure l'instruction du Dossier. Les études techniques ont été confiées au groupement d'entreprises : Alp'Géorisques et IMDC. Ce document a été diffusé après validation par les services de l'état. Ce document (livrable 1.2) est l'un des cinq livrables de la phase 1 du projet de PPRNI dont il constitue une pièce indissociable. Il précise certains points méthodologiques de la procédure : Qualification des aléas inondation et caractérisation des enjeux

3 1 Sommaire 1 Une Démarche globale L'aléa inondation La méthode de Qualification de l'aléa L'aléa débordement historique Les Données de base Les données complémentaires sur les crues historiques L'aléa rupture de digue historique L'aléa de référence Etape 1: Crue de référence débordement La méthodologie QDF : modélisation hydrologique L'analyse des données hydrologiques : sélection des crues Modélisation hydrologique L'approche hydromorphologique Etape 2 : Aléa rupture de digue Inventaire et choix des scénarios de ruptures Restitution La modélisation hydraulique L'aléa débordement L'aléa permettant d'actualiser l'atlas Régional des Zones Inondables (ARZI) L'aléa rupture de digue La Construction du modèle Les simulations de ruptures et études de sensibilité La bande de sécurité et aléa rupture de digue Etape 3 : aléa de référence (harmonisation des aléas) Les enjeux Le recensement des enjeux La Méthode mise en œuvre Restitution La cartographie des enjeux stratégiques La détermination des enjeux exposés Les Critères locaux La base de donnée SIGALE La typologie des zones urbaines Les centres urbains Les villages-rue et les Faubourgs-rue L'habitat pavillonnaire et lotissements modernes...49

4 6.5.4 l'habitat collectif L'habitat diffus L'urbanisation industrielle Les Dents creuses Les autres zones Les zones agricoles Les zones naturelles Les zones de chantier (carrière, décharge, etc.) Les zones sportives et de loisir Cas particuliers : Les ZEC et les PAU Les zones d'expansion des crues Les Parties actuellement urbanisées Rapports de phase...53

5 3 LIVRABLE 1.2 : MÉTHODE POUR DÉTERMINER LES ALÉAS ET LES ENJEUX 1 UNE DÉMARCHE GLOBALE Le présent livrable a pour objectif d expliciter la méthode de qualification des aléas et des enjeux sur le territoire du Plan de Prévention des Risques Inondation de la vallée de l Hogneau et de ses affluents. L'aléa de référence est obtenu en parcourant les étapes suivantes : 1) modélisation hydrologique : le modèle hydrologique donne la relation entre la précipitation et le débit vers le cours d eau. Les données d'entrées sont les précipitations, le résultat est une série temporelle de débits dans le cours d'eau. 2) modélisation hydraulique :le modèle hydraulique va ensuite traduire les débits du modèle hydrologique en niveaux d eau dans la rivière et dans les vallées modélisées. Les résultats de la modélisation sont validés sur base de crues historiques. 3) aléa de référence : l'aléa centennal est calculé avec le modèle hydraulique. 2 L'ALÉA INONDATION Un aléa naturel est la probabilité qu'un événement naturel violent survienne dans une zone et que celui-ci porte atteinte aux personnes, aux biens et/ou à l environnement. C'est un concept important dans l'étude des risques majeurs et pour l'aménagement des territoires. L aléa combiné aux enjeux (personnes, biens ou environnement) permet d'estimer le risque naturel qui caractérise chaque zone inondable. Le risque est donc la combinaison d un aléa et d un enjeu susceptible de subir des dommages et des préjudices.

6 4 Plusieurs types d aléa sont rencontrés en France (aléas climatiques, volcaniques, sismiques). Selon l'institut international de l'eau de Stockholm (SIWI), pour la période , environ 80% des catastrophes naturelles étaient d'origine météorologique ou hydraulique. Ce sont les catastrophes naturelles qui produisent le plus de dégâts. Elles peuvent avoir différentes causes, qui sont toutes cumulables : causes naturelles (phénomènes météorologiques), causes anthropiques directes (le drainage, l'irrigation, l'imperméabilisation et la dégradation des sols qui peuvent accélérer le ruissellement de l'eau et en limiter l'infiltration), causes humaines directes (canalisation des cours d eau naturels avec des barrages et des écluses qui permettent la navigation et le transport fluvial, mais empirent souvent les inondations à l aval) et les causes humaines indirectes (liées aux modifications climatiques globales). La définition d une inondation est un débordement d'un cours d'eau, le plus souvent en crue, qui submerge les terrains voisins. Le terme est souvent étendu aux débordements par les égouts ou par rupture de digue. Des inondations peuvent aussi se produire en amont des cours d'eau, suite à la génération de quantités importantes de ruissellement au niveau de terres cultivées par exemple. Ce ruissellement donne alors lieu à une inondation boueuse, ce qui ne sera pas pris en compte dans cette étude (sauf pour l aléa historique). Dans certains cas, l'inondation met en jeu des mécanismes hydrologiques plus complexes, comme des crues dues à une remontée de la nappe phréatique. Le présent marché étudiera l aléa inondation par débordement et par rupture de digue dans le bassin de l Hogneau. 3 LA MÉTHODE DE QUALIFICATION DE L'ALÉA L aléa est une notion complexe, souvent mal perçu par les élus. S il est aisé de considérer l aléa en terme d intensité, exprimé par une hauteur, une vitesse, éventuellement une durée de submersion, en revanche la notion de période de retour reste souvent beaucoup plus floue. Cette incompréhension s exprime en particulier pour les crues rares ou exceptionnelles qui pour certaines sont très anciennes (à l échelle humaine, c'est-à-dire, plus de 50 ans) ou pire, qui sont théoriques, introduisant alors la notion de phénomène de référence «potentiel». L'État, comme ses prestataires, sont alors accusés d «ouvrir le parapluie» (Cf. Guide la concertation dont est tiré l image ci-contre). Pourtant, la qualification de l aléa sur laquelle va se fonder le projet de PPRNI se veut une notion technique, scientifique et donc par définition rigoureuse. Plusieurs approches complémentaires seront mises en œuvre pour atteindre l objectif : L approche historique (répertoriant l ensemble des inondations naturelles passées pour lesquels des données sont disponibles) ; L approche mathématique (statistiques sur les précipitations et sur les débits, modélisation des écoulements, modélisation des ruptures de digues, etc.) ;

7 5 L approche pragmatique de terrain (hydrogéomorphologie, validation des calculs, etc.) L'approche historique sert de support pour les 2 approches suivantes. Les données récoltées sur les crues passées serviront en effet à valider l'approche mathématique et l'approche pragmatique. La modélisation hydrologique et hydraulique sera utilisée pour les cours d'eau principaux (Hogneau, Aunelle, Bavay, courant de Vaucelles) et pour les zones à enjeux importants dans la partie aval du bassin. La modélisation re quiert néanmoins des relevés topographiques du lit mineur et des ouvrages. L'approche hydrogéomorphologique peut par contre être utilisée dans les parties en amont des bassins versants, là où les enjeux ne sont pas importants et là où peu de données topographiques ne sont disponibles. La partie amont du bassin versant est en effet peu sensible aux débordements et ne présente pas ou peu d enjeux significatifs. La modélisation hydraulique sera donc appliquée là où des relevés topographiques sont disponibles (Hogneau, Aunelle, Bavay, courant de Vaucelles) et où des enjeux sont présents, tandis que l'approche hydrogéomorphologique sera utilisée dans les parties amont des bassins versants, où il n'y a pas d'enjeux, ni de relevés topographiques. La précision de la modélisation hydraulique dépend du nombre et de la qualité des données disponibles. Cette précision peut se traduire en fonction de la présence des enjeux, puisque pour ces zones, il y a souvent beaucoup de données précises (enveloppes d'inondations pour différentes crues historiques, laisses de crue, PHEC, limnimètres,...) et le modèle sera donc précis (ordre de grandeur de 5 à 10 cm). Quand on s'éloigne des zones habitées et des enjeux, les données deviennent moins précises (contours des inondations flous ou méconnus, pas de laisses de crues,...) et le modèle perd en précision. Pour les ruptures de digues, la précision sera la même que pour les zones à forte concentration d'enjeux, avec cette différence que inondations en dehors du lit mineur seront plus détaillées puisqu'on utilise un modèle 2D. 3.1 L'ALÉA DÉBORDEMENT HISTORIQUE LES DONNÉES DE BASE La plus grande crue observée à ce jour au limnimètre de Baisieux (en aval du bassin versant de l Hogneau) est celle de décembre 1993, avec une occurrence légèrement supérieure à celle d une crue décennale (voir la Figure 1). Il faut néanmoins préciser que la station de Thivencelle enregistre les apports de l Hogneau cumulé avec ceux de l Aunelle et qu ainsi une tout autre statistique peut voir le jour à Thivencelle. La caractérisation des crues historiques pour déterminer le plus grand aléa historique devra donc être actualisée avec les données récentes disponibles à ce jour (Thivencelle et Baisieux, la station de Gussignies n étant plus opérationnelle). Il faut néanmoins tenir compte des phénomènes de rupture de digue. Ils se sont produits lors de la crue de janvier 1995 et de janvier La rupture des digues en 2002 s est produite sur la rive droite à Crespin et le débit déversé a inondé Hensies. Ceci fausse donc la statistique du limnimètre de Thivencelle puisqu une partie du débit a été «perdu» du système hydraulique. Les données des limnimètres seront analysées et

8 6 contrôlées, tout en utilisant les enquêtes et les rencontres pour permettre une vérification et une confirmation de celles-ci. Figure 1: Courbes QDF de l Hogneau (Grande Honnelle) à Baisieux et indication des débits de pointes des crues modélisées. A ce stade de l étude, il est peu probable qu une crue récente ait dépassé l ampleur de celle observée en décembre 1993 (temps de retour légèrement supérieur à la décennale). L'aléa de référence à prendre en compte pour élaborer les Plans de Prévention des Risques d'inondation sera donc probablement l'aléa centennal modélisé LES DONNÉES COMPLÉMENTAIRES SUR LES CRUES HISTORIQUES Les crues historiques forment une source de données importantes pour la validation du modèle hydraulique. La recherche des données complémentaires sur les crues historiques est un des éléments clef saisissant la compréhension du fonctionnement hydraulique global du secteur d étude. Les données sur les crues historiques comprennent les informations tirées de l analyse des études existantes, avec une attention particulière pour les études hydrologiques/hydrauliques et les archives sur des événements de crues dans l ensemble du bassin versant et plus particulièrement dans les zones urbaines (agglomération de Valenciennes). Ces informations seront combinées avec celles sortant des échanges avec les acteurs de la gestion de l eau (pendant les enquêtes ou les réunions de validation) et celles recueillies pendant les visites de terrains. Il s agit de :

9 7 1. L identification des crues historiques, avec une attention particulière pour les crues récentes 2. La délimitation des zones d expansion des crues (associées aux crues spécifiques) sur base de : observation des relations vallées/zones d inondations/cours d eau laisses de crues informations recueillies lors des rencontres avec des riverains, etc. Figure 2: Exemple d une cartographie des étendues des inondations (à gauche avec la récurrence) et des résultats du modèle hydraulique (à droite, pour 3 crues historiques). Cette cartographie est indispensable pour le calage du modèle hydraulique. Les causes des inondations (associés aux crues spécifiques) : débordements du cours d eau suite à événements hydrologiques exceptionnels entretien des cours d eau (entre autre alluvionnement, végétation, accumulation de déchets, ) gestion des ouvrages hydrauliques ruptures de digues etc. remontée de nappe ruissellement égouts etc.

10 8 Toutes les informations géographiques (extension des zones inondables, ) seront intégrées dans une couche SIG. Un tableau dédié aux différents événements de crues et inondations y sera associé. La cartographie est conçue comme un document de travail qui sera adapté sur base des commentaires pendant les échanges avec les acteurs et riverains lors des visites de terrains. 3.2 L'ALÉA RUPTURE DE DIGUE HISTORIQUE Une attention particulière sera mise sur la collecte des données sur les ruptures historiques du bassin versant (janvier 1995 et janvier 2002). Toutes les informations sur ces évènements (phénomène de surverse, phénomènes de rupture, géométrie, composition, ) seront rassemblées et analysées. Ceci servira, entre autre, à déterminer le dernier niveau de protection de chaque zone endiguée. 4 L'ALÉA DE RÉFÉRENCE L'aléa de référence est la plus forte crue connue ou, si cette crue est plus faible qu'une crue de fréquence centennale, cette dernière. La définition de la crue centen nale est un point essentiel et sensible de l étude PPRNI et c'est en ce sens que ces documents sont souvent remis en question. Pour parer à toute critique, le choix de l aléa de référence doit être transparent et scientifiquement correcte. IMDC propose d utiliser la méthode QDF (Q : débit, D : durée, F : fréquence), qui est fréquemment utilisée sur un modèle hydraulique -calibré avec des évènements historiques- pour obtenir l aléa centennal. La démarche QDF s inscrit dans une démarche de quantification probabiliste de l aléa hydrologique de façon analogue à l approche IDF. L analyse se fait sur les débits sortant du modèle hydrologique avec une extrapolation pour les plus grandes périodes de retour. Les courbes QDF peuvent être exploitées pour construire des hydrogrammes composites (hydrogrammes de projet) qui présentent des caractéristiques en débit homogènes en fréquence (crue centennale). Les avantages de la méthode QDF sont: - les enveloppes d'inondation pour une crue décennale ou centennale sont valable en tous points du modèle hydraulique - la crue de projet centennale contient les caractéristiques de débits et de volume propre à une période de retour centennale - la méthodologie QDF est la meilleure méthodologie pour des systèmes uni-modales (comme c'est le cas pour le bassin versant de l'hogneau), dont la ligne d'eau n'est pas déterminées par la condition limite aval L harmonisation de l aléa débordement se fera sur 2 scénarios (aléa avec le maintien des digues et aléa considérant la transparence des digues). Une seconde harmonisation sera réalisée entre l aléa débordement et l aléa rupture de digue. Une cartographie des aléas sera proposée sur l ensemble de la zone d étude. Elle respectera (a priori) les trois ou quatre classes d aléa établies selon les critères hau -

11 9 teur-vitesse en vigueur dans le département ou sur proposition du chargé d étude et validation par le Maître d ouvrage au lancement de l étude. Cette grille pourra être de la forme : V < 0,20 m/s 0,20 < V < 0,50 m/s V > 0,50 m/s H < 0,50 m Faible Moyen Fort 0,5 < H < 1 m Moyen Fort Fort H>1m Fort Fort Fort cf. guide méthodologique P.P.R.N., risques inondation du MEEDDM. Nous proposerons un sémiologie graphique évitant toute confusion avec les zones bleues et rouges du PPRNI. 4.1 ETAPE 1: CRUE DE RÉFÉRENCE DÉBORDEMENT LA MÉTHODOLOGIE QDF : MODÉLISATION HYDROLOGIQUE La méthodologie QDF se base sur la modélisation hydrologique pour déterminer les hydrogrammes d'apport d'une crue centennale pour le modèle hydraulique. Les paragraphes suivants donneront une description générale de la modélisation hydrologique (avec l outil PDM) et de la méthodologie QDF pour la sélection de l aléa de ré férence. Une description de l outil PDM du logiciel Infoworks se trouve dans les annexes de ce rapport. L objectif de l étude hydrologique est la sélection des crues et la détermination des hydrogrammes d apport pour le modèle hydraulique. Les crues historiques seront utilisées pour caler et valider les modèles hydrologiques et hydrauliques, les hydrogrammes d'apport synthétiques (QDF) permettront d'obtenir les crues décennales (actualisation de l'arzi) et centennales (PPRNI). Il y a une distinction à faire entre l analyse complète des données hydrologiques à hauteur des limnimètres pour sélectionner les crues, et la construction des modèles hydrologiques L'ANALYSE DES DONNÉES HYDROLOGIQUES : SÉLECTION DES CRUES L'analyse des données hydrologiques donne une meilleure compréhension du régime d écoulement du bassin versant à hauteur des stations hydrométriques et permet de justifier le choix des crues pour le calage des modèles hydrologiques et hy-

12 10 drauliques. L'analyse comprend plusieurs étapes qui sont décrites dans les paragraphes suivants Analyse des caractéristiques du bassin vers ant Cette analyse comprend : Une description du réseau hydrographique (y compris les thalwegs des sousbassins versant). Un découpage en sous-bassins versants : il sera réalisé en fonction de la répartition des stations hydrométriques et les besoins de la modélisation (points d entrés des hydrogrammes les sous-bassins versants des affluents principaux) Le calcul des caractéristiques moyennes de terrain à l aide d un SIG. Il s agit surtout des caractéristiques déterminant l écoulement superficiel : occupation de sol (SIGALE), texture du sol (en tant que disponible), des paramètres morphométriques (à partir d un MNT) L'analyse des données hydrologiques L analyse des données hydrologiques disponibles et l analyse des études existantes, doit aboutir à une formulation des besoins des données complémentaires pour la modélisation hydrologique. Il est très important de disposer des séries temporelles de longue durée (pas de temps journalier et au moins une station avec un pas de temps horaire). L analyse des données hydrologiques comprend une validation et description des séries temporelles de mesures hydrologiques. 1) Données météorologiques Les données météorologiques sont essentielles dans la méthode proposée et de longues séries temporelles sont nécessaires afin d aboutir à un résultat correct pour la définition de la crue centennale. Au plus long les séries de précipitation, au meilleur sera la fiabilité de la crue centennale avec la méthode QDF. Des séries de 30 à 40 ans sont généralement suffisants pour une crue centennale fiable. Les données météorologiques sont en général contrôlées et validées par Météo France ou l IRM (Institut Royal Météorologique de Belgique). D autres séries temporelles de précipitation (DREAL, GIHM, ) peuvent être disponibles et devront être contrôlées par rapport à celles de Météofrance afin de vérifier la concordance de leurs volumes. Il est également possible de faire appel aux données enregistrées par les 6 pluviomètres qui ont été installés dans le cadre du projet GIHM à Houdain-lezBavay en France et à Baisieux, Quévy-le-Petit, Blaugies et Givry en Belgique. Il est important de disposer d un nombre de stations suffisantes afin de pouvoir produire une série temporelle des précipitations pertinentes pour les différents secteurs de la zone hydrographique de l Hogneau et de l Aunelle. Si tel n est pas le cas, les données d autres stations devront éventuellement être acquises.

13 11 Figure 3: Localisation des pluviographes et pluviomètres dans et autour du bassin versant de l'hogneau. Il n'y a pas de pluviographe (précipitation à pas de temps horaire) dans le bassin ver sant de l'hogneau et de l'aunelle. Par contre, 4 pluviographes trouvent à une proximité relative de la zone d'étude. IMDC possède les données des stations de Anvaing, Lille-Lesquin et de Cambrai-Epinoy jusqu'en 2002 (situées à environ 50 km), mais pas de Wasmuel, le pluviographe le plus proche du bassin versant de l'hogneau (~10-15 km). Celui-ci a fonctionné jusqu'en décembre 2007, mais peut être remplacé par le pluviographe de Godarville (situé près de Charleroi, à 40 km de Bavay). Pluviographe (B / F) Anvaing (B) Code KMI D6 (38) Drongen/Melle (B) KMI CS5/CS90 (08) Wasmuel (B) KMI H4 Lille-Lesquin (F) MF Cambrai-Epinoy (F) MF

14 12 Figure 4: Données disponibles des pluviographes proches du bassin versant de l'hogneau. Le nombre de pluviomètres (précipitation à pas de temps journalier) est plus nombreux, dont plusieurs stations sont situées dans le bassin versant de l'hogneau. Par contre il n'y a plus qu'une dizaine de pluviomètres qui sont encore actif, dont celle de Maubeuge dans la zone d'étude. Vu que l'hogneau est transfrontalier, il peut être intéressant d'utiliser les pluviomètres belges situés dans les alentours. Pluviomètre (F) Code INSEE Début Fin Code Bassin Bavay MF /01/ /12/1990 E182 Bavay MF /01/ /12/1913 E182 Bavay MF /01/ /12/1886 E182 Beaudignies MF /07/ /12/1996 E176 Berlaimont MF /11/ /12/1996 D015 Bermeries MF /11/ /01/1963 E182 Bouchain MF /06/1974 E171 Cappelle-en-Pevele MF /01/1936 E334 Curgies MF /04/1960 Dimont MF /03/1990 Elesmes MF /01/1939 Escaudoeuvres MF /04/1960 Gommegnies MF /11/ /12/1991 E176 D020 31/12/1960 E182 E128 31/12/1899 E182

15 13 Pluviomètre (F) Code INSEE Début Fin Code Bassin Jolimetz MF /10/ /12/1966 E176 Jolimetz MF /01/ /12/1996 E176 Le Quesnoy MF /01/ /12/1910 E176 Le Quesnoy MF /01/ /12/1913 E176 Le Quesnoy MF /01/1967 E176 Lecelles MF /04/1960 E237 Lille-Lesquin MF /12/1944 E311 Locquignol MF /10/1893 Maubeuge MF /01/59 D019 Saint-Amand-LesEaux MF /03/1990 E237 St-Hilaire-Sur-Helpe MF /09/2004 D015 Troisvilles MF /01/1952 E128 Valenciennes MF /12/1986 E176 Villers-Pol MF /01/ /12/1963 E176 Wargnies-Le-Petit MF /03/ /06/1902 E182 Pluviomètre (B) Code Autreppe KMI H12 Boussu Bois KMI H13 Hensies KMI H9 Mons Grand Large KMI H54 Quevy-le-Petit KMI H2 St-Symphorien KMI H1 31/12/1900 E176

16 14 Figure 5: Exemple d'un contrôle effectué sur base des volumes cumulés des données de précipitation. 2) Analyse des mesures limnimétriques Figure 6: Localisation des limnimètres dans le bassin versant de l'hogneau et de l'aunelle.

17 15 Un contrôle des observations limnimétriques sera effectué pour les stations limnimétriques dans le bassin et les bassins versants avoisinants. Cours d eau Station Hogneau Bellignies (F) Hogneau Gussignies (F) Hogneau (Grande Honnelle) Baisieux (B) Petite Honnelle Baisieux (B) Anneau Source Type Courbe(s) de tarage DGARNE h - DREAL h - DGARNE h, Q Oui DGARNE h - Thivencelle (F) DREAL Q Oui Anneau Marchipont (B) DGARNE h - Anneau Thivencelle (F) DREAL h, Q Oui Anneau Jenlain (F) DGARNE h - Ruisseau du Sart Eth (F) DGARNE h - Tableau : Aperçu des données limnimétriques disponibles dans le cadre de l étude GIHM (IMDC). 4 limnimètres ont été installées en 2005 sur le bassin hydrographique dans le cadre du projet GIHM afin de renforcer le réseau de mesure. Il s'agit des limnimètres situés à Eth, Jenlain, Bellignies et Gussignies. Les séries temporelles des débits (et de leur données de base, les niveaux d eau) seront soumis à un contrôle de qualité. Toutes les séries disponibles seront tout d abord comparées visuellement. Ce contrôle est accompagné d une description de la réponse hydrologique du bassin versant. Les contrôles suivants seront effectués : 1) la croissance des débits vers l aval (ou la grandeur des débits en fonction de la superficie du bassin) 2) contrôle de consistances des hydrogrammes pour différentes périodes de crues (vérifier que chaque station a enregistré tous les hydrogrammes signifiantes) et en cas de modélisation hydrologique, contrôle de consistances des hydrogrammes avec les périodes de précipitation (dans l exemple on remarque un décalage de 9h)

18 16 3) contrôle si les étiages baissent en période sans pluies importantes (une croissance peut être observée dans l été par cause de végétation ou par les conditions aval (refoulement à hauteur des barrages)) Le contrôle et l élaboration des séries temporelles de débit s effectuent conjointement avec la construction du modèle hydrologique. Une analyse des jaugeages pour la détermination des relations Qh, le calcul de l influence réaliste de rugosité et le calcul de l influence des conditions en aval seront effectués avec le modèle hydraulique. Il est possible que pour certaines périodes les séries de débits doivent être corrigées la correction des courbes de tarages s effectue seulement en concertation avec le MO. Des périodes imprécises doivent être exclues des calages Figure 7: A GAUCHE : Analyse des jaugeages par rapport aux relations Débithauteur (à la hauteur du limnimètre) du modèle hydrodynamique pour différents coefficients de rugosité (Manning). A DROITE : Correction des débits pour obtenir une meilleure correspondance entre les hauteurs observées et simulées. Correction effectuée grâce à la modélisation et au contrôle des séries limnimétriques avec les stations avoisinantes. Constitution d une série de précipitation zonale L évapotranspiration (de la station la plus proche du bassin versant de l'hogneau) et la précipitation zonale servent comme entrée au modèle hydrologique. La précipitation zonale est calculée avec les stations pluviométriques dans le voisinage selon la méthode Thiessen. Figure 8: Calcul de la précipitation zonale avec la méthodologie Thiessen pour les bassins de la Trouille et de l Hogneau en Belgique.

19 Sélection des crues L analyse hydrologique doit permettre de sélectionner les crues historiques (typiquement un événement de période de retour voisine à 10 ans, et un événement plus exceptionnel) pour le calage et la validation du modèle hydrologique et hydraulique. La sélection tiendra compte des plus grandes crues historiques (tant au point de pic de crue qu'en volume), avec une légère préférence pour les crues récentes, pour lesquelles plus de données sont disponibles (laisses de crue, zones inondées,...) et qui parlent plus aux élus et à la population MODÉLISATION HYDROLOGIQUE Les modèles hydrologiques doivent permettre de fournir des débits d apport au modèle hydraulique pour tous les sous-bassins versants (mesurés et non-mesurés), tant pour les crues historiques que pour les hydrogrammes synthétiques (QDF). Il est important de se rendre compte du fait que les séries temporelles des observations hydrométriques ne peuvent être utilisées comme apport hydrologique au modèle hydraulique que pour les points les plus en amont de chaque branche de ce modèle. Pour les sous-bassins versants non-mesurés, il faut déduire les apports d une autre façon. Le recalage proportionnel des hydrogrammes mesurés en fonction des superficies des sous-bassins versants amont par rapport à la superficie du bassin mesuré ne convient pas parce les observations hydrométriques en période de crue sont aplaties et étendues par les effets d écrêtement (inondations). La modélisation hydrologique de l'entièreté du bassin versant de l'hogneau offre une solution pour ce problème qui, en plus, est mieux adapté à prendre en compte les différences (souvent considérables) entre les coefficients de ruissellement des différents sous-bassins versants. Les hydrogrammes des sous-bassins versants non-mesurés sont déduits des bassins mesurés sur base des différents paramètres hydrologiques propres (constantes de temps pour le ruissellement superficiel,...) et des caractéristiques propres des bassins versants (voir plus loin «Détermination des paramètres des sous-bassins versants mesurés»). Une approche plus pragmatique (hydrogrammes recalés pour les sous-bassins versants à partir des hydrogrammes déterminés à hauteur des stations hydrométriques (en fonction de la superficie et autres caractéristiques des sous-bassins versants non-mesurés par rapport au bassin suivi)) sera suivie seulement en cas de manques des données Calage du modèle hydrologique Afin de paramétriser les modèles hydrologiques on commencera par construire des modèles hydrologiques aux stations avec une durée d observation longue de bonne qualité (par exemple l'hogneau à Baisieux et l'anneau à Thivencelle). Ces stations permettront de caler les paramètres qui influencent les flux hydrologiques lents (souterrains). Pour ce faire, on devra respecter certaines proportions entre les différents paramètres car ceux-ci ne sont pas indépendants l un de l autre. En partant des valeurs des paramètres issues du calage des séries temporelles les plus longues on pourra paramétrer les modèles hydrologiques aux hydromètres (me-

20 18 sures de débits) ayant des séries temporelles plus courtes. Les paramètres ne devront pas s écarter de trop des paramètres primaires. S il semble impossible d y parvenir, les paramètres des séries temporelles les plus longues devront être remis en question afin d obtenir des paramètres pour chaque hydromètre dans le bassin versant, même ceux avec une série de données de courte durée. Après le calage sur une sélection des crues, des contrôles complémentaires seront effectués. Un modèle sera considéré calé dès que : l écart entre les débits cumulatifs simulés et les débits enregistrés est négligeable (Figure 9). Figure 9: Débit cumulatif observé et simulé avec le modèle hydrologique de la Senne en amont de Bruxelles les caractéristiques des crues (périodes de retour) simulés sont comparables avec celles des crues enregistrées (Figure 10). Figure 10: Débit en fonction du période de retour débits observés et débits simulés avec de modèle hydrologique.

21 19 le contrôle des débits générés par le modèle hydrologique PDM et les débits observés est satisfaisant (Figure 11). Figure 11: Simulation hydrologique : débits observés par rapport aux débits simulés avec la modélisation hydrologique PDM Détermination des paramètres des sous-bassins versants mesurés Une relation entre les paramètres des sous-bassins versants non-mesurés et les paramètres hydrologiques du modèle hydrologique des sous-bassins versants mesurés est recherchée. Chaque sous-bassins versants se distingue par sa propre superficie et son set de paramètres. En pratique et par cause de manque de données de calage - seuls les paramètres K1 et K2 (les constantes de temps pour le ruissellement superficiel) seront déterminés en fonction des caractéristiques par analogie avec des sous-bassins versants similaires. Figure 12: Relation entre les paramètres k1 et k2 et la surface des sous-bassins versants. La relation obtenue sera employée pour les sous-bassins versants nonmesurés.

22 Simulation hydraulique I Les crues historiques seront utilisées dans la modélisation hydraulique afin de caler et valider celui-ci (voir plus loin). Un retour d'expérience du modèle hydraulique peut apporter des modifications au modèle hydrologique. De ce fait, la validation du modèle hydraulique valide également les résultats de la modélisation hydrologique Sélection des crues synthétiques: construction des hydrogrammes de crues de projet ( méthode QDF) Les hydrogrammes de projet (périodes de retour de 10 et 100 ans) seront déterminés à partir d une analyse QDF. Sachant que les événements pluvieux peuvent avoir des périodes de retour très différents de celles des débits, nous proposons de ne pas utiliser les caractéristiques de la précipitation pour la sélection des crues. Les crues de projet seront donc déterminées à partir d une analyse des valeurs extrêmes des débits résultant d une simulation de longue durée avec le modèle hydrologique. L'analyse des extrêmes se fera sur base de l'analyse des valeurs POT (peak over threshold en anglais) des séries temporelles de débits sortant du modèle hydrologique (à partir des longues séries temporelles de précipitation disponibles). Cette méthodologie consiste à utiliser l'ensemble des valeurs supérieures à un seuil choisi pour estimer les valeurs extrêmes. Les plus grandes périodes de retour sont obtenues par extrapolation des résultats statistiques. Les courbes QDF peuvent être exploitées pour construire des hydrogrammes de projet qui présentent des caractéristiques en débits homogènes en fréquence (crue décennale pour l'actualisation de l'arzi et crue centennale pour le PPRNI). Figure 13: Analyse des extrêmes (analyse POT - peak over threshold) pour les extrêmes observés et pour les extrêmes modélisés

23 21 Figure 14: Courbes QDF de la Grande Honnelle à Baisieux et indication des débits de pointes des crues modélisées. Figure 15: Hydrogrammes composites de la Grande Honnelle à Baisieux Simulation hydraulique II & analyse des cartes d inondations pour différentes périodes de retour Les crues synthétiques obtenues avec la méthode PDM sont ensuite utilisées comme condition limite dans le modèle hydraulique afin d'obtenir les cartes d'inondations pour différentes périodes de retour.

24 22 Figure 16: Cartes d inondations pour différentes périodes de retour pour la région en amont de Givry dans le bassin versant de la Trouille Crue de référence avec effacement de digue La méthode précédente permet de définir l'aléa débordement centennal (sans rupture et sans effacement des digues) pour l'aunelle, l'hogneau, le courant des Vaucelles et tous leurs affluents. La simulation hydraulique de la crue centennale sera répétée pour obtenir une description de l'aléa débordement avec la transparence des digues. Pour cela le modèle sera adapté en remplaçant les digues par le niveau du terrain des alentours. La définition d une digue (pour les différencier des merlons) sera établie en accord avec le MO. Selon le droit français, une digue est une levée de 50 cm au-dessus du terrain naturel Carte d inondation combinée Les résultats obtenus avec le modèle hydraulique (inondations avec effacement et sans effacement de digues) seront combinés pour réaliser la carte d inondations par débordements finale qui servira par la suite pour la définition des enjeux L'APPROCHE HYDROMORPHOLOGIQUE L approche hydromorphologique pourra être utilisée dans les parties en amont des bassins versants de l'aunelle et de l'hogneau, là où les inondations sont moins intenses et ne touchent pas de zones à enjeux (essentiellement des pâtures, des cultures et des zones naturelles). Cette méthode permet également de définir les inondations décennales et centennales quand il n y a pas de relevés topographiques disponibles (et que la modélisation hydraulique n est donc pas ou difficilement réalisable). La méthode est fondée sur le postula que les vallées alluviales sont façonnées par les grandes crues. En observant la forme du relief, il est possible de repérer

25 23 les limites des crues passées et ainsi d'identifier l'espace de liberté de la rivière ainsi que les grands traits de la structure de la rivière ayant un impact sur l écoulement en crue et le dynamisme du cours d eau Les éléments naturels Seront ainsi identifiés : les différents lits et chenaux de crues ; les indices d érosion, de transport, de sédimentation ; la nature du substrat (alluvions, lit rocheux, etc.) ; les terrasses alluviales, encaissant ; etc. Figure 17: Structure de la vallée alluviale (Guide cartographie des zones inondables Approche géomorphologique) La méthodologie qui sera suivie est la suivante : 1 Photo-interprétation stéréoscopique (sous réserve de disponibilité des clichés) : Figure 18: Stéréoscope Wild et photographie aérienne infrarouge couleur utilisés pour le PPRN de Thonon-les-Bains (74) en particulier pour l analyse hydrogéomorphologique de la Dranse Alp Géorisques

26 24 L exploitation de la photographie aérienne est riche d enseignement sur les phénomènes passés. A cette fin, nous utiliserons les photographies aériennes mises à disposition par le maître d ouvrage, pour une analyse diachronique (si plusieurs missions disponibles). Cette étude au moyen d un stéréoscope permettra d acquérir une vision du relief sur les photographies aériennes et d identifier les obstacles à l écoulement (talus, remblais, terrasses, lits fossiles, etc.) et de réaliser une première interprétation du fonctionnement du cours d eau. 2 - Interprétation du LIDAR et de la carte topographique: L exploitation du MNT et des données topographiques, combiné avec la photo-interprétation, permettra de compléter l identification des différents éléments structurants de la plaine alluviale. 3 - Reconnaissances de terrain : Ce volet constitue le fondement de la démarche. Les reconnaissances seront systématiques, ce qui garantira la qualité de l information recueillie. Les structures topographiques identifiées lors de la phase d interprétation du LIDAR seront validées sur le terrain. Ces reconnaissances permettront également de compléter et/ou d affiner l analyse des photographies, en particulier dans les secteurs à enjeux. Les reconnaissances seront pédestres, ce qui garantira la qualité de l information recueillie. Cette partie représente environ 60% du travail de la phase d analyse hydrogéomorphologique. Cette analyse permettra d identifier les unités hydrogéomorphologiques des cours d eau étudiés. 4 - Synthèse : carte hydrogéomorphologique : L ensemble des données sera reporté sur une carte dite hydrogéomorphologique. Celle ci est destinée à la compréhension de l historique et des conditions de formation de la plaine alluviale telle qu elle est composée aujourd hui. Les limites de ces unités hydrogéomorphologiques (talus, encaissant, plaine alluviale morphologique) seront reportées sur cette carte. Identification d éléments d occupation du sol susceptibles de jouer un rôle dans le fonctionnement hydraulique de la plaine alluviale fonctionnelle Ce volet consistera à identifier les aménagements et usages influençant le fonctionnement de la rivière en crue : remblais en lit majeur ; Figure 19: Extrait de l AZI de l Aujon (52) réalisé par Alp Géorisques : carte hydrogéomorphologique urbanisation et usages du sol ; digues, seuils, dérivation, extraction de matériaux ;

27 25 moulins, ponts ; forêts riveraines ; etc. L information sera là encore recueillie par analyse du MNT, des orthophotos et visites de terrain. Ces éléments seront reportés directement, mais en couches informatiques distinctes, sur le fond de plan servant de support à la carte hydrogéomorphologique. L exploitation de l ensemble de l information recueillie aboutira à l élaboration d une carte hydrogéomorphologique d inondabilité. Cette carte identifiera en particulier la correspondance entre les crues de référence (lit mineur, lit moyen et lit majeur) et les unités géomorphologiques (fonctionnement des différents lits structuraux en crue et incidence des modifications hydrauliques anthropiques en particulier, axes d écoulements en crue, etc.). Elle différenciera les zones de mobilité et de grand écoulement des champs d expansion des crues. Sur cette carte seront également précisés : les limites morphologiques (versants, falaises, talus, etc.); les usages du sol et aménagements en rapport avec la rivière (forêts, digues, remblais, ponts, etc.). Figure 20: Ruisseau des Prés Massins à Gommegnies.Ces zones très rurales sont particulièrement adaptées pour la mise en œuvre de la méthode hydrogéomorphologiques : enjeux peu nombreux, topographie bien visible, etc. 4.2 ETAPE 2 : ALÉA RUPTURE DE DIGUE Le phénomène de rupture de digues sur le secteur de Thivencelle-Saint Aybert et le secteur de Crespin sera étudié pour compléter la définition de l'aléa inondation dans les secteurs endigués INVENTAIRE ET CHOIX DES SCÉNARIOS DE RUPTURES L'inventaire des digues réalisé en phase 1 (et 2) aura rassemblé les informations sur la géométrie, la composition des digues, l entretien, le classement, le revêtement, etc. Cet inventaire sera complété avec les données sur les ruptures de digue historiques.

28 26 Sur base de ces données, les risques d une rupture pour les digues seront calculées sur le périmètre d étude. Les ruptures de digues peuvent être regroupés en 4 types, à savoir la surverse (érosion de surface), l affouillement (érosion externe), le renard hydraulique (érosion interne) et la rupture d ensemble (la stabilité propre de la digue). Les ruptures les plus fréquentes sont liés aux phénomènes de surverse et de renard hydraulique. IMDC propose d utiliser un logiciel qu elle a programmé et qu elle utilise en interne. Ce logiciel s appelle «dijktoets» (test de la digue en néerlandais). Il permet de définir, sur base d une méthode conceptuelle et pour les différentes types de ruptures de digue, les zones à risque où une rupture de digue peut se produire. Figure 21: quelques types de mécanismes de rupture des digues (source : Symbhi). Les informations nécessaires sont la charge sur les digues (vitesse d eau, niveau d eau, vagues, navigation, ), la solidité de la digue (matériaux, revêtement, géométrie) et certains éléments aggravants (présence de terriers de lapins, fondations molles, ). Le logiciel différencie 6 mécanismes de rupture (surverse, affouillement, rupture de la digue côté cours d eau et côté extérieur, renard hydraulique et piping). Figure 22: Exemple de l entrée des données dans le logiciel «dijktoets» et résultat pour les 6 mécanismes de ruptures. Chaque mécanisme reçoit un score de 1, 2 ou 3 et le plus haut score (plus grand risque de rupture) des mécanismes de rupture est sauvegardé. Figure 23: Visualisation des risques de ruptures de digues. Les digues en rouge ont un risque élevé pour au moins un mécanisme de rupture, les digues en vert sont en bon état.

29 27 Le logiciel proposé est un programme fonctionnant dans un environnement SIG, ce qui permet de visualiser les parties des digues avec plus ou moins de risques de ruptures RESTITUTION Les résultats du logiciel «dijktoets» aideront donc à repérer les portions de digues avec le plus grand risque de rupture. Le logiciel offre plusieurs possibilités pour classifier les risques de ruptures : soit sur base du score par type de rupture de digue séparé ou soit sur base du score pour tous les types de ruptures de digue cumulés. L utilisation d un score cumulé permet de localiser les digues avec une protection faible et donne la possibilité de hiérarchiser les zones où des brèches pourraient ap paraître et pourraient donc être susceptibles d être modélisées. Il faut également noter que toutes les zones où une surverse de la digue est possible, devront être prises en considération puisque la plupart des digues ne sont pas conçues pour faire face aux phénomènes de surverse. Une brèche peut se former rapidement lors d un phénomène de surverse. Les 12 scénarios de rupture seront déterminés en fonction des résultats du logiciel, des ruptures de digue historiques, des enjeux situés à l arrière des digues et du résultat des inventaires et visites du terrain. Une attention particulière sera portée pour les zones à forte concentration urbaine où les dommages seront les plus élevés. Le choix de ces scénarios se fera ensemble avec le comité technique. 5 LA MODÉLISATION HYDRAULIQUE 5.1 L'ALÉA DÉBORDEMENT La modélisation hydraulique sera réalisée avec le logiciel commercial de Wallingford (Infoworks RS). Ce logiciel est capable de tenir compte de toutes les spécificités du bassin versant de l Hogneau et de l Aunelle et a déjà été utilisé par IMDC pour élaborer les modèles hydrologiques et hydrauliques de l Hogneau et l Aunelle en Belgique dans le cadre du projet GIHM. Il est important de noter que la modélisation de l intégralité du bassin versant doit être pris en compte afin de pouvoir réaliser de cartes d inondation fiables sur le territoire français en aval de Quiévrain. Il est donc indispensable d intégrer la modélisation détaillée du bassin sur le territoire belge pour assurer la cohérence et l harmoni sation sur l intégralité du bassin versant. Ce modèle a été réalisé par IMDC en 2003 et sera actualisé aux travaux réalisés à ce jour. Le logiciel Infoworks RS est basé sur les solutions des équations de Saint-Venant, impliquant la conservation de masse et d énergie. La plaquette en annexe fournit de plus amples informations sur le logiciel à proprement parlé. Infoworks est utilisé dans de nombreux pays, dont la France et la Belgique pour modéliser des cours d eau na vigables et non-navigables.

30 28 Un second avantage du logiciel Infoworks est la possibilité d intégrer les scénarios de ruptures de digues, combinée avec un module de calcul bidimensionnel (2D) qui vient s'ajouter au classique schéma de calcul 1D (voir le chapitre suivant) Pour obtenir une modélisation correcte et cohérente, un soin particulier sera donné : aux ouvrages et les profils en travers qui ont une influence importante sur la ligne d eau : seuils, pertuis, systèmes de vannage, rétrécissements, biefs de moulins (bras perchés), au mécanisme de débordements et d écoulement dans la vallée et le lit majeur au mécanisme de débordements par ruptures de digues à la conceptualisation des zones inondables (casiers hydrauliques) Le modèle hydraulique 1D est constitué de 3 composantes principales, qui sont intégrés un à un dans le modèle : les relevés topographiques les ouvrages d art les zones inondables (casiers hydrauliques) sur base du MNT Données topographiques et le MNT 1) Relevés topographiques La base de toute modélisation hydraulique est constituée des données topographiques et du MNT. Il est donc primordial que ces données soient présentes et que celles-ci soient correctes. Une analyse préalable des données topographiques est donc nécessaire afin de pouvoir prévoir à temps si des données supplémentaires sont nécessaires : Identification des cours d eau relevés Évaluation de la qualité des données Analyse des relevés terrestres pour relever la présence et niveaux des digues, etc. Détermination des besoins en terme de : relevés complémentaires la qualité de ces relevés Le contrôle de ces relevés sera effectué en deux temps. En premier abord, les relevés sont rassemblés et certains contrôles sont effectués en comparant les relevés avec les différentes sources disponibles (relevés topographiques des profils en travers, MNT, relevés des ouvrages d art, niveaux d eau, observations lors des visites de terrain, ). Un second contrôle sera effectué sur le modèle hydraulique, lors de l utilisation de ces données.

31 29 La topographie/bathymétrie des cours d eau joue un rôle crucial dans la qualité des résultats : 1. transfert de crues par les nœuds de calcul 2. niveaux calculés par le modèle 3. cartographie des inondations Une analyse sera effectuée des données mis à disposition, plus particulièrement dans les domaines suivants (pour lesquels l exploitation et la vérification des données topographiques est importante) : les dimensions des ouvrages hydrauliques (seuils, orifices, ouvrages d évacuation, bras perchés), et plus particulièrement ceux présents dans des zones urbaines ; le niveau et l intégrité des éléments linéaires limitant les casiers hydrauliques. Une attention particulière sera posée sur le niveau des digues, diguettes et autres crêtes sur le terrain (qui définiront les différents casiers dans le modèle hydraulique). Une vérification des hauteurs sera faite sur base de la cartographie des inondations historiques, des enquêtes et des vérifications sur terrain ; vérification des données topographiques et du MNT. La définition des besoins de données topographiques complémentaires se fera sur la base des résultats de l inventaire avec le MO. Une précision des relevés topogra phiques peut s avérer nécessaire là où les cours d eau et canaux connaissent beaucoup d irrégularités, changements de profils et/ou la présence de nombreux ouvrages d art. Une augmentation de nombre de profils en travers, de hauteur de digues ou merlons, etc. pourra s avérer nécessaire. 2) Le modèle numérique de terrain (MNT) Le MNT mis à disposition par la DDTM Nord a été réalisé par télédétection au laser (LIDAR) avec une résolution de 5x5 m. Il reste à contrôler la qualité et le niveau de détail des valeurs Z afin de garantir une bonne représentation du lit majeur et de ces écoulements. Le MNT mis à disposition par le Sethy (Service d'etudes Hydrologiques) dans le cadre de l'étude GIHM pour la partie belge du bassin versant de l'hogneau est également un relevé LIDAR d'une résolution 5x5 m. Celui-ci ne concerne que le lit majeur des cours d'eau. Le restant du bassin versant belge est couvert par un MNT d'une résolution de 30 m. Figure 24: Visualisation du MNT mis à disposition par la DDTM Nord.

32 30 Pour garantir une bonne modélisation de l'intégralité du bassin versant, il faudra combiner les relevés LIDAR avec le MNT disponible pour la partie belge du bassin versant. Cet exercice a déjà été réalisée pour l étude pour le GIHM en Il est apparu que des imprécisions peuvent apparaître entre les différents MNT. Les écarts de l ordre de 10 à 20 cm peuvent être expliquées par la présence ou la croissance (dépendant de l époque de l année) de végétation. Ces différences sont discrètes et se situent globalement dans l ordre de grandeur des erreurs techniques de mesure et ne nécessitent pas d ajustement. Des différences plus grandes nécessitent une correction. Cela a été le cas pour le bassin de la Trouille dans la Province du Hainaut (GIHM, 2006). Une analyse sera donc réalisée afin de garantir un MNT uniforme pour toute la zone d étude. Les ouvrages : Les relevés topographiques forment la base de chaque modèle hydraulique, mais la bonne modélisation des niveaux d eau et des débits n est possible si que la gestion des ouvrages d art à niveaux réglables (biefs de moulins, vannes) est prise en considération. Figure 25: Différences entre les 2 modèles MNT dans les zones de chevauchement de la Grande Honnelle. Légende: jaune: différence de l'ordre de 5 à 15 cm, rouge: différences de 15 cm à 20 cm et cyan: différences de plus de 20 cm. L intégration des ouvrages d art dans le modèle tient compte des différentes ouvertures à l écoulement et des coefficients de perte de charge et de rugosité là où cela est nécessaire. Les ouvrages franchissables sont pourvus d un déversoir de franchissement (la route par exemple). Ancienne vanne Comme le modèle hydraulique sera calé sur les crues historiques, il est important d inventorier si les ouvrages ont connu des modifications (modernisations) par le passé. Une attention particulière sera portée aux nombreux bras perchés (biefs de moulins et autres), moulins et vannes présents dans les bassins versants de l Hogneau et de l Aunelle. Ancien moulin à Crespin (remplacé par une vanne réglable Les zones inondables Une modélisation détaillée des zones inondables sera réalisée dans les fonds de vallées ainsi que les zones urbaines (Wargnies, Houdain, Bellignies, Gussignies, Quiévrechain, Crespin, Thivencelle, ) qui sont menacées par des débordements par l accumulation d eau dans les cours d eau et les vallées (les inondations venant des égouts ne sont pas prises en compte). Pour les parties tout en amont du bassin versant, une modélisation fine sera réalisée aux endroits où un aléa est présent (ouvrages d art problématiques, zones inondables, ). Ces zones seront interconnectées au modèle hydraulique avec une méthode de propagation des écoulements ou «routing». Toutes les inondations historiques relevées durant la seconde phase 2 Pont avec un seuil élevé Figure 26: Chutes / seuils / biefs de moulins sur l Hogneau (IMDC)