PROGRAMME NATIONAL EC2CO-CYTRIX FICHE BILAN

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1 PROGRAMME NATIONAL EC2CO-CYTRIX FICHE BILAN titre du projet : Cévennes_2005 Impact de l humidité des sols sur le déclenchement des crues rapides en Cévennes Vivarais. Incertitude sur la prévision et répercussions médiatiques associées. Responsable scientifique : Sandrine Anquetin laboratoire: Laboratoire d'étude des Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE) N de code de la formation (si CNRS) : UMR 5564 adresse, tel, fax, courrier électronique: BP 53 X, Grenoble Cedex 9 Tél : ; Fax: ; sandrine.anquetin@ujf-grenoble.fr Année de début du projet : Juin 2009 Année de fin du projet : Décembre 2010 BILAN FINANCIER en kf HT 1-Montant notifié par l INSU pour le projet : 52 keuros 2-Autres crédits attribués par l INSU et utilisés dans le cadre du projet (mi-lourds, campagnes à la mer, temps télescopes, etc...) : 3-Autres sources de financement que l INSU (préciser l origine et le gestionnaire): 4-Part d utilisation des équipements pour les besoins du projet : (ex.:nombre de jours d utilisation d un navire, nombre d heures d utilisation d un télescope ou d un instrument de caractérisation, etc...) Total des moyens financiers mis en oeuvre (1+2+3) :

2 PERSONNEL PARTICIPANT AU PROJET CHERCHEURS/ ENSEIGNANTS ou assimilés Nom Organisme Corps / Grade Homme/mois LTHE UMR Grenoble Sandrine Anquetin CNRS CR puis DR 10 Ludovic Bouilloud CNRS Postdoc (2009) 2,4 Brice Boudevillain CNAP Phys. Adjoint 4,8 Gilles Molinié Université MdC 7,2 CEMAGREF UR Hydrologique - Hydraulique Isabelle Braud Cemagref DR 3,6 GAME/CNRM Toulouse Béatrice Vincendon Météo-France Ingénieur des travaux de la Météo HSM UMR Montpellier Christophe Bouvier IRD DR 3,6 Yves Tramblay - Postodc CNRS Postdoc 4,8 PACTE UMR Grenoble Céline Lutoff Université MdC 4,8 Total Homme/mois Chercheur/Enseignant ou assimilé 46 4,8 INGENIEURS Nom Organisme Corps / Grade Homme/mois LTHE UMR Grenoble Olivier Vannier CNRS CDD - IE 8 HSM UMR Montpellier Pascal Brunet CNRS IE 3,6 Total Homme/mois Ingénieur 11,6 THESES + STAGE DE MASTER/INGENIEUR Nom Formation Financement Homme/mois LTHE UMR Grenoble Marc Chassande M1-ENS Stage 6 Baptiste François M2R-STE Stage 6 Olivier Vannier Doctorat ED-TUE Ministère 2 CEMAGREF UR Hydrologique - Hydraulique Olivier Vannier M2R-SGE Stage 6 PACTE UMR Grenoble Laurence Créton Cazanave Doctorat ED SHPT Région Rhône Alpes 7,2 Benoit Aublet - Doctorant Doctorat EED SHPT Ministère 12 Marc Bertran Rojo M2P EGEPM Stage 6 GAME/CNRM Toulouse Céline Sorbet Ingénieur des Météo-France 5 travaux de la Météo Total Homme/mois Thèse et Master 2 Recherche 50,2

3 PRINCIPAUX RESULTATS ACQUIS Cévennes_2005 est constitué de 5 actions de recherche regroupées autour de 3 thèmes ciblés sur une étude détaillée de l épisode de crue de Septembre 2005 sur la partie sud de la région Cévennes Vivarais. Il associe l observation (radar météorologique, éclair, humidité des sols), la modélisation hydrométéorologique, et une approche conjointe des Sciences Humaines et Sociales par retour d expérience. Ce projet a pour objectif de contribuer à la définition du dispositif expérimental qui pourrait être déployé dans la région Cévennes Vivarais lors de la phase d observation renforcée du programme HyMeX du Chantier Méditerranéen de l INSU. Une première configuration est testée dans le cadre de ce projet. Notre démarche associe l observation, la modélisation hydrométéorologique, et l analyse de l adaptation sociale face aux événements hydrométéorologiques. Les observations radar sont issues du réseau ARAMIS, les données d éclairs du réseau européen LINET et les observations d humidité du sol sont spécifiquement mises en place dans le cadre de ce projet. Les modélisations hydrologiques sont réalisées avec le modèle ISBA-TOPMODEL TOPMODEL (Bouilloud et al., 2010 ; Vincendon et al., 2010), développé au CNRM, et le modèle CVN (Manus et al., 2009 ; Anquetin et al., 2010 ; Braud et al., 2010), développé dans le cadre de la plateforme LIQUID (Branger et al., 2010) commune entre le LTHE, le Cemagref et la jeune société HYDROwide. Enfin, les études visant à l intégration des données sociales et des études hydrométéorologiques s appuient sur des entretiens semi-directifs et sur l'analyse de documents municipaux (les mains courantes rédigées lors des crises) et des données de coupures de routes. Le premier thème concernait l estimation quantitative des précipitations. Il s agissait de proposer des réanalyses pluviométriques à partir des observations radar et de démontrer l intérêt de l utilisation combinée des observations éclairs et radar pour améliorer l estimation quantitative des précipitations. L algorithme du logiciel TRaDHy a été modifié pour affiner i) l inversion du profil vertical de réflectivité, ii) l estimation des coefficients de la relation Z-R et iii) le contrôle du défaut d étalonnage radar à l aide des rapports des intensités de pluie estimées par radar et par pluviomètre au pas de temps événementiel. Il a été testé sur 8 événements (Bouilloud et al., 2010) et mais n a pu être appliqué sur l épisode de 2005 car les données volumiques étaient défectueuses. Une manière complémentaire de discriminer des régions des orages où les coefficients de la relation Z-R sont homogènes, est d utiliser des informations sur le niveau d électrisation des orages. La connaissance des processus d électrisation des orages indique que le niveau d électrisation est proportionnel au produit des flux ascendant et précipitant des hydrométéores glacés dans la cellule. Avec les données radar disponibles, nous ne pouvons calculer que les flux précipitant. Ils sont paramétrisés en fonction de la réflectivité radar. Cette paramétrisation a été validé grâce aux simulations numériques de 3 orages académiques (1/ une cellule isolée, 2/ un orage multicellulaire et 3/ un orage super-cellulaire), où les flux calculés à partir des réflectivités simulées sont comparés à ceux calculés explicitement. La paramétrisation des flux précipitant à partir de la réflectivité radar validé (François, 2009), nous

4 l'avons appliqué à 9 orages ayant eu lieu dans la région Cévennes-Vivarais. Les résultats montrent de bonnes corrélations entre les flux précipitant et les taux d'éclairs (Francois et al., 2009, conf.). Le deuxième thème était dédié à la mise en place d une stratégie d observation de l humidité des sols à l échelle régionale et à l étude de la sensibilité aux conditions d humidité sur la réponse des hydrosystèmes simulées pour l événement extrême de Financées par le projet EC2CO-CYTRIX Cévennes_2005, les premières sondes d'humidité ont été mises en place sur 3 sites sur sols marno-calcaires (vigne, garrigue, forêt), à 2 profondeurs. Puis, en s appuyant sur les résultats i) d une analyse cartographique (Vannier, 2010, communication personnelle), ii) des premières simulations réalisées avec le modèle CVN et iii) d une campagne terrain, d autres sites ont été équipés. À ce jour, 7 sites sont désormais suivis par l équipe HSM (Tremblay et al., 2010). Les premières mesures des conductivités hydrauliques par infiltromètre à disque ont été réalisées ainsi que quelques mesures des profondeurs des sols par sondages mécaniques ou géophysiques (Brunet et al., 2010). Les objectifs de modélisation pour l année sont en partis atteints. La mise en place du modèle CVN sur le Vidourle a été réalisée (Vannier, 2009 ; Vannier et al., 2010, conf). La simulation de l épisode de 2005 a été réalisée en utilisant i) les pluies krigées et ii) les estimations radar (données opérationnelles). La modélisation des conditions initiales par simulation en continu de l évapotranspiration a été mise en œuvre et est aujourd hui opérationnelle (Vannier et al., 2010, conf). Ceci a nécessité de définir le mode de calcul de l ETP à partir des données de la base SAFRAN (Vannier et Braud, 2010). Les résultats des humidités simulées ont pu être comparées aux premières données d humidité des sols disponibles, montrant un fonctionnement satisfaisant du modèle. Ce travail devra être poursuivi quand des chroniques plus longues auront été acquises. Des études avec le modèle ISBA-TOPMODEL ont été réalisées pour tester les différentes possibilités permettant de démarrer une simulation événementielle avec des conditions initiales d'humidité des sols les plus réalistes possibles en s appuyant sur les données SIM. Les résultats montrent qu une période de 48h est nécessaire pour mettre en équilibre le modèle. La qualité et la finesse de l'information pluviométrique pendant cette période d'initialisation est très importante pour une bonne reproduction des pics de crues. L'utilisation de données radars en entrée d'isba-topmodel durant les 48h d'initialisation paraît être la meilleure manière d'obtenir un état d'humidité des sols permettant une simulation satisfaisante des débits. Pour la simulation de l'épisode de 2005, le domaine couvert par ISBA-TOPMODEL a d'abord été étendu pour inclure le bassin versant du Vidourle. Puis diverses conditions initiales provenant de versions différentes du modèle ISBA ont été utilisées. Les débits simulés par ISBA-TOPMODEL se sont avérés très sensibles à ces conditions, mettant en évidence la nécessité de mesures permettant d'évaluer les humidités de sol simulées par SIM. Le troisième thème est consacré aux analyses croisant les données sociales avec les données hydrométéorologiques. Il a permis i) d analyser les adaptations sociales face aux événements extrêmes (Chassande, M1 2009), ii) d identifier les échelles temporelles de l'alerte et de la mise en vigilance effective (Créton-Cazanave et al., 2009 ; Créton-Cazanave, 2009 ; Créton-Cazanave, Thèse 2010) et iii) de repérer les phases critiques du point de vue des coupures de routes (Bertran-Rojo, M2 2009). Dans cette analyse, les aspects hydrométéorologiques associés à chaque échelle considérée constituent des points de référence permettant de comparer les temps de réaction de chacun des groupes sociaux étudiés (Creutin et al., 2009).

5 En conclusion, 17 articles de rang A ont été publiés sur la période et concernent les travaux menés dans le cadre de ce projet. 7 étudiants ont été encadrés sur la période et ont contribué à la réussite de ce projet. Par ailleurs, le soutien du programme EC2CO-CYTRIX a permis : - d équiper 7 sites pour les mesures en continu de l humidité du sol ; ce réseau sera renforcé lors de la campagne HyMeX afin de proposer une spatialisation des humidités de surface à l échelle régionale ; - d affiner l évaluation quantitative des données radar ; le degré de développement de la routine TRaDHy nous permet aujourd hui d envisager une réalisation quasi-systématique de re-analyses pluviométriques dans la mesure de nos ressources humaines disponibles ; - de renforcer la plateforme de modélisation LIQUID partagée entre le Cemagref, le LTHE et, depuis, le LCPC et de disposer d une modélisation spatialisée CVN, adaptée aux crues éclairs; - d'étendre le domaine géographique couvert par ISBA-TOPMODEL et de quantifier sa sensibilité aux humidités du sol en début d'évènement; - valider notre synergie entre les observations et les modélisations, offrant ainsi un cadre robuste pour la préparation de campagnes terrain à venir ; - de renforcer notre démarche interdisciplinaire SHS Sciences Géophysiques ;

6 BIBLIOGRAPHIE LIEE AU PROJET Publications Anquetin, S., Creutin, J.D., Ducrocq, V., Braud, I., Hydrometeorological modelling for flash flood areas- The case of the 2002 Gard event in France, J. Flood Risk Management, 2, , DOI: /j X x. Anquetin, S., I. Braud, O. Vannier, P. Viallet, B. Boudevillain, J.-D. Creutin, and C. Manus, 2010: Sensitivity of the hydrological response to the variability of rainfall fields and soils for the Gard 2002 flash-flood event. J. of Hydrology, doi: /j.jhydrol Bouilloud, L., K. Chancibault, B. Vincendon, V. Ducrocq, F. Habets, G.-M. Saulnier, S. Anquetin, E. Martin, and J. Noilhan, 2010: Coupling the ISBA land surface model and the TOPMODEL hydrological model for Mediterranean flash-flood forecasting: description, calibration and validation. J. of Hydrometeorology, 11, , DOI: /2009JHM Bouilloud, L., G. Delrieu, B. Boudevillain, and P.-E. Kirstetter, 2010: Radar rainfall estimation in the context of post-event analysis of flash-flood events. J. of Hydrology, DOI: /j.jhydrol Branger, F., I. Braud, S. Debionne, P. Viallet, J. Dehotin, H. Henine, Y. Nedelec, and S. Anquetin, 2010: Towards multi-scale integrated hydrological models using the LIQUID framework. Overview of the concepts and first application examples. Environmental Modelling & Software, doi: /j.envsoft Braud, I., H. Roux, S. Anquetin, M.-M. Maubourguet, C. Manus, P. Viallet, and D. Dartus, 2010: The use of distributed hydrological models for the Gard 2002 Flash-Flood event understanding. Part II: Analysis of associated hydrological processes. J. of Hydrology, doi: /j.jhydrol Brunet, P., Clément, R. and Christophe B., Monitoring soil water content and deficit using Electrical Resistivity Tomography (ERT) A case study in the Cevennes area, France. Journal of Hydrology 380, Créton-Cazanave, L.; Lutoff, C. & Soubeyran, O. Pletier, A. & Becerra, S. (ed.) Alerte aux crues rapides : de l'utilité d'une nouvelle approche. Risques et environnement: recherches interdisciplinaires sur la vulnérabilité des sociétés, L'Harmattan, 2009 Créton-Cazanave, L. Warning! The use of meteorological information during a flash-flood warning process, Advances in Science and Research, 2009, 3, Creutin, J. D., M. Borga, C. Lutoff, A. Scolobig, I. Ruin, and L. Créton-Cazanave, 2009: Catchment dynamics and social response during flash floods: the potential of radar rainfall monitoring for warning procedures. Meteorological Applications, 16, , doi: /met.128. Delrieu, G., Braud, I., Berne, A., Borga, M., Boudevillain, B., Fabry, F., Freer, J., Gaume, E., Nakakita, E., Seed, A., Tabary, P., Uijlenhoet, R., Preface: Weather radar and hydrology, Advances in Water Resources, 32, Kirstetter, P. E., G. Delrieu, B. Boudevillain, and C. Obled, 2010: Toward an Error Model for Radar Quantitative Precipitation Estimation in the Cévennes-Vivarais Region, France. Journal of Hydrology, doi: /j.jhydrol

7 Manus, C., Anquetin, S., Braud, I., Vandervaere, J.P., Viallet, P., Creutin, J.D., Gaume, E., A modelling approach to assess the hydrological response of small Mediterranean catchments to the variability of soil characteristics in a context of extreme events, Hydrology and Earth System Sciences, 13, Molinié, G., J. Escobar, and D. Gazen, 2009: A stochastic lightning flash scheme for 3D explicitly resolving cloud models. Quaterly Journal of the Royal Meteorology Society, 135, , DOI: /qj.364. Ruin, I., J. D. Creutin, S. Anquetin, E. Gruntfest, and C. Lutoff, 2009: Human vulnerability to flash floods: Addressing physical exposure and behavioral questions. Flood Risk Management: Research and Practice, Tramblay, Y., C. Bouvier, C. Martin, J.-F. Didon-Lescot, D. Todorovik, J.-M. Domergue, Assessment of initial soil moisture conditions for event-based rainfall runoff modelling. Journal of Hydrology 387, Vincendon B., Ducrocq V., Saulnier G.M.; Bouilloud L., Chancibault K., Habets F., Noilhan J. : Benefit of coupling the ISBA land surface model with a TOPMODEL hydrological model dedicated to Mediterranean flash floods, Journal of Hydrology, Flash Floods special issue, doi: /j.jhydrol Communications Anquetin, S., C. Manus, I. Braud, P. Viallet, B. Boudevillain, and J. D. Creutin, 2009: Sensitivity of hydrological response of medium ungauged catchments to rainfall fields estimation and soil variabilities in the context of flash floods. EGU Greneral Assembly, Vienna, EGU Branger, F., S. Debionne, P. Viallet, I. Braud, S. Jankowfsky, O. Vannier, F. Rodriguez, and S. Anquetin, 2010: Advances in integrated hydrological modelling with the LIQUID framework. International Environmental Modelling and Software Society (iemss), Ottawa, Canada, David A. Swayne, Wanhong Yang, A. A. Voinov, A. Rizzoli, T. Filatova. Braud, I., C. Manus, Anquetin S., and P. Viallet, 2009: Towards a regional distributed hydrological modelling for flash-flood risk assessment. 11th Plinius Conference, Barcelona, Spain. Invited Talk. Braud, I., H. Roux, S. Anquetin, M.-M. Maubourguet, C. Manus, P. Viallet, and D. Dartus, 2010: A regional distributed hydrological modelling approach for flash-flood understanding and experimental design. EGU General Assembly, 3-7 May 2010, Vienna, Austria, Geophysical Research Abstracts, EGU Créton-Cazanave, L. : Processus d'alerte et communication : quelles distances à franchir? L'exemple de l'alerte aux Vidourlades dans le Gard. Séminaire Risques et communication :une perspective comparative, Mai 2009, Toulouse. Invited talk. Delrieu, G.; Bouilloud, L.; Boudevillain, B. ; Kirstetter, P.-E. ; Borga, M., Radar rainfall estimation in the context of post-event analysis of flash-flood events. 11th Plinius Conference on Mediterranean Storms. Barcelona, Spain, 7-11 September 2009 François B., Molinié G. and Betz H.D., Coupling radar and lightning data to improve the quantitative estimation of precipitation, PLINIUS 11-60, 11th Plinius Conference on Mediterranean Storms, 2009, September, Barcelona. Lutoff, C., I. Ruin, S. Anquetin, J. D. Creutin, and M. Bertran Rojo, 2010: Forecasts, warnings and mobility facing flash floods: Is temporality a major problem? The case of the September 2005 flash flood in the Gard region (France). Annual Association of American Geographers Meeting, Washington, DC, April14-18.

8 Lutoff, C., S. Anquetin, I. Ruin, and M. Chassande, 2009: Forecasts, warnings and social response to flash floods: Is temporality a major problem? The case of the September 2005 flash flood in the Gard region (France). 7th Plinius Conference, Barcelona, 7-10 September. Vannier, O., I. Braud, and S. Anquetin, 2010: Distributed Hydrological Modeling to assess Flash-Flood Hazard at small scales: application over the Cévennes - Vivarais region. EGU Leonardo Topical Conference Series on the Hydrological cycle 2010, Luxembourg, November Vincendon B., Ducrocq V., Nuissier O., Saulnier G-M.: Hydrometeorological ensemble forecasting of Mediterranean flash-flood events, EMS, Toulouse, September 28-October 2, Vincendon B., Ducrocq V., Nuissier O., Vié B., Saulnier G-M. : Prévision d'ensemble hydrométéorologique des crues rapides méditerranéennes, AMA2010 (Thèmatique : Sources d incertitudes dans la modélisation), 26 au 28 janvier Vincendon B., Lespinas F., Sorbet C., Ducrocq V., 2010: Exploring some uncertainties of flash-flood simulations with ISBA-TOPMODEL coupled system on Cévennes-Vivarais watersheds, 4th HyMeX Workshop, Bologna, Italy, 8-10 June Thèses + Stages de Master + Rapports de recherche Marc Bertran Rojo, 2009, Bilan spatio-temporel de la vulnérabilité des routes du Gard face aux crues rapides. M2P Evaluation et Gestion de l Environnement et des paysages de montagne», IGA, UJF. (Encadrement : C. Lutoff et S. Anquetin). Marc Chassande, 2009, Retour d expérience hydrométéorologique et communication sociale : inondations du 6 et du 8 septembre 2005 dans le Gard, Stage M1-ENS-Lyon. (Encadrement : S. Anquetin et C. Lutoff). Laurence Créton Cazanave, 2010, Penser l alerte par les distances. Entre planification et émancipation, l exemple du processus d alerte aux crues rapides sur le bassin versant du Vidourle. Thèse de l Université de Grenoble. Baptiste François, 2009, Etude comparée des données radars et éclairs dans une cellule orageuse en région Cévennes-Vivarais - Apport pour l estimation de pluie. M2R Sciences de la Terre et de l Environnement, Grenoble. (Encadrement : G. Molinié) Céline Sorbet, 2010, Simulations de crues rapides sur la région Cévennes-Vivarais avec le système couplé ISBA- TOPMODEL, Rapport de stage de fin d études d élève IENM (Encadrement : Béatrice Vincendon et Véronique Ducrocq) Olivier Vannier, 2009, Utilisation d un modèle distribué à base physique pour caractériser la sensibilité de la réponse hydrologique d un bassin aux conditions initiales d humidité des sols, Master «Sciences et Génie de l Environnement» Spécialité SAGE, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Marne la Vallée. (Encadrement : I. Braud) Olivier Vannier et Isabelle Braud, Calcul d une évapotranspiration potentielle (ETP) spatialisée pour la modélisation hydrologique à partir des données de la réanalyse SAFRAN de Météo-France. Note de travail du plateau SOMME, Cemagref, Avril 2010, 22pp. Béatrice Vincendon, 2010, Prévisions hydrométéorologiques d ensemble : application aux crues rapides méditerranéennes., Thèse de l Université Paul Sabatier, Toulouse.