Table des matières. Partie 1: Préambule...7

Table des matières Partie 1: Préambule...7 Partie 2: Analyse hydrologique complémentaire : modélisation pluie-débit à l'échelle du bassin versant de la Selle...10 2.1 Modélisation hydrologique basée sur la transformation pluie-débit...11 2.1.1 Justification et méthodologie...11 2.1.2 Analyses et traitements préliminaires...12 2.1.2.1 Découpage du bassin versant de la Selle en sous-bassins versants d'apport...12 2.1.2.2 Données pluviométriques disponibles...20 2.1.3 Modèle de ruissellement...28 2.1.3.1 Fonction de production...28 2.1.3.2 Fonction de transfert...31 2.1.4 Caractérisation des précipitations et construction des pluies de projet...31 2.1.4.1 Régime régional des précipitations...32 2.1.4.2 Répartition locale des précipitations...35 2.1.4.3 Définition des pluies de projet...37 Partie 3: Contrôle et correction du Modèle Numérique de Terrain (MNT)...42 3.1 Importance de la donnée topographique...43 3.2 Sensibilité et validité des levés terrestres...43 3.3 Sensibilité et validité du LIDAR (lit majeur et bassin versant)...44 3.3.1 Écarts entre les levés géomètres et le LIDAR...44 3.3.2 Typologie des secteurs problématiques...49 3.3.3 Analyse particulière de sensibilité sur le secteur de Douchy-les-Mines...51 p.2

3.4 Modifications et correction du LIDAR...52 3.4.1 Analyse statistique des erreurs résiduelles du LIDAR après correction...54 3.4.2 Conclusions, limitations de la méthode...55 Partie 4: Les incertitudes restantes et limites de l'approche retenue pour caractériser l'aléa de référence...56 4.1 Les données dont on est sûr...57 4.2 Les incertitudes restantes...57 4.2.1 Incertitudes hydrologiques...58 4.2.2 Incertitudes hydrauliques...58 4.2.3 Incertitudes topographiques...59 4.2.4 Incertitudes historiques...59 4.3 Conséquences en termes de validation de la méthode...60 Annexe 1 : calcul des paramètres CN aide d'infoworks ICM...62 p.3

Index des tables Tableau 2.1: Statistiques journalières Station pluviométrique de Beaudignies (SPC DREAL NORD Pas-de-Calais)...21 Tableau 2.2: Inventaire des stations Météo-France situées à proximité du bassin versant de la Selle...26 Tableau 2.3Quantiles de précipitations retenus sur le bassin de la Selle...35 Tableau 2.4: Caractéristiques de la pluie de projet centennale «aléa_1980»...38 Tableau 2.5: Caractéristiques de la pluie de projet 12heures_2heures...39 Tableau 2.6: Caractéristiques de la pluie de projet 24heures_6heures...40 Tableau 2.7 Caractéristiques de la pluie de projet 4jours_12heures...41 Tableau 3.1: Comparaison entre les levés géomètres et le MNT à Douchy...52 Tableau 3.2Analyse statistique des erreurs avant et après correction du MNT...54 p.4

Index des illustrations Illustration 2.1: Principales étapes du découpage du bassin versant de la Selle en sous bassins d'apports...14 Illustration 2.2: Découpage du bassin versant de la Selle en sous-bassins versants d'apport...15 Illustration 2.3: Déclivités des sous-bassins versants...17 Illustration 2.4: Occupation des sols du bassin (SIGALE)...19 Illustration 2.5: Hyétogramme au pas de temps 2h de la station de Beaudignies (du 17 juillet 1980 au 21 juillet 1980 Source : DREAL)...23 Illustration 2.6: Hiétogramme au pas de temps 2h de la station de Beaudignies (du 11 février 2002 au 13 février 2002 Source : DREAL))...24 Illustration 2.7: Localisation des stations pluviométriques...27 Illustration 2.8: Attribution des CN à chaque sous-bassin versant (groupe de sols A' moyen entre sols A et sols B)...30 Illustration 2.9: Exemple d'hydrogramme unitaire tiré de l'aide d'icm...31 Illustration 2.10: Quantiles de précipitations journaliers...33 Illustration 2.11: Quantiles de précipitations 4 jours...33 Illustration 2.12: Hétérogénéité spatiales des précipitations (en % par rapport à Solesmes)...36 Illustration 2.13: hyétogramme à Solesmes de la pluie de projet centennale 1980_aléa...38 Illustration 2.14: hyétogramme à Solesmes de la pluie de projet centennale 12heures_2heures...39 Illustration 2.15: hyétogramme à Solesmes de la pluie de projet centennale 24heures_6heures...40 Illustration 2.16: hyétogramme à Solesmes de la pluie de projet centennale 4jours_12heures...40 Illustration 3.1: Répartition des différences observées entre le LIDAR et les données de référence 45 Illustration 3.2: Comparaison LIDAR / levés géomètres - Saint Bénin /Saint Python...46 p.5

Illustration 3.3: Comparaison LIDAR / levés géomètres - Saint Python / Saulzoir...47 Illustration 3.4: Comparaison LIDAR / levés géomètres - Saulzoir / Douchy les Mines...48 Illustration 3.5: Localisation des zones de topographie erronée (polygones oranges)...50 Illustration 3.6: Localisation des laisses d'inondation à Douchy les Mines...51 Illustration 3.7: différences entre les levés topographiques de référence et le LIDAR à l'échelle d'une parcelle...53 Illustration 4.1: Méthodologie de calage classique...60 Illustration 4.2: Validation du modèle réalisée...61 p.6

Partie 1: Préambule p.7

Le présent livrable est consacré à la présentation des améliorations apportées au cours de cette phase aux données, méthodes et modèles utilisés, afin de produire un aléa de référence valide et représentatif de la réalité des crues et des inondations sur le bassin versant de la Selle, dans sa première version, soumise au COCON. Pour rappel, certaines approches initialement proposées au cours de la phase n 1, et présentées en détail dans le livrable B précédent, n'ont pas permis de caractériser un aléa de référence préalable fiable, en raison notamment d'incertitudes importantes sur certaines données de base, qu'il n' a été possible d'identifier que sur la base d'analyses déjà approfondies. En premier lieu, l'analyse approfondie de l'ensemble des données de la station hydrométrique de la station de Denain puis la prise en compte des débits caractéristiques ainsi calculés selon des méthodes probabilistes dans la modélisation hydraulique, ont mis en évidence des problèmes de fiabilité et de représentativité de ces données hydrométriques locales. Mais au delà de ces problèmes de fiabilité des mesures, rappelons surtout que les débits «mesurés» pour la crue de juillet 1980 (soit environ 18 m 3/s environ à la station de Denain) ont alors été utilisés comme données d'entrée du modèle hydraulique afin de reproduire les inondations constatées, et que malgré différents tests de sensibilité et en restant dans des gammes de coefficients conformes aux règles de l'art, il s'est avéré impossible de reproduire ni les niveaux d'inondation matérialisés par les laisses de crue, ni l'emprise de la crue de 1980 reconstituée lors de l'analyse historique. L'ordre de grandeur du débit de pointe à l'exutoire du bassin versant nécessaire pour reproduire en partie l'emprise inondée lors de l'événement de 1980 s'avère être de l'ordre de 40 à 45 m 3/s, ce qui laisse penser que la station de Denain sous-estime fortement les débits des crues les plus importantes. L'apport de la modélisation hydraulique est fondamental à ce stade et permet de mettre en évidence que la station de Denain est en fait contournée pour des gammes de débits supérieurs à environ 20 m3/s. La station donne une estimation à peu près fiable de la part de débit qui s'écoule au sein du lit mineur, mais n'intègre pas la part de débit qui s'écoule en lit majeur et conduit alors aux inondations. Tous ces aspects sont présentés et analysés dans la suite du document. p.8

Ce constat a conduit à compléter l'approche hydrologique initialement menée par une nouvelle approche, numérique cette fois, et s'appuyant sur une modélisation de la transformation pluiedébit à l'échelle de tout le bassin versant. Cette seconde approche est ainsi présentée ensuite, et a finalement été retenue afin de caractériser la crue de référence centennale. Cette seconde approche a permis en outre de mieux comprendre les mécanismes de formation et de propagation des crues au sein du réseau hydrographique du bassin versant de la Selle, et de montrer que les conditions pluviométriques observées lors de l'événement de juillet 1980, sans être centennales, ont conduit à la formation d'une crue majeure, dernière grande crue connue, du fait notamment de la structure et de la forme particulière du bassin versant de la Selle. C'est la raison pour laquelle l'événement pluviométrique centennal, pris comme référence, a finalement été construit sur une forme identique à celle de juillet 1980. Enfin, en second lieu, des vérifications approfondies des données topographiques utilisées ont été réalisées et ont conduit à apporter des corrections locales du Modèle Numérique de Terrain utilisé pour représenter le lit majeur du cours d'eau. D'autres corrections, notamment à la suite de la concertation avec les élus et dans le cadre de la phase ultérieure de reprise de l'aléa, ne sont toutefois pas exclues. p.9

Partie 2: Analyse hydrologique complémentaire : modélisation pluie-débit à l'échelle du bassin versant de la Selle p.10

2.1 Modélisation hydrologique basée sur la transformation pluiedébit Comme indiqué en préambule, cette partie présente l'approche hydrologique qui a été menée dans le cadre d'études complémentaires au titre de l'avenant n 3. 2.1.1 Justification et méthodologie Suite aux limitations de l'approche probabiliste retenue dans un premier temps et notamment du doute qui subsiste sur la fiabilité des données hydrométriques, fiabilité qui conditionne la pertinence des débits extrapolés, une approche «numérique»a finalement été retenue sous la forme de la méthode dite de transformation «pluie-débit». Cette méthode se base sur les données pluviométriques locales et permet de s'appuyer sur les caractéristiques physiques, surfaciques et topographiques du bassin versant pour représenter finement la réponse du bassin versant à la pluviométrie et la répartition des débits (apports des sous bassins versant) tout au long du réseau hydrographique principal, et ainsi de mieux appréhender la dynamique des crues. Physiquement, la modélisation pluie-débit permet de passer d'un hyétogramme représentant la pluie tombant sur un bassin versant, à un hydrogramme représentant le débit s'écoulant à l'exutoire de ce bassin versant. Cette approche se base sur 3 composantes principales : une pluie réelle mesurée ou une pluie de projet qui est une représentation simplifiée du phénomène pluvieux à l'origine de la formation de la crue. Dans le cadre du PPR, on cherche à modéliser l'événement de référence de période de retour 100 ans, dans la mesure où, au terme de l'analyse historique, aucun événement réel potentiellement plus pénalisant (c'est à dire ayant une probabilité d occurrence plus faible) n'a pu être identifié ; une fonction de production, qui permet de modéliser le passage de la pluie brute à la pluie nette en évaluant les pertes au ruissellement (par infiltration notamment, ou encore ce qui est retenu par la végétation ou par les dépressions naturelles) ; une fonction de transfert, qui permet de modéliser le passage de la pluie nette à l hydrogramme de crue à l exutoire de chaque sous-bassin versant. Les fonctions de production et transfert peuvent dépendre de plusieurs paramètres en fonction du modèle choisi, comme par exemple l occupation du sol, la perméabilité du sol dans le bassin versant, l état de saturation du sol avant l événement pluvieux, etc p.11

Il faut garder à l'esprit que le développement de cette méthode se base sur l hypothèse très forte d une identité entre la période de retour des précipitations et celle des débits liquides : une crue centennale est imputable à une pluie centennale. La réalité est plus complexe. Plusieurs incertitudes pèsent également sur les données nécessaires au calage de la transformation de la pluie en débit, ce qui amène à conserver un certain recul par rapport aux résultats et à faire des choix quant à la validation des paramètres du modèle. 2.1.2 Analyses et traitements préliminaires La représentativité et la qualité des résultats que fournira le modèle pluie-débit (comparativement aux données historiques retrouvées) reposent en premier lieu sur la fiabilité des données d'entrées, en l occurrence les données pluviométriques, et sur une définition précise de la géométrie du modèle, ce qui sous-entend une définition fine des sous-bassins versant d'apport de la Selle et de leurs caractéristiques physiques (pentes, longueurs hydrauliques, temps de concentrations, occupations des sols). 2.1.2.1 Découpage du bassin versant de la Selle en sous-bassins versants d'apport Le traitement du Modèle Numérique de Terrain du Conseil Général à partir des outils hydrologiques offerts par le logiciel SAGA GIS 1 a permis de découper le bassin versant de la Selle en 35 sous-bassins versants d'apports, sur la base du réseau hydrographique structurant et en fixant un critère de superficie minimale à respecter pour ces zones d'apports. En effet, si l'objectif du découpage en sous-bassins est de représenter finement la contribution intrinsèque à chaque bassin de drainage tout au long du linéaire de la Selle, cette analyse doit néanmoins prendre en compte l'échelle globale de l'étude pour laquelle une sectorisation se basant sur les principales branches du réseau hydrographique et sur les variations topographiques importantes du bassin versant est suffisante. 2.1.2.1.1 Méthodologie d'extraction des sous-bassins versants Le logiciel SAGA GIS offre les outils permettant un découpage fiable des sous-bassins d'apport à partir de la topographie du bassin versant global. La méthodologie est basée sur plusieurs étapes, passant notamment par le calcul des sens d'écoulement pour chaque cellule du MNT, puis sur le calcul d'une grille dite d'accumulation, donnant pour chaque cellule du Modèle Numérique de Terrain le nombre de cellules qui s'écoulent vers celle ci, et enfin le calcul automatique du réseau de drainage et des sous-bassins topographiques. 1 System for Automated Geoscientific Analysis www.saga-gis.org p.12

Le processus décrit a été effectué sur une version ré-échantillonnée à un pas de 50 mètres du Modèle Numérique de Terrain, sur lequel un pré-traitement de remplissage des points bas avait été réalisé, pour permettre aux algorithmes de détection des sens et des réseaux d'écoulement de fonctionner sur l'ensemble du secteur d'études. Pour vérifier la cohérence de la démarche, le traitement a été effectué à grande échelle, sur un jeu de données englobant de manière large le bassin versant de la Selle et celui de l'ecaillon. p.13

MNT global utilisé pour le traitement Grille des directions d'écoulement Grille des accumulations les zones foncées correspondent aux cellules recueillant le plus d'apports Découpage des sous bassins versants. En fond les sous bassins généraux (Selle et Ecaillon notamment), en premier plan les sous bassins versant de la Selle. Illustration 2.1: Principales étapes du découpage du bassin versant de la Selle en sous bassins d'apports p.14

Illustration 2.2: Découpage du bassin versant de la Selle en sous-bassins versants d'apport 2.1.2.1.2 Caractéristiques physiques des sous bassins versants En termes de superficies, les sous-bassins versants définis s'échelonnent entre 100 ha et 1 600 ha avec une valeur moyenne de l'ordre de 820 ha soit environ 3 % de la surface totale du bassin versant. p.15

Leurs longueurs hydrauliques, c'est à dire la distance maximale parcourue par une goutte d'eau depuis son point de chute jusqu'à l'exutoire, sont comprises entre 1.5 km et 9 km (pour rappel la longueur hydraulique totale du bassin versant depuis l'amont jusqu'à la confluence avec l'escaut est de l'ordre de 65 km). La topographie du bassin versant de la Selle présente des secteurs : à faible déclivités (< 0.5% en vert sur la carte page suivante) notamment au niveau du sous-bassins versant de la Naville, en rive gauche de l'escaut ; à déclivités moyennes (entre 0.5 et 1% en jaune) : environ 50 % des sous bassins versants sont concernés notamment : au sud du bassin versant en amont de Saint-Souplet ; sur tout le linaire de la Selle situé en aval du Cateau-Cambrésis jusqu'à Douchy-lesMines ; À déclivités importantes (>1 %, en rouge) au droit de la confluence entre les ruisseaux de Tupigny et de Richemont avec la Selle et également ponctuellement en amont de Solesmes. D'un point de vue hydraulique, ce profil topographique du bassin versant laisse présager une accélération des écoulements en provenance des plateaux amont à partir de Saint-Benin et jusqu'à Montay, suivie d'une rupture de pente au niveau de cette dernière commune, qui se trouve donc dans une zone sensible tant du point de vue des risques d'inondation que des risques d'érosion. L'écoulement des eaux vers l'aval se fait ensuite sur un terrain à pente plus régulière, mais avec des apports potentiellement importants en amont immédiat de Solesmes depuis des bassins de drainage présentant une déclivité importante. p.16

Illustration 2.3: Déclivités des sous-bassins versants Le temps de concentration de ces sous-bassins versants est également un paramètre essentiel qui va déterminer la durée au bout de laquelle on considére que toute la surface du sous-bassin contribue au débit de pointe observé à son exutoire. Le choix de la période intense des pluies de projet qui seront simulées dans le modèle hydraulique par la suite se base notamment sur ce critère de temps de concentration afin de retenir une pluie à même de mettre à contribution tout le bassin versant. p.17

Au vu du caractère fortement rural du bassin versant et dans la mesure où la fonction de production retenue pour générer un hyétogramme de pluie nette à partir du hyétogramme de pluie brute (voir 2.1.3.1) s'appuie sur le modèle du NRCS, les temps de concentrations des différents sous-bassins ont été estimés à partir de la formulation du SCS-STU-Rural : avec : Tc le temps de concentration en heures ; L la longueur hydraulique en km ; p la pente moyenne du sous bassin en m/km En termes de résultats, on observe des résultats assez homogènes à l'échelle du bassin versant puisque le temps de concentration moyen est de 3,8 heures (les temps de concentrations minimums et maximums étant respectivement de 2,5 h et 4,4 h). Cette analyse permet en première approche d'établir un critère d'ajustement de la période intense des pluies centré autour de 6 h dans une optique de maximisation du débit de pointe généré à l'aval de sous-bassins. Ce résultat est important dans la mesure où il montre que les différents bassins versants soumis au même événement pluvieux vont répondre tous en même temps et selon la même cinétique. La formation d'une crue plus ou moins importante au sein du réseau hydrographique principal sera donc fortement liée à la manière dont ces différents apports vont se suivre ou se superposer dans le temps d'amont en aval. 2.1.2.1.3 Occupation des sols Au delà de la géométrie des sous-bassins versants, le second paramètre qui va fortement influencer l'ampleur des phénomènes de ruissellement vers l'aval en cas d'orage est la nature des sols et notamment la proportion de surfaces imperméabilisées. La carte page suivante présente l'occupation des sols du bassin versant basée sur la base de données locale SIGALE. A titre de remarque, SIGALE ne couvrant pas l'extrémité amont du bassin, la base de données Corinne Landcover a été utilisée pour compléter l'analyse. p.18

Illustration 2.4: Occupation des sols du bassin (SIGALE)

Ces données mettent en évidence le caractère globalement très rural du bassin versant dans la mesure où : 83 % de la superficie est occupée par des territoires agricoles ; les zones artificialisées représentent seulement 10 % de la surface totale du bassin versant et sont disséminées en fond de talweg le long du linéaire de la Selle. L'extrémité aval du bassin versant (Douchy-les-Mines) et la rive gauche de l'escaut (bassin versant de la Naville) ont un caractère urbain plus marqué ; enfin, 7 % des surfaces sont occupées par des zones forestières concentrées en amont du bassin versant (forêt domaniale d'andigny). On met ainsi en évidence que, de par leur positionnement, les zones artificialisées ne contribueront que très peu à la propagation et à l'accélération des écoulements. La dynamique de drainage global du bassin versant est conditionnée par le couvert agricole ce qui justifie le choix des modèles hydrologiques retenus (SCS). 2.1.2.2 Données pluviométriques disponibles Dans l'optique de la détermination de la pluie de référence, qui servira à modéliser l'aléa de référence centennal, objectif du présent PPR, un inventaire exhaustif des données pluviométriques disponibles a été réalisé en amont en s'appuyant sur les services de Météo-France et de la DREAL Nord Pas -de-calais. Sont distingués dans cet inventaire : les données historiques qui nous permettront d'apprécier la pertinence des résultats du modèle au regard des inondations passées ; les données statistiques nécessaire à l'élaboration des pluies de projet ; les chroniques pluviométriques à pas de temps fin 6 min, horaire ou journalier. 2.1.2.2.1 Réseau local DREAL Nord Pas-de-Calais La Direction Régionale de l'environnement, de l'aménagement et du Logement du Nord Pas-deCalais (DREAL) gère et exploite actuellement, sur la région Nord Pas-de-Calais, un réseau de 20 pluviomètres qui complète le réseau Météo-France régional, avec pour finalité : une connaissance quantitative précise de la ressource en eau ; un usage opérationnel d'alerte pour la prévision des crues qui rentre dans le cadre de la réforme des services de prévision des crues (SPC). p.20

Une station automatique équipée d'un pluviomètre et appartenant au réseau de la DREAL se situe à Beaudignies au centre du bassin versant de l'ecaillon, en service depuis 1966. L'annuaire 2010 du réseau pluviométrique du Service de Prévision des Crues (SPC) du bassin Artois-Picardie édité par la DREAL présente les différentes statistiques en termes de précipitations journalières relevées au niveau de la station pour différentes périodes de retour (de 2 ans à 100 ans) 2 : Période de retour (en années) Quantiles de précipitations journalières cumulées (en mm) 2 31,9 5 42,4 10 51,2 15 56,9 20 61,3 25 64,9 50 77,4 100 92,2 Tableau 2.1: Statistiques journalières Station pluviométrique de Beaudignies (SPC DREAL NORD Pas-de-Calais) Après contact avec la DREAL Nord Pas-de-Calais, il s'avère que cette station fournit des statistiques en termes de quantiles de hauteur précipitée, pour différentes périodes de retour, uniquement sur des durées supérieures ou égales à 1 jour (ces données sont récupérables auprès de MétéoFrance). Elle dispose de plus : des cumuls de précipitations journaliers entre 1973 et 2006 ; des cumuls de précipitations à pas de temps fins 6 min depuis 2004. Après analyse de cette dernière source de données, il s'avère qu'elle n'est pas exploitable dans la mesure où les données brutes à pas de temps fin ne sont corrigées, en cas d'erreur d'acquisition, que sur une base journalière. Or, une vérification de la validité de ces données fines sur un événements connu, la pluie du 10 mars 2008, ayant généré des crues connues sur les bassins versants de la Selle et de l'ecaillon, a montré que ces données été erronées. 2 Ajustement statistique réalisé à partir d'une loi de Fréchet (GEV) p.21

On ne peut donc se fier qu'aux données journalières3. La DREAL Nord Pas-de-Calais a également mis à notre disposition pour les épisodes du 20 juillet 1980 et du 13 février 2002, des pluviogrammes papiers, enregistrés à la station de Beaudignies, sur le bassin versant de l'ecaillon, au pas de temps 2h, à partir duquel ont pu être reconstitués les hyétogrammes de ces deux événements sur ce même pas de temps de 2h. En l'absence de données fines pour cette période au niveau des stations situées sur ou à proximité directe du bassin versant (Solesmes et Trois-villes), ce hyétogramme constitue la source d'information la plus fiable sur la dynamique des précipitations ayant conduit à la génération de la crue la plus dommageable de ces 50 dernières années, en l occurrence la crue de juillet 1980. Les figures suivantes représentent : le hyétogramme enregistré par la station la station de Beaudignies entre le 17 juillet 1980 à 13h00 (origine de l'axe des abscisses) et le 21 juillet 1980 à 05h00 (soit une durée relative totale de 88h) ; le hyétogramme enregistré par la station la station de Beaudignies entre le 11 février 2002 à 08h00 (origine de l'axe des abscisses) et le 13 février 2002 à 08h00 (soit une durée relative totale de 48 h). 3 Une analyse plus poussée de ces données a montré qu'il existe un doute important sur la validité de ces données brutes fines sur la période mi-2006 à fin 2010 p.22

Illustration 2.5: Hyétogramme au pas de temps 2h de la station de Beaudignies (du 17 juillet 1980 au 21 juillet 1980 Source : DREAL) On observe que le pic des précipitations intervient entre 62h et 80 h, soit le 20 juillet entre 3 h du matin et 21h00. Le cumul journalier enregistré du 20 juillet à 07h00 au 21 juillet à 07h00 est de 51,2 mm ce qui conférerait à l'événement une période de retour décennale sur un jour d'après les statistiques de la station (cf. tableau 2.1).

Illustration 2.6: Hiétogramme au pas de temps 2h de la station de Beaudignies (du 11 février 2002 au 13 février 2002 Source : DREAL)) On observe que le pic des précipitations intervient entre 30 h et 44 h, soit du 12 février à 14h00 au 13 février à 4 h du matin. Le cumul journalier enregistré du 12 février à 02h00 au 13 juillet à 02h00 est de 29,6 mm ce qui conférerait à l'événement une période de retour inférieure à 2 ans sur un jour d'après les statistiques de la station (cf. tableau 2.1).

2.1.2.2.2 Réseau Météo-France L'inventaire du réseau de pluviomètres Météo-France situés à proximité du bassin versant de la Selle permet de dresser une liste de stations détaillée page suivante. La seule station située directement au sein du bassin versant de la Selle est la station de Solesmes. On distingue les stations : qui fournissent des statistiques sur des pas de temps fin (< 1 jour) : Saint-Quentin et Lille Lesquin ; qui fournissent des statistiques sur des pas de temps supérieurs à 1 jour : Cambrai-Epinoy, Bouchain, Pecquencourt, le Quesnoy, Solesmes et Trois-villes qui disposent de chroniques avec un pas de temps d'acquisition fin (6 min en moyenne depuis 2005) et sont situés à proximité du bassin versant : Cambrai-Epinoy, Saint-Hilairesur-Helpe et Valenciennes. A titre de remarque, la zone d'étude se situe dans le périmètre couvert par la station du radar Météo-France d'avesnois. Il n'est pas prévu à ce stade d'exploiter les données de cette station, qui n'est entrée en service qu'en mai 2005. p.25

Nom station Date de mise en service Données disponibles St Quentin 1933 Période de retour des précipitations de durées 6 min à 192 heures Lille-Lesquin 1944 Période de retour des précipitations de durées 6 min à 192 heures St Hilaire sur Helpe 2004 Chroniques pluviométriques à pas de temps fin 6 min depuis 2005 Valenciennes 1986 Chroniques pluviométriques à pas de temps fin 6 min depuis 2005 Période de retour des précipitations de durées 1 à 10 jours Cambrai - Epinoy 1953 Chroniques pluviométriques à pas de temps fin 6 min depuis 2005 Bouchain 1974 Période de retour des précipitations de durées 1 à 10 jours Pecquencourt 1962 Période de retour des précipitations de durées 1 à 10 jours Le Quesnoy 1967 Période de retour des précipitations de durées 1 à 10 jours Solesmes 1960-2001 Période de retour des précipitations de durées 1 à 10 jours Troisville 1952 Période de retour des précipitations de durées 1 à 10 jours Tableau 2.2: Inventaire des stations Météo-France situées à proximité du bassin versant de la Selle p.26

Illustration 2.7: Localisation des stations pluviométriques 2.1.2.2.3 Données SHYREG L'IRSTEA, anciennement CEMAGREF, a développé la méthode SHYREG qui associe un modèle régionalisé de simulation de pluies horaires à une modélisation de la pluie en débit. Cette méthode a aboutit à l'élaboration de bases de données pixelisées au km 2 des hauteurs de pluies maximales Pxd(T) en mm pour différentes durées d et périodes de retour T. L'accès à ces données statistiques est possible depuis le site de METEO FRANCE. p.27

2.1.3 2.1.3.1 Modèle de ruissellement Fonction de production En raison des caractéristiques du bassin versant de la Selle (bassin versant rural avec seulement 10 % de surfaces urbanisées), la fonction de production utilisée se base sur le modèle du NRCS (National Ressources Conservation Service, ex-soil Conservation Service) qui permet de rendre compte à la fois des pertes initiales au ruissellement puis de l'infiltration dans le temps, et est particulièrement adaptée aux surfaces rurales peu imperméabilisées. Les surfaces considérées sont définies par un coefficient CN (Curve Number) qui est fonction de plusieurs facteurs dont le type et l occupation du sol, la végétation, les conditions antécédentes d'humidité, la pente. La pluie nette est calculée de la façon suivante : ( P brute 0,05 S )2 (si Pnette>Ia, 0 sinon) P nette = P brute +0,95 S Où : Pbrute et Pnette sont exprimés en mm, Ia représente les pertes initiales liées au couvert végétal notamment ; S est le paramètre de rétention (mm), calculé à partir du Curve Number : 1,15 1000 10) CN Il représente la quantité maximale de pluie absorbée par le sol au cours de l événement pluvieux. S=33,78 ( La détermination du paramètre CN propre à chaque sous bassin versant s'appuie sur la répartition au sein de chaque bassin des surfaces par type d'occupation des sols (à partir de la base de données SIGALE) et sur la base des valeurs des abaques fournies par la littérature ((voir annexe 1) 4. Le coefficient CN est ensuite modulé en fonction des antécédents pluvieux à 5 jours. Le modèle hydrologique du NRCS distingue 4 catégories de sols (A, B, C et D) selon leur perméabilité, à déterminer selon la structure géologique du bassin versant. Les types de sols A, B et C ont été testés sur le bassin versant de la Selle. 4 A titre de remarque, les valeurs de CN disponibles dans la littérature ont été corrigées afin de prendre en compte la dernière version de la formulation du SCS (donnée ci-dessus), ICM ayant gardé l'ancienne formulation p.28

Pour l'aléa, et après calage, une catégorie intermédiaire entre des sols A (très perméables) et B (perméables) a finalement été retenue (nommée A' dans la suite). Ce choix relève de l'analyse de sensibilité effectuée et de la validation des résultats du modèle hydrologie/hydraulique par rapport aux observations lors de la crue de juillet 1980 (cf. suite du document et livrable D). En ce qui concerne les conditions pluviométriques antécédentes, et notamment l'état de saturation des sols, la classe moyenne AMC-II a été retenue en première approche. Elle représente une situation plutôt pluvieuse sur les 5 jours précédents l'épisode générateur de la crue, qui a pour effet de saturer progressivement les sols. La figure et le tableau suivant permettent de faire la correspondance entre les sous-bassins versants intégrés au modèle et les valeurs de CN finalement retenues au terme de l'analyse (catégorie de sols intermédiaire A'). On observe des CN finalement assez proches les uns des autres quel que soit le sous-bassin versant, ce qui est cohérent avec le caractère globalement très rural du bassin versant (prédominance des zones agricoles et cultivées). Les valeurs minimale et maximale des CN sont respectivement de 43,4 (sous bassin versant n 1 en amont, au niveau du bois de Coincy) et de 59,2 (sous-bassin versant n 33 Saint Souplet). La valeur moyenne des CN est de 55,4. Comme dit plus haut, le modèle NRCS est utilisé dans le cadre de la présente étude car le bassin versant de la Selle est un bassin principalement rural. Cette méthode, pour les bassins versants ruraux, est en effet plus aisée à mettre en œuvre que le modèle de Horton, représentant la capacité d infiltration normale du sol. Notons également que le modèle de Horton n'est pas adapté pour les sols préalablement secs, ce qui peut être le cas lors des événements pluvieux estivaux engendrant des inondations. Cette fonction de production est appliquée ensuite à tous les sous-bassins versants. p.29

Illustration 2.8: Attribution des CN à chaque sous-bassin versant (groupe de sols A' moyen entre sols A et sols B) p.30

2.1.3.2 Fonction de transfert La fonction de production du NRCS est ensuite couplée avec le modèle de l'hydrogramme unitaire afin de calculer les hydrogrammes à l'exutoire des sous-bassins versants du réseau hydrographique de la Selle. Ce modèle utilise un hydrogramme unitaire triangulaire construit à partir des trois paramètres : Tp : le temps de montée au pic de l'hydrogramme ; Tb : le temps de base total de l'hydrogramme ; Qmax : le débit de pointe de l'hydrogramme. Illustration 2.9: Exemple d'hydrogramme unitaire tiré de l'aide d'icm Le temps de montée Tp et le temps de base de l'hydrogramme Tb sont compilés à partir du temps de concentration des sous-bassins versants Tc, estimés pour rappel par la formule du SCS-STURural, de la manière suivante : Tp = fts +ftp *Tc avec fts le facteur de temps et ftp le facteur de pic respectivement égaux à 0 et 2/3 dans le cas d'une application couplée avec le modèle de production du SCS ; Tb = 5 *Tp Le débit de pointe Qmax est enfin calculé assez simplement par la formulation Qmax = 2/Tb 2.1.4 Caractérisation des précipitations et construction des pluies de projet Selon la doctrine PPRi, l événement de référence est l événement a minima centennal. Comme indiqué précédemment, la méthode pluie-débit fait l'hypothèse de concordance entre la période de retour de la pluie et celle du débit. Avant de pouvoir déterminer et calculer un débit centennal, il convient donc de définir la pluie centennale à retenir à l'échelle du bassin versant de la Selle. p.31

On arrive alors à plusieurs difficultés ou sources d'incertitudes : 1. forme et répartition temporelle des précipitations : Comme vu précédemment, la structure particulière du bassin versant de la Selle fait que tous les sous bassins versants présentent des temps de concentration similaires, de l'ordre de 3 à 4 heures ; l'ampleur de la réponse hydrologique du bassin versant va dépendre à la fois bien sûr du cumul et de l'intensité des précipitations, mais aussi de leur durée qui va directement influé sur les phénomènes de décalage ou de superposition des apports ; la connaissance de la forme des précipitations et de leur répartition dans le temps est donc primordiale, or on ne dispose d'aucune station pluviométrique à pas d'acquisition de temps fin (au moins inférieur à la journée) sur le bassin versant de la Selle ; on doit donc soit créer des hyétogrammes fictifs en faisant varier leur forme et leur durée intense par exemple, soit exploiter les données des stations hors bassin versant (la plus proche étant celle de Beaudignies) ; 2. estimation des quantiles locaux de précipitations (analyse régionale) : On doit alors estimer les quantiles de précipitations de référence sur le bassin versant de la Selle à partir des statistiques disponibles sur les postes alentours, ce qui impose d'étudier si les régimes pluviométriques sur le bassin versant local et ceux des postes pluviométriques alentours sont comparables ou si des disparités régionales apparaissent ; 3. répartition spatiale des précipitations à l'échelle du bassin versant de la Selle : Il s'agit ensuite de vérifier si l'hypothèse d'une répartition homogène des précipitations sur toute la surface du bassin versant est réaliste ou pas, ou si des disparités locales liées par exemple à l'altitude ou à des facteurs locaux apparaissent. 2.1.4.1 Régime régional des précipitations La construction des pluies de projet doit s'appuyer sur des statistiques pluviométriques fines établies à partir de chroniques de précipitations suffisamment longues et réputées fiables. En l'absence de stations disposant de ce type de données sur ou à proximité direct du bassin versant de la Selle, l'extrapolation des hyétogrammes de projet se base sur les quantiles statistiques de la station de référence de Lille-Lesquin, qui dispose des hauteurs de précipitations de période de retour 2 ans à 100 ans sur des durées de 1h à 4 j. Afin de s'assurer de la représentativité de la station de Lille-Lesquin par rapport au contexte pluviométrique local de la Selle, une analyse régionale faisant intervenir les stations de LilleLesquin, Solesmes, Troisvilles et Beaudignies a été réalisée en termes de quantiles de précipitations sur des durées de 1 jour et 4 jours (seule la station de Lille-Lesquin dispose des quantiles de précipitations sur des durées inférieures à 1 jour). p.32

Cette approche sur des durées journalières ou plus permet d'appréhender de manière fine le régime pluviométrique moyen de ces différentes stations et «lisse» en quelque sorte les hétérogénéités plus marquées que l'on observe sur des événements de courtes durées (ainsi les orages estivaux très courts sont généralement plus localisés que les épisodes hivernaux plus longs). Les figures ci-dessous comparent les quantiles de précipitation sur une durée de 1 jour des stations de Beaudignies, Solesmes, Troisvilles et Lille-Lesquin ainsi que les quantiles de précipitation sur une durée de 4 jours au droit de Solesmes, Troisvilles et Lille-Lesquin, pour différentes périodes de retour de 5 à 100 ans. Illustration 2.10: Quantiles de précipitations journaliers Illustration 2.11: Quantiles de précipitations 4 jours p.33

Cette analyse permet de mettre en évidence : que globalement, jusqu'à une période de retour de 50 ans, le comportement des quatre stations étudiées, en termes de précipitations journalières, est relativement homogène avec une identité très marquée entre les stations de Beaudignies, Troisvilles et Lille-Lesquin et des précipitations légèrement plus faibles au niveau de Solesmes ; pour des périodes de retour supérieures à 50 ans, les précipitations au droit de Beaudignies (bassin versant de l'ecaillon) sont nettement plus marquées. Deux raisons pourraient expliquer ce comportement singulier par rapport aux autres stations : une concentration des précipitations au droit du bassin versant de l'ecaillon pour les épisodes pluvieux les plus rares (micro-climat) : ce qui pourrait expliquer que par exemple pour la crue du 11 mars 2008, les débits mesurés aux stations de Denain (Selle) et Thiant (Ecaillon) sont du même ordre (respectivement 9 m3/s et 11 m3/s) alors que le bassin versant de la Selle est presque deux fois plus étendu ; mais plus probablement, la méthode d'extrapolation des quantiles rares à la station de Beaudignies. En effet, les données de la station de Beaudignies sont produites par le SPC Artois-Picardie (DREAL Nord Pas-de-Calais) alors que les autres stations sont gérées par Météo-France. La cohérence entre les précipitations journalières en deçà d'une période de retour de 50 ans et plus au delà pourrait indiquer que la méthode d'extrapolation des quantiles 50 ans et 100 ans n'est pas homogène entre la DREAL et Météo-France ; en termes de cumul journalier de période de retour 100 ans, on observe que les précipitations à Solesmes sont en moyenne 10 % plus faibles qu'à Lille-Lesquin ; l analyse conduite sur une durée de 4 jours montre un comportement très homogène entre les stations de Solesmes et de Lille-Lesquin quelque soit la période de retour. Troisvilles en revanche est légèrement plus humide ( + 9% pour une période de retour de 100 ans). Il est ainsi proposé d'appliquer un abattement de 10 % (pour des durées inférieures à 1 jour 5) pour transposer les quantiles de précipitations de période de retour 100 ans de Lille-Lesquin vers Solesmes, et ainsi tenir compte de l'hétérogénéité naturelle des pluies à l'échelle régionale. Le tableau ci-après récapitule ainsi les quantiles statistiques de précipitations retenus sur différentes durées à l'échelle du bassin versant de la Selle sur la base des statistiques sur la station régionale de référence de Lille-Lesquin. 5 Pour des durées supérieures à 1 jour l'analyse régionale a montré que le comportement des stations de LilleLesquin et de Solesmes était identique p.34

Tableau 2.3Quantiles de précipitations retenus sur le bassin de la Selle 2.1.4.2 Répartition locale des précipitations Le second niveau de prise en compte de l hétérogénéité des pluies est local, au droit du bassin versant de la Selle. Le caractère homogène des précipitations à l'échelle d'un bassin versant de près de 300 km² est loin d'être toujours évident, et il convient de s'interroger si l'application de la même pluie de projet sur l'ensemble du bassin versant peut conduire ou pas à une surestimation du volume ruisselé vers l'aval et donc des débits de crue de la Selle. La phase 2 historique a permis de faire émerger le constat d'épisodes de pluies plus localisés dans certaines parties du bassin avec une retranscription différente en termes de communes touchées (en phase 2, une carte des communes touchées par événement avait été présentée). Une caractérisation de la répartition moyenne des précipitations à l'échelle du bassin versant a donc été réalisée sur la base des données SHYREG, produites par Météo-France selon une méthode développée par l'irstea. Le modèle SHYREG est une méthode régionale pour l'estimation des débits de crue, développée à l'origine pour permettre une première estimation rapide des débits de référence dans le cadre de l'élaboration des PPRI. Elle se base notamment sur un générateur global de pluie horaire. L'exploitation de ces bases de données de pluies permet d'accéder sur des pixels de 1km de côté aux hauteurs de pluie maximales (en mm) de différentes durées (entre 1h et 72h) et pour différentes périodes de retour ( de2 ans à 100 ans). Il faut bien garder à l'esprit que cette méthode, et donc les quantiles de précipitations, sont tirés d'une approche régionale, et par conséquent que la précision des données n'est pas comparable avec les statistiques produites localement au niveau des stations pluviométriques (comme LilleLesquin notamment). Néanmoins, l'information quantitative fine nous intéresse finalement très peu dans le cas présent. Ce que l'on cherche à déterminer, c'est la répartition des précipitations sur l'emprise du bassin versant, donc une exploitation qualitative des données SHYREG. p.35

D'un point de vue méthodologique, nous nous sommes procurés un quantile de précipitation journalier SHYREG (de période de retour 100 ans) par sous-bassin versant, qui a ensuite été normé par rapport au quantile journalier correspondant à la commune de Solesmes, afin d'estimer la distribution moyenne des précipitations par rapport à Solesmes. La figure ci-dessous présente la répartition spatiale des pluies basée sur cette approche : Illustration 2.12: Hétérogénéité spatiales des précipitations (en % par rapport à Solesmes) Cette analyse permet d'identifier un gradient amont-aval avec en moyenne des précipitations plus importantes en amont de Solesmes (au sud du bassin versant), jusqu à 14,3 % de précipitations en plus, et avec un abattement vers l'aval ( de l'ordre de -3 % à -5 %). p.36

Il est donc proposé que pour les simulations relatives à l'événement centennal (aléa de référence), un coefficient d'abattement, positif ou négatif, soit appliqué au niveau de chaque sous-bassin versant, en se basant sur les valeurs numériques estimées par l'analyse précitée, afin, à partir du hyétogramme extrapolé à Solesmes, d'appliquer un hyétogramme corrigé représentatif du régime pluviométrique moyen de chaque zone d'apport du bassin versant. 2.1.4.3 Définition des pluies de projet Les paramètres clés pour la détermination de la pluie de projet de référence (hyétogramme) sont les suivants : la forme du hyétogramme ; la durée totale ; la durée intense. Comme indiqué précédemment, le choix de ces différents paramètres va conditionner fortement les phénomènes de décalage temporel ou de cumul des différents apports et par conséquent la dynamique et l'ampleur de la propagation des crues au sein de la Selle. Il convient en règle générale de construire des pluies de projet qui présentent des paramètres cohérents avec la forme usuelle des pluies les plus intenses et les plus préjudiciables à l'échelle du bassin versant considéré. On a alors deux possibilités : soit repartir de la forme de pluies réelles connues pour avoir généré des crues majeures ; en l'occurrence il est intéressant d'exploiter le pluviogramme papier récupéré sur la station de Beaudignies à l'occasion de la pluie du 17 au 20 juillet 1980, et de construire une pluie de projet centennale sur cette forme ; soit partir sur des formes théoriques, typiquement double-triangle, représentatives de phénomènes orageux estivaux, ou simple ou double-rectangle, représentatives d'épisodes hivernaux prolongés ; en ajustant les durées intenses, c'est-à-dire les durées sur lesquelles les plus forts cumuls se produisent, en fonction notamment des temps de concentration. Les deux approches ont été retenues et un panel de 4 pluies de projet a ainsi été défini. 2.1.4.3.1 Pluie centennale de forme 1980 («aléa_1980») Cet épisode de juillet 1980, étant le seul événement exceptionnel (mais non centennal) dommageable, pour lequel on dispose du profil des précipitations en un point relativement proche du bassin versant, il est intéressant, en termes de caractérisation de la typologie des pluies qui font réagir le bassin versant. p.37

Le hyétogramme de cette pluie de juillet 1980, reconstitué pour rappel à partir d'une bande papier fournie par les services de la DREAL Nord Pas-de-Calais, présente les caractéristiques suivantes : une durée totale de 3 jours du 17 au 20 juillet 1980 avec un cumul de 79,5 mm, d'occurrence comprise entre 30 ans et 50 ans ; un pic principal des précipitations centré sur les 24 dernières heures de la pluie et qui présente un cumul de 54,2 mm et une période de retour 10 à 20 ans sur cette durée. La pluie de projet basée sur cette forme (dite «1980_aléa» dans la suite) consiste en un hyétogramme de durée totale 72 heures dont la forme est calée sur celle de la pluie de juillet 1980, les intensités étant ajustées à chaque pas de temps sur les dernières 48 heures de la pluie, pour que le cumul total de celle-ci sur cette durée de deux jours soit centennal (alors que ce dernier était trentennal pour la pluie historique de 1980). Sur les 24 heures premières heures de l'épisode a été conservée l'amorce de la pluie historique (10 mm en cumul) afin de représenter l'influence d'un remplissage partiel préalable du lit de la Selle avant l'arrivée du gros des précipitations (ce qui s'est passé en juillet 1980) avec des conditions antécédentes à l'événement très humides. Illustration 2.13: hyétogramme à Solesmes de la pluie de projet centennale 1980_aléa Durée totale de l'épisode Hauteur totale précipitée (en mm) Pic principal de la pluie Hauteur intense précipitée (en mm) 3 jours 88,9 24 heures 61.3 Tableau 2.4: Caractéristiques de la pluie de projet centennale «aléa_1980» p.38

2.1.4.3.2 Pluies de projet théoriques Trois autres pluies de projet, toutes centennales, mais de forme «théorique», ont été construites, afin d'analyser la réponse du modèle et d'identifier la dynamique la plus pénalisante en termes d'inondations : un hyétogramme de pluie théorique double-triangle de durée totale 12 heures et de durée intense 2 heures, centennal sur ces deux durées. Cette pluie de projet présente une dynamique rapide, avec une durée relativement courte et la majorité des précipitations condensée sur 2 heures. Elle est destinée à tester la réactivité du modèle face à des épisodes de forte intensité et peu étendus dans le temps. Illustration 2.14: hyétogramme à Solesmes de la pluie de projet centennale 12heures_2heures Durée totale de l'épisode Hauteur totale précipitée (en mm) Durée intense de l'épisode Hauteur intense précipitée (en mm) 12 heures 61,7 2 heures 39,6 Tableau 2.5: Caractéristiques de la pluie de projet 12heures_2heures un hyétogramme de pluie théorique double-triangle de durée totale 24 heures et de durée intense 6 heures, centennal sur ces deux durées. Cette pluie de projet présente une durée comparable au pic principal de la pluie de 1980 et vise donc à déterminer si un épisode centennal sur un jour est le plus pénalisant en termes de réponse du bassin versant ; p.39

Illustration 2.15: hyétogramme à Solesmes de la pluie de projet centennale 24heures_6heures Durée totale de l'épisode Hauteur totale précipitée (en mm) Durée intense de l'épisode Hauteur intense précipitée (en mm) 24 heures 72,5 6 heures 58 Tableau 2.6: Caractéristiques de la pluie de projet 24heures_6heures un hyétogramme de pluie théorique double-rectangle de durée totale 4 jours qui reprend la forme globale de 1980, à savoir une durée longue de 4 jours et un pic d'intensité modéré qui se produit à la fin de l'épisode. Cette pluie de projet est centennale en termes de cumul sur 4 jours mais également sur les 12 dernières heures intenses, d'où un pic d'intensité à la fin de l'événement après 3,5 jours de pluie continue à intensité constante. Illustration 2.16: hyétogramme à Solesmes de la pluie de projet centennale 4jours_12heures p.40

Durée totale de l'épisode Hauteur totale précipitée (en mm) Durée intense de l'épisode Hauteur intense précipitée (en mm) 4 jours 88,2 12 heures 61,7 Tableau 2.7 Caractéristiques de la pluie de projet 4jours_12heures Ces quatre pluies de projet sont analysées et modélisées afin de retenir l'événement le plus représentatif de la réponse hydrologique du bassin versant qui constituera l'événement de référence au sens de la doctrine du PPRI. Le développement de ces tests de sensibilité et de leurs résultats est décrit en détail dans le livrable D. Sont notamment comparés en plusieurs points de référence les résultats hydrologiques (hydrogrammes produits aux exutoires des bassins versants) et hydrauliques (hauteurs de submersions au sein de la Selle et de son lit majeur), afin de déterminer quelle est la pluie qui entraîne la réaction du bassin versant la plus cohérente avec les observations. Précisons toutefois à ce stade que les conclusions de cette analyse ont amené à retenir comme aléa de référence la pluie de projet centennale calée sur la forme de la pluie de 1980. L'objectif de la présente procédure est également de mettre à jour l'atlas des Zones Inondables (AZI) établi pour l'événement décennal. La pluie de projet décennale qui sera utilisée pour effectuer cette mise à jour sera construite sur la même forme de base que l'aléa de référence retenu, mais avec des intensités moindres correspondant à occurrence décennale. p.41

Partie 3: Contrôle et correction du Modèle Numérique de Terrain (MNT) p.42

3.1 Importance de la donnée topographique La qualité de la donnée topographique est primordiale dans le cadre de modélisations hydrauliques visant à déterminer l'aléa. C'est en effet sur la base de celle ci que sera construit le modèle numérique. Ainsi toute erreur ou imprécision de cette donnée aura des répercutions sur l'aléa produit. Pour rappel, deux types hydrologique/hydraulique : de données sont exploités pour construire le modèle les levés topographiques terrestres, localisés, décrivant les profils en travers du cours d'eau ainsi que les ouvrages ponctuels (ponts, vannages etc...) ou linéaires ; les levés topographiques aéroportés, décrivant la topographie du bassin versant, issus du LIDAR du Conseil Général du Nord. La résolution de cette donnée est de 5 m, c'est à dire qu'un point décrit l'élévation du terrain naturel tous les 5 m sur le territoire d'étude. Le présent chapitre évalue la qualité des différentes sources de données topographiques et analyse la sensibilité de la réponse du modèle dans des secteurs où cette qualité est douteuse. Les opérations de fiabilisation de la donnée topographique, notamment les traitements de reprises du MNT sont ensuite détaillées. 3.2 Sensibilité et validité des levés terrestres Profils en travers Les profils en travers sont issus de levés réalisés par un cabinet de géomètres experts en 2011, complétés en 2012. Compte tenu des normes strictes encadrant les missions de levés topographiques terrestres, de la précision généralement constatée sur ce type de données et du fait qu'aucune incohérence n'a été détectée lors du contrôle des données, celles ci sont considérées comme valides. La précision altimétrique de ce type de données est généralement de l ordre du centimètre, l'incertitude provenant de ces données est considérée comme négligeable au regard des autres sources d'incertitude. Levés d'ouvrages Les levés d'ouvrages sont également issus des levés géomètres réalisés en 2011 et 2012 et reprennent les mêmes caractéristiques. p.43

De manière générale, les levés terrestres sont considérés comme valides, une vérification de cohérence étant automatiquement réalisée lors de l'intégration dans le modèle pour détecter toute erreur lors du report cartographique des levés. 3.3 Sensibilité et validité du LIDAR (lit majeur et bassin versant) Les analyses préliminaires réalisées en début de phase n 3 ont montré des écarts potentiellement importants entre les levés géomètres (profils en travers et levés d'ouvrages), considérés comme donnée de référence compte tenu de leur précision, et le LIDAR. Partant de ce constat, des analyses plus poussées ont été menées pour permettre de sectoriser le LIDAR du point de vue de sa validité. 3.3.1 Écarts entre les levés géomètres et le LIDAR L'analyse réalisée consiste à comparer le LIDAR aux levés complémentaires réalisés sur le bassin versant pour fournir un jeu étendu de points de référence. Ce levé permet de disposer d'environ 3 100 points de référence situés hors lit mineur, en bordure de celui ci ou en lit majeur, dans certaines zones identifiées lors de la première analyse. Analyse statistique : Sur ces points est calculée la différence entre l'altitude du point de référence (levé terrestre) et la donnée issue du LIDAR en ce même point. Ainsi, une différence négative signifiera que la donnée LIDAR surestime l'altitude, tandis que celle-ci sera sous-estimée si la différence calculée est positive. Sur l'échantillon considéré, pour l'ensemble des points où le LIDAR surestime la valeur d'altitude, la différence moyenne observée est de l'ordre de 38 cm. Dans les secteurs où le LIDAR sous-estime cette élévation, la différence moyenne est de l'ordre de 31 cm. Pour environ 70 % des points de contrôle, la valeur d'altitude est surestimée par le LIDAR. Environ 53 % des points de contrôle sont situés dans l'intervalle de différences acceptables ( -20 cm / + 20 cm), et 80 % de ces points de contrôle sont situés dans l'intervalle -50 cm / + 50 cm. La figure suivante représente la répartition des différences observées, on note bien que cette répartition est décalée vers les valeurs négatives, correspondant bien à une majorité de points de contrôles pour lesquels l'altitude du MNT LIDAR est surestimée. p.44

Illustration 3.1: Répartition des différences observées entre le LIDAR et les données de référence En conclusion, on peut noter que le LIDAR présente une tendance générale à la surestimation des altitudes par rapport à la donnée de référence. Répartition des erreurs : Les extraits cartographiques suivants représentent la répartition des points de contrôle en indiquant la différence calculée entre la cote de référence et le LIDAR, représentée selon la légende suivante : p.45

Illustration 3.2: Comparaison LIDAR / levés géomètres - Saint Bénin /Saint Python p.46

Illustration 3.3: Comparaison LIDAR / levés géomètres - Saint Python / Saulzoir p.47

Illustration 3.4: Comparaison LIDAR / levés géomètres - Saulzoir / Douchy les Mines p.48

On note que sur la majorité des secteurs pour lesquels des levés géomètres étendus ont été réalisés, le MNT LIDAR est en général au dessus des valeurs des levés géomètres, avec des différences comprises entre 20 et 50 cm. Un secteur situé en rive droite de la Selle sur la partie aval de la commune de Noyelles-sur-Selle est particulièrement problématique, avec des différences de plus d'1 mètre entre le LIDAR et la donnée géomètre. 3.3.2 Typologie des secteurs problématiques La confrontation des erreurs détectées, du LIDAR ombré et de l'orthophotographie montre que la majorité de ces erreurs provient d'erreurs de filtrage de la végétation (cultures ou arbres) relevée par le dispositif LIDAR. La figure suivante montre 4 secteurs identifiés comment potentiellement erronés par l'analyse du MNT (à gauche), analyse confirmée par la présence de végétation importante sur ces parcelles, ainsi que par la comparaison des levés ponctuels géomètre et du MNT, qui montrent (points en rouge) que le terrain sur les deux parcelles où l'on dispose de données de comparaison sont surélevés de plus d'un 1 m par rapport au terrain naturel réel. On note que l'observation du MNT ombré permet de détecter une trame sur ces parcelles, correspondant à l'axe général de plantation des cultures. Figure 1: détection des aberrations du Modèle Numérique de Terrain Sur le secteur étudié, correspondant à la zone potentiellement inondable par la Selle, élargie à une marge de sécurité d'environ 100 à 200 mètres, 38 secteurs erronés ont ainsi pu été détectés. p.49

Sur ces 38 secteurs, deux ont des cotes sous-estimées par le MNT par rapport à la donnée de référence et 36 présentent des surestimations importantes, 50 cm voire 1 m supérieure à la cote de référence. Illustration 3.5: Localisation des zones de topographie erronée (polygones oranges) Compte tenu de ces erreurs identifiées, il est fort probable que de nombreux autres secteurs soient erronés, dans une moindre mesure que ceux détectés et présentés ci dessus, notre analyse nous ayant permis d'identifier les zones où les erreurs sont réellement visibles. p.50

3.3.3 Analyse particulière de sensibilité sur le secteur de Douchy-les-Mines La commune de Douchy-les-Mines regroupe, le long de la rue Jean Jaurès, un ensemble de repères d'inondation permettant de valider le comportement du modèle hydraulique sur les inondations survenues en 1980. Ces repères sont disposés de part et d'autre de la trémie de traversée de l'autoroute, comme figuré sur l'illustration suivante. Chaque point vert correspond à un repère de crue. Illustration 3.6: Localisation des laisses d'inondation à Douchy les Mines La problématique posée par le MNT erroné est parfaitement illustrée dans ce secteur. Les repères référencés Dou_1980_01, 03 et 07 ont fait l'objet d'un levé géomètre local en vue de reconstituer le niveau atteint par l'inondation en se basant sur les témoignages récoltés. Ces données sont comparées, dans le tableau suivant, à la cote donnée par le MNT au droit de chacun des repères. p.51

Repère Cote sol géomètre Cote sol «MNT» Différence (MNT/Géo.) Cote historique 1980 reconstituée Dou_1980_01 30.95 m NGF 31.30 m NGF +35 cm 31.05 m NGF Dou_1980_03 30.65 m NGF 30.70 m NGF +5 cm 30.75 m NGF Dou_1980_07 30.46 m NGF 30.57 m NGF + 11 cm 30.56 m NGF Tableau 3.1: Comparaison entre les levés géomètres et le MNT à Douchy L'erreur du MNT conduit ici à sous-estimer l'emprise inondable car des secteurs se retrouvent hors d'eau alors qu'ils seraient inondés. On note ainsi qu'il est impossible de reproduire avec le modèle la cote historique observée au repère Dou_1980_01, puisque l'altitude prise en compte par la modélisation (31,30 m NGF, issue du MNT) est déjà supérieure à la cote atteinte en réalité par l'inondation (31,05 m NGF d'après le levé géomètre). La seconde conséquence de ce type d'erreur est que, dans certains secteurs, le modèle hydraulique pourra reproduire correctement la profondeur atteinte par l'inondation, mais si l'altitude du sol est surestimée, la cote de référence de l'aléa, exprimée en m NGF, pourra être surestimée également. Ces types d'erreur pourront être recherchées lors de la phase d'analyse de l'aléa par les collectivités, pour qu'elles soient corrigées en phase de reprise de l'aléa, sur la base de nouveaux levés topographiques terrestres. 3.4 Modifications et correction du LIDAR Dans l'optique d'améliorer la qualité de la donnée LIDAR et de la fiabiliser pour permettre son exploitation dans la construction du modèle hydraulique, les secteurs identifiés comme clairement erronés ont alors été corrigés. La méthodologie a été la suivante : 1. un semis de point basé sur la donnée LIDAR initiale est créé à partir des fichiers.xyz transmis par la DDTM 59. Pour rappel, ce semis présente un espacement de 5 m entre chaque point, sur l'étendue du bassin versant de la Selle ; 2. les points situés dans les secteurs erronés sont supprimés ; 3. dans les secteurs où des points topographiques sont disponibles, ceux-ci sont inclus dans le semis de points ; p.52

4. un Modèle Numérique de Terrain est régénéré par interpolation linéaire avec une composante polynomiale, permettant une prise en compte des variations du terrain autour des zones de vide pour régénérer les surfaces manquantes. Le MNT produit présente des cellules de 2,5 m de coté. Cette approche consistant à re-générer une nouvelle altitude par interpolation a été privilégiée par rapport à celle consistant à conserver les données existantes en les modifier d'un certain facteur, pour les raisons suivantes : des données de contrôle n'étaient pas forcément disponibles sur l'ensemble des secteurs problématiques identifiés lors de l'analyse finale ; l'erreur identifiée n'est de manière générale pas constante à l'échelle d'un champ ou d'une zone forestière identifiée, comme le montre l'exemple ci dessous. Illustration 3.7: différences entre les levés topographiques de référence et le LIDAR à l'échelle d'une parcelle p.53

3.4.1 Analyse statistique des erreurs résiduelles du LIDAR après correction L'analyse réalisée consiste alors à comparer le LIDAR nettoyé et corrigé aux levés complémentaires réalisés sur le bassin versant, pour fournir un jeu étendu de points de référence, afin d'estimer s'il subsiste une erreur résiduelle même après la suppression des principales zones erronées dans le lit majeur du cours d'eau. Ce levé permet de disposer d'environ 3 100 points de référence situés hors du lit mineur, en bordure de celui ci ou en lit majeur, dans certaines zones identifiées lors de la première analyse. Sur ces points est calculée la différence entre l'altitude du point de référence et la donnée issue du LIDAR corrigé en ce même point. Ainsi, une différence négative signifiera que la donnée LIDAR surestime l'altitude, tandis que celle-ci sera sous-estimée si la différence calculée est positive. Sur l'échantillon considéré, pour l'ensemble des points où le LIDAR surestime la valeur d'altitude, la différence moyenne observée est de l'ordre de 34 cm, dans les secteurs où le LIDAR sous-estime cette élévation, la différence moyenne est de l'ordre de 26 cm. Pour environ 67 % des points de contrôle la valeur d'altitude est surestimée par le LIDAR. Environ 60 % des points de contrôle sont situés dans l'intervalle de différences acceptables ( -20 cm / + 20 cm), et 82 % de ces points de contrôle sont situés dans l'intervalle -50 cm / + 50 cm. Le tableau ci-après met en parallèle les statistiques établies avant et après correction du MNT sur la base du semis de contrôle géomètre. MNT non corrigé MNT corrigé Moyenne des erreurs + 18 cm + 15 cm Médiane des erreurs + 12 cm + 8 cm Moyenne des erreurs positives + 38 cm + 34 cm Moyenne des erreurs négatives - 31 cm - 26 cm Proportion d'erreurs [-20 cm ; +20 cm] 53% 60% Proportion d'erreurs [-50 cm ; +50 cm] 80% 82% Tableau 3.2Analyse statistique des erreurs avant et après correction du MNT p.54

Ces résultats mettent en évidence que si la correction du MNT permet de réduire les erreurs moyennes de ce dernier, cette amélioration reste limitée, d'où une incertitude encore grande sur la fiabilité de la topographie en certains points, notamment les zones arborées. 3.4.2 Conclusions, limitations de la méthode Comme noté précédemment, l'analyse réalisée a révélé que le filtrage opéré de manière classique sur les données LIDAR était de mauvaise qualité et a conservé une part importante du couvert végétal. Les secteurs étendus et identifiables avec certitude ont été traités, cependant il n'est pas à exclure que d'autres secteurs présentent les mêmes défauts d'une surestimation de l'altitude par le LIDAR exploité pour la construction du modèle hydraulique. Il n'est pas possible sur la base de levés géomètres, fussent ils étendus à la totalité du bassin versant, de corriger intégralement le MNT, compte tenu des surfaces importantes qui peuvent comporter des erreurs. Les erreurs les plus importantes resteront situées dans les secteurs de végétation importante (zones arborées, champs maïs, ripilysve, etc...). p.55

Partie 4: Les incertitudes restantes et limites de l'approche retenue pour caractériser l'aléa de référence p.56

A l'issue de cette étape de fiabilisation des données d'entrée et d'amélioration des méthodes mises en œuvre pour caractériser l'aléa de référence dans sa première version soumise au COCON, à la suite notamment de l'analyse approfondie des différentes données exploitables à ce stade, il convient de rappeler néanmoins les limites et incertitudes restant encore à ce jour, inhérentes à toute simplification de la réalité et malgré tout le soin et la rigueur apportée à la réalisation de cette phase. Ainsi, en dépit des avantages certains de la méthode de transformation de la pluie en débit, il est nécessaire d'avoir en tête toutes les sources d'incertitudes qui rendent encore la validation de l'approche globale délicate et amène à nuancer les éventuels écarts qui pouront être constatés entre les niveaux d'eau historiques et les niveaux d'eau simulés (livrable D suivant). Une analyse quantifiée de ces différents types d'incertitudes est présentée dans le livrable D en différents points du linéaire de la Selle, et permet de juger du calage particulièrement satisfaisant du modèle hydraulique au vu de la fiabilité limitée de certaines données d'entrées dans le cas présent du bassin de la Selle. 4.1 Les données dont on est sûr Pour rappel, d'un côté, on dispose de données sûres sur lesquelles s'appuyer. Ainsi : la géométrie du lit mineur de la Selle a été construite à partir de levés géomètres terrestres du profils du cours d'eau et des ouvrages, précis au cm près ; le modèle a été construit dans les règles de l'art en utilisant des coefficients de rugosité et d'ouvrages moyens adaptés, sans hypothèses particulières ou quelconques «forçages» ; en termes de pluies de calage, les hyétogrammes des épisodes de juillet 1980 et de février 2002 ont pu être reconstitués au niveau de la station de Beaudignies avec un pas de temps relativement fin de 2 heures. 4.2 Les incertitudes restantes D'un autre côté, plusieurs sources d'incertitudes compliquent l'interprétation du calage de la transformation pluie-débit puis du modèle hydraulique (calage présenté dans le livrable D). La principale difficulté réside dans le fait que les données exploitables étant limitées en nombre, il est nécessaire de caler «globalement» la réponse hydrologique du bassin versant et la représentation du fonctionnement hydraulique de la vallée. Habituellement on dispose de données suffisamment fiables pour caler dans un premier temps la transformation pluie-débit, puis le modèle hydraulique. p.57

4.2.1 Incertitudes hydrologiques La première difficulté est lié au fait que l'on ne dispose pas sur le bassin versant de la Selle de station de mesure pluviométrique à pas de temps fin inférieur à la journée. Ainsi, par exemple, les hyétogrammes des pluies historiques de juillet 1980 et de février 2002 sont issus d'une reconstitution à partir des pluviographes de la station de Beaudignies, sur le bassin versant voisin de l'ecaillon. On est donc forcé d'utiliser une pluie qui n'a pas été mesurée en tant que telle sur le bassin versant d'étude. A cela s'ajoute une inconnue très importante sur la distribution spatiale des précipitations. En effet, dans la mesure où le bassin versant n'est pas équipé d'un réseau de pluviomètres à pas de temps fin, il est impossible de caractériser l'hétérogénéité des pluies historiques dommageables. Seul le radar d'avesnois, entré en service en mai 2005, peut permettre de définir cette hétérogénéité mais que ce se soit en juillet 1980 ou en février 2002, ce type d'information n'était pas disponible. Par défaut, les pluies historiques modélisées sont donc appliquées de manière homogène sur l'ensemble du bassin versant. Si d'un côté le profil exact et la distribution des événements pluvieux historiques sont incertains, l'analyse de la station hydrométrique de Denain a également montré que les débits mesurés par cette dernière en configuration débordante ne sont pas fiables. En effet, il semblerait que la station soit contournée par les eaux en cas de crues, et que le débit enregistré plafonne donc à 20 m 3/s (capacité du lit mineur au droit de la station). Ainsi, par exemple, pour la pluie de juillet 1980, qui a entraîné des inondations importantes, il n'est pas possible d'utiliser la station pour chercher à valider le débit à l'exutoire du modèle. Pour la pluie de février 2002, qui d'après les témoignages n'aurait pas suscité de débordements en lit majeur, le débit maximal mesuré à la station est de 9,6 m 3/s. 4.2.2 Incertitudes hydrauliques Deux incertitudes d'ordre hydraulique sont également à prendre en compte : la position des vannages (ouverts ou fermés) lors de la survenue des épisodes historiques (par défaut ces ouvrages ont été considérés comme fermés dans les modélisations réalisées) ; le curage du lit mineur en aval du bassin versant : en effet, d'après les informations recueillies durant la phase historique, il semblerait que le lit mineur de la Selle ait pu subir un curage suite à la crue de juillet 1980 pour limiter le risque d'inondation sur sa partie aval. p.58

Si ces informations n'ont pas pu être confirmées de manière certaine, il n'en reste pas moins qu'elles ont une influence importante sur la correspondance entre les témoignages d inondation historiques et les inondations simulées par le modèle (qui lui représente l'état actuel du lit mineur de la Selle, intégrant toutes les modifications passées). L'état de la végétation et les embâcles potentielles au niveau des ouvrages lors des crues historiques sont également des paramètres hydrauliques qu'il est difficile voire impossible d'évaluer. 4.2.3 Incertitudes topographiques Si la morphologie du lit mineur de la Selle est très précise et fiable, en revanche la morphologie du lit majeur repose sur un Modèle Numérique de Terrain (MNT) dont l'analyse de fiabilité décrite auparavant a montré qu'il présentait une erreur moyenne d'altimétrie de l'ordre de +20 cm. Ces erreurs sont en parties dues à un mauvais filtrage de la végétation (sur les berges ou dans les champs) qui expliquent la surestimation globale de l'élévation du terrain naturel. Ces écarts n'étant pas systématiques, il est très difficile de les corriger à grande échelle, automatiquement. Le présent livrable décrit les opérations de corrections du MNT qu'il a été possible d'effectuer à ce stade. Ainsi, si la modélisation des écoulements dans le lit mineur est fiable, les erreurs du MNT peuvent conduire à mettre hors d'eau des zones historiquement inondables et globalement à retarder les débordements hors lit mineur. L'influence de ces erreurs du MNT est particulièrement visible à Douchy-les-Mines où il est difficile de recoller aux témoignages historiques de juillet 1980 du fait de l'imprécision du MNT notamment. 4.2.4 Incertitudes historiques Le dernier type d'incertitudes auquel on se retrouve confronté sont d'ordre «historique». En effet, certaines laisses d'inondations sont difficilement exploitables dans la mesure où : elles ne sont pas horodatées. On ne sait donc pas si le témoignage ou la photographie retrouvée correspondent à la crue, au pic de crue ou à la décrue ; certains témoignages peuvent se contredire avec par exemple un témoignage qui décrit un pont comme submergé alors qu'une photo le montre seulement en charge. De plus, on ne dispose que d'une seule crue historique (juillet 1980) avec des témoignages d'inondations quantifiés et localisés qui peuvent être exploités pour valider le fonctionnement hydraulique du modèle. p.59

4.3 Conséquences en termes de validation de la méthode En toute rigueur, deux étapes de calage seraient nécessaires pour s'assurer de la validité du modèle : 1ère étape : le calage de la transformation pluie/débit : c'est à dire concrètement s'assurer que pour une pluie historique connue injectée sur chacun des sous-bassins versants, le débit simulé en un ou plusieurs points du modèle est cohérent avec le débit mesuré par la station ; 2e étape : le calage du fonctionnement hydraulique du modèle : c'est à dire s'assurer que la réponse du modèle pour le débit de crue historique mesuré est bien conforme aux témoignages et repères de crue, et par conséquent qu'il rend bien compte de la dynamique des débordements et des échanges lit mineur/lit majeur. Illustration 4.1: Méthodologie de calage classique En l'état, les incertitudes des données sources du modèle ne permettent qu'une validation comportementale du modèle en jouant sur les paramètres des sous-bassins versants d'apport, soit sur les coefficients de ruissellement (CN) de ces derniers. L'ajustement doit permettre : de reproduire pour la pluie de février de 2002 un débit et un niveau d'eau au niveau de la station similaire aux données mesurées le jour de la crue (non débordante donc a priori dans le domaine de validité acceptable des données hydrométriques de la station de Denain) ; de limiter les écarts moyens du modèle par rapport aux repères de crues de juillet 1980 pour cet épisode. p.60

Illustration 4.2: Validation du modèle réalisée Le calage/validation de la méthode est présenté dans le livrable D. Les hypothèses retenues y sont détaillées. Et comme c'est le cas usuellement lorsque des incertitudes potentiellement importantes demeurent, une analyse de sensibilité des résultats à différents paramètres y est également présentée. p.61