La gestion intégrée des inondations à l’échelle du bassin versant offre des perspectives intéressantes pour poser un diagnostic pertinent et trouver des solutions de gestion de l’aléa, notamment à l’amont des enjeux. Cet article s'intéresse ici aux différentes étapes de l'estimation de l'aléa inondation et nous présente les principes et méthodes de diagnostic d'efficacité probabiliste pour améliorer la gestion des inondations par des ouvrages de prévention dispersés sur le bassin versant.

Du diagnostic au programme d'actions de gestion du risque d'inondation

La prévention des inondations commence par un diagnostic de l’aléa d’inondation, c’est-à-dire le ou les phénomènes physiques aléatoires à l’origine des inondations, puis du risque d’inondation, c’est-à-dire les conséquences de l’aléa, notamment économiques (dommages directs et indirects [1]) et sociales (menaces pour la vie des personnes et leur santé…).

Nous allons parcourir les étapes de l’estimation de l’aléa inondation, puis du dimensionnement des ouvrages de gestion de l’aléa, en identifiant les problèmes qui se posent dès que l’on n’a plus un ouvrage unique, mais plusieurs.

Diagnostic probabiliste de l’aléa de référence, puis du  risque

La figure 1 illustre le principe d’un diagnostic probabiliste d’inondation par débordement de cours d’eau. On construit d’abord des hydrogrammes représentatifs de la période de retour [2] étudiée, sur chaque tronçon, à partir des quantiles de débits estimés en ces points. Le débit de pointe en est souvent, logiquement, la valeur de débit instantané dépassée en moyenne pour la période de retour étudiée T (= quantile Q(T)), mais il faut aussi choisir les autres caractéristiques : durée, volume... La condition initiale est importante aussi ; considérer systématiquement des ouvrages de stockage vides au début de la modélisation revient à négliger la probabilité de survenue d’épisodes rapprochés (exemple du barrage de la Rouvière en 2002, cf. liste de nos travaux [3]). À ces réserves près, on suppose qu’en injectant à l’amont d’un tronçon (ici B et C, en amont d’enjeux) un hydrogramme ainsi construit, l’extension spatiale de l’inondation calculée par modèle hydraulique correspondra à la zone inondée pour cette période de retour. Le modèle donne les hauteurs d’eau atteintes, plus rarement les vitesses locales. Même si ces études sont courantes, il faut garder en tête que les écoulements débordant hors du lit mineur restent difficile à modéliser (encadré 1 ).

Les politiques publiques incitent maintenant à aller jusqu’à l’estimation des dommages, via des courbes d’endommagement, pour le calcul d’indicateurs économiques intégrés sur le régime des crues (DMA : dommages moyens annualisés). Pour une description détaillée du principe et des méthodes de calcul des indicateurs économiques – et de leurs difficultés – on se reportera par exemple à  Bailly et al. (2010) et Commissariat général au développement durable (2014). Ce diagnostic aide ensuite à définir une stratégie de réduction du risque [4], jouant à la fois sur la modification de l’aléa (ouvrages de laminage et de protection), et de la vulnérabilité (dispositions constructives, adaptations du bâti existant, formation des services techniques et des citoyens aux comportements adaptés avant et pendant les crises…).

Cette approche probabiliste suppose de pouvoir estimer des quantiles de débit en amont d’un tronçon, ce qui est possible – mais pas toujours facile – dans les cours d’eau. Sur des surfaces d’apport réduites en tête de bassin ou en milieu urbain, on peut estimer un ruissellement probabiliste à partir de pluies de projet, en assimilant la période de retour du débit à celle de la pluie qui le génère. Par contre, si on a besoin d’étudier le ruissellement sur tout un sous-bassin, cette identification est beaucoup plus problématique. L’encadré 2  présente une alternative, une méthode de détermination d’indicateurs du ruissellement intense pluvial (IRIP) qui propose une cartographie des zones susceptibles de générer, transférer et accumuler du ruissellement en se fondant des indicateurs géomatiques liés aux processus.

Estimation de l’aléa résiduel en présence d’ouvrages et indicateurs d’efficacité

Pour limiter des dommages au droit des enjeux, on peut construire des digues, contrôler des écoulements (dérivation d’une partie des écoulements, calibrage, suppression d’obstacles qui provoquaient une surélévation de la ligne d’eau…) ou laminer les crues en amont (principe des barrages à pertuis ouverts, figure 2 et nos travaux ). Comme pour l’aléa de référence, on caractérise d’abord le fonctionnement de ces infrastructures par des indicateurs hydrologiques et hydrauliques (figure 1b). Au centre de la figure 1a, les zones d’extension d’inondation calculées sur le tronçon C sans et en présence de digues, pour plusieurs périodes de retour, illustrent bien leur fonctionnement. Le même type de carte est tout aussi pertinent pour un barrage écrêteur, mais pour mettre en évidence ses phases de fonctionnement il est important de tracer aussi les hydrogrammes de référence et en présence de l’ouvrage, à son aval (figure 3a : les hydrogrammes de référence sans ouvrage sont en vert, avec ouvrage en rose). Il faut insister pour que les effets des ouvrages soient estimés sur une gamme de de périodes de retour décrivant bien la plage d’efficacité. Pour un barrage à pertuis ouvert, cela comprendra la transition entre une crue projet non modifiée par l’ouvrage et une crue qui le sera (fin de la « transparence » hydraulique), des crues sans surverse puis avec déclanchement de surverses, avec des pics de crue de moins en moins bien écrêtés, et enfin une crue dont le débit de pointe ne sera plus du tout atténué. Certaines actions visent à agir sur des « petits » événements (réduction des pollutions diffuses ou des rejets urbains de temps de pluie), d’autres cibleront au contraire des événements plus rares. Il faut également caractériser les effets sur tout le domaine spatial où ils se font sentir : les digues et des calibrages (3 et 4 sur la figure 2) peuvent déplacer le problème des inondations sur la rive opposée et/ou vers l’aval.

Les variables hydrauliques ne suffisent pas à évaluer et comparer des solutions techniques (vaut-il mieux écrêter les petites ou les grosses crues ? Vaut-il mieux protéger ici ou là ?) ; là encore, les indicateurs économiques permettent de raisonner sur les conséquences des inondations. La figure 1c - 1d résume le principe de calcul des dommages évités moyens annualisés (DEMA), par différence entre les DMA de référence et les DMA résiduels après projet. Ces DEMA mesurent donc la réduction du risque à la « bonne échelle », en prenant en compte les dommages pour toute une gamme de périodes de retour, cumulés sur le domaine spatial – en gardant la possibilité de calculer des cumuls partiels par sous-bassins ou par commune. De plus, les DEMA peuvent intégrer l’effet conjoint de mesures structurelles (qui modifient les variables hydrauliques), mais aussi d’actions non structurelles (qui modifient les courbes d’endommagement utilisées pour convertir ces variables en dommages attendus). Les DEMA sont ensuite utilisables comme mesure des bénéfices de l’aménagement dans une analyse coût-bénéfice pour en évaluer la pertinence à long terme. La différence entre les coûts et les bénéfices actualisés sur une certaine durée, ainsi que le ratio coût-bénéfice correctement – et prudemment – interprétés permettent de guider les étapes de dimensionnement. Le souci de la protection des personnes, les impacts sur la géomorphologie et les écosystèmes, voire la faisabilité, entrent aussi en ligne de compte dans la prise de décision. Nous évoquerons dans la troisième partie l’évaluation d’un projet au travers de plusieurs critères.  

Sur quels paramètres jouer pour améliorer l’efficacité ?

Le projeteur peut moduler le fonctionnement hydrologique des infrastructures ; pour une digue, il s’agira de la localisation et de la hauteur du corps de digue, ainsi que de l’emplacement des déversoirs et de la cote des seuils le cas échéant. Pour les ouvrages écrêteurs de crue, c’est un peu plus complexe (voir nos communications récentes) :

  • la forme et les dimensions de l’orifice. Le barrage peut être échancré (« meurtrière ») ou percé d’un pertuis de fond. À volume de stockage égal, un petit pertuis va écrêter plus tôt et donc mieux atténuer les crues fréquentes qu’un pertuis plus grand, mais en contrepartie le volume de stockage sera saturé plus rapidement ; pour les crues plus rares, les surverses surviendront plus tôt. Les barrages échancrés ont un débit sortant qui varie plus progressivement avec la hauteur d’eau, alors que la variation est brutale au moment de la surverse d’un barrage à pertuis ouvert ; 
  • la localisation du ou des ouvrages. L’écrêtement réduit le pic, mais il le retarde également ; le débit et la hauteur d’eau résultants en un point situé à l’aval dépendent donc aussi de la manière dont les différentes contributions arrivent dans le temps ;
  • les dimensions de l’évacuateur de crue.

Des actions plus « naturelles » peuvent également être adaptées pour renforcer l’effet sur les crues dommageables. Une « zone d’expansion de crues », créée par remise en connexion du lit majeur, écrêtera beaucoup au moment des premiers débordements vers la ZEC, et l’effet s’atténuera au fur et à mesure que l’eau envahira le volume disponible : il n’y aura pas d’écrêtement du pic de crue s’il survient alors que la ZEC est déjà « remplie ». Une diguette munie de déversoirs peut retarder la mise en connexion, et la cote des seuils déversants peut être ajustée pour réduire au mieux les inondations dommageables en aval. 

Estimer sommairement des DEMA dès les phases de dimensionnement peut guider ces choix techniques, et aboutir à une proposition réduisant mieux le risque.

Les méthodes mises au point pour les grands ouvrages conviennent-elles aux petits ouvrages ?

Des dispositifs de limitation de débit analogues aux barrages écrêteurs décrits plus haut peuvent se décliner à différentes échelles : sur un grand cours d’eau, dans un thalweg sec ou même dans un fossé routier ou agricole (figure 2). Les méthodes de calcul seraient en principe les mêmes, sauf qu’en dehors des cours d’eau l’estimation de quantile de débits est moins évidente (pour les têtes de bassin, on pourra chercher à travailler à partir de pluies de projet). La conception d’un petit ouvrage n’est pas moins exigeante que celle d’un grand, les problèmes liés à l’érosion et aux dépôts de sédiments sont même plus délicats. De même, la modélisation des effets d’un changement d’occupation du sol ou de création de talus en versant, de reméandrage et de l’embroussaillement de petits thalwegs est plutôt complexe. 

On pose très souvent la question de l’effet d’ouvrages petits mais en grand nombre sur un bassin versant. La littérature scientifique montre parfois des résultats contrastés, mais les articles de synthèse tendent plutôt à conclure que les effets d’actions « diffuses », c’est-à-dire de petites actions dispersées sur le bassin, ont un effet local sur les « petites » crues, mais que cet effet s’estompe vers l’aval et pour les « grosses » crues. Ces limites en termes de distance et d’intensité varient d’un cas à un autre, en fonction du contexte physique et climatique, mais aussi de la topologie du réseau (selon les décalages temporels entre les pics des différentes contributions, retarder une crue sur un affluent sera plus ou moins pertinent).

De plus, on définit un « effet » par rapport à un objectif. Or, les actions en versant en ont souvent plusieurs, parmi lesquels : lutter contre l’érosion, réduire et/ou différer l’arrivée de polluants au cours d’eau, atténuer les inondations par ruissellement, pour des enjeux situés en versant sur des chemins de l’eau temporaires, mais aussi accroître la biodiversité. En milieu urbain, les techniques alternatives affichent également plusieurs objectifs : éviter la surcharge des réseaux d’assainissement existants, limiter les rejets urbains de temps de pluie dommageables pour les milieux naturels récepteurs, réintroduire l’eau pluviale dans le paysage (noues, petites zones d’expansion de crue) pour entretenir la culture du risque…

Il faut donc, comme pour les « grands » ouvrages, interpréter les retours d’expérience dans leur contexte (une réalisation a été jugée « efficace », mais pour quel objectif et quel type de crue ?), et ne pas sous-estimer la difficulté de la quantification a priori (simulations) ou a posteriori (mesures). Nous exposons dans la suite pourquoi l’estimation de l’effet d’ouvrages dispersés sur le réseau hydrographique pose des difficultés méthodologiques, même quand on ne considère que des ouvrages placés sur le réseau hydrographique.

Estimation de l'efficacité d'un ensemble d'ouvrages

Tant que les enjeux et les ouvrages sont portés par le même tronçon, la méthode résumée sur la figure 1 est correcte. On assimile la période de retour des variables hydrauliques calculées au droit des enjeux à celle de l’hydrogramme amont construit pour la modélisation, et on admet que l’on peut également attribuer cette période de retour aux dommages calculés.

Dès que l’on étend le domaine d’étude, avec des ouvrages localisés sur des affluents différents, et/ou en présence d’affluents entre les ouvrages et les enjeux, il n’est plus possible de raisonner avec un « hydrogramme représentatif d’une période de retour ».

Genèse de l’aléa  à l’échelle du bassin

La figure 3 résume les difficultés en réseau ramifié : on peut estimer le futur régime des crues à l’aval immédiat d’un projet d’ouvrage pour une crue de projet, mais après une confluence, il est difficile de répercuter l’effet de la présence de l’ouvrage, car évidemment les quantiles ne sont pas additifs, ils dépendent de la combinatoire entre les différentes contributions.

Conséquences de la variabilité de la pluie

La première difficulté est donc l’hétérogénéité spatiale du phénomène. Une crue « centennale » après une confluence peut être générée par une infinité de combinaisons d’hydrogrammes amont, avec des périodes de retour plus ou moins contrastées sur les affluents, et des décalages temporels liés aux temps de concentration des bassins, mais aussi à la dynamique de l’épisode de pluie…

La figure 4 représente ce qui peut se passer lors d’un épisode de pluie réel, hétérogène : soumis à des pluies modérées, le bassin versant qui alimente l’ouvrage en (1) ne génère pas de crue significative ; l’ouvrage (2) est supposé fonctionner à son optimum, tandis que celui en (3) reçoit une crue exceptionnelle et se met à surverser : c’est la combinaison de ces trois fonctionnements spécifiques qui va déterminer la crue en entrée de la ville (4). Les inondations en (6) dépendent en outre d’inondations par ruissellement schématisées en (5), de l’effet des digues dans la ville, et éventuellement localement du comportement des réseaux.

Conséquences de la structure spatiale d’un aménagement

Modéliser un aménagement composé d’infrastructures de nature et de taille différentes demande de  travailler sur de grands domaines mais de manière précise (en prenant en compte tous les chemins de l’eau y compris en réseau, les seuils de déversement…) , de concilier des échelles de temps différentes (montée des crues en cours d’eau et temps de vidange de grands ouvrages vs surverse des réseaux d’eau pluviale) et de prendre en compte un grand nombre de processus (infiltration, ruissellement, écoulements en lits majeurs…). Ces modélisations « complètes » sont donc encore relativement rares, et supposent en outre la construction de scénarios d’apport distribués à l’échelle du bassin. 

Méthodes de construction de scénarios d’apport à l’échelle du bassin versant

Dans la littérature, l’effet de l’hétérogénéité de la pluie sur la genèse des écoulements et le fonctionnement des ouvrages est bien identifié, y compris sur des domaines d’étude réduits (communauté urbaine).

Une fois cette prise de conscience acquise, comment générer des scénarios à l’échelle du bassin ? Nous avons trouvé dans des rapports d’étude plusieurs approches (tableau 1).

Des travaux en cours implémentent l’approche « C », par simulation continue, pour tester sa faisabilité et confronter ses résultats avec les méthodes par tronçon et par événement. Cette approche convient pour appréhender l’effet global d’un ensemble d’aménagements disposés sur un réseau ramifié, et comparer des solutions entre elles. Nous évaluons aussi la durée de simulation requise pour parvenir à des résultats (quantiles de débit avec et sans ouvrages) robustes, c’est-à-dire variant peu d’une simulation à une autre. La figure 5 montre des débits de pointe maximum annuels, échantillonnés à partir d’une longue chronique simulée, et placés sur le graphe de la période de retour empirique. En-dessous de chacun de ces points, on a placé le maximum de chacun de ces épisodes de crue en présence d’ouvrages écrêteurs, l’un sur le cours d’eau et l’autre sur son affluent principal : l’efficacité du laminage ne dépend pas que de la seule valeur du débit de pointe, mais de la durée et du volume de la crue – constituée éventuellement par deux pics successifs ou plus – et de la distribution spatiale et temporelle de la pluie (l’un des ouvrages peut être sous ou sur-sollicité, en fonction des intensités locales). Si on n’avait travaillé qu’avec une crue « de projet » pour un petit nombre de périodes de retour, on aurait beaucoup moins d’informations (représentées par des étoiles), et la fausse impression qu’il existe une relation simple entre le débit de pointe et l’écrêtement.

Choix préliminaire des scénarios d’aménagements à tester

On peut s’interroger sur l’arbitrage entre « gros ouvrages » et « ensemble de petits ouvrages » :

  • un « gros ouvrage » est plus facile à dimensionner et à exploiter, on peut s’attarder à chercher à améliorer la conception et réduire les impacts négatifs (transport sédimentaire, écosystèmes, paysages…) à travers des collaborations pluridisciplinaires, s’appuyant sur des études locales. Les gros ouvrages peuvent cependant inquiéter les riverains autant qu’ils les rassurent : la probabilité de rupture est faible, mais les conséquences en seraient dramatiques ;
  • un « ensemble de petits ouvrages » permet de réduire les inondations sur des enjeux locaux, en plus des enjeux principaux, et semblent moins impacter le paysage et les écosystèmes. Les actions les plus modestes ne sont pas cependant ni les plus faciles à concevoir (multiplication des dossiers, donc des chantiers, des sites à vérifier et entretenir, surtout si on multiplie les actions, en terrain public mais aussi privé…), ni à évaluer ! Il ne faut sans doute pas négliger non plus les impacts environnementaux des petits ouvrages, modestes mais répétés, et qui sont localisés en amont, où le fonctionnement écologique est sans doute encore très intéressant.

Il n’y a pas de bonne réponse dans l’absolu, toutes les conclusions sont à tirer dans le contexte physique du bassin, et en fonction des priorités. Pour réduire au mieux des DMA, il sera sans doute judicieux de rechercher les complémentarités entre d’une part des actions répondant à des problématiques locales (érosions, ruissellement dommageables) pour des épisodes courants, et d’autre part des structures plus importantes en cours d’eau, visant explicitement le laminage des crues fortes au droit des enjeux principaux. Cependant, plus un aménagement comporte d’ouvrages, plus l’évaluation des effets sera complexe, surtout s’ils sont de nature différentes.

La co-construction multicritères : une difficulté ou une opportunité ?

Le programme PAPI (programme d'actions de prévention des inondations), tout comme le concept de « GEMAPI » (gestion intégrée des milieux aquatiques et prévention des inondations) vont maintenant répandre et généraliser les analyses multicritères.

Les décideurs et financeurs raisonnent forcément déjà dans un cadre multi-objectifs, en fonction des politiques locales et nationales de protection des biens et des personnes, mais aussi de développement économique, d’équité entre territoires, de préservation des milieux naturels et du cadre de vie… Les projets multi-objectifs et pluridisciplinaires (par exemple : Schmitt et al., 2009…) sont toujours extrêmement intéressants : au minimum, il s’agit d’éviter les antagonismes et trouver des compromis, et si possible des synergies entre gestion du risque inondations et préservation des écosystèmes. La nouveauté réside surtout dans la formalisation de l’exercice, avec un premier guide méthodologique disponible en ligne (Commissariat général au développement durable, 2014), mais qui donne à ce stade peu de détails, alors que cette approche est difficile et mal connue en France par les opérationnels. 

Une analyse multicritères suppose une définition explicite des objectifs (du porteur du projet, des financeurs, des autres acteurs locaux participant à la concertation), des critères qui en découlent, quantitatifs ou non, et de règles de décision. La représentation des critères sur plusieurs axes (graphes « en radar ») offre  une vision synthétique mais complète des résultats, et permet de comparer des solutions. Il faut aussi des règles de décision explicites, pour savoir ce qui est important et comment classer des propositions de manière objective et consensuelle. À condition d’être explicités dès les premières étapes d’un projet, ces critères et leurs règles de priorisation pourraient aussi guider les choix techniques, surtout dans un contexte de co-construction faisant intervenir des spécialistes de différentes disciplines. On peut aussi espérer qu’associer les citoyens à ces premières phases d’un projet, où les objectifs seraient définis et déclinés en critères, permettra d’exposer les raisons des projets de gestion du risque, et de recueillir leurs avis et demandes à un stade où il sera facile de les prendre en compte dans la définition de la stratégie, pour prévoir d’éventuelles adaptations et compensations.

 


 

[1] Les dommages directs sont causés dans la zone inondée au moment de la submersion ; les dommages décalés dans le temps et/ou l’espace sont dit indirects (perturbations des réseaux électriques, routiers…, pertes d’exploitations le temps du retour à la normale sur le site même ou chez des fournisseurs ou clients inondés.

[2] La « période de retour » est l’inverse de la probabilité annuelle d’occurrence : une crue « centennale » a une chance sur 100 d’être atteinte ou dépassée au cours d’une année donnée.

[3] http://cemadoc.irstea.fr/cemoa/PUB00052429

[4] La directive européenne sur la gestion du risque inondation de 2007 impose d’ailleurs la rédaction d’un plan de gestion des risques d’inondation (PGRI) dans les territoires identifiés comme à risque important d’inondation (TRI) par une évaluation préliminaire du risque d’inondation nationale.

Pour citer cet article :

Référence électronique :
POULARD, Christine ; ROYET, Paul ; LEBLOIS, Étienne ; FAURE, Jean-Baptiste ; BREIL, Pascal ; PROUST, Sébastien ; DEROO, Luc, Gérer des inondations par des ouvrages dispersés sur le bassin versant : principes et méthodes de diagnostic d'efficacité probabiliste, Revue Science Eaux & Territoires, Gestion du risque inondation : connaissances et outils au service de l'aménagement des territoires, numéro 23, 2017, p. 34-41, 30/05/2017. Disponible en ligne sur <URL : http://www.set-revue.fr/gerer-des-inondations-par-des-ouvrages-disperses-sur-le-bassin-versant-principes-et-methodes-de> (consulté le 25/02/2021), DOI : 10.14758/SET-REVUE.2017.23.07.

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