Modélisation hydraulique à surface libre haute-résolution : utilisation de données topographiques haute-résolution pour la caractérisation du risque inondation en milieux urbains et industriels

High-resolution modelling with bi-dimensional shallow water equations based codes : high-resolution topographic data use for flood hazard assessment over urban and industrial environments

• Auteur / Autrice : Morgan Abily
• Direction : Philippe Gourbesville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Innovative City Lab - Innovative CiTy Lab
• Jury : Président / Présidente : Philippe Audra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Gourbesville, Philippe Audra, Shie Yui Liong, Nigel Wright, Nicole Goutal, Claire-Marie Duluc, Olivier Delestre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Shie Yui Liong, Nigel Wright

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photo-interprétation

Inondations -- Prévision

Modèles mathématiques

Génie hydraulique

Mots clés libres

Inondation

Photo-interprétation

Saint-Venant 2D

Incertitudes

Analyse globale de sensibilité

Indices de Sobol

Flood risk

Photo-interpreted dataset

Uncertainties

Global Sensitivity analysis

Sobol index

Résumé

Pour l'évaluation du risque inondation, l’emploi de modèles numériques 2D d’hydraulique à surface libre reposant sur la résolution des équations de Saint-Venant est courant. Ces modèles nécessitent entre autre la description de la topographie de la zone d’étude. Sur des secteurs urbains denses ou des sites industriels, cette topographie complexe peut être appréhendée de plus en plus finement via des technologies dédiées telles que le LiDAR et la photogrammétrie. Les Modèles Numériques d'Elévation Haute Résolution (HR MNE) générés à partir de ces technologies, deviennent employés dans les études d’évaluation du risque inondation. Cette thèse étudie les possibilités, les avantages et les limites, liées à l'intégration des données topographiques HR en modélisation 2D du risque inondation en milieux urbains et industriels. Des modélisations HR de scénarios d'inondation d'origines pluviale ou fluviale sont testés en utilisant des HR MNE crées à partir de données LiDAR et photo-interprétées. Des codes de calculs (Mike 21, Mike 21 FM, TELEMAC-2D, FullSWOF_2D) offrant des moyens différent d'intégration de la donnée HR et basés sur des méthodes numériques variées sont utilisés. La valeur ajoutée de l'intégration des éléments fins du sur-sol impactant les écoulements est démontrée. Des outils pour appréhender les incertitudes liées à l'emploi de ces données HR sont développés et une analyse globale de sensibilité est effectuée. Les cartes d'indices de sensibilité (Sobol) produites soulignent et quantifient l'importance des choix du modélisateur dans la variance des résultats des modèles d'inondation HR ainsi que la variabilité spatiale de l'impact des paramètres incertains testés.

High Resolution (infra-metric) topographic data, including LiDAR photo-interpreted datasets, are becoming commonly available at large range of spatial extent, such as municipality or industrial site scale. These datasets are promising for High-Resolution (HR) Digital Elevation Model (DEM) generation, allowing inclusion of fine aboveground structures that influence overland flow hydrodynamic in urban environment. DEMs are one key input data in Hydroinformatics to perform free surface hydraulic modelling using standard 2D Shallow Water Equations (SWEs) based numerical codes. Nonetheless, several categories of technical and numerical challenges arise from this type of data use with standard 2D SWEs numerical codes. Objective of this thesis is to tackle possibilities, advantages and limits of High-Resolution (HR) topographic data use within standard categories of 2D hydraulic numerical modelling tools for flood hazard assessment purpose. Concepts of HR topographic data and 2D SWE based numerical modelling are recalled. HR modelling is performed for : (i) intense runoff and (ii) river flood event using LiDAR and photo-interpreted datasets. Tests to encompass HR surface elevation data in standard modelling tools ranges from industrial site scale to a megacity district scale (Nice, France). Several standard 2D SWEs based codes are tested (Mike 21, Mike 21 FM, TELEMAC-2D, FullSWOF_2D). Tools and methods for assessing uncertainties aspects with 2D SWE based models are developed to perform a spatial Global Sensitivity Analysis related to HR topographic data use. Results show the importance of modeller choices regarding ways to integrate the HR topographic information in models.