Influence des échanges de débit entre les rues et un bloc de bâtiments durant une inondation urbaine : Expériences de laboratoire sous écoulement stable et instable termes

Influence of the flow exchanges between streets and a city block during urban floods : Laboratory experiments under steady and unsteady flow conditions

• Auteur / Autrice : Miguel Angel Mejía Morales
• Direction : Sébastien Proust
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 23/05/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (Rhône ; Ecully, Rhône ; 1962) - Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique / LMFA
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Dewals
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Proust, Benjamin Dewals, Francesco Macchione, Manuel Gomez, Magali Jodeau, Emmanuel Mignot, André Paquier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesco Macchione, Manuel Gomez
• DOI : 10.70675/f0140674z0d2bz4379z9bd9z106ee895b7bc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Inondations

Écoulement urbain

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Inondation

Zone urbaine

Ecoulement stationnaire

Ecoulement instationnaire

Bâtiment

Expérimentation

Porosité

Fluid mechanics

Urban flood

Urban area

Steady flow

Unsteady flow

Building

Experiments

Porosity

Résumé

L’augmentation du nombre d’inondations urbaines au cours des dernières années incite à évaluer de manière précise l’aléa hydraulique (hauteur et vitesse de l’eau) et le risque associé pour les biens et les personnes. Cette évaluation doit s’appuyer sur une compréhension fine des processus hydrodynamiques en jeu notamment à une échelle locale (celle de la rue ou d’un bloc de bâtiments). Dans ce contexte, le travail de thèse a eu pour but d’étudier les échanges latéraux d’eau entre un bloc de bâtiments et les rues à proximité du bloc lors d’une inondation en ville, en s’appuyant sur des expériences de laboratoire. Ces dernières ont été réalisées dans des conditions d’écoulement stationnaire et instationnaire. La zone d’investigation a été limitée à un seul bloc de bâtiments et à ses rues adjacentes, en considérant les mécanismes qui affectent la capacité du bloc à transporter et à stocker les flux d’inondation. Trois points clés ont ensuite été abordés pour quantifier l’influence sur la hauteur, la vitesse et le débit d’écoulement dans les rues et à l’intérieur du bloc de bâtiments: i) en faisant varier la magnitude de la porosité de transport du bloc, ii) en faisant varier la distribution de la porosité de transport du bloc ; et iii) en faisant varier la capacité de stockage du bloc. Premièrement, on a constaté que, dans les rues entourant le bloc, la vitesse et la hauteur de l’eau peuvent varier considérablement si l’on tient compte du passage et du stockage des eaux de ruissellement à travers le bloc. A l’intérieur du bloc, le paramètre d’écoulement le plus impacté est le nombre et la taille des cellules d’écoulement secondaires horizontales. Deuxièmement, il a été constaté que l’instabilité de l’hydrogramme du débit entrant a une forte influence sur les caractéristiques des flux d’inondation, ainsi que sur le volume de ruissellement stocké dans le bloc. Enfin, le risque d’inondation pour les piétons, qui est à la fois lié à la vitesse et à la hauteur de l’eau, augmente localement en tenant compte du passage et du stockage à l’intérieur du bloc de bâtiments.

The increasing occurrence of urban flooding in recent years demands a more accurate flood hazard assessment (flow depth and velocity) and the associated risk to property and people. This assessment must be based on a detailed understanding of the hydrodynamic processes, particularly on a local scale (at street or at city block). In this context, the aim of the thesis work was to study the lateral flow exchanges between a city block and streets during a urban flood, based on laboratory experiments. The latter were carried out under steady and unsteady flow conditions. The investigation area was limited to a single city block and its adjacent streets, considering the mechanisms that affect the capability of the city block to convey and store floodwaters. Three key issues were then addressed to quantify the influence on flow depth, velocity and discharge in the streets and within the city block: (i) by varying the magnitude of the conveyance porosity of the block, (ii) by varying the distribution of the conveyance porosity of the block and (iii) by varying the storage capacity of the block. Firstly, it was found that in the streets surrounding the block, the velocity and flow depth can vary significantly when considering the conveyance and storage of runoff in the block. Within the block, the most impacted flow parameter is the number and size of horizontal secondary flow cells. Secondly, it was found that the inflow hydrograph unsteadiness has a strong influence on the flood flow characteristics, as well as on the runoff volume stored within the block. Finally, the flood risk to pedestrians, which is both velocity and flow depth related, increases locally when considering the conveyance and storage within the city block.