Étude et modélisation des processus physiques contrôlant les échanges d'eau entre les rues et les bâtiments lors d'une inondation urbaine

Study and modeling of the physical processes controlling water exchanges between streets and buildings during an urban flood

• Auteur / Autrice : Cécile Choley
• Direction : Robert Mosé, Pascal Finaud-Guyot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdellah Ghenaim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-André Garambois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Delenne, Gislain Lipeme Kouyi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Modèles mathématiques

Inondations

Mots clés libres

Gestion des inondations

Modélisation numérique

Équations de Saint-Venant 2D

Modèle d’échanges rue-bâti

Flooding management

Numerical model

Shallow water equations

Street-building exchanges model

Résumé

Cette thèse s’intéresse à la modélisation des inondations urbaines et à la prise en compte des bâtiments. La gestion des inondations assurée par les services publics s'appuie notamment sur des modèles numériques bidimensionnels. Ces modèles ne représentent pas ou seulement partiellement les échanges entre les rues et les bâtiments. Pourtant, les retours d’expérience et les images rapportent que l’eau pénètre dans les habitations, menaçant ainsi les personnes et leurs biens. Tandis que certains bâtiments jouent le rôle de réservoirs et stockent temporairement voire définitivement une partie du volume de l’inondation, d’autres sont traversés par les écoulements lorsqu’ils sont connectés à plusieurs rues. Pour caractériser l’effet des bâtiments sur l’inondation, un nouveau modèle numérique est proposé, basé sur l’intégration d’un terme source supplémentaire dans les équations de Saint-Venant 2D. Le concept du modèle rue-bâti s’inspire des modèles à casiers, où rue et bâtiment échangent un flux à travers des ouvertures, telles que les portes et les fenêtres. L’écoulement transversal est contrôlé par des lois de débit, élaborées à partir de simulations tridimensionnelles d’ouvertures à échelle réelle. Ces lois s’appuient sur les lois de seuil et d’orifice de la littérature, dont le coefficient de débit est déterminé en cherchant à limiter l’erreur sur le débit calculé numériquement. Des lois avec une tolérance de 30% d’erreur sur le débit passant par une ouverture sont établies. Le modèle rue-bâti est appliqué dans une rue synthétique. En comparant avec un modèle classique dans lequel les bâtiments sont imperméables, la prise en compte des échanges rue-bâti réduit significativement le débit de pointe (- 25 %) et la hauteur maximale (- 15 %) à la sortie des bâtiments, tandis que la vitesse maximale augmente à l’amont des bâtiments (+ 25 %). Une étude de sensibilité aux paramètres géométriques et hydrodynamiques est réalisée, dans le but d’identifier des configurations pour lesquelles les bâtiments doivent être pris en compte. Par ailleurs, cette analyse permet de caractériser l’influence de chacun des paramètres sur les échanges rue-bâti. Le modèle est également utilisé dans un cas réel correspondant à l’inondation du quartier Richelieu (Nîmes, France) qui est sujet aux inondations par ruissellement urbain. L’effet des échanges rue-bâti est étudié dans cette géométrie complexe. De nouveau, les modifications sont significatives dans la rue par rapport au modèle classique, avec des variations locales comprises entre +/- 50 cm sur la hauteur maximale, +/- 1 m/s sur la vitesse maximale et +/- 40 % sur les débits de pointe. Diverses situations réalistes sont envisagées, en modifiant l’état des ouvertures (ouverts/fermés, batardeaux) et en imaginant des caves capables d’augmenter significativement le volume total stocké dans les bâtiments. Le niveau d’eau atteint dans les bâtiments étant directement corrélé aux dommages commis aux personnes et au matériel, les résultats hydrauliques sont également interprétés en termes d’évacuation des personnes et des dommages résidentiels économiques. Le nouveau modèle proposé offre de nouvelles perspectives socio-économiques, ainsi que de nouveaux outils de communication et d’information au service d’une meilleure gestion des inondations.

This PhD focuses on the modeling of urban floods and the consideration of buildings. Flood management provided by public services is based on two-dimensional numerical models. These models do not or partially represent the exchanges between streets and buildings. However, feedback and photos report that water enters homes, threatening people and their property. While some buildings act as reservoirs and temporarily or even permanently store part of the volume of the flood, others are crossed by the flows if they are connected to several streets. To characterize the effect of buildings on flooding, a new numerical model is proposed, based on the integration of an additional source term in the 2D shallow water equations. The concept of the street-building model is inspired by compartment models, where street and building exchange a flow through openings, such as doors and windows. The transverse flow is controlled by discharge laws, developed from three-dimensional simulations of real-scale openings. The exchange laws are based on the weir and orifice laws from the literature, and the discharge coefficient is determined by limiting the error on the flow calculated numerically. Laws with a tolerance of 30 % error on the discharge passing through an opening are established. The street-building model is applied in a synthetic street. By comparing with a classic model in which the buildings are waterproof, considering the street-building exchanges significantly reduces the peak flow (- 25 %) and the maximum height (- 15 %) at the exit of the buildings, while maximum speed increases along buildings (+ 25 %). A sensitive analysis to geometric and hydrodynamic parameters is carried out, with the aim of identifying configurations for which the buildings must be considered. In addition, this analysis makes it possible to characterize the influence of each of the parameters on the street-building exchanges.The model is also used in a real case corresponding to the flooding of the Richelieu district (Nîmes, France) which is exposed to urban runoff. The effect of buildings is studied in this complex geometry, whose average North-South slope is 1 %. Again, the modifications are significant in the street compared to the classic model, with local variations ranging between +/- 50 cm on the maximum height, +/- 1 m/s on the maximum speed and +/- 40 % on the flow rates peak within the street network. Various realistic situations are considered, by modifying the state of the openings (open/closed, cofferdams) and by imagining cellars capable of significantly increasing the total volume stored in the buildings. As the water level reached in buildings is directly correlated with damage to people and equipment, the hydraulic results are also interpreted in terms of evacuation of people and economic residential damage. The new proposed model offers new socio-economic perspectives, as well as new communication and information tools for better flood management.