FloodScale : Observation et modélisation hydro-météorologique multi-échelles pour la compréhension et la simulation des crues éclairs, Rapport scientifique final du projet, ANR-2011 BS56 027 01

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]ARCEAUThe objectives of the FloodScale project were to progress in the knowledge, understanding and simulation of hydrological processes leading to flash floods in the Mediterranean area. These flash floods and the rainfall events that trigger them lead, each year, to fatalities and a large amount of damage in this region, but processes leading to their generation remained poorly known and hierarchized. The FloodScale project contributed significantly to the 'hydrology' part of the international HyMeX (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment) program. Several aspects were tackled in the project: observation, understanding and simulation of flash floods, with in the background, two fundamental questions in hydrology: the change of scale problem and the prediction in ungauged catchments. These two questions are particularly relevant for flash floods that often occur in small ungauged catchments but that may interest a large territory, requiring understanding and modelling at small scale and over a large area. For the observation of flash floods and data collection allowing tackling the two scientific questions mentioned above, a multi-scale observation strategy was set up in two meso-scales catchments of the Cévennes region: the Gard and Ardèche catchments. Three scales were considered in the sampling strategy: 1/ the hillslope scale for documenting hydrological processes; 2/ the small catchment scale (1-100 km2) where the spatial variability of landscapes and hydrological processes was monitored and described and 3/ the meso-scale catchment scales (100-2000 km2) relevant for management and warning. These observations combined continuous measurements during four years (rainfall, water level in streams, discharge, soil moisture) and opportunistic measurements during the four autumns of the project: gauging of flooding rivers, sampling of soil moisture and geochemistry sampling of rainfall, streams and soil water. The observation strategy was found relevant and allowed documenting both the 'normal' catchment behavior and a selection of flash floods across scales. The project also allowed evaluating several new measurements techniques such as the saturometer for estimating soil infiltration capacity but also the interest of non-contact measurements for 1/ estimating soil depth or monitoring water fluxes thanks to electrical resistivity, 2/ estimating flooding discharges (use of portable surface velocity radars, fixed cameras and analysis of citizens videos). Methods for merging radar rainfall and pluviometers data were also proposed and improved and proved relevant to describe properly rainfall time and space variability. We should also mention methodological progress for quantifying rainfall and discharge uncertainty. Analysis of the collected data showed a large variability of soil hydraulic properties on the hillslope scale, whereas those properties were quite stable across hillslopes. At the scale of the whole Cévennes-Vivarais region, geology and land use were found discriminant for explaining soil hydraulic properties spatial variability. A high degree of soil depth variability is also a characteristic of the soils in the region and it is necessary to take it into account into models. Hillslope experiments, but also the analysis of opportunistic or continuous geochemistry sampling show the large contribution of quick lateral sub-surface flow in granite and schist geology with a natural vegetation, but also their role in sedimentary and agricultural areas. Soil water storage inferred from existing data bases was also found to be greatly underestimated because they do not account for water storage in the deep weathered and fractured bedrock layers. The soil-bedrock interface was found to be pervious, with high infiltration capacities. Analysis of soil moisture data combined with the hydrological response show threshold effect at the transition between dry and wet conditions with a low hydrological response below this humidity threshold and a large variability in the response when soil water content is above this threshold. The simulation and modelling of flash floods was performed using a hypothesis testing framework, where various functioning hypotheses are assessed by comparing modeled and observed values. The project results proved the validity and interest of this iterative approach. At the small catchment scales, various models, based on different hypotheses about dominant processes were used. The results show that one process is generally not sufficient to reproduce the observed response and that sub-surface fluxes must be included in the modeling as well as the spatial variability of soil water storage. More specifically, a distributed modelling approach, designed from field observations was shown to be relevant and robust to the change of scale. At the regional scale, top-down and bottom-up approaches were set up and assessed. The studies confirm the need to account for water storage in deeper weathered horizons for a correct simulation of soil water storage capacity. They also show that geology must be also taken into account to correctly simulate the spatial variability of the hydrological response. Both approaches allow a satisfactory simulation of this variability, in particular during flash floods. Those models provide simulations in ungauged catchments. During the project a large effort was dedicated to data collection, validation and documentation for inclusion in several data bases. The collected data set document various aspects of flash floods at various scales and is quite unique. All the collected data were only partially analyzed and exploited during the project, with a focus on sites analyses to verify the consistency of the data and have a first insight into active processes. The most promising perspective of the work is certainly a global analysis of the data sets by pooling all the data from the various sites together to obtain a picture of hydrological responses on the scale of the whole region. The effort of documenting rainfall and discharge uncertainty on rainfall and discharge also offers rich perspectives to better take uncertainty into account in models, in their evaluation and calibration.Le projet FloodScale avait pour objectif de progresser sur la connaissance, la compréhension et la simulation des processus hydrologiques conduisant aux crues rapides en zone Méditerranéenne. Ces crues rapides et les épisodes pluvieux importants qui les génèrent conduisent chaque année à des pertes humaines et matérielles très importantes dans cette région mais les processus conduisant à leur genèse restaient encore mal connus ou hiérarchisés. Par ailleurs, FloodScale représente une contribution importante au volet « hydrologie » du programme international HyMeX (Hydrological Cycle in the Mediterranean Experiment). Le projet a abordé plusieurs volets : l’observation, la compréhension et la simulation des crues rapides, avec en toile de fond, deux questions fondamentales en hydrologie : le changement d’échelle et la prédiction en bassins non jaugés. Ces deux problématiques sont particulièrement pertinentes pour les crues rapides qui affectent souvent de petits bassins sans mesure des débits et peuvent concerner de larges étendues, nécessitant une compréhension et une modélisation à échelle fine et sur de vastes territoires. Pour l’observation des crues rapides et le recueil de données permettant d’aborder les questions ci-dessus, une stratégie multi-échelle a été mise en ½uvre sur deux bassins de méso-échelle des Cévennes : le Gard et l’Ardèche. Trois échelles spatiales ont été considérées : 1/ le versant pour la documentation des processus ; 2/ l’échelle du petit bassin (1-100 km2) pour la description de la variabilité spatiale des paysages et des réponses hydrologiques et 3/ l’échelle du bassin de méso-échelle (100-2000 km2) pertinente pour la gestion et la prévision. Ces observations ont combiné des mesures en continu sur quatre ans (pluie, hauteur d’eau, débits, humidité des sols) et des mesures sur alerte durant les quatre automnes du projet : jaugeages en crue, échantillonnage de l’humidité des sols, échantillonnages géochimiques. Cette stratégie d’observations s’est révélée pertinente et a permis de documenter non seulement plusieurs épisodes de crues rapides à différentes échelles mais aussi le fonctionnement « normal » des bassins versants. Le projet a aussi permis de tester et valider des méthodes de mesure innovantes telles que le saturomètre pour les capacités d’infiltration des sols, ainsi que l’intérêt de mesures sans contact pour 1/ l’estimation des profondeurs de sols ou le suivi des flux d’eau grâce à la résistivité électrique, 2/ les mesures de débit de crue (utilisation de radars de vitesse, de caméras fixes, analyses de vidéo amateurs). Des méthodes de fusion de données radar et pluviomètres ont aussi été proposées et développées et se sont aussi révélées pertinentes pour améliorer la connaissance de la pluviométrie et sa variabilité spatiale et temporelle. Mentionnons aussi les avancées méthodologiques permettant de quantifier les incertitudes sur les pluies et les débits. L’analyse des données collectées a permis de mettre en évidence une forte variabilité spatiale des propriétés hydrodynamiques des sols intra-versant, mais une relative stabilité de ces propriétés inter-versants. A l’échelle des Cévennes, la géologie et l’occupation des sols apparaissent comme des éléments discriminants sur la variabilité spatiale de ces grandeurs. La variabilité des profondeurs des sols est aussi une caractéristique des milieux étudiés, qu’il est nécessaire de prendre en compte dans les modèles. Les expérimentations de versants, mais aussi l’analyse des données géochimiques des campagnes sur alerte ou mesurées en continu confirment la prépondérance d’écoulements latéraux de sub-surface rapides en terrain granitiques ou sur schiste et végétation naturelle, et leur importance, même sur terrains sédimentaires et agricoles. Il a aussi été montré que les capacités de stockage des sols issues de bases de données sols étaient largement sous-estimées car elles ne prennent pas en compte le stockage dans les horizons de socle altéré et fracturé. L’interface sol-bedrock s’est par ailleurs révélée perméable, avec des capacités d’infiltration élevées. Les mesures d’humidité des sols combinées à l’analyse de la réponse hydrologique mettent en évidence un effet de seuil au moment du passage de conditions de sol sèches à humides avec une réponse hydrologique très faible en conditions sèches et une forte variabilité de la réponse hydrologique en conditions humides. La modélisation et la simulation des crues rapides ont été abordées dans un esprit d’évaluation/comparaison de différentes hypothèses de fonctionnement en s’appuyant sur les données collectées et l’analyse des différences entre simulation et observation. Les résultats du projet ont aussi permis de valider la pertinence de cette approche itérative. A l’échelle des petits bassins, différents modèles reposant sur différentes hypothèses de processus dominants ont été mis en ½uvre et testés. Ces essais montrent qu’un seul processus ne peut suffire à expliquer les réponses observées et que les flux de sub-surface doivent impérativement être considérés pour une simulation correcte des observations, de même que la variabilité spatiale des capacités de stockage des sols. En particulier, une modélisation distribuée, construite à partir des observations de terrain s’est révélée particulièrement pertinente et robuste au changement d’échelle. A l’échelle régionale, deux approches de modélisation « top-down » et « bottom-up » ont été mise en ½uvre et évaluée. Les études confirment la nécessité de prendre en compte les horizons altérés pour la bonne représentation des capacités de stockage dans les sols. Elles mettent en évidence la nécessité de bien prendre en compte la géologie pour simuler correctement la variabilité des réponses hydrologiques et que les deux types d’approches permettent de représenter de manière satisfaisante cette variabilité, notamment pour les crues rapides. Ces modèles permettent d’obtenir des simulations en bassins non jaugés. Durant le projet, un effort important a été consacré à l’acquisition, la validation et la mise à disposition de riches jeux de données documentant différents aspects pertinents pour la compréhension des crues rapides. Ces données ont été exploitées de manière fragmentaire durant le projet, avec une focalisation sur des analyses par site d’études visant à confirmer la cohérence des données acquises. Une des perspectives les plus prometteuses est maintenant la mise en perspective des données des différents sites et une analyse globale des comportements à l’échelle de toute la région cévenole. Les efforts menés pour caractériser les incertitudes sur la pluie et les débits offrent aussi d’intéressantes perspectives pour une meilleure prise en compte dans les modèles, leur évaluation et leur calibration