Published December 10, 2024 | Version v1
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Evaluation of operational tools for rainfall, discharges and flood forecasting in coastal catchment of south-eastern France

Description

A wide range of methods and tools are available to anticipate precipitation, rainfall-runoff and associated flooding. The aim of this thesis is to identify whether the tools tested in this thesis are precise and robust enough for use in flood risk anticipation and crisis management by local operational entities such as the SMIAGE (co-financier of this thesis with the Sud region). The studies carried out during this thesis focused on three main subjects: precipitation forecasting, rainfall-runoff forecasting and flood modelling. For each subject, methods from the scientific literature and operational models were implemented and analyzed, focusing on related phenomenon. The study of precipitation focused on (i) an analysis of the spatial and temporal characteristics of heavy rainfall events that have affected southeastern France in recent years, based on COMEPHORE precipitation data (Tabary et al., 2012), (ii) the building of a weather patterns classification indicating the average atmospheric circulations associated with days showing similar rainfall spatial variability and (iii) the evaluation of the RainNet artificial neural network (Ayzel et al., 2020) for the heavy rainfall nowcasting. The results of the 158 heavy precipitation events selected characteristics analysis showed that all heavy precipitation events that lasts more than 30 hours and all heavy precipitation events with a cumulative basin rainfall of more than 150 mm were associated with at least one high-flow event in a gauged basin in south-eastern France during the 2007-2020 period. In addition, a classification into 8 weather patterns was constructed from 8 rainfall classes with contrasting rainfall locations. Finally, unfortunately, RainNet's precipitation forecasts were not satisfactory, the model did not seem useful for operational use.The river discharges study focused on (i) comparing simulations from three rainfall-runoff models GRP (Tangara, 2005; Berthet, 2010), GR5H (Le Moine, 2008) and GR5H-RI (Astagneau, 2022) without and with CemaNeige (Valery, 2010; Riboust, 2018) on 39 gauged outlets, (ii) the evaluation of simulations from a semi-distributed GR5H model that takes into account water uses for the modelling of Siagne river discharges at Pégomas and (iii) the evaluation of GRP and GR5H-RI models for flood forecasting with data assimilation on the 31 gauged outlets not influenced by snow. The results of the hydrological modeling tools evaluation showed that, overall, the GR5H-RI model was the most precise in simulating and forecasting floods in the basins of south-eastern France, with a 24-hour horizon calibration. This is particularly the case for heavy rainfall events with a short rising time. In the specific case of discharges modelling on the Siagne at Pégomas, the results showed that the GR5H semi-distributed model, which takes into account the influence of the dam, provides a better discharges modelling than the GR5H global model.Finally, the flood study examined (i) the sensitivity of a 1D-2D HEC-RAS hydraulic model of the downstream part of the Brague river, to parameterization and runoff modelling method and (ii) a method combining hydrological modeling, frequency analysis and hydraulic modeling to construct flood extents maps for dscharges of different return periods. Finally, the results of the analysis of flood simulations downstream of the Brague showed that water level simulations are strongly influenced by injected river discharges, hydraulic structures representation and runoff modelling method. Finally, an atlas of flooding extents was built from water levels simulated from HEC-RAS 1D-2D model of the Brague and flood hydrographs from the October 2015 flood, adjusted so that the peak flow reaches the 10-, 20-, 30-, 50- and 100-year return period discharges on the Brague and its tributaries. Peak discharges were calculated by fitting a Gumbel law to discharges simulated by a semi-distributed GR5H hydrological model.

Abstract (French)

Pour anticiper les précipitations, les débits des cours d'eau et les inondations associées, il existe un grand nombre de méthodes et d'outils variés. L'objectif de cette thèse est d'identifier si les outils testés sont assez précis et robustes pour être utilisés dans le cadre de l'anticipation du risque inondation et la gestion de crise par des entités opérationnelles locales telles que le SMIAGE (co-financeur de cette thèse avec la région Sud). L'étude des précipitations s'est concentré sur (i) une analyse des caractéristiques spatiales et temporelles des épisodes de fortes pluies qui ont touchés le sud-est de la France ces dernières années à partir des lames d'eau COMEPHORE (Tabary et al., 2012), (ii) la construction d'une classification en types de temps indiquant les circulations atmosphériques moyennes associées à des journées qui présentent des variabilités spatiales des pluies similaires et (iii) l'évaluation du réseau de neurones artificiels RainNet (Ayzel et al., 2020) pour la prévision immédiate des fortes pluies. Les résultats de l'analyse des caractéristiques des 158 épisodes de précipitations sélectionnés ont montré que tous les épisodes de pluies fortes d'une durée supérieure à 30 heures et tous les épisodes de pluies fortes avec un cumul de pluie de bassin supérieur à 150 mm ont été associés à au moins un événement de haut débit sur un bassin jaugé du sud-est de la France sur la période 2007-2020. Par ailleurs, une classification en 8 types de temps a été construite à partir de 8 classes de pluies qui présentent des localisations des pluies contrastées. Malheureusement, les précipitations prévues par le réseau de neurones RainNet ne sont pas satisfaisantes, et nécessite d'autres tests avant d'être utilisable en opérationnel. L'étude des débits s'est focalisé sur (i) la comparaison des simulations issues de trois modèles hydrologiques que sont GRP(Tangara, 2005; Berthet, 2010), GR5H (Le Moine, 2008) et GR5H-RI (Astagneau, 2022) sur 39 exutoires jaugés, (ii) l'évaluation des simulations d'un modèle GR5H semi-distribué qui tient compte des usages de l'eau pour la simulation des débits de la Siagne à Pégomas et (iii) l'évaluation des modèles GRP et GR5H-RI pour la prévision des crues avec assimilation de données sur les 31 exutoires jaugés non influencés par la neige étudiés précédemment. Les résultats de l'évaluation des outils de modélisation hydrologique ont montré que c'est le modèle GR5H-RI qui permet globalement de simuler et de prévoir le plus précisément les crues sur les bassins du sud-est de la France, pour un calage à horizon 24 h. C'est notamment le cas pour les épisodes de fortes pluies avec un temps de montée court. Dans le cas particulier de la simulation des débits de la Siagne à Pégomas, les résultats obtenus montrent que le modèle GR5H semi-distribué qui prend en compte l'influence du barrage permet globalement de mieux simuler les débits que le modèle GR5H global. Enfin, l'étude des inondations a examiné (i) la sensibilité d'un modèle hydraulique HEC-RAS 1D-2D de l'aval de la Brague au paramétrage et à la méthode de simulation du ruissèlement et (ii) une méthode mêlant modélisation hydrologique, analyse fréquentielle et modélisation hydraulique pour construire des cartes d'inondations pour des débits de différentes périodes de retour. Les résultats de l'analyse des simulations d'inondation sur l'aval de la Brague ont montré que les simulations de hauteurs d'eau sont fortement influencées par les débits d'injection, la représentation des ouvrages hydrauliques et la représentation du ruissèlement. Finalement, un atlas d'emprises d'inondation a été construit à partir des simulations de hauteurs d'eau du modèle HEC-RAS 1D-2D de la Brague calé et des hydrogrammes de crues ayant la même forme que la crue d'octobre 2015 mais ajustées pour que le débit de pointe atteigne les débits de période de retour 10, 20, 30, 50 et 100 ans sur la Brague et ses affluents.

Additional details

Identifiers

URL
https://theses.hal.science/tel-04976071
URN
urn:oai:HAL:tel-04976071v1

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