Application de la méthode de Flash Flood Guidance avec AIGA pour la prévision des crues éclairs en milieu non jaugé

Application of the Flash Flood Guidance methode into AIGA for flash flood forecasting at ungauged locations

Demargne, J. ; Javelle, P.

Type de document
Rapport scientifique
Langue
Français
Affiliation de l'auteur
HYDRIS HYDROLOGIE FRA ; IRSTEA AIX EN PROVENCE UR OHAX FRA
Année
2012
Résumé / Abstract
Le développement de systèmes d’alerte de crues rapides reste difficile de par la nature de ces évènements, souvent très locaux et évoluant rapidement, ainsi que des données d’observations, généralement très limitées sur les petits bassins sujets à ce type d’évènements. Deux approches sont envisageables : 1) un suivi en temps réel des observations des stations de jaugeage de pluie et débit, à partir duquel un système d’alerte peut être mis en place, bien que ce service ne concerne que les bassins jaugés et offre une faible anticipation des crues rapides ; 2) la mise en place d’un système de prévision de pluie, pouvant être couplé avec un modèle de prévision de débit, qui permet de considérer les bassins non jaugés et de gagner potentiellement en anticipation. Cependant, les systèmes opérationnels de prévision hydrométéorologique ont souvent une échelle spatio-temporelle supérieure à celle des crues rapides. Et les incertitudes des prévisions, notamment pour les évènements pluvieux de type convectif, rendent difficiles l’utilisation directe de prévisions de pluie dans une modélisation hydrologique afin de produire des prévisions de débits avec suffisamment de précision et d’anticipation pour une alerte de crue rapide. Aux Etats-Unis, le service d’alerte aux crues éclairs mis en oeuvre par le National Weather Service est basé sur un système de prévision hydrométéorologique et la prise en compte de scénarios simples de pluie future afin de produire des cartes de pluie critique nécessaire pour initier les débordements sur les bassins versants. Cette pluie critique est appelée Flash Flood Guidance (FFG). Les pluies critiques FFG sont déterminées pour différentes durées (de 1h à 24h) et sont actualisées 1 à 4 fois par jour. Les valeurs de pluie critique FFG correspondent aux débits seuil de débordement, qui sont estimés au préalable (et qui correspondent généralement au débit de période de retour de 2 ans). En temps réel, les valeurs de FFG sont estimées à partir des courbes pluie-débit construites en utilisant une modélisation hydrologique continue avec différents scénarios de pluie future d’intensité constante et uniforme sur les bassins versants. La modélisation hydrologique permet de considérer l’impact de l’état hydrique des sols et des propriétés physiographiques du bassin versant sur sa réponse aux pluies, et donc son débit à l’exutoire. Les cartes de pluie critique FFG facilitent la comparaison avec les données spatialisées de pluie, d’observations et de prévisions, disponibles en temps réel, pour déterminer les zones de risque d’inondation. Une telle approche peut être utilisée avec d’autres modélisations hydrologiques en milieu jaugé ou non jaugé. L’objectif de cette étude est d’appliquer la méthode de Flash Flood Guidance avec le système d’anticipation des crues AIGA pour évaluer son apport potentiel pour l’aide à la prévision des crues rapides en milieu non jaugé. L’information de pluie critique permet de favoriser le partage de l’expertise des météorologues et des hydrologues pour mieux apprécier la gravité potentielle d’une situation météorologique au regard du risque de crue. Elle peut permettre de focaliser le travail de collaboration et d’analyse des prévisionnistes météorologistes et hydrologistes sur les secteurs géographiques les plus sensibles. Le système d’anticipation des crues AIGA utilise le modèle hydrologique pluie-débit distribué GR, au pas de temps horaire et à la résolution de 1 km2, pour produire des prévisions hydrologiques en milieu non jaugé. Les seuils de débit correspondent aux quantiles de débit estimés par la méthode régionalisée SHYREG (quantiles issus du même modèle hydrologique GR) pour différentes périodes de retour (e.g. 2 ans, 5 ans et 10 ans). L’évaluation porte sur 46 bassins versants identifiés par le SPC Med-Est pour leurs enjeux et inclus dans leur service de vigilance complémentaire. Trois évènements sont analysés pour tester la mise en alerte dans différentes situations hydrologiques : - l’évènement de Draguignan du 15-16 juin 2010 avec des sols secs et de très fortes pluies (pour les 13 bassins versants de l’Argens les plus touchés par l’évènement), les données Panthère fournissant les pluies observées au pas de temps horaire ; - l’évènement du 24-25 octobre 2011 avec des pluies modérées sur des sols secs, les pluies observées correspondant aux données Antilope au pas de temps horaire ; - l’évènement du 3-9 novembre 2011 avec des problématiques d’accalmies en début d’évènement et de pluie sur des sols très humides ultérieurement, en utilisant les données Antilope. L’estimation de la pluie critique est mise en oeuvre avec les paramètres suivants : - les seuils de dépassement de débit définis par les quantiles de débit SHYREG pour les périodes de retour de 2 ans, 5 ans et 10 ans ; - les durées de 3h, 6h, 12h et 24h, auxquelles on a ajouté la durée de 1h ; - une incrémentation du scenario de pluie future d’intensité constante qui est fonction de la durée considérée : + 5 mm/h pour les durées de 1h et 3h ; + 2,5 mm/h pour la durée de 6h ; + 1,25 mm/h pour la durée de 12h ; et + 1 mm/h pour la durée de 24h ; - une incertitude d’estimation de la pluie critique définie par le produit incrémentation x durée, conduisant aux incertitudes de : 5 mm pour la durée de 1h ; 15 mm pour les durées de 3h, 6h et 12h ; et 24 mm pour la durée de 24h ; - une estimation toutes les 3 heures et une réactualisation toutes les heures, complétée par la suite par une estimation toutes les heures. Le risque hydrologique est analysé avec les informations suivantes : - les cartes des pluies critiques pour tous les bassins (les bassins étant triés par surface décroissante pour visualiser les valeurs sur les bassins emboîtés), pouvant être produites toutes les heures, afin d’identifier les bassins les plus sensibles au risque de dépassement de seuil de débit ; - les hydrogrammes de crues simulés par AIGA, correspondant à la pluie critique, pour une durée et un seuil de débit donnés, pour visualiser l’hydrogramme simulé avec le scenario de pluie critique ; - les graphes de comparaison des pluies critiques pour les différentes durées pour un seuil de débit donné, afin d’aider le prévisionniste à croiser l’information de pluie critique avec les prévisions de pluie ; - le tableau des pluies critiques pour tous les bassins versants, pour une durée et un seuil de débit donnés et pour les dates d’initialisation récentes, afin d’analyser l’évolution des pluies critiques dans le temps ; - les cartes de différence entre prévision de pluie (que le prévisionniste devra choisir) et pluie critique pour tous les bassins versants, pour une durée et un seuil de débit donnés pour une mise en alerte des bassins pour lesquels la pluie prévue est supérieure ou proche de la valeur de pluie critique (en prenant en compte l’incertitude d’estimation de la pluie critique) ; - les cartes d’alerte du système AIGA actuel avec une représentation par bassin versant, similaire aux cartes de pluie critique, pour faciliter la comparaison des avertissements du système AIGA avec les avertissements de la méthode AIGA-FFG. 5 Concernant les avertissements du système AIGA-FFG, deux exemples de prévisions de pluie sont utilisés dans cette étude : 1) la pluie observée correspondant à la pluie future parfaite, connue a posteriori ; 2) la pluie persistante, d’intensité égale à la pluie observée dans la dernière heure précédant la date d’initialisation et constante pour toute la durée de la pluie critique. L’analyse des avertissements sur les 3 évènements étudiés montre le gain en anticipation potentielle (par comparaison avec l’avertissement du système AIGA) pour les 2 types de prévision, grâce à la prise en compte des pluies futures dans le modèle pluie-débit. Dans les exemples présentés, l’anticipation potentielle des avertissements du système AIGA-FFG, par comparaison avec le système AIGA, varie entre 1 heure et 7 heures lorsque l’on considère les pluies critiques pour les durées de 1h, 3h et 6h. L’utilisation de la prévision parfaite de pluie a montré qu’il est nécessaire de considérer l’incertitude d’estimation de la pluie critique, au risque d’engendrer sinon des alertes manquées. La comparaison entre les avertissements avec les 2 prévisions de pluie, pluie observée et pluie persistante, a permis de montrer que la qualité des avertissements dépend de la qualité de la prévision de pluie, avec, par exemple, quelques fausses alertes avec la prévision de pluie persistante mais aussi des exemples de meilleure anticipation potentielle pour les évènements d’octobre et novembre 2011. La qualité des avertissements du système AIGA-FFG dépend également des performances du modèle pluie-débit et de la qualité des données observées utilisées pour l’initialisation du modèle. L’expertise des prévisionnistes des SPC et de Météo-France permet une meilleure interprétation des informations de pluie critique, au vu des performances passées du modèle pluie-débit et du système de prévision météorologique, ainsi que de la qualité des observations de pluie et débit. Les discussions avec les prévisionnistes du SPC Med-Est ont souligné l’attrait de la communication du risque hydrologique sous forme de pluie critique de bassin versant. Cette information, exprimée en termes de pluie, facilite les discussions avec les prévisionnistes de Météo-France et la prise en compte de la sensibilisation hydrologique aux pluies pour les différents bassins versants. En identifiant les bassins les plus sensibles au risque de dépassement de seuils de débit, les cartes de pluie critique peuvent permettre d’affiner les prévisions expertisées de pluie dans les heures à venir pour les secteurs jugés sensibles. L’information de pluie critique peut également être facilement croisée avec une ou des prévisions de pluie choisie(s) par le prévisionniste (prévision expertisée ou non) pour en déduire des avertissements sur les dépassements possibles des seuils de débit considérés. Une telle information pourrait potentiellement être utile à d’autres utilisateurs, tels que les services de sécurité civile, pour une mise en veille anticipée sur les secteurs jugés sensibles afin d’améliorer le temps de réaction de ces services lorsque le risque de crue est avéré. Les perspectives d’améliorations pour le système d’alerte AIGA-FFG incluent l’intégration de scénarios de pluie future plus réalistes, notamment grâce aux prévisions d’ensembles produites par Météo-France, et la prise en compte des sources d’incertitude du modèle hydrologique, qui concernent les pluies observées, les conditions initiales et les paramètres du modèle.

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