Co-Authors: Rua Suleiman, and Luís Fernandes
Dans les zones urbaines, les crues soudaines sont de plus en plus fréquentes et provoquent des dégâts considérables ainsi que des victimes. Ces inondations peuvent survenir tout au long de l’année et leur fréquence est tributaire de divers facteurs. Elles peuvent être causées par des ouragans ou des typhons saisonniers dans les régions côtières, ou par de fortes pluies locales ou des pluies torrentielles, et peuvent faire déborder les systèmes de drainage et les rivières tout en provoquant l’accumulation d’eau dans les zones plus basses. Par ailleurs, les interventions humaines constituent également un facteur, puisque les défaillances des barrages, les ruptures de digues ou le développement urbain qui modifie les schémas de drainage naturels sont susceptibles d’entraîner des dommages catastrophiques. Récemment, la Libye a été touchée par une grave crue soudaine qui a mis en évidence le besoin urgent de planifier et d’utiliser toutes les technologies de pointe disponibles, telles que OpenFlows FLOOD, OpenFlows SewerGEMS et OpenFlows CivilStorm de Bentley, avec des fonctionnalités de modélisation des inondations en 2D, pour atténuer de telles catastrophes. Dans ce blog, nous étudierons les raisons des crues soudaines dans les villes, nous nous tournerons vers les experts techniques qui utilisent la technologie et nous expliquerons comment les inondations peuvent être évitées et atténuées en prenant les mesures appropriées.
Modifier notre façon d’aménager les villes
Avec la croissance des villes, les surfaces naturelles sont remplacées par des surfaces imperméables, telles que les routes, les trottoirs et les bâtiments. L’eau de pluie ne peut donc plus être absorbée par le sol, ce qui entraîne un écoulement rapide et des inondations. En outre, dans de nombreuses villes, les systèmes de drainage urbain sont vétustes, obsolètes ou mal entretenus. Les infrastructures d’eaux pluviales inefficaces et insuffisantes ne font qu’aggraver le problème, en réduisant considérablement leur capacité à faire face aux fortes précipitations.
En matière d’aménagement urbain pour les nouvelles villes, l’accent est mis sur la création d’espaces verts, le développement à faible impact (LID) et les solutions basées sur la nature, qui visent à augmenter la rétention et l’infiltration de l’eau afin de réduire les risques élevés d’inondation. La modélisation des pratiques de gestion durable des eaux pluviales est possible dans des logiciels comme OpenFlows SewerGEMS et OpenFlows CivilStorm, qui permettent par exemple d’attribuer des captages à différents types de LID, notamment des noues de biorétention et des chaussées d’allées. Une telle fonctionnalité peut permettre de comprendre l’impact de la solution proposée et de prendre des décisions sur la base d’études modélisées.
La crue soudaine en Libye
Durant le mois de septembre 2023, la Libye a connu une crue soudaine et dévastatrice qui a touché de nombreuses villes. La ville la plus affectée a été Derna, où des précipitations extrêmes et persistantes sur le système de captage se déversant dans l’oued Derna (Wadi Derna) ont rapidement entraîné des débits élevés, ce qui a provoqué la défaillance de deux barrages en amont de la ville et l’inondation catastrophique subséquente.
Ce phénomène s’explique en grande partie par une urbanisation extensive, un contrôle insuffisant du drainage, une maintenance inefficace des infrastructures et des conditions météorologiques inhabituelles. Cet événement a permis de constater la nécessité de mettre en place des technologies avancées de gestion des inondations.
Les applications OpenFlows de Bentley proposent deux solutions principales pour répondre à ces problématiques. OpenFlows FLOOD est un logiciel complet de modélisation des inondations pour comprendre et atténuer les risques d’inondations dans les zones urbaines, fluviales et côtières. Ce logiciel utilise des modèles numériques entièrement distribués dans l’espace pour simuler tous les processus hydrologiques et hydrauliques qui se produisent dans les bassins fluviaux, notamment les précipitations, l’infiltration, le ruissellement de surface, et le débit des canaux et des eaux souterraines. Il reproduit de manière dynamique le niveau de l’eau, l’intensité et la direction du flux afin de dresser une cartographie précise des zones inondables en raison de précipitations extrêmes ou de la rupture de barrages ou de digues.
OpenFlows SewerGEMS est un logiciel de modélisation hydraulique de pointe qui permet de simuler le flux de l’eau dans les réseaux d’égouts et de drainage des eaux pluviales dans un environnement urbain. Depuis peu, il permet de simuler les écoulements terrestres en 2D et d’obtenir des informations précises sur l’interaction entre les ruissellements et les systèmes de drainage souterrains afin d’identifier les écueils des systèmes, ce qui permet aux ingénieurs d’élaborer un plan de gestion des risques complet.
Toutefois, comment ces solutions peuvent-elles contribuer à atténuer les crues soudaines dans les zones urbaines ?
Grâce à OpenFlows SewerGEMS, les ingénieurs peuvent créer des modèles précis des réseaux d’eaux pluviales d’une ville. Une telle précision est essentielle pour identifier les problèmes potentiels et les zones sujettes aux inondations. Le logiciel permet aux ingénieurs de simuler divers scénarios afin de comprendre l’impact des différents facteurs, tels que l’intensité des précipitations et les améliorations apportées au système de drainage, sur les inondations. Cette fonctionnalité permet de concevoir de meilleures infrastructures et de meilleurs aménagements urbains.
Par ailleurs, OpenFlows FLOOD peut simuler les processus hydrologiques du bassin versant (précipitations, écoulement, infiltration, écoulement des eaux du sol et des eaux souterraines, cheminement des rivières) à partir de tempêtes réelles ou artificielles et fournir une représentation précise des flux de la rivière ou de l’oued (wadi). De plus, si la rivière dispose d’une structure de contrôle du débit, telle qu’un barrage, OpenFlows FLOOD peut simuler les vagues provoquées par la rupture d’un barrage et cartographier l’inondation subséquente. Ces débits fluviaux peuvent être utilisés dans des modèles à haute résolution, soit dans OpenFlows FLOOD, soit dans OpenFlows SewerGEMS, pour établir des cartes de risques d’inondations et définir des stratégies d’atténuation en définissant des scénarios alternatifs dans lesquels ces stratégies sont représentées numériquement dans un modèle et dont l’efficacité est vérifiée.
La puissante fonctionnalité de gestion de scénarios d’OpenFlows SewerGEMS peut être utilisée pour planifier des études d’adaptation au réchauffement climatique. Elle aide les ingénieurs et les urbanistes à évaluer la résilience des systèmes pluviaux dans leurs villes et à développer des stratégies pour atténuer ses conséquences soit en proposant des extensions du réseau, soit en ajoutant de nouveaux bassins, soit en identifiant les sites devant être entretenus sur une partie spécifique du réseau. Le gestionnaire de scénarios est en mesure d’intégrer toutes ces différentes suggestions en disposant de plusieurs scénarios représentant diverses projections de réchauffement climatique. Ceux-ci peuvent inclure des changements dans le schéma des précipitations, une augmentation de l’intensité des tempêtes et une modification des caractéristiques de l’écoulement en raison du réchauffement climatique. Pour identifier les vulnérabilités du système pluvial qui pourraient résulter des situations de réchauffement climatique, les ingénieurs peuvent analyser les résultats de la modélisation. Ils peuvent par exemple déterminer les zones à risque d’inondation ou de débordement lors d’événements météorologiques extrêmes.
Grâce au gestionnaire de scénarios, il est également possible d’évaluer si l’infrastructure pluviale existante est en mesure de faire face aux défis climatiques prévus. Ainsi, les ingénieurs peuvent simuler les effets qu’aurait la mise en œuvre de solutions d’infrastructures vertes, l’augmentation de la taille des canalisations pour trouver un équilibre entre le coût et la capacité, ou encore la modélisation du développement à faible impact, comme les rigoles de rétention, pour réduire les risques d’inondations. Les résultats de cette analyse peuvent être exposés sous forme de tableaux ou de graphiques dans le cadre de présentations professionnelles, en comparant la capacité du réseau et les coûts des différentes stratégies d’atténuation dans le cadre de divers scénarios climatiques. Une telle approche axée sur les données en matière d’adaptation au réchauffement climatique assure des décisions fondées sur la modélisation et l’analyse scientifiques, plutôt que sur des hypothèses ou sur l’attente de fortes tempêtes pour découvrir les zones vulnérables. Ci-dessous, vous trouverez une illustration de l’outil de comparaison de scénarios OpenFlows SewerGEMS.
Analyser la crue soudaine en Libye
Lorsque nous analysons de plus près l’inondation survenue en Libye, nous constatons l’importance d’utiliser des applications hydrologiques/hydrauliques avancées pour vérifier et analyser le drainage des eaux pluviales de manière intégrée. Cette méthode est le seul moyen d’être préparé et de réduire au maximum l’impact des inondations.
Grâce aux données open source disponibles, il est possible de préparer rapidement une simulation brute des événements survenus en Libye. Grâce aux données d’élévation du terrain SRTM de la NASA d’une résolution d’environ 30 mètres, nous pouvons délimiter le bassin versant qui se déverse dans l’oued Derna (Wadi Derna) et calculer le réseau de drainage naturel à l’aide d’OpenFlows FLOOD. La zone jaune de l’image ci-dessous représente le bassin versant de l’oued Derna (Wadi Derna) et les lignes bleues représentent les lignes d’eau de drainage. Les deux repères blancs représentent les deux barrages qui ont été détruits.
Le réseau de drainage naturel comprend un réseau de voies ouvertes dans lesquelles l’eau de pluie est acheminée à partir d’un modèle de flux de surface en 2D. Le modèle suppose l’existence de coupes transversales trapézoïdales simples, dont la largeur est déterminée par les photos aériennes de Bing Maps et dont la profondeur est déterminée par le profil du terrain. Nous avons supposé que les coupes transversales de la rivière sont capables de contenir tout le flux subséquent à l’écoulement dans le système de captage.
Nous avons également utilisé les données pluviométriques d’une station météorologique locale à Derna, avec des estimations d’environ 200 millimètres de précipitations en 24 heures. Ces données n’étant pas représentatives des précipitations sur l’ensemble du bassin versant, les données horaires de l’ECMWF ERA5 ont été utilisées pour une estimation plus raisonnable d’environ 70 millimètres en 24 heures.
Nous avons simulé un scénario rapide de pluie et d’écoulement, en supposant qu’il n’y a pas d’infiltration et qu’il n’y a pas de structures de contrôle hydraulique telles que des barrages. Nous avons considéré qu’une condition limite d’élévation fixe de l’eau au niveau moyen de la mer existait au niveau du tuyau de sortie. Le polygone jaune représenté sur l’image ci-dessous correspond à la limite de captage. La direction du flux sur la surface du terrain est représentée par des flèches blanches. L’intensité du flux de la rivière est représentée par des lignes colorées (rouge, jaune, bleu) (le rouge étant plus intense à proximité du tuyau de sortie du réseau de drainage naturel).
Les précipitations dans le système de captage ont généré des flux naturels compris entre 700 mètres cubes par seconde et 1 800 mètres cubes par seconde, selon les données pluviométriques d’ERA5 et les mesures pluviométriques locales, respectivement. Le flux le plus faible est à lui seul suffisant pour faire déborder les berges de l’oued dans la zone urbaine de Derna.
L’écoulement pluvial a généré un volume de précipitations 2 à 5 fois supérieur aux volumes de stockage des deux barrages (1,5 million et 18 millions de mètres cubes, respectivement). Les barrages ont débordé et ont été détruits au cours de l’événement.
Nous avons réalisé une simulation complémentaire, mais claire, à haute résolution, en utilisant les mêmes données open source de base.
Dans cette simulation, nous avons mis en place une grille de calcul d’une résolution de 5 mètres pour couvrir la ville de Derna. Pour des raisons pratiques, nous avons choisi de ne pas intégrer de bâtiments ou d’autres éléments d’infrastructure dans les élévations de terrain de la grille. De plus, afin d’évaluer les scénarios d’inondation potentiels, nous avons intégré une condition limite d’écoulement en amont au niveau du barrage situé près de l’extrémité sud de la ville, comme le montre l’image ci-dessous.
Nous avons envisagé deux scénarios simples. Dans le premier scénario, nous avons utilisé uniquement le flux naturel modélisé, déterminé par la simulation hydrologique, sans avoir recours à des barrages. Ce premier scénario a démontré que même sans le contrôle des barrages, le flux généré par la simulation était élevé, et qu’il entraînait une inondation importante, comme le montre la vidéo ci-dessous.
Dans le second scénario, nous avons étudié le flux subséquent à la rupture du barrage. Grâce à la fonctionnalité d’analyse de rupture de barrage d’OpenFlows FLOOD et en considérant le barrage en amont, qui a un volume de stockage plus élevé, nous avons calculé un hydrogramme représentant le flux subséquent à la rupture du barrage. Les caractéristiques des barrages ont été obtenues à partir de sources en ligne (c’est-à-dire la page Web de l’entreprise qui a conçu et édifié les barrages). À partir de ces informations, la fonctionnalité de rupture du barrage a permis de calculer un flux de pointe allant jusqu’à 30 000 mètres cubes par seconde. Comme prévu, le deuxième scénario a illustré une issue catastrophique. L’étendue des inondations constatées dans ce scénario concorde tout à fait avec les images aériennes publiées en ligne après l’événement. Dans la vidéo ci-dessous, on peut observer la progression du flux sur les rives de la rivière ou de l’oued (Wadi) jusqu’à l’intérieur de la zone urbaine de la ville de Derna. Ce scénario se rapproche le plus de la simulation de l’événement récent survenu dans la ville de Derna.
Parallèlement, compte tenu des précipitations de plus en plus intenses et de l’urbanisation rapide, les urbanistes du monde entier doivent avant tout vérifier l’ensemble de leurs systèmes de drainage et de contrôle des inondations. Dans les situations où les données sont limitées ou de faible résolution, il est possible d’obtenir des informations précieuses en examinant les schémas de drainage naturels afin d’évaluer les risques d’inondation.
Avoir recours à des fonctionnalités spécialisées, telles que l’analyse des ruptures de barrage dans OpenFlows FLOOD, devient en outre crucial. Ce logiciel permet de modéliser des événements catastrophiques, afin de mieux comprendre les risques associés aux défaillances des infrastructures essentielles, en particulier lorsque la sécurité et le bien-être de la population sont en jeu.
Conclusion
Les crues soudaines qui se produisent de plus en plus fréquemment et qui sont de plus en plus graves dans les zones urbaines posent des problèmes importants, entraînant une destruction massive et la perte de vies humaines. De tels événements peuvent être déclenchés par divers facteurs, notamment des précipitations intenses, des ouragans/typhons saisonniers et des interventions humaines, comme les défaillances de barrages et le développement urbain, qui modifient les schémas de drainage naturels.
En Libye, et plus particulièrement à Derna, la récente crue soudaine a confirmé le besoin urgent de stratégies complètes de gestion des inondations afin de se préparer et de réduire au minimum l’impact des inondations. En utilisant des technologies telles que OpenFlows FLOOD et OpenFlows SewerGEMS, même avec des données open source disponibles, il est possible d’obtenir des informations précieuses sur les inondations, leurs causes et les stratégies d’atténuation possibles, ainsi que des résultats plus précis lorsque des données de meilleure qualité sont utilisées. Dans un contexte d’urbanisation croissante et de multiplication des phénomènes météorologiques extrêmes, il est impératif d’adopter ces outils pour protéger nos communautés et nos infrastructures des effets dévastateurs des crues soudaines.
Si vous souhaitez consulter d’anciens blogs, accédez à https://blog.bentley.com/category/hydraulics-and-hydrology/.
