Axe : Hydraulique Environnementale

Dans l’Axe Hydrodynamique environnementale, les travaux du LHSV concernent principalement deux thématiques :

1. les mouvements des masses d’eau sans changement de leur emprise au sol (c’est-à-dire au droit de la surface libre : on pense aux oscillations / ondes à la surface telles les vagues, la houle, le clapot, les ressauts...) ;
   Cette thématique concerne par exemple des travaux visant à mieux modéliser des ondes dispersives à la surface de zones considérées mouillées : les mascarets et les ondes de Favre dans les canaux et cours d’eau naturels, les vagues à la surface de la mer (ondes de gravité principalement générées par le vent : mers de vent, clapots, houles).
2. les débordements (inondations, submersions) vus comme des événements statistiquement extrêmes (les cours d’eau et les côtes étant appréhendés comme des zones d’emprise bien délimitées).
   Cette deuxième thématique concerne plutôt des travaux visant à mieux modéliser la propagation du front à la limite des zones sèches et mouillées, typiquement dans des situations exceptionnelles.

Des travaux intrinsèquement liés à ces deux thématiques, visant par exemple à prévoir par couplage de modèle des débordements à la suite d’ondes de Favre, sont encore en cours et figurent au programme des recherches futures.

Au-delà du LHSV, ces thématiques concernent aussi une large communauté scientifique internationale qui est intéressée à analyser, modéliser et prédire les mouvements des grandes masses d’eau à surface libre (cours d’eau, lacs et océans), en particulier le franchissement des limites « normales » de leur emprise au sol — un « débordement ».

Les hommes se posent d’ailleurs indubitablement des questions relevant de ces thématiques depuis longtemps : elles sont naturelles dès qu’on vit près d’une grande masse d’eau, et qu’on observe son évolution pluriannuelle au rythme des saisons. La forme mathématique des questions, telles celles abordées par le LHSV, n’est toutefois apparue qu’avec la naissance de la théorie des Equations aux Dérivées Partielles (EDPs) et des modèles de milieux continus proposés par les mécaniciens des fluides au XVIIIème siècle (Bernoulli, D’Alembert, Euler...). Les questions ayant trait à la description mathématique d’écoulements particuliers, à surface libre notamment, ont émergé ensuite, au XIXème siècle, chez des mécaniciens ayant consolidé les modèles (Laplace, Navier, Poisson, Cauchy, Airy, Saint-Venant, Boussinesq). Les questions du type traité par le LHSV entre 2018 et 2023, au sujet de la quantification précise des caractéristiques d’un écoulement particulier ayant lieu à un instant donné en un lieu donné, sont celles abordées par les scientifiques intéressés à appliquer et consolider la théorie depuis 1950, avec l’aide de nombreux calculateurs et capteurs pour confronter prévisions et observations. 

Les travaux du LHSV sont en lien avec le développement de chaînes de calcul telles openTELEMAC qui a été initié par EDF R&D et qui est poursuivi aujourd’hui avec l’aide d’un consortium dont l’École des Ponts fait partie, afin de calculer numériquement les mouvements des grandes masses d’eau à surface libre sur la base d’EDPs. Les EDPs proposées historiquement par Saint-Venant en 1871 [CRAS, 73, Théorie du mouvement...] sont un chaînon essentiel dans ces codes (TELEMAC-2D dans openTELEMAC), notamment pour le calcul de la propagation du front d’inondation après un débordement, et malgré des limites bien connues à leur pertinence (ondes de surface longues, eaux peu profondes).

Un sujet majeur de la première thématique (1) est le développement de nouveaux modèles numérique décrivant mieux les mouvements des grandes masses d’eau en eaux profondes (océan) ou les ondes de surface courtes. Dans cette optique, un fait essentiel est le développement de chaînons de calculs basés sur une description spectrale à phase moyennée pour l’état de surface des mers, par exemple TOMAWAC dans openTELEMAC. Un autre fait essentiel dans la même direction est l’émergence de modèles basés sur des EDPs plus riches que celles de Saint-Venant (Euler, Navier-Stokes...) en vue du calcul numérique de la propagation d’un front d’inondation — les EDPs proposées par Saint-Venant restent néanmoins la base des calculs opérationnels, confrontés régulièrement aux observations.

Un sujet majeur de la seconde thématique (2) est l’amélioration des performances opérationnelles de chaînons basés sur les EDPs de Saint-Venant comme TELEMAC-2D. En effet, on espère encore mieux prévoir certains écoulements (ondes de surface longue, eaux peu profondes) en ajustant les paramètres de ces modèles numériques qui décrivent la bathymétrie, les interactions de l’écoulement avec la bathymétrie (frottement) et les conditions de l’écoulement aux limites du domaine de calcul (conditions initiales et aux bords). Un fait notable est le développement de méthodes d’optimisation des paramètres (assimilation de données). Un autre fait est le progrès des moyens d’observation, non seulement sur site en nature, mais aussi en laboratoire sur des expériences à échelle réduite, et par l’analyse de documents variés (historiques, en particulier). 

Pour finir en ce qui concerne le contexte de cet Axe de recherches - Hydrodynamique environnementale - on notera que les enjeux liés aux applications n’ont pas cessé de prouver leur importance durant ces 6 dernières années non seulement aux yeux des scientifiques, mais aussi aux yeux des parties prenantes qui les orientent, tout particulièrement les tutelles du LHSV désireuses d’accompagner le développement durable et les transitions nécessaires à l’adaptation aux défis climatiques de demain (la production d’électricité en particulier pour EDF R&D, la gestion du trait de côte et la résilience aux inondations pour l’ENPC). 

Mieux prévoir la propagation d’un front d’inondation participe d’une meilleure anticipation des inondations dans la mesure où cela permet de mieux décrire les risques auxquels les bâtiments et ouvrages sont exposés (en phases de planification ou de gestion opérationnelle d’urgence). Mieux prévoir les mécanismes conduisant à un débordement (de berge ou de rive) participe aussi à une meilleure description des niveaux de risque, et à leur prévention (via le dimensionnement d’ouvrages de protection ou la préparation des zones exposées aux inondations). L’étude des processus mécaniques conduisant aux débordements préoccupe d’ailleurs une large communauté de scientifiques. Près des mers, suite aux tempêtes Xynthia, Lothar ou Martin, deux mécanismes de débordement ont suscité des recherches au LHSV : la superposition d’une houle, d’un clapot, d’une surcote météorologique (tempête) et d’une forte marée d’une part, et un mouvement de terrain conduisant à un tsunami d’autre part. Sur les continents, après les nombreuses crues ayant donné lieu à inondation, des hypothèses de flux (apport) important de masse d’eau suite à des précipitations ou après la rupture d’un ouvrage de retenue ont généré des recherches.