Binôme 3 : Etude hydraulique du Rio Matanza-Riachuelo

 

Etude hydraulique du Rio Matanza-Riachuelo

 

Cet axe développe l'étude hydraulique du Rio Matanza-Riachuelo (rivière) au niveau de la ville de Buenos Aires (cf illustration ci-dessous). En effet, l'Argentine s'intéresse depuis relativement peu de temps aux problèmes d'inondations, le pays dispose donc de peu de stations d'échantillonnage et possède une banque de données sur le Rio Matanza-Riachuelo très faible. Par exemple, presque aucun débit n'a été mesuré pendant une crue. Aussi nous n'avons pu réaliser une étude hydrologique du bassin versant. Nous nous limiterons donc à la modélisation de la rivière et à l'étude de sa réponse face à deux types d'événements : une crue décennale et les sudestadas (élévation du niveau d'eau dans la rivière suite à de forts vents du Sud Est à l'embouchure).

Pour cela, nous étudierons tout d'abord le bassin versant, puis nous cartographierons les zones d'études (à l'aide du logiciel ArcGIS), enfin grâce au logiciel HEC-RAS nous modéliserons les crues et les sudestadas et nous proposerons des solutions aux inondations générées.

 

Image satellite du Rio Matanza-Riachuelo au niveau de la ville de Buenos Aires - Cliquez sur l'image pour zoomer

Image issue de https://maps.google.fr/

 

Le bassin versant Matanza-Riachuelo

 

Le bassin versant

 

Le bassin versant Matanza-Riachuelo est situé dans la province de Buenos Aires, en Argentine. Il s'étend sur une superficie de 2238 km$^2$. Sa principale rivière est la "Rio Matanza" qui, une fois arrivée au sein de la capitale, se prénomme "Rio Matanza-Riachuelo". Le bassin versant est composé d'une multitude de ruisseaux qui alimentent le fleuve (plus de 200) et s'étend sur dix-sept juridictions différentes (cf carte ci-dessous). Le Rio Matanza Riachuelo se jette dans le Rio de la Plata (estuaire séparant l'Argentine de l'Urugay) au niveau de la capitale du pays (Ciudad Autonoma de Buenos Aires).

Illustration du bassin versant et des provinces traversées

http://cyt-ar.com.ar/cyt-ar/index.php/Cuenca_Matanza_-_Riachuelo

 

De plus, le bassin versant possède une topographie de type "plaine", c'est-à-dire que le relief évolue peu, en effet l'écart maximal de niveau est de 50 m (cf figure ci-dessous). En outre, la métropole Buenos Aires, située à l'embouchure, correspond à la zone d'altitude proche du niveau la mer, ce qui rend la zone très sensible aux phénomènes de marée.

Illustration de la topographie sur le bassin versant Matanza-Riachuelo

http://www.ina.gov.ar/pdf/LH-Informe_Aguas_Subterraneas_2010.pdf (page 5)

 

Le bassin se découpe en trois sous-bassins : "alta", "medio" et "baja", se caractérisant comme suit :

  • le sous-bassin "alta" se trouve le plus à l'amont du bassin versant, il se définit comme une zone rurale d'altitude moyenne 30 m
  • le sous-bassin "media" se trouve dans une zone semi-urbanisée, d'altitude moyenne de 20 m
  • le sous-bassin "baja", à l'aval du bassin versant, correspond à l'agglomération de Buenos Aires, il se situe donc dans une zone très urbanisée, d'altitude moyenne inférieure à 10 m.

Par la suite, notre étude se limitera au sous-bassin "baja" (200km$^2$), afin d'étudier les inondations au niveau de la capitale.

 

La rivière

 

Le Rio Matanza-Riachuelo fait actuellement 64 km de long entre sa source et son embouchure, et 10 à 90 mètres de large selon l'endroit où l'on se place. Si l'on se limite à Buenos Aires, la rivière mesure 20 kilomètres. Son débit moyen au cours de l'année est d'environ 7 m$^3$/s et peut atteindre jusqu'à 1330m$^3$/s (crue de 1967).

Par ailleurs, au $XX^è$s, la rivière a subi plusieurs modifications de son cours en amont de la ville de Buenos Aires afin de limiter les inondations et favoriser la navigation. Aussi, cette rivière très méandreuse  a été transformée en partie en canal (respectivement en bleu clair et en vert sur l'illustration ci-dessous).

Illustration de la modification (en vert) du cours naturel du fleuve (en bleu)

http://www.acumar.gov.ar/content/documents/7/1507.pdf

La création de ce canal a eu pour conséquence d'accroître le débit dans la rivière et donc d'augmenter les inondations sur les zones méandreuses restantes à l'aval (au niveau de Buenos Aires). En effet, l'eau accélère dans un canal droit en pente et lorsqu'elle arrive au niveau d'un méandre, celui-ci agit tel un obstacle : l'eau est subitement ralentie, son niveau augmente dans le lit du fleuve. Aussi, on peut aisément comprendre que lors d'épisodes pluvieux intenses, les zones méandreuses en aval soient plus inondées qu'auparavant. Aussi, la construction du canal a déplacé le problème des inondations vers l'aval.

 

 

Cartographie des zones étudiées

 

Cartographie des zones étudiées

 

Les dernières décennies, la ville de Buenos Aires à été inondée fréquemment, causant des dégâts matériels considérables. On trouve deux sources principales à ces inondations :

  • L'augmentation naturelle de la hauteur d'eau du Riachuelo qui traverse la ville et les problèmes structurels du réseau de drainage, dont la capacité à été dépassée par l'occupation des vallées inondables. La capacité de drainage de la rivière a aussi été altérée par la rectification et la canalisation de son cours.
  • Les forts vents venant du Sud-Est ("sudestadas") qui provoquent une augmentation du niveau du "Rio de la Plata" (enbouchure du Riachuelo) et donc l'inondation des zones côtières et des quartiers les plus en aval de la rivière.

Ces inondations sont donc aggravées par l'urbanisation :

  • La construction de parking souterrains sous des espaces verts publics : élimination de l'absorption de l'eau par le sol
  • La réduction des espaces verts
  • Les fondations des tours construites qui font barrage dans la nappe phréatique...

 

Les bidonvilles de Buenos Aires sont notre première cible puisqu'ils bordent presque tout le long de la rivière (de 15 km à 3 km de l'embouchure). Nous pouvons notamment citer les bidonvilles Villa 21-24 et Villa 26, situés à 4,8 km de l'embouchure, à l'aval, et régulièrement inondés en raison de leur faible altitude.

Villa 21-24 et Villa 26, deux exemples de bidonvilles régulièrement inondés - Source : google Maps https://maps.google.fr/

 

Nous avons choisi de nous focaliser sur les bidonvilles car les populations y vivent en très grande concentration dans des lieux insalubres et précaires et sont les premières touchées par les inondations (dues aux crues et aux sudestadas).

Lors de ces inondations, l'eau fortement polluée de la rivière envahit les berges et ces quartiers, provoquant des dégâts matériel et sanitaire. En effet, l'eau du Riachuelo est la source des nombreuses maladies (respiratoires et de peau) contractées par les habitants des bidonvilles.

 

Pour délimiter les zones inondables, nous avons cherché des cartes géo-référencées qui doivent être assez précises. Nous avons trouvé notre carte grâce à la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE). Cette carte nous servira lors de modélisation du Rio Riachuelo sous ArcGIS et HEC-RAS.

 

Modélisation de la rivière

 

On souhaite modéliser la rivière au niveau de l'agglomération de Buenos Aires (soit environ 20km) afin d'en étudier son comportement. Cela requiert l'association de deux logiciels : ArcGIS et HEC-RAS à travers un outil HEC-GeoRAS (extension de ArcGIS).

 

Logiciels utilisés

 

Afin d'étudier un cours d'eau et comprendre son comportement et sa réponse face à des contraintes, il est nécessaire d'utiliser des logiciels spécifiques. Nous avons utilisé les logiciels ArcGIS et HEC-RAS.

 


Logiciel HEC-RAS

Le logiciel HEC-RAS, Hydrologic Engineering Center River Analysis System, est un logiciel gratuit de modélisation hydraulique à une seule dimension. Il permet de modéliser l'écoulement dans une rivière et est principalement utilisé dans l'étude des zones inondables. Il a été développé par le ministère américain de la défense en 1995 et plus particulièrement par l'organisme HEC (Hydrologic Engineering Center) et est régulièrement amélioré. Dans notre étude nous avons utilisé la version 4.1.0.

Pour réaliser une modélisation d'événements ponctuels où l'écoulement est non stationnaire, il faut réaliser les étapes suivantes dans le logiciel :

  • créer une rivière et un bief (bras de la rivière)
  • créer les sections transverses qui vont permettre de définir la forme de chaque bief composant la rivière. Pour cela, on indique : 
    • la distance entre chaque section transverse 
    • les coefficients de Manning, caractérisant le frottement à l'écoulement, en tout point du profil
    • les points délimitant le lit mineur du fleuve (espace délimité par les berges)
    • l'élévation de chaque point définissant ce profil​
  • définir les conditions limites (aval et amont) et la condition initiale pour chaque bief

Ce logiciel permet à la fois des études en régime permanent et en régime instationnaire.

Les calculs réalisés lors des simulations s'appuient sur les équations de Barré Saint Venant à une seule dimension. Ces dernières sont obtenues lorsque l'on réalise des simplifications dans les équations générales de Navier-Stokes, caractérisant les écoulements de fluides newtoniens dans l'approximation des milieux continus. Ces simplifications concernent les écoulements vérifiant les conditions suivantes :

  • une direction majoritaire
  • peu de profondeur
  • une pente faible
  • une pression considérée comme hydrostatique

Les équations de Barré Saint Venant 1D correspondent à la conservation de la masse (1) et du mouvement (2) :

 

$$\frac{\partial h}{\partial t}+\frac{\partial Uh}{\partial x}=0             (1) $$

 

$$\frac{\partial U}{\partial t}+U\frac{\partial U}{\partial x}+g'\frac{\partial h}{\partial x}=-gI-\frac{1}{\rho} \frac{\partial p}{\partial x}-\frac{1}{2}C_f \frac{U |U|}{h}                  (2) $$

 

avec :

  • h : la hauteur du fluide au cours de l'écoulement
  • t : le temps
  • U : la vitesse du fluide dans le sens de l'écoulement
  • x : coordonnée spatiale, la direction principale de l'écoulement
  • $g'=gsin\gamma$ avec $\gamma$, l'angle entre la direction horizontale et l'écoulement
  • I : la pente
  • $\rho$ : la masse volumique du fluide
  • p : la pression au sein du fluide
  • $C_f$ :le coefficient de Manning-Strickler, $C_f=\frac{2g \ n^2}{h^{1/3}}$ avec n : coefficient de Manning traduisant la résistance du support à l'écoulement

​Il est à noter que le logiciel HEC-RAS résout les équations en termes de débit et non en termes de vitesse ($Q=uLh$ avec L : largeur du lit mineur). Les résultats se présentent sous la forme suivante : l'évolution de la hauteur d'eau et du débit pendant la simulation au niveau de chaque section transverse, qui sert de maille lors de la résolution mathématique. En effet, ces équations sont résolues grâce à la méthode des différences finies qui consiste à approximer les dérivées partielles à l'aide du développement de Taylor. De plus, il a été associé à cette méthode un schéma implicite qui consiste à exprimer la variable à l'instant n en fonction de l'instant n+1. Ce schéma a l'avantage majeur d'être inconditionnellement stable.


Système ArcGIS

​Le système ArcGIS est un ensembe de logiciels de système d'information géographique (SIG) développé par la société américaine ESRI, Environmental Systems Research Institute, depuis 1969. Il permet la visualisation et la manipulation de cartes et d'images satellites. Pour notre étude nous avons utilisé la version 10.1. 

HEC-GeoRAS est une extension de ArcGIS développée pour permettre l'échange de données entre les deux logiciels ArcGIS et HEC-RAS. Nous l'avons utilisé afin de modéliser le cours du fleuve précisément. Puis nous avons exporté le résultat vers HEC-RAS afin de nous en servir comme base pour notre étude hydraulique.

 

 

Processus de modélisation

 

Reproduction du cours de la rivière

La première partie de cette modélisation a été de reproduire la rivière grâce au logiciel ArcGIS. Ce type d'opération se fait usuellement à partir d'un DEM (Digital Elevation Model), représentant la topographie du site afin de tracer les profils transverses de la rivière. Néanmoins, nous n'avons pu en trouver un suffisamment précis pour la ville de Buenos Aires (certainement dû au fait que la gamme de variation de la topographie sur la ville est très réduite). Aussi nous avons utilisé une image satellite SRTM de la ville de Buenos Aires où l'on peut distinguer aisément le lit de la rivière ainsi que les berges mais où les sections transverses ne possèdent pas les bonnes données topographiques. Ces dernières ont été modifiées ultérieurement, après exportation dans le logiciel HEC-RAS grâce à des données que l'on nous a fourni. 

Image satellite SRTM du Rio Matanza-Riachuelo au niveau de la ville de Buenos Aires

Image issue de la banque de données : http://catalogos.conae.gov.ar/urbanas/

 

Grâce à l'outil HEC-GeoRAS on dessine les éléments composant la rivière dans l'ordre suivant  :

  • la rivière en elle-même (on néglige les affluents) reliant l'amont et l'aval en passant par le centre de chaque section transverse
  • les deux berges (limitant le lit majeur)
  • les limites du lit mineur
  • les sections transverses

On associe tous les éléments entre eux pour modéliser la rivière et la géoréférencer dans le système de projection de la carte : WGS 84 (World Geodetic System), système géodésique standard mondial.

 

Il reste à attribuer la valeur des coefficients de Manning pour le lit de la rivière et les plaines inondables. Ce coefficient traduit la résistance du support à l'écoulement, soit sa rugosité. Il est donc fonction du type d'occupation du sol où s'écoule l'eau (zone urbaine, forêt..). La table des valeurs du coefficient de Manning a été déterminée empiriquement. On utilisera la classification établie par V.T Chow en 1959 dans son ouvrage Open-Channel Hydraulics (visualisable en cliquant ici) :

 

On crée alors, sous ArcGIS, une couche composée de polygones regroupant l'ensemble des plaines inondables autour de la rivière. On associe à toutes ces surfaces un coefficient de Manning de 0,05, ce qui correspond à l'ordre de grandeur pour une rivière dont le lit est peu profond, avec quelques méandres et possèdant des cailloux, bois et autres matériaux (macro-déchets). Il sera ajusté par la suite dans le logiciel HEC-RAS, on étudiera notamment l'influence de la création de digues naturelles (roseaux), proposées par le trinôme 2 (réhabilitation des berges), pour limiter l'invasion de l'eau lors des crues.

 

Modélisation de la rivière grâce à l'outil HEC-GeoRAS du logiciel ArcGIS - Cliquez pour avoir un zoom au niveau de la zone d'étude

 

Puis on exporte la modélisation  vers le logiciel HEC-RAS.

 

 

Reproduction complète de la rivière

Grâce au logiciel HEC-RAS on modifie les valeurs altimétriques des sections transverses, ainsi que les valeurs des coefficients de Manning afin d'être au plus proche de la réalité.

 

I. Ajustement des sections transverses

Suite à des échanges avec le Dr. Karina Quaini de Buenos Aires, nous possédons 5 profils transverses qui représentent 500 mètres de rivière à l'entrée de l'agglomération (cliquez ici pour voir un de ces profils). Nous avons donc décidé d'extrapoler ces profils afin de représenter la totalité de la rivière qui traverse la ville (soit 20 km environ). En outre, comme cela a déjà été notifié, nous n'avons pu trouver une carte topographique autour du fleuve suffisamment précise. Pour cette raison, les extrémités des sections seront considérées comme planes (au vu de notre échantillon de profil). Nous serons donc capables de déterminer la hauteur des inondations mais pas leur étendue sur plus de 200 m. Pour connaître l'étendue, il serait souhaitable de modéliser la rivière en 2D. Aussi nous avons fixé la pente entre les sections à 0,001%, cette faible valeur s'explique par la très faible variation de topographie à Buenos Aires.

Section transverse "type" de la rivière (hors canal) - Cliquez sur l'image pour zoomer

 

De plus, comme vu précédemment, une partie de la rivière a été rectifiée en canal rectiligne. Pour cette partie nous avons opté pour des sections régulières (canal rectangulaire).

Section transverse "type" de la rivière au niveau du canal - Cliquez sur l'image pour zoomer

 

 

II. Ajustement du coefficient de Manning

Il est nécessaire d'ajuster la valeur du coefficient de Manning selon l'endroit où l'on se place dans les profils transverses. En effet, la végétation est différente selon la distance par rapport au centre de la rivière, aussi le coefficient de rugosité évolue le long du profil. Aussi, on impose les valeurs suivantes :

  • On attribue au lit mineur le coefficient de 0,05 tout au long de la rivière puisque la rivière est considérée comme peu profonde, avec quelques méandres et possédant des objets (cailloux, bois, macro-déchets...)
  • Avant le site de regroupement des tanneries (cf la partie Trinôme 1 : Limitation de la pollution par le contrôle des effluents industriels), les plaines inondables sont constituées essentiellement d'herbes courtes. Aussi on impose un coefficient de Manning de 0,03 pour ces plaines.
  • Après le site de regroupement des tanneries, le trinôme 2 a choisi de créer une barrière végétale à la pollution à l'aide de jacynthes d'eau dans la rivière, de roseaux et de bambous sur les rives et d'arbres sur les berges. Ces éléments sont à prendre en compte dans l'évaluation du frottement sur ces zones. Aussi on impose un coefficient de Manning de :
    • 0,1 sur les berges pour traduire l'influence des arbres
    • 0,035 sur la partie haute des rives pour traduire l'influence des roseaux et des bambous

​Ces valeurs sont visualisables sur les profils ci-dessus.

 

On réalise ensuite une interpolation des sections tous les cent mètres, afin d'obtenir la meilleure représentation possible de la réalité lors de la simulation. En raison de son caractère 1D, dans les zones trop méandreuses, le logiciel ne peut interpoler correctement les sections, aussi un tri des sections interpolées est effectué dans ces zones pour ne pas dévier de la réalité.

On obtient alors la modélisation complète de la rivière (cf illustration ci-dessous). On va alors pouvoir débuter l'étude hydraulique.

Il est à noter que le numéro caractérisant chaque section représente la distance en mètres entre la dite section et l'aval (l'embouchure de la rivière).

Modélisation exportée sur le logiciel HEC-RAS

(Cliquez sur l'image pour voir la zone d'étude avec les sections interpolées en vert clair et les sections d'origine en vert foncé)

 

 

Etude hydraulique

 

A présent que la géométrie de la rivière a été établie, on peut débuter l'étude hydraulique de la rivière. On va étudier la réponse de la rivière dans deux situations extrêmes : 

  • une crue décennale
  • l'élévation du niveau d'eau dans la rivière suite à de forts vents du Sud Est : les "sudestadas"

​Pour une telle étude, nous allons de nouveau utiliser le logiciel HEC-RAS et la géométrie produite précédemment. Il s'agit en fait d'imposer différentes conditions initiales et aux limites selon le cas d'étude.

 

 

Etude d'une crue décennale

 

Dans cette partie, nous allons étudier l'influence d'une crue décennale sur la rivière. Une telle crue se définit par une période de retour de 10 ans. Aussi chaque année, la probabilité que le débit maximal soit atteint ou dépassée est de 1/10. 

 

Etablissement des conditions aux limites et de la condition initiale

D'après nos recherches, le pic de débit d'une telle crue est de 307 $m^3.s^{-1}$. De plus, on dispose de l'hydrogramme d'une crue centennale (période de retour 100 ans) pour le Rio Riachuelo. A partir de ces deux éléments (valeur maximale et durée de crue) on construit l'hydrogramme suivant qui sera la condition limite à l'amont :

 

Hydrogramme de la crue décennale (Condition à l'amont dans HEC-RAS) - Cliquez pour zoomer

 

A l'aval on impose une pente de 0,004, comme elle est citée dans la littérature.

Par ailleurs, on impose un débit initial égal à la valeur minimale de l'hydrogramme : $3 \ m^3.s^{-1}$. En effet, bien que le débit moyen de la rivière soit de $7 \ m^3.s^{-1}$ il est souvent inférieur à cette valeur et peut atteindre des valeurs extrêmes de $0,5 \ m^3.s^{-1}$, soit la quasi stagnation de l'eau dans la rivière. On choisit donc une valeur minimale moyenne entre ces deux valeurs.

 

Simulation

A présent que la géométrie et les conditions aux limites sont déterminées, on lance la simulation et on observe les résultats :

  • les plaines sont inondées pendant 22 heures
  • le pic d'inondation est atteint 7 h après le pic de crue
  • les terres sont inondées entre 0,4 m et 1 m au maximum de la crue de la section
  • l'inondation touche presque toute les plaines le long de la rivière, soit sur 17 km.

 

Ces résultats se retrouvent sur les illustrations suivantes :

  • l'hydrogramme en entrée et la période des inondations

Hydrogramme imposé à l'amont et période d'inondation - Cliquez pour zoomer

 

  • la vue complète de la rivière et des sections transverses où l'on distingue :
    • l'amont à la section 20550.79 (à droite sur la figure)
    • l'aval à la section 207.7907 (à gauche sur la figure)
    • en rouge : le lit mineur
    • en bleu : l'étendue de l'eau au plus fort de l'inondation soit de la section 205550.79 jusqu'à la section 3718.897.
    • L'inondation se propage à partir du milieu du fleuve (zone juste en amont du méandre le plus important), ce qui est directement en lien avec le problématique développée par la construction du canal dans la partie Le bassin versant Matanza-Riachuelo, sous l'axe "La rivière".

Résultat de la simulation au plus fort de l'inondation - Cliquez pour zoomer

  • le profil de la rivière sur 20 km avec :
    • en bleu foncé (trait fin) : l'élévation maximale de l'eau
    • en bleu foncé (trait épais) : l'élévation initiale de l'eau ($Q=3 m^3.s^{-1}$)
    • en pointillé vert : la hauteur de berges (gauche et droite superposées)

Profil de la ligne d'eau - Cliquez pour zoomer

 

On peut y noter que les berges ne sont immergées que pour une partie de la rivière (entre la section 17404.0 et la section 7100.835). Or, l'image précédente nous indiquait que les terres inondées s'étendaient sur une plus grande zone. Cette contradiction peut avoir deux explications :

  • les zones où l'eau "déborde" du lit mineur créent une inondation du lit majeur qui va se propager progressivement sur les zones annexes expliquant cette inondation "quasi-généralisée" (environ 17 km)
  • le logiciel 1D attribue une hauteur à toute la section, lorsque celle-ci se trouve supérieure à la topographie du lit majeur il y a inondation de ce dernier alors que le lit mineur ne déborde pas. Ces inondations ne sont donc pas représentatives de la réalité dans cette simulation. Il ne faut donc prendre en compte que l'inondation sur les 10 km où le niveau d'eau est supérieure aux berges. Néanmoins, le phénomène précédent est le reflet de la réalité, il y a toujours propagation vers les sections voisines de l'inondation du lit majeur, ne serait-ce que par gravité.

Dans les deux situations la population de notre zone d'étude est touchée par les inondations. En effet, les bidonvilles bordent la rivière de 15 km à 3 km de l'aval. Aussi, même dans le second cas, l'eau se propagera dans le lit majeur de la partie la plus en aval par gravité. La population visée est donc en contact avec une eau très fortement contaminée et ce pendant plusieurs heures. Aussi, il est nécessaire d'apporter une solution afin de réduire l'impact de ces crues.

 

Elévation du niveau d'eau suite au phénomène de "sudestadas"

Un des phénomènes causant les inondations dans les quartiers bas de Buenos Aires sont les "Sudestadas". Les sudestadas se produisent quand un noyau anticyclonique est situé approximativement dans la zone du Rio de la Plata (delta débouchant sur l'océan) de la province de Buenos Aires. Cet anticyclone est alors à l'origine de vents violents qui produisent eux mêmes une élévation conséquente de l'eau par frottement horizontal.

Les sudestadas peuvent se produire tout au long de l'année, mais elles apparaissent plus particulièrement entre le mois de mai et le mois de septembre (de l'automne au printemps dans l'hémisphère sud). Elle peuvent durer jusqu'à 140 heures mais elles se produisent généralement sur une durée de 1 à 3 jours.

Comme on peut le voir ici, la lettre A représente la haute pression (anticyclone) et la lettre B, la basse pression ("dépression" à l'origine d'intempéries). Pour l'anticyclone, la circulation d'air s'effectue dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et inversement pour la dépression (ceci n'est plus valable dans l'hémisphère Nord). Ces deux circulations génèrent donc un vent fort venant du sud-est (d'où le nom "sudestadas") comme l'indiquent les flèches rouges. Ce fort vent va générer un frottement à la surface de l'eau et provoquer une élévation du niveau de la mer se dirigeant vers la côte.

 

 

Etablissement des conditions aux limites et de la condition initiale

Selon les données récoltées, le niveau de la mer peut s'élever de 2,7 mètres (au moins deux fois par an) à 4,4 mètres dans le pire des cas. Nous avons choisi de modéliser une sudestada à forte élévation et de moyenne durée (2 jours), comme on peut le voir sur le graphique ci-dessous, représentant l'évolution de la hauteur d'eau à l'aval en fonction du temps (condition limite à l'aval). Ce choix a été fait dans l'objectif de protéger les populations lors des événements les plus extrêmes. Lors de la sudestada, nous imposons au Riachuelo son débit annuel moyen qui est de 7 m$^3$/s (qui sert de condition limite à l'amont). On donne comme condition initiale un débit de 7 m$^3$/s à l'amont.

Evolution de la hauteur d'eau au cours du temps servant à modéliser la sudestada à l'aval- Cliquez sur l'image pour zoomer

 

Simulation

 

Résultat de la simulation des sudestadas (à gauche l'aval du Riachuelo, correspondant au début de l'estuaire)

On observe que la sudestada provoque de sérieuses inondations sur une portion d'environ 5 km de la rivière à l'aval. L'eau s'étend sur plusieurs centaines de mètres transversalement à la rivière.

Vue de profil de l'élévation de l'eau dans la rivière - Axe horizontal : sections transverses sur 5km - Axe vertical : élévation en mètres - Cliquez sur l'image pour zoomer

Sur l'image ci-dessus, on peut observer :

  • l'élévation du sol ("ground") symbolisée par des carrés gris (sections interpolées) et noirs (sections d'origine)
  • l'élévation de l'eau (remplissage bleu)
  • La hauteur des berges le long des 5 km de rivière tracés (rouge)

A l'embouchure, on a une surélévation de la rivière de près de 80 centimètres, qui tend à s'atténuer en remontant vers l'amont. Même si l'inondation semble s'arrêter aux alentours du deuxième kilomètre (là ou la ligne d'eau croise la ligne représentant la hauteur des berges, cf vue de profil ci-dessus), on note encore la présence d'eau sur le lit majeur (plaines inondables) sur encore trois kilomètres (cf résultat de la simulation).

On peut facilement expliquer ce phénomène. En effet, HEC-RAS est un modèle 1D, donc la hauteur d'eau ("vague") que nous lui imposons à l'aval (stage hydrograph) est effective sur toute la section transverse de la rivière. Aussi deux solutions sont possibles :

  • la vague initiale est donc poussée vers l'amont et crée un débordement sur toutes les parties de la rivière. On peut donc identifier deux vagues différentes : celle du lit mineur et celle du lit majeur. Le lit majeur continue à être inondé par cette "vague" sur les 5 kilomètres car le niveau d'eau est supérieur au niveau topographique du lit, même si le niveau du fleuve est inférieur au niveau des berges. Les inondations sur le lit mineur à partir du kilomètre 2 ne viennent pas d'un débordement mais bien de la propagation de l'inondation produite à l'aval sur le lit majeur (illustration ci-dessous)

Profil transverse se situant après la zone de débordement - Observation de la présence d'eau sur le lit majeur alors que le lit mineur ne déborde pas - Cliquez sur l'image pour zoomer.

 

 

Solutions aux inondations

 

Dans cette partie, nous allons tenter de proposer des solutions aux événements étudiés dans la partie précédente :

  • une crue décennale
  • les "sudestadas"

Nous nous placerons dans le cadre où les inondations ne sont provoquées que par débordement du niveau d'eau au dessus des berges. Aussi nous nous baserons sur les profils de la rivière pour dimensionner nos aménagements.

 

Protection contre la crue décennale - Création de Bassin de rétention

 

Protection contre la crue décennale - Création de Bassin de rétention

 

Comme cela a été montré dans la partie précédente, la crue décennale engendre une inondation sur près de 17 km le long de la rivière et sur au moins 200 m de large. Il est donc important d'imaginer des aménagements susceptibles de réduire voire de stopper ces inondations. Plusieurs solutions sont envisageables dans un tel cas : sur-élévation des berges, création de digues, création d'un réseau de drainage... Mais la plus commune et la moins coûteuse reste la création de bassins de rétention afin d'accueillir le volume excédent d'eau. Nous allons donc  envisager cette solution pour notre problème. 

L'étude débute par l'estimation du volume excédentaire. Pour ce faire, il faut dimensionner un seuil latéral  évacuateur de crue (ou déversoir) sous HEC-RAS susceptible d'évacuer cet excédent : le volume d'eau évacué doit permettre de stopper les inondations mais ne doit pas être trop important pour ne pas assécher la rivière.

La modélisation d'un déversoir latéral sous HEC-RAS se déroule dans l'éditeur géométrique. On crée une structure latérale dite "out of the system", ce qui signifie que l'eau qui s'écoulera par cet aménagement sera évacuée hors de notre système : la rivière. Cette structure est placée à l'amont de la rivière (section 20067.88), pour contrôler le débit tout au long de la rivière. De plus, faute d'espace disponible dans la ville de Buenos Aires, les bassins seront implantés par la suite en amont de la rivière, il était donc judicieux de placer le seuil à cet endroit là. Puis on crée le seuil en indiquant :

  • sa forme géométrique
  • ses dimensions 
  • le coefficient de seuil
  • la distance par rapport à la section de référence où l'aménagement débute

Le coefficient de seuil est nécessaire dans l'établissement du calcul du volume évacué. En effet, l'équation de l'écoulement au niveau du seuil/déversoir utilisée par HEC/RAS (avec les unités anglo-saxones) est :

$$Q=CLH^{3/2}$$

avec

  • Q : le débit au niveau du déversoir
  • C : le coefficient du seuil (fonction de la géométrie du seuil). Pour l'étude, il a été fixé à 2,6, ce qui correspond à l'ordre de grandeur pour un tel seuil d'après l'ouvrage Handbook of Hydraulics (cf Bibliographie). Néanmoins, l'objectif étant de déterminer le volume excédentaire, la modification de sa valeur engendre seulement une modification de la géométrie du seuil : on converge toujours vers le même volume minimal à extraire.
  • L : la largeur de la crête du seuil
  • H : l'énergie à l'amont du seuil

En définitif, le seuil/déversoir capable d'évacuer seulement l'excédent d'eau générant des inondations possède les spécifications suivantes :

  • il est de type "broad crested" (rectangulaire)
  • il fait 50 m de long (direction parallèle à l'écoulement), 10 m de large (direction perpendiculaire à l'écoulement)
  • son "ouverture" fait 7 m de long, 1 m de haut et ne permet qu'à l'eau de niveau supérieur à 4 m de s'évacuer de la rivière (les berges étant à 5,4 m de haut).

Modélisation du seuil sous HEC-RAS  au niveau de la section 20067.55 - Cliquez pour zoomer

 

Le déversoir se remplit alors selon l'hydrographe ci-dessous, avec :

  • en bleu : le débit à l'amont
  • en rose : le débit à l'aval
  • en rouge : le débit à travers le déversoir

Hydrographe représentant l'évacuation de l'excédent d'eau par le déversoir - Cliquez pour zoomer

On obtient alors en intégrant l'aire sous la courbe, le volume évacué par le déversoir, soit $3.10^6 \ m^3$. Ce volume considérable correspond au volume d'eau minimale à évacuer lors d'une crue décennale. Il permet d'éviter tout débordement de l'eau au dessus du niveau des berges (cf profil de la rivière ci-dessous)

Profil de la rivière au plus fort de la crue en présence du seuil (en noir) - Cliquez sur l'image pour zoomer

 

A présent que le volume à évacuer a été identifié, il reste à représenter les bassins de rétention. Bien que théoriquement ce soit possible sur le logiciel HEC-RAS, le logiciel semble présenter une anomalie puisque la simulation en présence de bassins de rétention ne fonctionne pas en régime non permanent malgré l'aide apportée par deux enseignants de l'ENSEEIHT. Aussi, les bassins ont directement été représentés sur une carte après dimensionnement : au vu du grand volume d'eau à évacuer, nous avons choisi de diviser le volume à déverser en deux bassins de 50 hectares chacun ($1ha=10 000 m^2$) et de 3 m de profondeur. L'emplacement a été choisi pour réduire au maximum les gênes pour la population et l'urbanisation : les bassins sont placés en amont de la ville de Buenos Aires (à 4km en amont de la section où a été modélisé le seuil), sur une forêt.

La création de ces bassins présente non seulement l'avantage de stopper les inondations sur l'ensemble de la rivière à l'aval, mais ils peuvent aussi être utilisés dans un cadre touristique puisque en amont de Buenos Aires, l'eau est relativement propre et les bassins peuvent servir de base de loisir.

 

 

Lors de l'établissement du cahier des charges de binômes, une deuxième solution pour éviter les inondations avait été envisagée : la création d'un réseau de drainage. Or, au vu du volume excédentaire très important, une telle solution n'est en fait pas possible, le débit à évacuer est trop important. La création d'un réseau de drainage ne peut donc qu'être une mesure d'appoint : limitation de crue annuelle ou en appoint des bassins de rétention.

 

 

Proposition de solutions pour lutter contre les sudestadas

 

Proposition de solutions pour lutter contre les sudestadas

 

Les sudestadas sont un phénomène local, nous n'avons donc pas pu trouver de solutions dans la bibliographie. Cependant, les sudestadas peuvent être associées à des ondes de tempêtes, et il existe certaines solutions pour ces dernières. Dans certains pays, des murs côtiers ont été érigés pour contenir ces ondes de tempête. Les Pays-Bas ont mis en place un "plan Delta" de protection après les inondations causées par la mer du Nord en 1953. Par exemple, ils ont construit des barrages et des digues, comme le Oosterscheldekering et le Maeslantkering.

 

Le Oosterscheldekering est le plus important des ouvrages du plan Delta, et mesure 9 km de long. Ce barrage comprend de grandes glissières qui peuvent être abaissées en cas de fortes tempêtes, éventuellement combinées à une marée d'équinoxe, pour que la marée haute ne puisse franchir les digues. Il a été mis en service le 4 octobre 1986, et a coûté aux Pays-Bas la somme de 2 500 000 000 €, et a été utilisé seulement deux fois.

 

Oosterscheldekering -http://http://www.bus-idee.nl/InfopaginaBurghHaamstedeWaterlandNeeltjeJans.htm

 

 

 

 

Le Maeslantkering est le plus récent mais aussi le dernier ouvrage du Plan Delta des Pays-Bas. Le barrage est composé de deux portes mobiles, se refermant automatiquement lorsque le niveau de l'eau dépasse 3 mètres. Il a été mis en place en juin 1997 et a servi une seule fois en 2007. Son coût s'élève à 360 millions d'euros.

 

 

Maeslantkering - https://beeldbank.rws.nl/

 

Pour notre étude, il est impossible d'envisager l'une de ces solutions, au vu du coût qu'elles représentent. Cependant, la fréquence des sudestadas étant relativement élevée (au moins deux fois par an), un tel ouvrage serait un investissement certes conséquent mais nécessaire. Il serait aussi possible de :

  • Surélever les structures portuaires, les ouvrages au large, et les habitations sur 2 km de rivière
  • Déplacer les populations temporairement le temps de la construction d'immeubles appartements de façon à ce que les plus bas étages puissent être inondés sans trop de dommages

Mais ces deux possibilités représentent des coûts tout aussi importants et engendrent un déplacement temporaire des populations.

Pour limiter l'importance des impacts des sudestadas, quelques solutions sont envisageables à plus petite échelle :

  • Afin de réduire l'érosion et de fournir un habitat à la faune, ajouter de la végétation dans la zone côtière pour absorber l'énergie des vagues
  • Prévoir de l'espace de chaque coté de la rivière pour que celle-ci puisse déborder, avec des zones tampons d'herbe, d'arbres ou d'arbustes. Cela permettrait également l'installation de ripisylves sur ces zones pour accumuler la pollution de l'eau et ainsi "profiter" des sudestadas pour dépolluer la rivière et les berges.

Néanmoins, l'installation de potentielles zones tampons reste dans le domaine de l'impossible tant que l'extension urbaine de la ville de Buenos Aires n'est pas contrôlée (trop forte concentration de populations précaires autour du fleuve).