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Environnement

Un outil de prévision des inondations plus performant

Dr. Christophe Josserand

En décembre 2015, une partie du Royaume-Uni a découvert la puissance des crues soudaines. La région de Carlisle a été particulièrement frappée : routes recouvertes par deux mètre d’eau, conducteurs et passagers piégés dans leurs voitures submergées et dégâts importants des infrastructures, tandis que les coupures de courant rendaient les interventions d’urgence beaucoup plus difficiles. Dans ce cas précis, les évaluations des risques de crues soudaines n’avaient pas identifié un risque significatif. Le Dr Madeleine-Sophie Déroche et le Dr Florent Lobligeois, analystes de risques chez AXA, se sont demandé s’il était possible de créer un type de modèle différent, capable de prévoir plus précisément l’impact des crues soudaines et qui pourrait être utilisé par les compagnies d’assurance.

La possibilité d’explorer le sujet s’est offerte à eux - via un projet de recherche commun (ou JRI pour Joint Research Initiative), un programme du Fonds AXA pour la Recherche visant à encourager la collaboration entre une équipe de chercheurs universitaires et une équipe d’experts AXA, et à répondre ensemble à des questions de recherche. Placé sous la direction du Dr Christophe Josserand de l’Université Pierre et Marie Curie (UPMC), le projet « Modélisation du risque d’inondation » avait pour objectif le développement d’une nouvelle technologie hautement performante qui pourrait un jour prévoir les inondations et aider à s’y préparer.

Les modèles de risques d’inondation disponibles, actuellement et utilisés par les compagnies d’assurance ou de réassurance, ont l’avantage d’être rapides, mais, dans certains contextes, leur approche statistique n’est pas forcément la plus appropriée. Là où ils excellent, et ce qui est utile pour le secteur des assurances, est qu’ils produisent des statistiques de risques basées sur la modélisation de milliers d’événements qui représentent toutes sortes de phénomènes potentiels liés aux inondations pour un lieu donné. En revanche, ils ne peuvent pas simuler d’événements réels et sont incapables de proposer des simulations de prévision d’inondations qui nous laissent sous-équipés pour nous préparer à de graves inondations. Une des raisons de cette insuffisance tient aux multiples facteurs que ces modèles sont incapables de saisir — par exemple, s’il y a de la vase dans la rivière étudiée. Le défi est énorme en termes d’analyse des risques, parce que la présence de vase peut modifier complètement l’écoulement d’une rivière ou les conséquences d’une inondation sur les maisons touchées.

Retour aux fondamentaux avec des techniques avancées

Grâce à leur expertise en mécanique des fluides, les membres du groupe de recherche de Christophe Josserand espéraient créer des modèles d’inondation plus complets en remettant en question la physique fondamentale de la mécanique des fluides. Le domaine s’en était éloigné, en raison du défi posé par les calculs nécessaires, notamment pour passer d’un système que vous pouvez décrire en détail au niveau microscopique, à la description du débit complet d’une rivière. « Par le passé, ces calculs étaient impossibles », explique le Dr. Josserand, « et, en fin de compte, ce qui importe le plus aux hydrologues c’est la hauteur du niveau supérieur de la rivière. Le débit [ou la vitesse du flux par unité de surface] dépend de ce facteur ou peut en être déduit. » Ainsi, les modélisateurs d’inondation pouvaient se satisfaire de cette information. Les temps ont changé et les besoins de prévision des crues comme les méthodes de calcul ont progressé. « AXA nous demande de résoudre l’équation pour l’ensemble du Bassin parisien. Les anciennes méthodes ne suffisent pas. » Les chercheurs ont donc adapté leur modèle existant en y intégrant des méthodes de calcul numérique avancées afin de produire un outil capable de prendre en compte plus de paramètres que jamais auparavant. La vase des rivières n’est qu’un exemple. La pluviométrie et l’infiltration dans les sols jouent également un rôle. Les chercheurs ont également ajouté à leur modèle une base de données très précise regroupant des informations sur les sols et les dispositifs anti-inondation (murs longeant les rivières, digues, etc.), par opposition aux approches actuelles qui ne peuvent que formuler des hypothèses à ce sujet.

La capacité à modéliser un comportement dynamique convient parfaitement aux crues soudaines, un phénomène que les modèles actuels ont beaucoup de difficultés à traiter. L’équipe JRI a testé sa méthode sur des cas réels, comme les inondations en 2016 de la région de Carlisle en Grande-Bretagne. Leurs résultats ont montré que, avec des informations sur les conditions météorologiques et l’état hydraulique des voies navigables, le modèle du Dr Josserand aurait réussi à prédire les risques encourus. Les tests réalisés à la suite d’une crue soudaine à Cannes (France) ont démontré que, bien que lente par rapport aux modèles statistiques, la solution de l’équipe de Christophe Josserand a permis d’obtenir des résultats très précis. Pour Florent Lobligeois d’AXA, cela représente une grande amélioration pour l’activité et un bon compromis entre leurs besoins opérationnels et la complexité du modèle.

En fin de compte, le nouveau modèle AXA JRI est un outil authentiquement novateur qui complète les modèles existants de prévision des crues. Il est en mesure de modéliser l’historique des inondations — un aspect important pour les assureurs autant que pour les citoyens, dans la mesure où l’impact aujourd’hui de ces inondations serait beaucoup plus dramatique — et de définir les scénarios catastrophe des futures inondations.

L’avenir de la modélisation des inondations réside dans la physique

Les experts d’AXA en catastrophes naturelles Déroche et Lobligeois prévoient que ce puissant outil sera très répandu dans leur secteur d’ici cinq ans. Les modèles du marché dans le domaine de l’évaluation des risques de catastrophes naturelles s’orientent vers de telles méthodes basées sur la physique, ce qui est déjà le cas pour la modélisation des vents. Avec ces résultats, le projet JRI est bien positionné pour prouver qu’un retour à des modèles d’inondation fortement basés sur la dynamique des fluides est réalisable, et susceptible de procurer des avantages sur le terrain. La description de systèmes complexes avec des calculs détaillés est maintenant possible à l’aide de méthodes numériques, atteignant l’objectif de « démêler [les solutions empiriques d’aujourd’hui] d’une approche théorique plus fondamentale », explique Josserand.

Les chercheurs aident à diffuser ce message en publiant des prétirés de leurs publications sur le serveur à libre accès arXiv.org et en autorisant l’utilisation gratuite du code de leur modèle. Le partage de leur code avec la communauté garantit aussi sa qualité, car ceux qui l’utilisent peuvent soumettre des corrections. Des vidéos de leurs simulations d’inondation sont disponibles sur YouTube, et un membre de l’équipe JRI, le Dr. Geoffroy Kirstetter, a été invité à créer un cours sur les nouvelles méthodes de modélisation numériques des risques d’inondation au sein de l’école d’ingénieurs de l’Université de Nice–Sophia Antipolis.

Récemment, l’équipe universitaire a organisé une conférence qui a rencontré un vif succès en rapprochant différentes disciplines travaillant sur des sujets liés à un thème unique — les inondations — mais qui ne collaborent généralement pas ensemble : physiciens, mathématiciens, hydrologues… ainsi que des membres de l’industrie. Certains de ces experts étaient d’autres boursiers AXA, actuels ou anciens, travaillant sur des thèmes connexes aux inondations, liés à la communauté de l’équipe JRI par le Fonds AXA pour la Recherche.

Pour résumer l’expérience, Christophe Josserand rapporte que son équipe a accompli une tâche qu’elle n’aurait pas entreprise sans le partenariat d’AXA, et que cette collaboration l’a aidé à identifier les véritables besoins des utilisateurs de leurs modèles. « Je dois remercier AXA », avoue-t-il. « C’était un peu risqué de nous laisser faire, étant donné que nous ne sommes pas hydrologues, mais nous avons pu remonter à l’origine de ces modèles et les reconstruire depuis le début. » Du point de vue de la compagnie, les nombreuses discussions avec l’équipe de recherche ont permis aux participants JRI d’avoir un impact sur la conception du projet, en ciblant parfaitement les besoins pratiques d’un modèle rapide, à haute résolution et pertinent. L’expérience a parfois été révélatrice : « Lorsque vous travaillez dans un environnement opérationnel, vous ne pensez pas avoir besoin de la recherche – c’est une activité à trop long terme », explique le Dr Lobligeois d’AXA. Le JRI a permis aux deux parties de rechercher et de définir des solutions capables d’atteindre le juste équilibre.