La cartographie des zones d'inondation est une pratique fondamentale pour comprendre les risques d'inondation et orienter la planification de l'utilisation des terres, la conception des infrastructures et les interventions d'urgence.Les cartes précises des inondations ne sont pas des produits statiques; elles évoluent à mesure que de nouvelles sources de données, des techniques de modélisation et des apports communautaires deviennent disponibles.Les méthodes utilisées vont de la télédétection par satellite à des levés granulaires, chacune apportant une couche critique d'information.

Télédétection par satellite dans la cartographie des zones inondables

L'imagerie satellitaire offre une vue synoptique des grandes zones géographiques, ce qui en fait un élément indispensable pour les évaluations initiales, la surveillance à long terme et l'évaluation des dommages après l'événement.

Imagerie optique et multispectrale

Des satellites optiques comme Landsat (NASA/USGS) et Sentinel-2 (Agence spatiale européenne) capturent des bandes visibles et quasi infrarouges (NIR). L'eau absorbe la plupart des radiations NIR, de sorte que ces bandes sont un instrument pour délimiter les plans d'eau ouverts.

Cependant, les capteurs optiques ont des limites, en particulier l'interférence de la couverture nuageuse, qui accompagne souvent les inondations et peut masquer les vues des satellites.

De plus, les données multispectrales permettent une classification détaillée de la couverture terrestre, permettant de distinguer les plaines inondables des hautes terres et d'identifier les biens vulnérables tels que les zones résidentielles, les champs agricoles et les infrastructures essentielles.

Radar d'ouverture synthétique (SAR)

Les capteurs radar d'ouverture synthétique (SAR), trouvés sur des satellites tels que Sentinel-1, RADARSAT-2 et TerraSAR-X, fonctionnent en transmettant des impulsions micro-ondes et en mesurant la rétrodiffusion réfléchie depuis la surface de la Terre. Contrairement aux capteurs optiques, SAR peut pénétrer les nuages, la pluie et l'obscurité, ce qui en fait le système privilégié pour la surveillance active des inondations pendant les tempêtes et les conditions de couverture.

Les zones inondées produisent habituellement une signature de rétrodiffusion (dark) parce que les surfaces d'eau calmes agissent comme réflecteurs spéculaires, dirigeant l'impulsion radar loin du capteur. Les images d'intensité SAR peuvent être traitées au moyen de méthodes telles que le seuil, la détection de changement ou les classificateurs d'apprentissage machine pour délimiter l'étendue des inondations en temps quasi réel.

Les techniques avancées de R-S améliorent la précision de la cartographie des inondations. La R-S polarithmique (R-SAR) distingue la végétation inondée de l'eau libre en analysant les états de polarisation des signaux retournés, ce qui est utile dans des milieux complexes de plaines inondables.

Des initiatives internationales comme le Service de gestion des urgences (SME) de Copernicus utilisent régulièrement les données SAR de Sentinel-1 pour fournir des délimitations rapides des inondations pendant les crises, en soutenant les agences de gestion des catastrophes en Europe et au-delà.

Intégration des données aux systèmes d'information géographique (SIG)

Les zones inondables de source satellitaire sont rarement utilisées isolément, mais elles sont intégrées à d'autres ensembles de données spatiales au sein des systèmes d'information géographique (SIG) pour fournir des évaluations exhaustives des risques d'inondation, notamment des données topographiques telles que les modèles numériques d'élévation (DEM), les cartes d'utilisation des terres, les grilles de répartition de la population et les ensembles de données sur les infrastructures essentielles.

Cette intégration permet aux analystes de quantifier la zone inondée, d'estimer le nombre de personnes et d'actifs touchés et de cerner les vulnérabilités dans les services essentiels tels que les hôpitaux, les écoles et les réseaux de transport. Elle appuie également la création de cartes des risques d'inondation qui illustrent les probabilités d'inondation pour différentes périodes de retour, comme les inondations de 100 ans, qui éclairent les cadres réglementaires et les polices d'assurance.

Les plateformes SIG open-source comme QGIS et les logiciels commerciaux comme ArcGIS sont largement utilisés, permettant des analyses spatiales sophistiquées, la modélisation de scénarios et la production de cartes qui peuvent être adaptées à différents intervenants.

Modélisation hydraulique et hydrologique

Bien que les données satellitaires fournissent des aperçus précieux des inondations, les modèles prédictifs sont essentiels pour prévoir l'occurrence, l'étendue et la profondeur des inondations dans des conditions hydrologiques et de précipitations variables.

Modèles hydrologiques : Transformation pluviométrique-runoff

Les modèles hydrologiques simulent la façon dont les précipitations se traduisent en ruissellement de surface en tenant compte de processus tels que l'infiltration, l'évapotranspiration, la dynamique de l'humidité du sol et le cheminement du débit dans un bassin hydrographique.

Ces modèles exigent des données détaillées sur l'intensité et la durée des précipitations, l'utilisation des terres et les types de sol, ainsi que sur les conditions d'humidité antérieures, et produisent des hydrographies représentant les débits à des points clés du réseau fluvial, qui servent de conditions limites pour la modélisation hydraulique subséquente.

Les résultats hydrologiques aident à définir les inondations de conception, comme la probabilité de dépassement annuel de 1 % (PVE), utilisée dans la cartographie réglementaire des plaines inondables et la conception des infrastructures pour assurer la résilience contre les événements extrêmes.

Modèles hydrauliques : Dynamique du débit dans les canaux et les plaines inondables

Les modèles hydrauliques prennent des hydrographies générées par des modèles hydrologiques ou des données observées et simulent le débit d'eau à travers les canaux fluviaux et les plaines inondables. Le modèle hydraulique unidimensionnel (1D) le plus utilisé est HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center), qui calcule les profils de surface d'eau le long de la rivière à l'aide des équations de Saint-Venant ou des hypothèses de débit stable.

Les modèles hydrauliques bidimensionnels (2D), tels que TUFLOW, MIKE FLOOD et HEC-RAS 2D, résolvent les équations d'eau peu profonde à travers une grille ou un maillage, fournissant des cartes spatiales détaillées et explicites de l'étendue, de la profondeur et de la vitesse d'inondation.

Les approches de modélisation 1D/2D combinées sont de plus en plus courantes, les modèles 1D simulant le débit dans les canaux fluviaux et les modèles 2D représentant le débit de surface en plaine inondable et en zone urbaine.

Exigences relatives aux données d'entrée pour la modélisation des inondations

  • Modèle d'élévation numérique haute résolution (DEM): Les DEM dérivés de LiDAR avec une résolution spatiale de 1 à 5 mètres sont préférés pour la capture de détails topographiques fins dans les zones urbaines et les plaines inondables.
  • Les coefficients de rugosité de Manning, représentant la résistance au débit de surface, sont attribués en fonction des types de couverture tels que la forêt, les prairies, les chaussées ou l'agriculture.
  • Géométrie de rivière:[ Les profils de section transversale pour les modèles 1D ou les couches de bathymétrie détaillées des canaux pour les modèles 2D sont essentiels pour simuler avec précision l'hydraulique des rivières.
  • Les données hydrologiques et météorologiques:[ Les enregistrements des précipitations, les données sur les jauges de débit, les cartes du sol et les taux d'évapotranspiration fournissent des données pour l'étalonnage des modèles hydrologiques et la simulation des scénarios.
  • Données de calibration et de validation :[ Les niveaux d'inondation historiques provenant de l'imagerie satellitaire, des relevés de marques en eau élevée et des relevés de jauge sont essentiels pour l'accordage des paramètres du modèle et la validation des extrants afin d'assurer la fiabilité.

L'incertitude est inhérente à la modélisation des inondations, en particulier en raison des inexactitudes dans la mesure des précipitations, des erreurs de DEM et de l'estimation des paramètres.

Enquêtes locales et techniques de vérité au sol

Malgré les progrès de la télédétection et de la modélisation, les données de la vérité terrestre demeurent indispensables pour valider les cartes des inondations et affiner les données des modèles.

LIDAR et levés topographiques au sol

Le balayage LiDAR aéroporté est considéré comme la norme aurifère pour la production de DEM à haute résolution, offrant une précision d'élévation de l'ordre de 15 à 30 centimètres et la capacité de pénétrer la végétation dans des conditions de feuilles. Les DEM à terre nue en résultant sont essentiels pour la modélisation hydraulique, car même de petites erreurs d'altitude peuvent entraîner des écarts importants dans les prévisions d'étendue des inondations, en particulier dans les milieux plats de la plaine inondable.

Des enquêtes complémentaires au sol utilisant des instruments GPS ou des instruments de station complets en temps réel (RTK) sont effectuées pour recueillir des points de contrôle et vérifier la qualité des données LiDAR. Ces points de contrôle servent de repères pour la précision de l'altitude et aident à réduire les erreurs dans le DEM.

Déplacement des marques d'inondation et des lignes de débris

Après les inondations, les équipes d'arpentage documentent les marques en eau élevée évidentes sur les structures, les ponts, les arbres ou d'autres caractéristiques du paysage.Ces marques, souvent visibles sous forme de lignes de boue, d'accumulation de débris ou de lignes de semences, indiquent le stade maximal d'inondation atteint.

Ces points de données sont précieux pour l'étalonnage des modèles hydrauliques, la validation des zones inondables de source satellitaire et la reconstruction des hydrographies des inondations.

Relevés bathymétriques des canaux fluviaux

La bathymétrie précise du canal fluvial est essentielle à la modélisation hydraulique, en particulier dans les rivières à profondeur variable ou à morphologies complexes. Les méthodes traditionnelles impliquent des bateaux équipés de sonar qui mesurent la profondeur d'eau en continu le long des transects de rivière.

Les technologies émergentes comprennent la liDAR bathymétrique montée par drone et la bathymétrie par satellite dans les plans d'eau clairs, ce qui accroît la faisabilité de capturer la géométrie détaillée des canaux dans les zones inaccessibles.

Collecte de données communautaires et dossiers historiques

Les connaissances locales complètent de façon essentielle les données techniques, fournissant souvent des renseignements sur les événements d'inondation précédant les enregistrements satellitaires et identifiant des schémas de drainage subtils ou des points chauds récurrents d'inondation.

Les initiatives de science citoyenne ont élargi la portée de la collecte de données en formant des bénévoles à soumettre des observations d'inondation par l'intermédiaire d'applications de smartphones et de plateformes Web.

Les documents historiques provenant des journaux, des archives municipales et des demandes d'indemnisation pour les inondations offrent une perspective à long terme de la fréquence et de la gravité des inondations, ce qui permet d'allonger la durée effective des données hydrologiques, ce qui améliore la fiabilité des estimations des intervalles de récurrence, qui sont souvent basées sur des relevés relativement courts de 50 à 100 ans.

Cadres réglementaires et normes de cartographie des inondations

Les cartes des zones d'inondation servent d'outils réglementaires essentiels, qui sous-tendent les décisions relatives au zonage de l'utilisation des terres, les codes du bâtiment, les taux d'assurance contre les inondations et la préparation aux catastrophes.

Cartes des taux d'assurance contre les inondations de la FEMA

Aux États-Unis, la Federal Emergency Management Agency (FEMA) produit des cartes des taux d'assurance contre les inondations (FIRM) qui délimitent les zones spéciales de risque d'inondation (SFHA), qui décrivent généralement la zone d'inondation de 1 % par année, aussi connue sous le nom de zone d'élévation de la base des inondations (BFE), qui constitue la norme réglementaire pour la gestion des plaines inondables et les exigences en matière d'assurance.

Le ]FEMA Map Service Center permet au public d'accéder à ces cartes. Cependant, de nombreuses FIRM sont dépassées, certaines d'entre elles étant basées sur des données et des modèles datant de plusieurs décennies, ce qui mène à des initiatives de modernisation continue visant à intégrer des données récentes, des techniques de modélisation améliorées et des considérations liées au changement climatique.

Directive de l'Union européenne sur les inondations

La directive de l'Union européenne sur les inondations (2007/60/CE) exige des États membres qu'ils évaluent les risques d'inondation de toutes les sources — y compris les rivières, les eaux côtières, les eaux de surface et les eaux souterraines — et qu'ils produisent des cartes des risques d'inondation et des risques.

La directive a stimulé la coopération transnationale et le développement d'initiatives paneuropéennes de cartographie des inondations telles que le Système européen de sensibilisation aux inondations (EFAS) et le Service de gestion des urgences de Copernicus, qui utilisent les données satellitaires et la modélisation pour fournir des alertes précoces et des évaluations des risques au-delà des frontières.

Autres programmes nationaux de cartographie des inondations

De nombreux pays ont mis au point leurs propres programmes de cartographie des inondations adaptés aux conditions locales. Par exemple, le Japon utilise un réseau avancé de capteurs et de modélisation en temps réel pour appuyer la prévision des inondations et les interventions d'urgence.

Les sources de données autorisées telles que USGS StreamStats et [Geoscience Australia fournissent des outils accessibles pour la cartographie et l'analyse des inondations, soutenant les planificateurs, les ingénieurs et les gestionnaires d'urgence dans le monde entier.

Défis et orientations futures dans la cartographie des zones d'inondation

Malgré les progrès importants réalisés dans l'acquisition de données, la modélisation et l'engagement communautaire, la cartographie des zones inondables continue de faire face à de multiples défis qui influent sur son efficacité et sa fiabilité.

  • Faire une étude de la qualité des données : De nombreuses régions, en particulier dans les pays en développement, manquent de données topographiques à haute résolution, de dossiers hydrologiques complets et d'informations à jour sur l'utilisation des terres.
  • Le changement climatique et la non-stationnarité:[ L'évolution des précipitations, l'élévation du niveau de la mer et l'augmentation de l'intensité des tempêtes créent des incertitudes qui empêchent les analyses de fréquence des crues stationnaires traditionnelles de saisir, ce qui nécessite des cadres de modélisation dynamiques.
  • L'urbanisation et le changement d'affectation des terres :[ Le développement rapide modifie le drainage naturel, augmente les surfaces imperméables et modifie la connectivité des plaines inondables, complique l'évaluation des risques d'inondation et exige des mises à jour fréquentes de la carte.
  • L'intégration de diverses sources de données: L'harmonisation des données satellitaires, des relevés au sol, des intrants hydrologiques et des observations communautaires exige des techniques de fusion des données sophistiquées et une collaboration interdisciplinaire.
  • Communication et accessibilité: Faire en sorte que les cartes des inondations soient compréhensibles, accessibles et accessibles pour divers publics, des décideurs aux résidents, est un défi permanent, en particulier dans les collectivités mal desservies.

Les progrès réalisés dans les constellations satellitaires fournissant des données de résolution spatiale et temporelle plus élevées, les algorithmes d'apprentissage automatique pour améliorer la classification des inondations et les plates-formes SIG basées sur le cloud permettant des mises à jour en temps réel des cartes transforment le domaine.

En outre, l'intégration des données provenant de sources crowdsource et la cartographie participative favorisent l'engagement et la résilience de la collectivité.