Numerical modeling of dry and water-laden gravitational flows for quantitative hazard assessment
Modélisation numérique des écoulements gravitaires secs et hydrogravitaires pour la quantification des aléas associés
Résumé
In this work, we assess the possibility to use empirical thin-layer models to enhance propagation hazard estimation for gravitational flows. Thin-layer equations model the propagation of a flow on a topography and give its thickness, and its depth-averaged velocity. We test the SHALTOP numerical model with an empirical rheology described only one or two parameters, in order to facilitate its operational use. This approach is thus easier to use and computationally cheaper than models simulating the dynamics of each solid or fluid particle, and allows to model the dynamics and the geometry of the flows more finely than purely empirical models.Three research issues are considered in this work. We first highlight the importance of a detailed description of the topography curvature, even with simple rheological laws. Topography curvature can indeed have a significant influence on the dynamics of rapid gravitational flows. It should thus be properly taken into account to calibrate correctly the models and estimate more precisely overflow hazards.Then, we test the feasibility of using SHALTOP for propagation hazard quantification in two case studies. We first consider debris avalanches on the Soufrière de Guadeloupe volcano (Guadeloupe, Lesser Antilles), and then the combination of rock avalanches and subsequent debris flows in the Prêcheur river (Martinique, Lesser Antilles). In both cases, we use a wide variety of data (topographic, geophysical, geological, geomorphological, seismic, ...) to constrain simulation scenarios, calibrate the model and study potential future events.Finally, we propose a methodology to estimate, thanks to numerical simulations, landslide travel distance as a function of destabilized volume. The resulting power law is site-specific. It is derived through a statistical analysis of a site-specific simulation database, with various volumes and rheological parameters. Through three case studies, we show that such a power law is associated to smaller uncertainties in comparison to purely empirical estimations, and models more accurately the dependence between the volume and the travel distance.In the short term, this work contributes to adapt and test SHALTOP to allow its operational use for landslide hazard assessment. In the long term, our work contributes to enhancing landslide hazard maps and numerical tools for crisis management, by replacing purely empirical approaches by physically-based models. In this context, some scientific problems remain to be tackled, as the spatialization of uncertainty and the adaptation of models depending on the scale of the study (identified landslide, mountain slope or watershed).
Dans cette thèse, nous estimons la possibilité d’utiliser des modèles d'écoulement en couche mince de manière empirique pour améliorer la quantification des aléas gravitaires. Les équations d'écoulement en couche mince décrivent la dynamique d'un écoulement sur une topographie, à travers son épaisseur et sa vitesse moyennée sur l'épaisseur. Nous choisissons le modèle numérique SHALTOP avec une rhéologie empirique n’impliquant qu’un ou deux paramètres pour faciliter son utilisation opérationnelle. Il est ainsi plus simple d'utilisation et moins coûteux en temps de calcul que des modèles simulant la dynamique de chaque élément fluide ou solide, et permet de modéliser plus finement la dynamique et la géométrie de l'écoulement que des modèles purement empiriques .Trois axes de recherche sont présentés dans cette thèse. Nous montrons d’abord l’importance, même pour des rhéologies simples, d'une description fine de la courbure de la topographie. Cette courbure peut avoir une influence significative sur la dynamique d’écoulements rapides. Elle est donc importante pour calibrer correctement les modèles et estimer avec plus de précision les risques de débordement pour des écoulements chenalisés.Dans un deuxième temps, nous évaluons les capacités de SHALTOP à quantifier la propagation sur des cas d’étude spécifiques. Nous considérons d’abord des avalanches de débris à la Soufrière de Guadeloupe, puis l’enchaînement d’avalanches de blocs et de laves torentielles dans la Rivière du Prêcheur, en Martinique. Dans les deux cas, nous combinons des données variées (topographiques, géophysiques, géologiques, géomorphologiques, sismiques, …) afin de contraindre les scénarios de simulations, calibrer le modèle, et étudier de potentiels futurs événements. Enfin, nous proposons une méthodologie pour estimer, à l’aide de simulations numériques, la distance de parcours d’écoulements gravitaires en fonction des volumes déstabilisés. La loi puissance obtenue est spécifique au site d’étude considéré: elle est obtenue par l’analyse statistique d’une base de données de simulations, avec des volumes et paramètres rhéologiques variés. A travers trois cas d’étude, nous montrons que la loi obtenue permet de réduire l’incertitude par rapport à des estimations purement empiriques, et de mieux modéliser la dépendance entre le volume et la distance de parcours.A court terme, cette thèse contribue à adapter et tester SHALTOP pour permettre son utilisation opérationnelle pour des études d'aléas. A plus long terme, en remplaçant des approches purement empiriques par des méthodes plus physiques, nos travaux s'inscrivent dans la volonté d'améliorer les cartes d'aléas pour la propagation des glissements de terrain, ainsi que les outils numériques utilisés pour la gestion de crise. Dans ce contexte, des verrous scientifiques doivent encore être surmontés, comme la spatialisation des incertitudes et l'adaptation des modèles en fonction de l'échelle (glissement identifié, versant ou bassin versant.
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