Apports de la prise en compte des phénomènes d’érosion évènementielle et long-terme dans la modélisation des submersions côtières futures.

Présentation

Durée : 3 ans - avant le 17 mars 2024 !

Résumé : Erosion et submersion sont des phénomènes interagissant à différentes échelles de temps. A l’échelle évènementielle, la formation de brèches dans les cordons dunaires peut amplifier l’intensité des submersions. Sur une échelle de temps plus longue (pluri-décennale, avec effets liés au changement climatique), la remontée du niveau marin engendre aussi des modifications significatives du littoral. Les submersions et reculs du trait de côte (érosion) font partie des risques les plus importants pour les régions côtières et, bien qu'elles soient liées, leur complexité inhérente les a généralement amenées à être traitées séparément, ce qui peut conduire à des estimations très incertaines. Ainsi, les travaux portant sur les estimations des submersions actuelles et futures sont le plus souvent réalisés en négligeant les évolutions morphodynamiques du cordon littoral, i.e. en négligeant les interactions avec les phénomènes d’érosion. Cette thèse vise principalement à développer une méthode de modélisation permettant d’explorer les effets des évolutions long-terme future du cordon littoral sur les submersions, en prenant en compte aussi bien les échelles évènementielles (tempêtes) que plus long-terme (ex : remontée du niveau marin). La sensibilité de la submersion aux scénarios d’adaptation (évolutions futures de l’occupation du sol et ouvrages de défense) sera aussi explorée. La zone d’étude sera le littoral dunkerquois, constitué pour partie de zones de polders.

Contexte et problématique de recherche

Les études appliquées des aléas de submersion actuels (ex : dans le cadre des Plans de Prévention des Risques Littoraux, PPRL) ont recours à des scénarios de brèches ou d’effacement des défenses côtières, que celles-ci soient naturelles ou anthropiques (exemple : PPRL de Dunkerque et Bray-Dunes[1]). Or ces scénarios sont sujets à de nombreuses incertitudes (réalisme, …). Sur les littoraux sableux, il existe ainsi un besoin émergeant de méthodes et outils permettant de définir des scénarios réalistes d’évolution du cordon dunaire et de création de brèches potentielles.

De même, dans les travaux appliqués ou de recherche portant sur les submersions futures dans le cadre des évolutions climatiques (échéances pluri-décennales), l’évolution du littoral (ex : recul chronique du trait de côte, modification des profils de plage) est le plus souvent négligée. Pour limiter les incertitudes sur les submersions futures, il apparaît donc nécessaire de disposer de méthodes et outils visant à définir des scénarios réalistes intégrant l’effet de la remontée du niveau marin sur l’évolution du littoral, si possible, combiné à des évènements de tempêtes érosifs, et ce, non seulement sur les niveaux d’eau extrêmes à la côte, mais aussi sur l’évolution topo-bathymétrique des zones côtières potentiellement soumise à inondation.

Enfin, la plupart des travaux de modélisation des submersions futures (échéances pluri-décennales) négligent l’évolution temporelle de l’occupation du sol dans les modèles hydrodynamiques. Seule l’occupation du sol actuelle est prise en compte. Quelles sont alors les erreurs induites par cette approximation ? Il apparaît ainsi le besoin de mieux connaitre la sensibilité des submersions aux scénarios possibles d’occupation du sol.

La question principale de recherche est la suivante : Quels sont les effets des évolutions long-terme future (érosion, adaptation, occupation du sol) sur l’aléa submersion pour les zones côtières protégées par des cordons dunaires ? Les questions de recherche sous-jacentes sont :

• Quels sont les effets des évolutions (érosion) futures long-terme et évènementielles (i.e. à l’échelle temporelle d’une tempête) du cordon littoral sur la submersion ? (effets respectifs, effets conjoints, dominance temporelle)
• Quelle est la sensibilité de la submersion aux scénarios d’adaptation (évolutions futures de l’occupation du sol et ouvrages de défense) ? Comment estimer les scénarios d’évolutions futures d’occupation du sol à une échelle locale ? Quels sont les effets de ces évolutions futures sur la submersion ? Quelle est la sensibilité de la submersion aux scénarios d’adaptation (notamment vis-à-vis des ouvrages de défenses) ?
• Quels sont les effets respectifs et conjoints des évolutions du cordon littoral et de ces scénarios d’adaptation sur la submersion à horizons 2050 et 2100 ?

Ces questions s’appliquent plus particulièrement au site principal d’étude, à savoir le littoral dunkerquois (cf. figure 1), sur une zone s’étendant approximativement de Calais à la frontière belge.

L’objectif principal de la thèse est donc de modéliser, comprendre et quantifier les effets des évolutions morphologiques du littoral, et en particulier du cordon dunaire, dans l’estimation des submersions à l’échelle régionale et en prenant en compte différents scénarios de changement climatique.

Les principales avancées scientifiques espérées sont les suivantes :

1. méthode permettant de définir des scénarios réalistes d’évolution du littoral à échéance pluri-décennale et intégrant l’effet des tempêtes (ex : création de brèches dans le cordon dunaire).
2. estimation des effets de l’évolution littorale induite par la remontée du niveau marin et les tempêtes sur les évènements futurs de submersion.
3. sensibilité de ces projections futures aux scénarios d’adaptation et d’évolution de l’occupation du sol.

Figure 1 : Zone d’étude (~ Territoire des Wateringues à l’aval de Watten) dénommée « littoral dunkerquois » dans notre étude et exemple de coupe topographique. Source : https://www.institution-wateringues.fr.

Brève revue de l’état de l’art et approches d’étude envisagées

Jusqu’à présent, les évolutions des cordons sableux sont peu ou pas prises en compte dans les travaux de projection des submersions futures. A notre connaissance, Toimil et al. (2022) sont les premiers à avoir pris en compte ces évolutions, mais dans un environnement microtidal (site méditerranéen). En comparaison, le littoral dunkerquois est une zone macrotidale, avec des courants de marée longshore (i.e. parallèles à la côte) non négligeables, un littoral plus complexe (cordon dunaire discontinu). En outre, même si Toimil et al. (2022) ont aussi considéré les évolutions morphologiques liées à des évènements extrêmes, ils ont travaillé sur des transects (profils plus ou moins perpendiculaires au trait de côte), et n’ont donc pas considéré les caractéristiques longshore (parallèles à la côte) de ces brèches. Dans ce projet, on vise à prendre en compte cette dimension supplémentaire.

Jusqu’à maintenant, les évolutions de l’occupation du sol sont peu prises en compte dans les travaux de projection des submersions futures basés sur l’utilisation de modèles hydrodynamiques numériques. Il existe par contre des travaux de projections de l’évolution de la population et de l’urbanisation (e.g. Merkens et al., 2016, Reimann et al., 2018) ou des infrastructures critiques (Koks et al., 2022). Les méthodes utilisées dans ces travaux, croisées avec la connaissance locale aux sites d’étude (tendances passées, projets d’aménagement …) pourraient être utiles pour construire des scénarios futurs contrastés en vue d’étudier la sensibilité des projections de submersions à ces scénarios d’évolution de l’occupation du sol.

Les développements récents en modélisation ont permis de progresser dans la modélisation des brèches. Ainsi, dans la littérature, on peut trouver des exemples de modélisation ayant permis de reproduire des évènements de brèches observés. Il convient aussi de noter que les brèches peuvent se former sous différents régimes (ex : franchissements dus aux vagues uniquement, franchissements puis débordement, débordement uniquement) et n’auront pas alors les mêmes caractéristiques de comportement. Ainsi, on peut citer les travaux de Mc Call et al. (2010) sur l’île barrière de Santa Rosa (franchissements, puis débordement) et Muller et al. (2017) sur le cordon dunaire des Boucholeurs (Charentes maritimes, débordement). Ces deux études se sont appuyées sur l’utilisation du code X-Beach (Roelvink et al., 2009). Le modèle semble montrer de bonnes capacités pour capturer/reproduire les brèches quand un régime de débordement est en jeu. Par contre, on trouve moins d’exemples de simulations permettant de reproduire des brèches observées pour les cas où seul du franchissement par paquets de mer se produit. La modélisation de ces cas réels nécessite de disposer de données de forçages (niveau matin, vagues) et de conditions initiales (topo-bathymétrie).

Le sujet de thèse proposé présente un caractère interdisciplinaire. En effet, il abordera les disciplines suivantes : océanographie, modélisation numérique, changement climatique, géologie/géomorphologie, hydrodynamique côtière, risques côtiers. Le sujet allie secteur de la recherche et secteurs de la prévention des risques et adaptation (via l’étude des submersions futures dans une zone à enjeux et l’implication de EDF).

Ce projet s’appuiera sur l’utilisation conjointe de : méthodes de projections de scénarios futurs de remontée du niveau marin[2], modèles hydrodynamiques (niveaux d’eau et courants côtiers, vagues, submersion) et morphodynamiques (long-terme et évènementiel), données socio-économiques (pour les scénarios d’occupation du sol), données topo-bathymétriques et images satellites.

Plus précisément, concernant la modélisation :

• Forçages hydrodynamiques : nous utiliserons des modèles de calcul déjà implantés par EDF sur le site d’étude, en l’occurrence basés sur la chaîne openTELEMAC.
• Morphodynamique : nous utiliserons les modèles ShoreTrans (McCarroll, 2021 ; modèle par profils) et X-Beach (Roelvink et al., 2009 ; modèle résolvant conjointement l’hydrodynamique et la morphodynamique) pour estimer conjointement l’effet de la remontée du niveau marin sur l’évolution du littoral et d’évènements extrêmes (dont la formation potentielle de brèches). Pour l’application au littoral dunkerquois, il sera nécessaire de prendre en compte aussi les flux de sédiments longshore induits par les courants de marée/tempête et les vagues.
• Hydrodynamique et submersion : nous utiliserons les modèles numériques déjà implantés par EDF sur le site d’étude, basés sur la chaîne openTELEMAC. Le cas échéant, il pourra être nécessaire de modifier ou adapter les configurations de modèles déjà implantées. En outre, pour l’étude de l’effet des évolutions possibles de l’occupation du sol sur la submersion, on s’appuiera sur une approche simplifiée consistant à faire varier les coefficients de frottement (représentant, dans le modèle, l’occupation du sol), à partir de l’analyse des informations et données existantes. Concernant la prise en compte de scénarios d’évolution des ouvrages de défenses, nous modifierons les Modèles Numériques de Terrain (MNT) associés à ces modèles hydrodynamiques.

Concernant les scénarios d’occupation du sol, l’approche envisagée est de déterminer des scénarios de manière très simplifiée, mais en s’appuyant sur les informations et données existantes, comme par exemple les projections de l’INSEE (population, …), les scénarios SSP[3] issus du GIEC (mais qui ne sont pas régionalisés à l’échelle du site d’étude). Les travaux réalisés dans le cadre du projet HE CoClico[4] (BRGM coordinateur) pourront aussi être analysés. La définition de ces scénarios s’appuiera aussi sur l’analyse des documents locaux de stratégie d’adaptation, ainsi que les études de danger disponibles.

Enfin, concernant les données d’évolution temporelle du niveau marin relatif (passée et future), elles seront produites et mises à disposition par le BRGM.  

Le LHSV, EDF et le BRGM mettront à disposition leurs ressources de calcul. En plus des données publiques qui seront utilisées, les données seront principalement issues des jeux de données existants ou dont l’acquisition est prévue dans des projets à venir. Des données de trait de côte pourront aussi être extraites à partir de l’analyse d’images satellite disponibles gratuitement sur le Google Engine.

Références

• McCarroll et al. (2021) A novel rules-based shoreface translation model for predicting future coastal change: ShoreTrans, https://doi.org/10.1016/j.margeo.2021.106466.
• Merkens et al. (2016) Gridded population projections for the coastal zone under the Shared Socioeconomic Pathways. Global and Planetary Change, 145, 57-66.
• Koks et al. (2022) The impacts of coastal flooding and sea level rise on critical infrastructure: a novel storyline approach, Sustainable and Resilient Infrastructure, DOI: 10.1080/23789689.2022.2142741
• McCall et al. (2010) Two-dimensional time dependent hurricane overwash and erosion modeling at Santa Rosa Island, Coastal Engineering, https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2010.02.006.
• Muller et al. (2017) Assessing storm impact on a French coastal dune system using morphodynamic modeling. https://doi.org/10.2112/JCOASTRES-D-15-00102.
• Reimann et al. (2018) Regionalized Shared Socioeconomic Pathways: narratives and spatial population projections for the Mediterranean coastal zone. Regional Environmental Change, 18(1), pp.235-245.
• Roelvink et al. (2009) Modelling storm impacts on beaches, dunes, and barrier islands. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2009.08.006.
• Toimil et al. (2022) Neglecting the effect of long- and short-term erosion can lead to spurious coastal flood risk projections and maladaptation, Coastal Engineering, https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2022.104248.

Partenariat et encadrement de la thèse

La thèse se déroulera en collaboration entre le LHSV, le BRGM et EDF. Il s’agira d’une thèse CIFRE, avec EDF comme partenaire industriel du dossier déposé à l’ANRT et employeur du ou de la doctorant.e (CDD de 36 mois). Le ou la doctorant.e sera hébergé.e au LHSV, unité de recherche commune entre EDF R&D et l’Ecole des Ponts ParisTech, et inscrit.e à l’Ecole Doctorale Sciences, Ingénierie, Environnement (SIE) ED 351 de Paris-Est Sup

La direction sera assurée par M. Benoit (EDF et LHSV), directeur de thèse, D. Idier (BRGM), co-directrice de thèse, avec co-encadrement de M. Teles (EDF), V. Bacchi (EDF), N. Valentini (BRGM), et R. Thiéblemont (BRGM).

Le doctorant sera basé principalement au LHSV à Chatou (78), avec des missions au BRGM-Orléans, BRGM-Montpellier et Dunkerque.

Une collaboration complémentaire sera mise en place avec le laboratoire LOG (Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences, UMR 8187 - CNRS | ULille | ULCO | IRD), qui apportera entre autres sa connaissance du littoral dunkerquois et des phénomènes en jeu. Lors de la phase de montage et en début de projet, le point focal sera Marie-Hélène Ruz.

Programme prévisionnel de travail

Tâche 1 [année 1] : prise en main du sujet, de l’état de l’art et du site d’étude. Cette phase permettra au doctorant de s’approprier les connaissances phénoménologiques, l’état de l’art, les connaissances sur le site d’étude, la méthodologie proposée, de l’affiner, de mieux identifier les apports potentiels de son travail à l’état des connaissances, et enfin de préciser les sous-questions de recherche et le programme de travail de sa thèse. Entre autres, le doctorant fera l’état des connaissances sur le littoral dunkerquois en termes de données, études existantes et phénomènes en jeu dans les évènements de submersion sur le site d’étude (en y incluant les canaux de drainages associés aux wateringues), et enjeux. Il effectuera une synthèse de l’évolution passée du trait de côte et du cordon dunaire ainsi que des évènements de submersion et potentielles apparitions de brèches. Il analysera aussi les données topographiques et bathymétriques disponibles, conjointement à l’analyse de niveaux d’eau. Tous ces éléments permettront une première identification des zones dunaires/sableuses les plus fragiles (/ submersion). Le doctorant s’appropriera aussi les modèles hydrodynamiques déjà implantés, les données de forçages existantes. De manière moins spécifique au site d’étude, il fera la revue des différents types de modélisation de l’évolution du trait de côte et de la morphologie du cordon littoral, aussi bien aux échelles évènementielles que plus long-terme (ex : X-Beach, ShoreTrans, IH-LANS, LX-Shore, …). En outre, il s’appropriera les connaissances de base sur les projections climatiques et de trajectoires socio-économiques partagées (SSP).

Tâche 2 [année 1] : définition d’un cas test idéalisé représentatif du site d’étude, développement méthodologique et application. Les phénomènes pris en compte seront a minima : (1) les flux longshore de sédiment (via de la modélisation ou de l’analyse de données), (2) l’effet de la remontée du niveau marin (via l’utilisation du code ShoreTrans), (3) les transports de sédiments longshore et cross-shore lors d’évènements extrêmes (via l’utilisation du code X-Beach). Ce cas test ira jusqu’à l’estimation de la submersion et visera entre autres à : (1) mettre en place la stratégie et outils permettant de coupler ces différentes composantes (ex : reconstruction de topo-bathymétrie 2D avant calcul de la submersion), (2) faire une 1ère exploration du potentiel de l’effet de l’évolution du cordon littoral (et de bréchification) sur la submersion.

Tâche 3 [années 2 & 3] : application au littoral dunkerquois. Les principales étapes seront :

• La mise en place de la méthode et des codes sur le littoral dunkerquois. Une version 2D de X-Beach sera implantée sur les zones identifiées comme potentiellement sujettes à des phénomènes de bréchification. Cette mise en place inclura une étape de validation des modèles implémentés (comparaison avec observations).
• La définition des scénarios hydrodynamiques et l’étude de l’effet de l’évolution du cordon littoral : en 1ère approche, les conditions de marée, vagues et surcotes futures seront considérées comme étant les mêmes que pour la période actuelle. L’effet du changement climatique se traduira principalement par la prise en compte de la remontée du niveau marin. Un premier jeu de simulation de l’évolution du cordon littoral et de la submersion sera réalisé pour identifier les zones du cordon littoral ayant une influence significative sur la submersion, mais aussi pour estimer les contributions respectives des évolutions long-termes et évènementielles sur les niveaux d’eau à la côte et sur la submersion. Une attention particulière sera portée sur la bonne prise en compte des wateringues et de l’évacuation de l’eau par ce réseau.
• La définition de scénarios d’adaptation (ouvrages de défense) et d’occupation du sol et l’étude de la sensibilité de la submersion à ces scénarios : pour compléter l’étude, des variantes autour de la situation actuelle seront considérées, des simulations réalisées, et les effets respectifs et conjoints analysés.

Tâche 4 [années 1, 2 et 3] : communication et valorisation des résultats (publications de rang A, conférences nationales et internationales, transfert de connaissance). Il ou elle participera aussi aux journées des doctorants de l’Ecole des Ponts ParisTech et du BRGM, ainsi qu’aux séminaires d’équipe.

[1] https://www.nord.gouv.fr/Politiques-publiques/Prevention-des-risques-naturels-technologiques-et-miniers/Plans-de-Prevention-des-Risques-Littoraux-PPRL/Le-PPRL-de-Dunkerque-et-Bray-Dunes
[2] La réalisation des projections de scénarios futurs de remontée du niveau marin sera réalisée par le BRGM dans le cadre d’une action complémentaire.
[3] SSP : « Shared Socio-economic Pathways », Trajectoires socio-économiques partagées.
[4] https://coclicoservices.eu/

Profil et compétences attendus des candidats

Le ou la candidat.e devra obligatoirement :

• être titulaire d’un Master 2 ou d’un diplôme d’ingénieur (Formation Sciences de la terre/océanographie ou mécanique des fluides et/ou calcul numérique) ;
• maîtriser au moins un langage de programmation de traitement et analyse de données (ex : python, matlab) ;
• avoir un bon niveau en Anglais (lu, écrit et parlé).

Le ou la candidat.e devra si possible posséder :

• des connaissances en géomorphologie et morphodynamique du littoral ;
• des compétences en modélisation hydrodynamique et/ou morphodynamique, systèmes d’information géographiques ;
• des notions en Fortran et en Système d’Information Géographique (SIG) ;
• les qualités suivantes : autonomie, curiosité scientifique, ouverture d’esprit, sens de l’écoute et du travail en équipe, rédaction et présentation orale.

Procédure de candidature

Les candidats doivent avoir le diplôme (master ou équivalent) requis au moment de la date de démarrage de leur contrat. Le contrat de doctorat est d'une durée de 3 ans (CDD avec EDF employeur), avec une date de démarrage visée entre le 1er juillet et le 1er octobre 2024 (en fonction des souhaits du candidat et du délai d’instruction par l’ANRT).

Date de début de thèse visée : Entre 1er Juillet et 1er Octobre 2024

Encadrement

Laboratoire de recherche d’accueil

Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant (LHSV) (Ecole des Ponts, EDF), 6 quai Watier, 78400 Chatou, France
https://www.saint-venant-lab.fr

Financement et employeur

Thèse CIFRE avec employeur EDF R&D (CDD 3 ans), sous réserve de l’accord de l’ANRT (Agence Nationale Recherche Technologie)

Ecole doctorale

Sciences, Ingénierie, Environnement (SIE) ED 351 de Paris-Est Sup
https://www.paris-est-sup.fr/ecoles-doctorales/ecole-doctorale-sciences-ingenierie-et-environnement-sie/

Direction de thèse

Dr. Michel Benoit, EDF R&D LNHE et LHSV, chercheur-senior, HDR
https://scholar.google.com/citations?user=EiMB7SgAAAAJ&hl=fr 

Dr. Déborah Idier, BRGM, Ingénieure chercheuse expérimentée, HDR
https://www.researchgate.net/profile/Deborah-Idier

Co-encadrants de thèse

Dr. Vito Bacchi, Ingénieur-chercheur EDF R&D LNHE
Dr. Maria Teles, Ingénieur-chercheur EDF R&D LNHE
Dr. Rémi Thiéblemont, Ingénieur chercheur confirmé, BRGM
Dr. Nico Valentini, Ingénieur chercheur confirmé, BRGM