Si pour les hauteurs d'eau à la Chaussée, le coefficient de Strickler original induit les meilleurs résultats ; une réduction des coefficients de Strickler par un facteur 1,3 améliore les résultats sur la seconde partie de la crue mais induit une légère surestimation en début de crue. Concernant les débits à Châlons, les simulations avec un Strickler réduit par un facteur 1,3 et 2 donnent les résultats les plus probants.

Il apparaît donc que les résultats peuvent être clairement améliorés en ajustant les coefficients de Strickler. Plus spécifiquement, ce recalage mériterait une légère réduction des coefficients de Strickler sur le tronçon Frignicourt-La Chaussée (inférieure à 30%) et une réduction plus élevée des coefficients de Strickler sur le tronçon La Chaussée-Châlons (a priori d'un facteur 2). Ces calculs nécessitent cependant d'être affinés car si la réduction des coefficients de Strickler permet de mieux capturer le temps de passage de la crue, elle induit aussi une élévation des niveaux d'eau qui n'est pas nécessairement en accord avec les observations sur la station de la Chaussée.

Il est à noter que le choix des directrices pour séparer les lits mineur et majeur (rg et rd) peut aussi très largement impacter les résultats. Il est important de savoir comment les codes de calcul gèrent la géométrie dans ce cas. En effet, certains codes (Mage d'INRAE par exemple) considèrent tout point à une cote inférieure à celle de RG et RD (point le plus bas entre les deux directrices) est inclus dans le lit mineur suite à la transformation de la géométrie en abscisse-cote (Figure 12). D'autres codes (Rubar3 d'INRAE ; Mascaret ?) remplissent artificiellement les zones du lit majeur sous le point le plus bas entre RG et RD (Figure 12). Comme présenté en Figure 12, le choix du positionnement des deux lignes directrices RG et RD va impacter sur la taille de la section mouillée du lit majeur par rapport à la section mouillée du lit mineur (et donc sur le calage des coefficients Strickler). A noter aussi, il y a un impact non-négligeable de la transformation induite de la géométrie en fonction des codes de calcul sur ces sections mouillées. Du fait de la très grande largeur du lit majeur sur le modèle de la Marne (cf. section 2.3.), il pourrait être utile de revoir la cohérence du choix des limites entre le lit mineur et le lit majeur, en vérifiant l'étendue des surfaces mouillées à partir de potentielles photographies aériennes prise lors de crues.

<figure><img src="image_152.png" /><figcaption>Figure 12: Schématisation des représentations de la géométrie (réelle à gauche / abscisse-cote à droite) entre fonction des codes et du positionnement des directrices (RG et RD) séparant le lit mineur du lit majeur.</figcaption></figure>

Dans le même sens, il serait intéressant d'avoir une estimation des zones de réels écoulements. En effet, la loi Debord utilisée dans Mascaret n'a de sens que si l'écoulement dans le lit majeur se fait
majoritairement dans la direction de la pente de la rivière. Si ce n'est pas le cas, il pourrait être judicieux de créer des systèmes de casiers. De plus, s'il existe des chenaux secondaires en crue avec un lit qui diffère très largement du lit mineur (en plan), une réflexion peut se faire sur la création d'un réseau maillé.

# 3. Modélisation de l'Oise

## 3.1. Documentation consultée

* Rapport Hydratec, Reprise du calage du modèle hydraulique de l'Oise (2013)

* rex_spcbn_1mois_juillet_2021.pdf : Rex SPC Bassins du Nord (47 p.)

* rex_hydrometrie_oise_aisne_v2.odt : Rex UH Haut de France

## 3.2. Problématique de modélisation de la crue de 2021

Il est encore une fois fait état d'un épisode de crue atypique (crues d'été très rares sur ce territoire). Les modélisations utilisées ont été calés sur des épisodes de crue d'hiver. Les prévisions indiquent de fortes sur-estimations de niveaux (Figure 13). Tout comme le modèle Mascaret de la Marne, l'écration de la crue ne semble pas avoir été pris en compte du fait a priori d'une rugosité plus élevée (végétation plus dense en été sur les berges et le lit majeur actif) mais peut-être aussi d'une sous-estimation des débordements dans le lit majeur.

<figure><img src="image_151.png" /><figcaption>Figure 13: Prévisions sur la station de Soissons sur l'Aisne aval du 20 au 25/07/2021 (Prévisions en pointillés et niveau observé en vert).</figcaption></figure>

## 3.3. Modèle de l'Aisne et de l'Oise

La DREAL utilise un modèle Hydra (Hydratec) sur l'Oise et l'Aisne. Nous n'avons pas accès à ce modèle qui est fermé. Le Tableau 3 présente les principaux biefs de ce modèle avec leurs limites amont et aval.

<table><caption>Tableau 3: Principaux biefs du modèle Hydra de l'Aisne et de l'Oise.</caption><thead><tr><th>Désignation</th><th>Vallée</th><th>Limite amont</th><th>Limite aval</th></tr></thead><tbody><tr><td>AAM</td><td>Aisne amont</td><td>Mouron</td><td>Givry</td></tr><tr><td>AME</td><td>Aisne moyenne</td><td>Givry</td><td>Soissons</td></tr><tr><td>OAM</td><td>Oise amont</td><td>Hirson</td><td>Origny</td></tr></tbody></table>
majoritairement dans la direction de la pente de la rivière. Si ce n'est pas le cas, il pourrait être judicieux de créer des systèmes de casiers. De plus, s'il existe des chenaux secondaires en crue avec un lit qui diffère très largement du lit mineur (en plan), une réflexion peut se faire sur la création d'un réseau maillé.

# 3. Modélisation de l'Oise

## 3.1. Documentation consultée

* Rapport Hydratec, Reprise du calage du modèle hydraulique de l'Oise (2013)

* rex_spcbn_1mois_juillet_2021.pdf : Rex SPC Bassins du Nord (47 p.)

* rex_hydrometrie_oise_aisne_v2.odt : Rex UH Haut de France

## 3.2. Problématique de modélisation de la crue de 2021

Il est encore une fois fait état d'un épisode de crue atypique (crues d'été très rares sur ce territoire). Les modélisations utilisées ont été calés sur des épisodes de crue d'hiver. Les prévisions indiquent de fortes sur-estimations de niveaux (Figure 13). Tout comme le modèle Mascaret de la Marne, l'écration de la crue ne semble pas avoir été pris en compte du fait a priori d'une rugosité plus élevée (végétation plus dense en été sur les berges et le lit majeur actif) mais peut-être aussi d'une sous-estimation des débordements dans le lit majeur.

<figure><img src="image_153.png" /><figcaption>Figure 13: Prévisions sur la station de Soissons sur l'Aisne aval du 20 au 25/07/2021 (Prévisions en pointillés et niveau observé en vert).</figcaption></figure>

## 3.3. Modèle de l'Aisne et de l'Oise

La DREAL utilise un modèle Hydra (Hydratec) sur l'Oise et l'Aisne. Nous n'avons pas accès à ce modèle qui est fermé. Le Tableau 3 présente les principaux biefs de ce modèle avec leurs limites amont et aval.

<table><caption>Tableau 3: Principaux biefs du modèle Hydra de l'Aisne et de l'Oise.</caption><thead><tr><th>Désignation</th><th>Vallée</th><th>Limite amont</th><th>Limite aval</th></tr></thead><tbody><tr><td>AAM</td><td>Aisne amont</td><td>Mouron</td><td>Givry</td></tr><tr><td>AME</td><td>Aisne moyenne</td><td>Givry</td><td>Soissons</td></tr><tr><td>OAM</td><td>Oise amont</td><td>Hirson</td><td>Origny</td></tr></tbody></table>
<table><tr><td>OME</td><td>Oise moyenne</td><td>Origny</td><td>Sempigny</td></tr><tr><td>OAV</td><td>Oise aval</td><td>Sempigny/Soissons</td><td>Creil</td></tr><tr><td>OCS</td><td>Oise dans dépt 95</td><td>Creil</td><td>Andresy</td></tr><tr><td>BOV</td><td>Thérain amont</td><td>Bonnières/StOmer</td><td>Beauvais</td></tr><tr><td>MAY</td><td>Thérain aval</td><td>Beauvais</td><td>Maysel</td></tr><tr><td>SAM</td><td>Serre amont</td><td>Hurtaut</td><td>Mortiers</td></tr><tr><td>SAV</td><td>Serre aval</td><td>Mortiers</td><td>Confluence Oise</td></tr></table>

Dans le cadre de cette expertise, seul le modèle AME est discuté car c'est sur ce secteur que les principales difficultés ont été observés. Les données d'entrée sont les sorties du modèle AAM, à Givry.

La Figure 14 présente les mesures a posteriori sur les stations de Givry et Soissons (issues de GeoPortail). On peut voir une très forte atténuation du pic de débit mesuré à Givry une fois arrivé à Soissons. Aussi, les hauteurs d'eau a Soissons varient très peu indiquant une largeur de section beaucoup plus élevée et potentiellement de nombreux échanges avec le lit majeur. Ceci peut expliquer l'atténuation du pic de crue et donc éventuellement un ralentissement de la propagation de l'onde de crue.

<figure><img src="image_152.png" /><figcaption>Figure 14: Mesures issues d'HydroPortail aux stations de Givry et Soissons (Aisne) : (a) hauteurs d'eau, (b) débits.</figcaption></figure>

La Figure 15 présente les résultats de calcul en données parfaites, soit avec en entrée les données
OME

OAV

OCS

BOV

MAY

SAM

SAV

Oise moyenne

Oise aval

Oise dans dépt 95

Thérain amont

Thérain aval

Serre amont

Serre aval

Origny

Sempigny/Soissons

Creil

Bonnières/StOmer

Beauvais

Hurtaut

Mortiers

Sempigny

Creil

Andresy

Beauvais

Maysel

Mortiers

Confluence Oise

Dans le cadre de cette expertise, seul le modèle AME est discuté car c'est sur ce secteur que les principales difficultés ont été observés. Les données d'entrée sont les sorties du modèle AAM, à Givry.

La Figure 14 présente les mesures a posteriori sur les stations de Givry et Soissons (issues de GeoPortail). On peut voir une très forte atténuation du pic de débit mesuré à Givry une fois arrivé à Soissons. Aussi, les hauteurs d'eau a Soissons varient très peu indiquant une largeur de section beaucoup plus élevée et potentiellement de nombreux échanges avec le lit majeur. Ceci peut expliquer l'atténuation du pic de crue et donc éventuellement un ralentissement de la propagation de l'onde de crue.

<figure><img src="image_154.png" /><figcaption>Figure 14: Mesures issues d'HydroPortail aux stations de Givry et Soissons (Aisne) : (a) hauteurs d'eau, (b) débits.</figcaption></figure>

La Figure 15 présente les résultats de calcul en données parfaites, soit avec en entrée les données
mesurées (résultats fournis par O. Antoine, DREAL Hauts-de-France). Nous retrouvons clairement
la problématique observée pour la Marne. Il semble qu'un fort débordement n'est pas pris en
compte par la modélisation pouvant expliquer l'écrêtement de la crue. Cet écrêtement est très clair
en Figure 15b où une masse importante d'eau a dû être déversée vers la plaine d'inondation
jusqu'au 23 mai environ puis restituée vers le lit mineur de l'Aisne. En toute logique le volume
écrêté devrait être totalement restitué (aires entre les courbes avant et après le point d'intersection
identiques). Il semblerait cependant qu'un volume plus faible ait été restitué indiquant
potentiellement qu'une quantité d'eau non-négligeable a été capturée par la plaine d'inondation
(restitution à la rivière très lente) comme suggéré aussi par les mesures (Figure 14). La fréquence de
sortie des résultats numériques (toutes les 4h) ne permet pas clairement de confirmer cette
observation.

<figure><img src="image_153.png" /><figcaption>Figure 15: Comparaison entre les résultats du modèle Hydra et les observations à la station de Soissons (Aisnes), (a) hauteurs d'eau, (b) débits.</figcaption></figure>

Une amélioration de la modélisation semble donc être possible :

* en vérifiant bien que les données d'entrée du modèle sont cohérentes avec les mesures de débit lors de la crue de 2021 ; dans le cas contraire, un recalage des courbes de tarage au moins pour la période estivale serait nécessaire (Le Coz, 2023).

* en réduisant le coefficient de Strickler (augmentation des frottements) du lit majeur sur la partie amont à Soissons avec l'hypothèse que la végétation estivale impacte largement ces
mesurées (résultats fournis par O. Antoine, DREAL Hauts-de-France). Nous retrouvons clairement la problématique observée pour la Marne. Il semble qu'un fort débordement n'est pas pris en compte par la modélisation pouvant expliquer l'écrêtement de la crue. Cet écrêtement est très clair en Figure 15b où une masse importante d'eau a dû être déversée vers la plaine d'inondation jusqu'au 23 mai environ puis restituée vers le lit mineur de l'Aisne. En toute logique le volume écrêté devrait être totalement restitué (aires entre les courbes avant et après le point d'intersection identiques). Il semblerait cependant qu'un volume plus faible ait été restitué indiquant potentiellement qu'une quantité d'eau non-négligeable a été capturée par la plaine d'inondation (restitution à la rivière très lente) comme suggéré aussi par les mesures (Figure 14). La fréquence de sortie des résultats numériques (toutes les 4h) ne permet pas clairement de confirmer cette observation.

<figure><img src="image_155.png" /><figcaption>Figure 15: Comparaison entre les résultats du modèle Hydra et les observations à la station de Soissons (Aisnes), (a) hauteurs d'eau, (b) débits.</figcaption></figure>

Une amélioration de la modélisation semble donc être possible :

* en vérifiant bien que les données d'entrée du modèle sont cohérentes avec les mesures de débit lors de la crue de 2021 ; dans le cas contraire, un recalage des courbes de tarage au moins pour la période estivale serait nécessaire (Le Coz, 2023).

* en réduisant le coefficient de Strickler (augmentation des frottements) du lit majeur sur la partie amont à Soissons avec l'hypothèse que la végétation estivale impacte largement ces
frottements. Bien évidemment, cela impliquerait un jeu de Strickler variable selon les saisons. De la même manière que pour le modèle Mascaret de la Marne, le choix des lignes directrices séparant les lits mineur et majeur peut aussi influencer les résultats selon la manière que le code de calcul retranscrit cette hypothèse.

* En créant potentiellement un certain nombre de casiers (dans les zones où les débordements ont été observés avec un écoulement très faible) si la réduction du coefficient de Strickler ne suffit pas.

## 4. Conclusion sur les modélisations hydrauliques

Sur la base des résultats obtenus avec le modèle de la Marne utilisant le code Mascaret, il apparaît qu'une des principales problématiques liées aux simulations est les conditions d'entrée du modèle pouvant être très largement erronées (courbe de tarage sensiblement variable selon les saisons, résultats du modèle GRP incertains si utilisés pour les simulations hydrauliques). Une meilleure prédiction de ces conditions amont permet de nettement améliorer la prédiction du débit de pic de crue mais tend ici à avancer encore plus le temps de passage de la crue (déjà surestimé).

En conséquence, il y a aussi un clair besoin de recaler les coefficients Strickler du lit majeur pour la période estivale, afin d'affiner le temps de propagation de la crue, soit donc de disposer différents jeux de coefficient de Strickler selon les saisons. Aussi, les modèles mériteraient peut-être quelques améliorations comme la construction de casiers voir la création d'un réseau maillé pour la Marne (écoulement dans le lit majeur non parallèle à celui du lit mineur).

## 5. Références

Habert, J. (2016). « Prévisions des crues en temps réel sur le bassin de la Marne : assimilation in situ pour la correction du modèle hydraulique mono-dimensionnel Mascaret », Thèse de doctorat de l'université de Toulouse. 228 p.

Le Coz, J. (2023). Analyse des crues de juillet 2021 – Volet hydrométrie : courbes de tarage. Rapport d'expertise GGPR/SRNH-INRAE
frottements. Bien évidemment, cela impliquerait un jeu de Strickler variable selon les saisons. De la même manière que pour le modèle Mascaret de la Marne, le choix des lignes directrices séparant les lits mineur et majeur peut aussi influencer les résultats selon la manière que le code de calcul retranscrit cette hypothèse.

* En créant potentiellement un certain nombre de casiers (dans les zones où les débordements ont été observés avec un écoulement très faible) si la réduction du coefficient de Strickler ne suffit pas.

## 4. Conclusion sur les modélisations hydrauliques

Sur la base des résultats obtenus avec le modèle de la Marne utilisant le code Mascaret, il apparaît qu'une des principales problématiques liées aux simulations est les conditions d'entrée du modèle pouvant être très largement erronées (courbe de tarage sensiblement variable selon les saisons, résultats du modèle GRP incertains si utilisés pour les simulations hydrauliques). Une meilleure prédiction de ces conditions amont permet de nettement améliorer la prédiction du débit de pic de crue mais tend ici à avancer encore plus le temps de passage de la crue (déjà surestimé).

En conséquence, il y a aussi un clair besoin de recaler les coefficients Strickler du lit majeur pour la période estivale, afin d'affiner le temps de propagation de la crue, soit donc de disposer différents jeux de coefficient de Strickler selon les saisons. Aussi, les modèles mériteraient peut-être quelques améliorations comme la construction de casiers voir la création d'un réseau maillé pour la Marne (écoulement dans le lit majeur non parallèle à celui du lit mineur).

## 5. Références

Habert, J. (2016). « Prévisions des crues en temps réel sur le bassin de la Marne : assimilation in situ pour la correction du modèle hydraulique mono-dimensionnel Mascaret », Thèse de doctorat de l'université de Toulouse. 228 p.

Le Coz, J. (2023). Analyse des crues de juillet 2021 – Volet hydrométrie : courbes de tarage. Rapport d'expertise GGPR/SRNH-INRAE
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Direction de l'Appui aux Politiques Publiques

1, rue Pierre-Gilles de Gennes
CS 10030

92761 Antony Cedex

Tél. : +33 1 (0)1 40 96 61 21

<figure><img src="image_155.png" /></figure>

<figure><img src="image_156.png" /></figure>

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## Programme MTE (DGPR/SRNH) – INRAE 2021

### Connaissance et prévention des risques naturels et hydrauliques

Ces travaux bénéficient du soutien du ministère chargé de la transition écologique par décision de subvention n°2103343215.

<figure><img src="image_163.png" /></figure>

## Action 2 – Prévision des inondations

### Analyse des crues de juillet 2021 - volet hydrologie

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Ces travaux bénéficient du soutien du ministère chargé de la transition écologique par décision de subvention n°2103343215.

## Action 2 – Prévision des inondations

### Analyse des crues de juillet 2021 - volet hydrologie

HYCAR Antony
## Contributeurs

- François Bourgin - francois.bourgin@inrae.fr

- Vazken Andréassian - vazken.andreassian@inrae.fr

- Olivier Delaigue - olivier.delaigue@inrae.fr

- Paul Astagneau - paul.astagneau@inrae.fr

## Remerciements

Nous remercions les collègues de l'équipe RIVERLY d'INRAE, et l'ensemble des personnes - notamment Bruno Janet du SCHAPI, Guillaume Principato du SPC Meuse-Moselle et Océane Antoine du SPC Bassins du Nord - ayant participé à cette action pour les échanges qui ont permis d'affiner les analyses présentées dans ce rapport.

<figure><img src="image_164.png" /></figure>
## Contributeurs

- François Bourgin - francois.bourgin@inrae.fr

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- Paul Astagneau - paul.astagneau@inrae.fr

## Remerciements

Nous remercions les collègues de l'équipe RIVERLY d'INRAE, et l'ensemble des personnes – notamment Bruno Janet du SCHAPI, Guillaume Principato du SPC Meuse-Moselle et Océane Antoine du SPC Bassins du Nord – ayant participé à cette action pour les échanges qui ont permis d'affiner les analyses présentées dans ce rapport.

<figure><img src="image_161.png" /></figure>
# Table des matières

<table><tr><td>1. Contexte et objectifs</td><td>1</td></tr><tr><td>2. Zones d'étude, données et modèles</td><td>1</td></tr><tr><td>2.1. Bassins versants et données</td><td>1</td></tr><tr><td>2.2. Mise en place d'une modélisation hydrologique</td><td>3</td></tr><tr><td>3. Résultats</td><td>3</td></tr><tr><td>3.1. Simulations sur la période de calage</td><td>3</td></tr><tr><td>3.1.1. Chroniques</td><td>3</td></tr><tr><td>3.1.2. Critères de performance</td><td>5</td></tr><tr><td>3.2. Simulations de la crue de juillet 2021</td><td>6</td></tr><tr><td>4. Conclusions</td><td>11</td></tr><tr><td>5. Références</td><td>12</td></tr></table>

<figure><img src="image_165.png" /></figure>
# Table des matières

<table><tr><td>1. Contexte et objectifs</td><td>1</td></tr><tr><td>2. Zones d'étude, données et modèles</td><td>1</td></tr><tr><td>2.1. Bassins versants et données</td><td>1</td></tr><tr><td>2.2. Mise en place d'une modélisation hydrologique</td><td>3</td></tr><tr><td>3. Résultats</td><td>3</td></tr><tr><td>3.1. Simulations sur la période de calage</td><td>3</td></tr><tr><td>3.1.1. Chroniques</td><td>3</td></tr><tr><td>3.1.2. Critères de performance</td><td>5</td></tr><tr><td>3.2. Simulations de la crue de juillet 2021</td><td>6</td></tr><tr><td>4. Conclusions</td><td>11</td></tr><tr><td>5. Références</td><td>12</td></tr></table>

<figure><img src="image_162.png" /></figure>
# 1. Contexte et objectifs

Les crues de juillet 2021 qui se sont produites dans le nord-est de la France présentent un caractère exceptionnel qui questionne les capacités prédictives des modèles hydrauliques et hydrologiques utilisées au sein du réseau national de prévision des crues et des inondations. Des difficultés liées à l'hydrométrie, avec notamment des modifications importantes des courbes de tarage, à l'estimation des temps de propagation des ondes de crues de l'amont vers l'aval, et au comportement insuffisamment réactif des modèles hydrologiques utilisés ont été identifiées. Dans ce contexte, le SCHAPI a sollicité les équipes de RIVERLY et HYCAR d'INRAE pour réaliser une expertise aidant à un retour d'expérience.

Ce rapport présente le volet hydrologie de l'analyse des crues de juillet 2021 menée dans le cadre de cette expertise. Les travaux se concentrent sur l'analyse d'une modélisation hydrologique mise en place au pas de temps horaire pour 9 bassins versants situés sur les secteurs de la Chiers, de l'Aisne et de l'Oise amont. Les principaux objectifs sont de caractériser les performances et d'analyser le comportement de deux versions des modèles GR pour les crues de juillet 2021 au regard des crues les plus importantes de ces vingt dernières années.

# 2. Zones d'étude, données et modèles

## 2.1. Bassins versants et données

Les bassins versants étudiés ont été choisis après plusieurs échanges avec l'ensemble des participants et les services de prévision des crues concernés, Meuse-Moselle (MM) et Bassins du Nord (BN). Ils se répartissent sur les secteurs de la Chiers, de l'Aisne amont et de l'Oise amont. La liste des stations est présentée dans le Tableau 1. Les stations identifiées par la colonne *Baratin* ont fait l'objet, dans le cadre du volet hydrométrie de la présente expertise, d'une analyse détaillée des courbes de tarage utilisées pour les crues de juillet 2021 avec le logiciel BaRatin. La colonne *GRP SPC* indique si un modèle GRP est utilisé par les services opérationnels. Les stations sont identifiées par un rectangle rouge sur les cartes des Figure 1 et Figure 2.

<table><caption>Tableau 1 - Liste des stations étudiées</caption><thead><tr><td>Code station</td><td>Libellé</td><td>BaRatin</td><td>GRP SPC</td></tr></thead><tbody><tr><td>B402101001</td><td>La Chiers à Longwy</td><td>0</td><td>MM</td></tr><tr><td>B457201001</td><td>Le Loison à Han-lès-Juvigny</td><td>1</td><td></td></tr><tr><td>B460101001</td><td>La Chiers à Chauvency-le-Château</td><td>1</td><td>MM</td></tr><tr><td>H602102001</td><td>L'Aisne à Verrières</td><td>1</td><td>BN</td></tr><tr><td>H610201001</td><td>L'Aire à Beausite [Amblaincourt]</td><td>0</td><td>BN</td></tr><tr><td>H612201001</td><td>L'Aire à Varennes-en-Argonne</td><td>0</td><td>BN</td></tr><tr><td>H620101001</td><td>L'Aisne à Mouron</td><td>1</td><td>BN</td></tr><tr><td>H702101001</td><td>L'Oise à Hirson</td><td>0</td><td>BN</td></tr><tr><td>H710202001</td><td>La Serre à Montcornet</td><td>0</td><td>BN</td></tr></tbody></table>
# 1. Contexte et objectifs

Les crues de juillet 2021 qui se sont produites dans le nord-est de la France présentent un caractère exceptionnel qui questionne les capacités prédictives des modèles hydrauliques et hydrologiques utilisées au sein du réseau national de prévision des crues et des inondations. Des difficultés liées à l'hydrométrie, avec notamment des modifications importantes des courbes de tarage, à l'estimation des temps de propagation des ondes de crues de l'amont vers l'aval, et au comportement insuffisamment réactif des modèles hydrologiques utilisés ont été identifiées. Dans ce contexte, le SCHAPI a sollicité les équipes de RIVERLY et HYCAR d'INRAE pour réaliser une expertise aidant à un retour d'expérience.

Ce rapport présente le volet hydrologie de l'analyse des crues de juillet 2021 menée dans le cadre de cette expertise. Les travaux se concentrent sur l'analyse d'une modélisation hydrologique mise en place au pas de temps horaire pour 9 bassins versants situés sur les secteurs de la Chiers, de l'Aisne et de l'Oise amont. Les principaux objectifs sont de caractériser les performances et d'analyser le comportement de deux versions des modèles GR pour les crues de juillet 2021 au regard des crues les plus importantes de ces vingt dernières années.

# 2. Zones d'étude, données et modèles

## 2.1. Bassins versants et données

Les bassins versants étudiés ont été choisis après plusieurs échanges avec l'ensemble des participants et les services de prévision des crues concernés, Meuse-Moselle (MM) et Bassins du Nord (BN). Ils se répartissent sur les secteurs de la Chiers, de l'Aisne amont et de l'Oise amont. La liste des stations est présentée dans le Tableau 1. Les stations identifiées par la colonne *Baratin* ont fait l'objet, dans le cadre du volet hydrométrie de la présente expertise, d'une analyse détaillée des courbes de tarage utilisées pour les crues de juillet 2021 avec le logiciel BaRatin. La colonne *GRP SPC* indique si un modèle GRP est utilisé par les services opérationnels. Les stations sont identifiées par un rectangle rouge sur les cartes des Figure 1 et Figure 2.

<table><caption>Tableau 1 - Liste des stations étudiées</caption><thead><tr><td>Code station</td><td>Libellé</td><td>BaRatin</td><td>GRP SPC</td></tr></thead><tbody><tr><td>B402101001</td><td>La Chiers à Longwy</td><td>0</td><td>MM</td></tr><tr><td>B457201001</td><td>Le Loison à Han-lès-Juvigny</td><td>1</td><td></td></tr><tr><td>B460101001</td><td>La Chiers à Chauvency-le-Château</td><td>1</td><td>MM</td></tr><tr><td>H602102001</td><td>L'Aisne à Verrières</td><td>1</td><td>BN</td></tr><tr><td>H610201001</td><td>L'Aire à Beausite [Amblaincourt]</td><td>0</td><td>BN</td></tr><tr><td>H612201001</td><td>L'Aire à Varennes-en-Argonne</td><td>0</td><td>BN</td></tr><tr><td>H620101001</td><td>L'Aisne à Mouron</td><td>1</td><td>BN</td></tr><tr><td>H702101001</td><td>L'Oise à Hirson</td><td>0</td><td>BN</td></tr><tr><td>H710202001</td><td>La Serre à Montcornet</td><td>0</td><td>BN</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_166.png" /><figcaption>Figure 1 - Identification des trois stations étudiées sur le secteur de la Chiers ; la carte provient du rapport Analyse de l'événement de juillet 2021 produit par DHE (2022).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_167.png" /><figcaption>Figure 2 - Identification des six stations étudiées sur les secteurs de l'Aisne amont et de l'Oise amont ; la carte a été produite par le SPC Bassins du Nord.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_163.png" /><figcaption>Figure 1 - Identification des trois stations étudiées sur le secteur de la Chiers ; la carte provient du rapport Analyse de l'événement de juillet 2021 produit par DHE (2022).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_164.png" /><figcaption>Figure 2 - Identification des six stations étudiées sur les secteurs de l'Aisne amont et de l'Oise amont ; la carte a été produite par le SPC Bassins du Nord.</figcaption></figure>
Une base de données au pas de temps horaire a été constituée pour alimenter une modélisation hydrologique globale sur les 9 bassins étudiés. Les données de précipitations sont issues de la réanalyse Comephore de Météo-France (Tabary et al., 2012), les données de température qui permettent de calculer l'évaporation potentielle (Oudin et al., 2005) sont issues de la réanalyse Safran de Météo-France (Vidal et al., 2010) et les débits proviennent d'une extraction de l'HydroPortail. Les contours des bassins versants et les courbes hypsométriques proviennent de la base de données constituée au sein de notre unité HYCAR (Delaigue et al., 2020).

## 2.2. Mise en place d'une modélisation hydrologique

Dans la continuité des travaux récents menés par Paul Astagneau dans le cadre de son doctorat (2019-2022) et de son post-doctorat (en cours), nous avons choisi d'utiliser les modèles hydrologiques GR5H et GR5H RI. Le modèle GR5H RI est une évolution de GR5H qui permet de moduler les fonctions de production et de routage en fonction de l'intensité des précipitations (Astagneau et al., 2022).

Les paramètres des deux modèles sont estimés à l'aide de la procédure de calage disponible dans le logiciel airGR (Coron et al. 2017, 2023) et sa version modifiée par Paul Astagneau ; cette procédure vise à identifier des valeurs de paramètres qui maximisent une fonction objectif, à partir d'une exploration initiale de l'espace des paramètres qui est suivie d'un algorithme d'optimisation locale. Nous avons choisi d'utiliser le critère de performance KGE' comme fonction objectif ; la période de calage 2002-2020 est précédée d'une période de mise en route 1997-2001.

Le modèle GR5H RI utilise trois paramètres supplémentaires par rapport au modèle GR5H. Les travaux de Paul Astagneau ont montré qu'il pouvait être difficile de les identifier et des valeurs fixes ont été proposées pour deux de ces trois paramètres ; cette version à 6 paramètres libres est notée GR5H RI FIX.

La prise en compte des processus d'accumulation et de fonte de neige a été réalisée au pas de temps journalier avec la version à deux paramètres du modèle CemaNeige, en utilisant une discrétisation en 5 bandes d'altitude et les deux paramètres fixes habituels. Pour répartir au pas de temps horaire la fonte de neige calculée au pas de temps journalier, nous avons suivi l'approche utilisée pour l'estimation de l'évaporation au pas de temps horaire à partir d'une valeur journalière.

Enfin, pour analyser les simulations produites par la modélisation hydrologique en période de crues, nous avons sélectionné pour chaque station, de manière automatique, les 32 événements les plus importants en terme de valeurs maximales de débits. La procédure de sélection est décrite dans le manuscrit de thèse de Paul Astagneau (2022).

# 3. Résultats

## 3.1. Simulations sur la période de calage

### 3.1.1. Chroniques

La visualisation des chroniques de débits observés et simulés pour chaque station sur l'ensemble de la période permet de contrôler la bonne capacité générale des modèles à caractériser la réponse hydrologique des bassins étudiés. La Figure 3 présente un extrait de ces chroniques pour la station de la Chiers à Longwy ; pour faciliter la visualisation, toutes les chroniques sont rassemblées dans un fichier
Une base de données au pas de temps horaire a été constituée pour alimenter une modélisation hydrologique globale sur les 9 bassins étudiés. Les données de précipitations sont issues de la réanalyse Comephore de Météo-France (Tabary et al., 2012), les données de température qui permettent de calculer l'évaporation potentielle (Oudin et al., 2005) sont issues de la réanalyse Safran de Météo-France (Vidal et al., 2010) et les débits proviennent d'une extraction de l'HydroPortail. Les contours des bassins versants et les courbes hypsométriques proviennent de la base de données constituée au sein de notre unité HYCAR (Delaigue et al., 2020).

## 2.2. Mise en place d'une modélisation hydrologique

Dans la continuité des travaux récents menés par Paul Astagneau dans le cadre de son doctorat (2019-2022) et de son post-doctorat (en cours), nous avons choisi d'utiliser les modèles hydrologiques GR5H et GR5H RI. Le modèle GR5H RI est une évolution de GR5H qui permet de moduler les fonctions de production et de routage en fonction de l'intensité des précipitations (Astagneau et al., 2022).

Les paramètres des deux modèles sont estimés à l'aide de la procédure de calage disponible dans le logiciel airGR (Coron et al. 2017, 2023) et sa version modifiée par Paul Astagneau ; cette procédure vise à identifier des valeurs de paramètres qui maximisent une fonction objectif, à partir d'une exploration initiale de l'espace des paramètres qui est suivie d'un algorithme d'optimisation locale. Nous avons choisi d'utiliser le critère de performance KGE' comme fonction objectif ; la période de calage 2002-2020 est précédée d'une période de mise en route 1997-2001.

Le modèle GR5H RI utilise trois paramètres supplémentaires par rapport au modèle GR5H. Les travaux de Paul Astagneau ont montré qu'il pouvait être difficile de les identifier et des valeurs fixes ont été proposées pour deux de ces trois paramètres ; cette version à 6 paramètres libres est notée GR5H RI FIX.

La prise en compte des processus d'accumulation et de fonte de neige a été réalisée au pas de temps journalier avec la version à deux paramètres du modèle CemaNeige, en utilisant une discrétisation en 5 bandes d'altitude et les deux paramètres fixes habituels. Pour répartir au pas de temps horaire la fonte de neige calculée au pas de temps journalier, nous avons suivi l'approche utilisée pour l'estimation de l'évaporation au pas de temps horaire à partir d'une valeur journalière.

Enfin, pour analyser les simulations produites par la modélisation hydrologique en période de crues, nous avons sélectionné pour chaque station, de manière automatique, les 32 événements les plus importants en terme de valeurs maximales de débits. La procédure de sélection est décrite dans le manuscrit de thèse de Paul Astagneau (2022).

# 3. Résultats

## 3.1. Simulations sur la période de calage

### 3.1.1. Chroniques

La visualisation des chroniques de débits observés et simulés pour chaque station sur l'ensemble de la période permet de contrôler la bonne capacité générale des modèles à caractériser la réponse hydrologique des bassins étudiés. La Figure 3 présente un extrait de ces chroniques pour la station de la Chiers à Longwy ; pour faciliter la visualisation, toutes les chroniques sont rassemblées dans un fichier
placé en Annexe.

<figure><img src="image_168.png" /><figcaption>Figure 3 - Chroniques de débits observés et simulés pour 4 années à la station de la Chiers à Longwy.</figcaption></figure>

Dans l'ensemble, on constate une bonne capacité des modèles à restituer la dynamique des crues et des étiages. Pour certaines périodes, comme 2005-2006 pour l'Oise à Hirson, juin 2003 et janvier 2009 pour la Serre à Montcornet ou encore juillet 2005 pour le Loison à Han-lès-Juvigny, les chroniques de débits observés peuvent sembler douteuses, mais ces périodes restent limitées et leur impact sur l'estimation des paramètres et les critères de performance a été jugé suffisamment négligeable pour ne pas faire l'objet d'un traitement spécifique. Les simulations produites par les trois versions des deux modèles utilisés sont en général assez proches les unes des autres, avec quelques différences plus marquées sur certaines crues et récessions.
placé en Annexe.

<figure><img src="image_165.png" /><figcaption>Figure 3 - Chroniques de débits observés et simulés pour 4 années à la station de la Chiers à Longwy.</figcaption></figure>

Dans l'ensemble, on constate une bonne capacité des modèles à restituer la dynamique des crues et des étiages. Pour certaines périodes, comme 2005-2006 pour l'Oise à Hirson, juin 2003 et janvier 2009 pour la Serre à Montcornet ou encore juillet 2005 pour le Loison à Han-lès-Juvigny, les chroniques de débits observés peuvent sembler douteuses, mais ces périodes restent limitées et leur impact sur l'estimation des paramètres et les critères de performance a été jugé suffisamment négligeable pour ne pas faire l'objet d'un traitement spécifique. Les simulations produites par les trois versions des deux modèles utilisés sont en général assez proches les unes des autres, avec quelques différences plus marquées sur certaines crues et récessions.
### 3.1.2. Critères de performance

Le Tableau 2 présente les critères de performance NSE et KGE' obtenus pour les trois versions des modèles sur la période de calage. Les valeurs sont élevées pour toutes les stations, ce qui correspond bien à l'impression visuelle obtenue avec les chroniques de débits. On constate que les performances obtenues avec les différentes versions des modèles sont très proches, quand elles ne sont pas identiques.

<table><caption>Tableau 2 - Critères de performance NSE et KGE' obtenus pour les trois versions des modèles sur la période de calage.</caption><thead><tr><th rowspan="2">Code station</th><th rowspan="2">Libellé</th><th colspan="2">GR5H</th><th colspan="2">GR5H_RI</th><th colspan="2">GR5H_RI_FIX</th></tr><tr><th>NSE</th><th>KGE'</th><th>NSE</th><th>KGE'</th><th>NSE</th><th>KGE'</th></tr></thead><tbody><tr><td>B402101001</td><td>La Chiers à Longwy</td><td>0.85</td><td>0.92</td><td>0.86</td><td>0.93</td><td>0.85</td><td>0.93</td></tr><tr><td>B457201001</td><td>Le Loison à Han-lès-Juvigny</td><td>0.85</td><td>0.92</td><td>0.86</td><td>0.93</td><td>0.86</td><td>0.93</td></tr><tr><td>B460101001</td><td>La Chiers à Chauvency-le-Château</td><td>0.92</td><td>0.96</td><td>0.91</td><td>0.95</td><td>0.91</td><td>0.96</td></tr><tr><td>H602102001</td><td>L'Aisne à Verrières</td><td>0.87</td><td>0.93</td><td>0.89</td><td>0.94</td><td>0.88</td><td>0.94</td></tr><tr><td>H610201001</td><td>L'Aire à Beausite [Amblaincourt]</td><td>0.91</td><td>0.95</td><td>0.92</td><td>0.96</td><td>0.92</td><td>0.96</td></tr><tr><td>H612201001</td><td>L'Aire à Varennes-en-Argonne</td><td>0.90</td><td>0.95</td><td>0.92</td><td>0.96</td><td>0.91</td><td>0.96</td></tr><tr><td>H620101001</td><td>L'Aisne à Mouron</td><td>0.91</td><td>0.96</td><td>0.94</td><td>0.97</td><td>0.92</td><td>0.96</td></tr><tr><td>H702101001</td><td>L'Oise à Hirson</td><td>0.82</td><td>0.91</td><td>0.82</td><td>0.91</td><td>0.81</td><td>0.91</td></tr><tr><td>H710202001</td><td>La Serre à Montcornet</td><td>0.81</td><td>0.91</td><td>0.81</td><td>0.91</td><td>0.81</td><td>0.90</td></tr></tbody></table>

Le Tableau 3 présente les critères de performance NSE et KGE' obtenus pour les trois versions des modèles sur les événements de crues sélectionnés sur la période de calage. Les valeurs sont moins élevées que celles obtenues sur l'ensemble de la période, ce qui était attendu. On remarque en particulier que les scores de NSE obtenus pour le Loison à Han-lès-Juvigny et la Serre à Montcornet sont nettement plus faibles que ces obtenus pour les autres stations. Les performances obtenues avec le modèle GR5H_RI sont meilleures que celles obtenues avec le modèle GR5H pour l'ensemble des stations, notamment sur l'Aire à Beausite et à Varennes-en-Argonne. Ces améliorations confirment l'intérêt des modifications proposées dans les travaux de Paul Astagneau.

<table><caption>Tableau 3 - Critères de performance NSE et KGE' obtenus pour les trois versions des modèles sur les événements de la période de calage.</caption><thead><tr><th rowspan="2">Code station</th><th rowspan="2">Libellé</th><th colspan="2">GR5H</th><th colspan="2">GR5H_RI</th><th colspan="2">GR5H_RI_FIX</th></tr><tr><th>NSE</th><th>KGE'</th><th>NSE</th><th>KGE'</th><th>NSE</th><th>KGE'</th></tr></thead><tbody><tr><td>B402101001</td><td>La Chiers à Longwy</td><td>0.62</td><td>0.76</td><td>0.68</td><td>0.82</td><td>0.64</td><td>0.79</td></tr><tr><td>B457201001</td><td>Le Loison à Han-lès-Juvigny</td><td>0.31</td><td>0.62</td><td>0.41</td><td>0.69</td><td>0.41</td><td>0.68</td></tr><tr><td>B460101001</td><td>La Chiers à Chauvency-le-Château</td><td>0.69</td><td>0.83</td><td>0.72</td><td>0.83</td><td>0.71</td><td>0.83</td></tr><tr><td>H602102001</td><td>L'Aisne à Verrières</td><td>0.70</td><td>0.78</td><td>0.74</td><td>0.79</td><td>0.70</td><td>0.76</td></tr><tr><td>H610201001</td><td>L'Aire à Beausite [Amblaincourt]</td><td>0.64</td><td>0.72</td><td>0.71</td><td>0.81</td><td>0.71</td><td>0.79</td></tr><tr><td>H612201001</td><td>L'Aire à Varennes-en-Argonne</td><td>0.63</td><td>0.74</td><td>0.74</td><td>0.86</td><td>0.70</td><td>0.81</td></tr><tr><td>H620101001</td><td>L'Aisne à Mouron</td><td>0.78</td><td>0.84</td><td>0.83</td><td>0.89</td><td>0.80</td><td>0.87</td></tr><tr><td>H702101001</td><td>L'Oise à Hirson</td><td>0.79</td><td>0.88</td><td>0.80</td><td>0.90</td><td>0.79</td><td>0.90</td></tr><tr><td>H710202001</td><td>La Serre à Montcornet</td><td>0.51</td><td>0.71</td><td>0.56</td><td>0.72</td><td>0.54</td><td>0.72</td></tr></tbody></table>
### 3.1.2. Critères de performance

Le Tableau 2 présente les critères de performance NSE et KGE' obtenus pour les trois versions des modèles sur la période de calage. Les valeurs sont élevées pour toutes les stations, ce qui correspond bien à l'impression visuelle obtenue avec les chroniques de débits. On constate que les performances obtenues avec les différentes versions des modèles sont très proches, quand elles ne sont pas identiques.

<table><caption>Tableau 2 - Critères de performance NSE et KGE' obtenus pour les trois versions des modèles sur la période de calage.</caption><thead><tr><th rowspan="2">Code station</th><th rowspan="2">Libellé</th><th colspan="2">GR5H</th><th colspan="2">GR5H_RI</th><th colspan="2">GR5H_RI_FIX</th></tr><tr><th>NSE</th><th>KGE'</th><th>NSE</th><th>KGE'</th><th>NSE</th><th>KGE'</th></tr></thead><tbody><tr><td>B402101001</td><td>La Chiers à Longwy</td><td>0.85</td><td>0.92</td><td>0.86</td><td>0.93</td><td>0.85</td><td>0.93</td></tr><tr><td>B457201001</td><td>Le Loison à Han-lès-Juvigny</td><td>0.85</td><td>0.92</td><td>0.86</td><td>0.93</td><td>0.86</td><td>0.93</td></tr><tr><td>B460101001</td><td>La Chiers à Chauvency-le-Château</td><td>0.92</td><td>0.96</td><td>0.91</td><td>0.95</td><td>0.91</td><td>0.96</td></tr><tr><td>H602102001</td><td>L'Aisne à Verrières</td><td>0.87</td><td>0.93</td><td>0.89</td><td>0.94</td><td>0.88</td><td>0.94</td></tr><tr><td>H610201001</td><td>L'Aire à Beausite [Amblaincourt]</td><td>0.91</td><td>0.95</td><td>0.92</td><td>0.96</td><td>0.92</td><td>0.96</td></tr><tr><td>H612201001</td><td>L'Aire à Varennes-en-Argonne</td><td>0.90</td><td>0.95</td><td>0.92</td><td>0.96</td><td>0.91</td><td>0.96</td></tr><tr><td>H620101001</td><td>L'Aisne à Mouron</td><td>0.91</td><td>0.96</td><td>0.94</td><td>0.97</td><td>0.92</td><td>0.96</td></tr><tr><td>H702101001</td><td>L'Oise à Hirson</td><td>0.82</td><td>0.91</td><td>0.82</td><td>0.91</td><td>0.81</td><td>0.91</td></tr><tr><td>H710202001</td><td>La Serre à Montcornet</td><td>0.81</td><td>0.91</td><td>0.81</td><td>0.91</td><td>0.81</td><td>0.90</td></tr></tbody></table>

Le Tableau 3 présente les critères de performance NSE et KGE' obtenus pour les trois versions des modèles sur les événements de crues sélectionnés sur la période de calage. Les valeurs sont moins élevées que celles obtenues sur l'ensemble de la période, ce qui était attendu. On remarque en particulier que les scores de NSE obtenus pour le Loison à Han-lès-Juvigny et la Serre à Montcornet sont nettement plus faibles que ces obtenus pour les autres stations. Les performances obtenues avec le modèle GR5H_RI sont meilleures que celles obtenues avec le modèle GR5H pour l'ensemble des stations, notamment sur l'Aire à Beausite et à Varennes-en-Argonne. Ces améliorations confirment l'intérêt des modifications proposées dans les travaux de Paul Astagneau.

<table><caption>Tableau 3 - Critères de performance NSE et KGE' obtenus pour les trois versions des modèles sur les événements de la période de calage.</caption><thead><tr><th rowspan="2">Code station</th><th rowspan="2">Libellé</th><th colspan="2">GR5H</th><th colspan="2">GR5H_RI</th><th colspan="2">GR5H_RI_FIX</th></tr><tr><th>NSE</th><th>KGE'</th><th>NSE</th><th>KGE'</th><th>NSE</th><th>KGE'</th></tr></thead><tbody><tr><td>B402101001</td><td>La Chiers à Longwy</td><td>0.62</td><td>0.76</td><td>0.68</td><td>0.82</td><td>0.64</td><td>0.79</td></tr><tr><td>B457201001</td><td>Le Loison à Han-lès-Juvigny</td><td>0.31</td><td>0.62</td><td>0.41</td><td>0.69</td><td>0.41</td><td>0.68</td></tr><tr><td>B460101001</td><td>La Chiers à Chauvency-le-Château</td><td>0.69</td><td>0.83</td><td>0.72</td><td>0.83</td><td>0.71</td><td>0.83</td></tr><tr><td>H602102001</td><td>L'Aisne à Verrières</td><td>0.70</td><td>0.78</td><td>0.74</td><td>0.79</td><td>0.70</td><td>0.76</td></tr><tr><td>H610201001</td><td>L'Aire à Beausite [Amblaincourt]</td><td>0.64</td><td>0.72</td><td>0.71</td><td>0.81</td><td>0.71</td><td>0.79</td></tr><tr><td>H612201001</td><td>L'Aire à Varennes-en-Argonne</td><td>0.63</td><td>0.74</td><td>0.74</td><td>0.86</td><td>0.70</td><td>0.81</td></tr><tr><td>H620101001</td><td>L'Aisne à Mouron</td><td>0.78</td><td>0.84</td><td>0.83</td><td>0.89</td><td>0.80</td><td>0.87</td></tr><tr><td>H702101001</td><td>L'Oise à Hirson</td><td>0.79</td><td>0.88</td><td>0.80</td><td>0.90</td><td>0.79</td><td>0.90</td></tr><tr><td>H710202001</td><td>La Serre à Montcornet</td><td>0.51</td><td>0.71</td><td>0.56</td><td>0.72</td><td>0.54</td><td>0.72</td></tr></tbody></table>
## 3.2. Simulations de la crue de juillet 2021

Les simulations obtenues pour la crue de juillet 2021 avec les paramètres estimés sur la période de calage 2002-2020 sont présentées sur les Figure 4, Figure 5 et Figure 6 pour les secteurs de la Chiers, de l'Aisne et de l'Oise. Les débits observés issus de l'extraction de l'HydroPortail sont tracés en noir, et la bande d'incertitudes estimée à l'aide du logiciel BaRatin est tracée en gris lorsqu'elle est disponible (cf. Tableau 1). Ces estimations ont été réalisées par Jérôme Le Coz de l'unité RIVERLY dans le cadre du volet hydrométrie de la présente expertise. On note en particulier une nette correction pour la station de l'Aisne à Mouron. Les lames d'eau issues de la réanalyse Comephore sont également tracées, en utilisant un ratio 1/10 pour faciliter la visualisation des précipitations et des débits sur les mêmes graphiques. A noter que nous ne disposons pas de bande d'incertitudes pour les pluies (ce qui ne signifie bien sûr pas que les estimations de pluies sont certaines).

Les Figure 4, Figure 5 et Figure 6 montrent des performances variables selon les stations, avec une tendance à la sous-estimation des crues, tant en volume que par rapport à la valeur maximale. La crue est nettement sous-estimée par tous les modèles aux stations de Longwy, Beausite, Hirson et Montcornet ; elle est mieux représentée avec le modèle GR5H RI aux stations de Chauvency-le-Château et Moncornet, et avec le modèle GR5H à Varennes-en-Argonne.

Il faut également noter que certaines chroniques extraites de l'HydroPortail sont improbables au sens de l'analyse d'incertitude BaRatin (cf. en particulier l'Aisne à Mouron en Figure 5).

Afin d'évaluer le caractère atypique de la réponse hydrologique des crues de juillet 2021, nous avons regardé les chroniques de débits observés et simulés pour l'ensemble des événements sélectionnés sur la période d'étude. A titre d'exemple, la Figure 7 présente les événements de crues à la station de Longwy ; l'ensemble des figures est rassemblé dans un fichier placé en Annexe. Ces figures permettent de constater la variabilité des réponses hydrologiques pour chaque station : certaines crues sont sous-estimées, d'autres bien simulées, et il est difficile de distinguer la réponse de la crue de juillet 2021 par rapport aux autres crues majoritairement hivernales. Les crues de juillet 2021 sont bien atypiques en raison de leur occurrence en été, mais il ne semble pas que les modèles hydrologiques soient de manière systématique nettement moins performants pour cette crue que pour les principaux événements de crues de ces vingt dernières années.
## 3.2. Simulations de la crue de juillet 2021

Les simulations obtenues pour la crue de juillet 2021 avec les paramètres estimés sur la période de calage 2002-2020 sont présentées sur les Figure 4, Figure 5 et Figure 6 pour les secteurs de la Chiers, de l'Aisne et de l'Oise. Les débits observés issus de l'extraction de l'HydroPortail sont tracés en noir, et la bande d'incertitudes estimée à l'aide du logiciel BaRatin est tracée en gris lorsqu'elle est disponible (cf. Tableau 1). Ces estimations ont été réalisées par Jérôme Le Coz de l'unité RIVERLY dans le cadre du volet hydrométrie de la présente expertise. On note en particulier une nette correction pour la station de l'Aisne à Mouron. Les lames d'eau issues de la réanalyse Comephore sont également tracées, en utilisant un ratio 1/10 pour faciliter la visualisation des précipitations et des débits sur les mêmes graphiques. A noter que nous ne disposons pas de bande d'incertitudes pour les pluies (ce qui ne signifie bien sûr pas que les estimations de pluies sont certaines).

Les Figure 4, Figure 5 et Figure 6 montrent des performances variables selon les stations, avec une tendance à la sous-estimation des crues, tant en volume que par rapport à la valeur maximale. La crue est nettement sous-estimée par tous les modèles aux stations de Longwy, Beausite, Hirson et Montcornet ; elle est mieux représentée avec le modèle GR5H RI aux stations de Chauvency-le-Château et Moncornet, et avec le modèle GR5H à Varennes-en-Argonne.

Il faut également noter que certaines chroniques extraites de l'HydroPortail sont improbables au sens de l'analyse d'incertitude BaRatin (cf. en particulier l'Aisne à Mouron en Figure 5).

Afin d'évaluer le caractère atypique de la réponse hydrologique des crues de juillet 2021, nous avons regardé les chroniques de débits observés et simulés pour l'ensemble des événements sélectionnés sur la période d'étude. A titre d'exemple, la Figure 7 présente les événements de crues à la station de Longwy ; l'ensemble des figures est rassemblé dans un fichier placé en Annexe. Ces figures permettent de constater la variabilité des réponses hydrologiques pour chaque station : certaines crues sont sous-estimées, d'autres bien simulées, et il est difficile de distinguer la réponse de la crue de juillet 2021 par rapport aux autres crues majoritairement hivernales. Les crues de juillet 2021 sont bien atypiques en raison de leur occurrence en été, mais il ne semble pas que les modèles hydrologiques soient de manière systématique nettement moins performants pour cette crue que pour les principaux événements de crues de ces vingt dernières années.
<figure><img src="image_169.png" /><figcaption>Figure 4 - Simulations de la crue de juillet 2021 sur le secteur de la Chiers.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_166.png" /><figcaption>Figure 4 - Simulations de la crue de juillet 2021 sur le secteur de la Chiers.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_170.png" /><figcaption>Figure 5 - Simulations de la crue de juillet 2021 sur le secteur de l'Aisne.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_167.png" /><figcaption>Figure 5 - Simulations de la crue de juillet 2021 sur le secteur de l'Aisne.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_171.png" /><figcaption>Figure 6 - Simulations de la crue de juillet 2021 sur le secteur de l'Oise.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_168.png" /><figcaption>Figure 6 - Simulations de la crue de juillet 2021 sur le secteur de l'Oise.</figcaption></figure>
B402101001 - La Chiers à Longwy (212 km2)

<figure><img src="image_172.png" /><figcaption>Figure 7 - Simulations sur une sélection d'événements de crues pour la station de Longwy.</figcaption></figure>
B402101001 - La Chiers à Longwy (212 km2)

<figure><img src="image_169.png" /><figcaption>Figure 7 - Simulations sur une sélection d'événements de crues pour la station de Longwy.</figcaption></figure>
## 4. Conclusions

Les crues de juillet 2021 qui se sont produites dans le nord-est de la France présentent un caractère exceptionnel qui questionne les capacités prédictives des modèles hydrauliques et hydrologiques utilisés au sein du réseau national de prévision des crues et des inondations. Le volet hydrologie de l'analyse des crues de juillet 2021 menée dans le cadre de cette expertise s'est concentré sur l'analyse d'une modélisation hydrologique mise en place au pas de temps horaire pour 9 bassins versants situés sur les secteurs de la Chiers, de l'Aisne et de l'Oise amont.

L'analyse des performances et du comportement de deux versions des modèles GR pour les crues de juillet 2021 révèle une tendance à la sous-estimation des crues, avec néanmoins une variabilité importante selon les stations. La version GR5H_RI qui correspond à une évolution du modèle GR5H permet dans ces certains cas d'obtenir une réaction hydrologique plus importante qu'avec le modèle GR5H et de limiter les sous-estimations. Les performances obtenues pour les crues de juillet 2021 ne semblent pas particulièrement atypiques au regard d'un historique des événements de crues les plus importants de ces vingt dernières années, ce qui peut s'expliquer par des conditions d'humidité des sols inhabituelles pour la saison estivale mais assez représentatives des conditions hivernales sur les bassins étudiés. Des travaux complémentaires sur un échantillon plus grand de stations sont actuellement menés dans le cadre du post-doctorat de Paul Astagneau. Ces travaux permettront notamment d'évaluer la capacité prédictive des modèles GR dans un contexte de prévision des crues, c'est-à-dire en bénéficiant des stratégies d'assimilation de données utilisées par exemple dans le modèle opérationnel de prévision des crues GRP, dans des conditions hydro-climatiques variées, représentatives de la variabilité rencontrée sur le territoire national (Astagneau et al., 2023).

Notons pour conclure l'importance de l'étude d'incertitude menée sur les courbes de tarage, qui permet de mieux qualifier les difficultés des modèles hydrologiques. Au regard des circonstances météorologiques tout à fait exceptionnelles ayant prévalu lors de l'événement de juillet 2021, il reste possible que les estimations de la réanalyse Coméphore utilisées pour forcer les modèles hydrologiques soient elles aussi entachées d'une incertitude non négligeable.
## 4. Conclusions

Les crues de juillet 2021 qui se sont produites dans le nord-est de la France présentent un caractère exceptionnel qui questionne les capacités prédictives des modèles hydrauliques et hydrologiques utilisés au sein du réseau national de prévision des crues et des inondations. Le volet hydrologie de l'analyse des crues de juillet 2021 menée dans le cadre de cette expertise s'est concentré sur l'analyse d'une modélisation hydrologique mise en place au pas de temps horaire pour 9 bassins versants situés sur les secteurs de la Chiers, de l'Aisne et de l'Oise amont.

L'analyse des performances et du comportement de deux versions des modèles GR pour les crues de juillet 2021 révèle une tendance à la sous-estimation des crues, avec néanmoins une variabilité importante selon les stations. La version GR5H_RI qui correspond à une évolution du modèle GR5H permet dans ces certains cas d'obtenir une réaction hydrologique plus importante qu'avec le modèle GR5H et de limiter les sous-estimations. Les performances obtenues pour les crues de juillet 2021 ne semblent pas particulièrement atypiques au regard d'un historique des événements de crues les plus importants de ces vingt dernières années, ce qui peut s'expliquer par des conditions d'humidité des sols inhabituelles pour la saison estivale mais assez représentatives des conditions hivernales sur les bassins étudiés. Des travaux complémentaires sur un échantillon plus grand de stations sont actuellement menés dans le cadre du post-doctorat de Paul Astagneau. Ces travaux permettront notamment d'évaluer la capacité prédictive des modèles GR dans un contexte de prévision des crues, c'est-à-dire en bénéficiant des stratégies d'assimilation de données utilisées par exemple dans le modèle opérationnel de prévision des crues GRP, dans des conditions hydro-climatiques variées, représentatives de la variabilité rencontrée sur le territoire national (Astagneau et al., 2023).

Notons pour conclure l'importance de l'étude d'incertitude menée sur les courbes de tarage, qui permet de mieux qualifier les difficultés des modèles hydrologiques. Au regard des circonstances météorologiques tout à fait exceptionnelles ayant prévalu lors de l'événement de juillet 2021, il reste possible que les estimations de la réanalyse Coméphore utilisées pour forcer les modèles hydrologiques soient elles aussi entachées d'une incertitude non négligeable.
# 5. Références

Astagneau, P. C., Bourgin, F., Andréassian, V., Perrin, C. (2022). Catchment response to intense rainfall: evaluating modeling hypotheses, 36, e14676, Hydrological Processes, https://doi.org/10.1002/hyp.14676.

Astagneau, P.C., Bourgin, F., Andréassian, V., Perrin, C. (2023). Impact hydrologique de fortes intensités de pluie : application à la prévision des crues. Colloque SHF "Prévision des crues et des inondations - Avancées, valorisation et perspectives", Toulouse, 28-30 novembre 2023.

Astagneau, P.C. (2022). Pistes d'amélioration de la généralité et de l'efficacité d'un modèle opérationnel de prévision des crues. Thèse de doctorat, INRAE (Antony), Sorbonne Université (Paris), GRNE (Paris), 212 pp.

Coron L, Thirel G, Delaigue O, Perrin C, Andréassian V (2017). The Suite of Lumped GR Hydrological Models in an R package. Environmental Modelling and Software, 94, 166-171. doi:10.1016/j.envsoft.2017.05.002.

Coron L, Delaigue O, Thirel G, Dorchies D, Perrin C, Michel C (2023). airGR: Suite of GR Hydrological Models for Precipitation-Runoff Modelling. doi:10.15454/EX11NA, R package version 1.7.4, https://CRAN.R-project.org/package=airGR.

Delaigue, O., Génot, B., Lebecherel, L., Brigode, P., and Bourgin, P. (2020). Database of watershed-scale hydroclimatic observations in France. https://webgr.inrae.fr/base-de-donnees.

DHE (2022). Analyse de l'évènement de juillet 2021. Bassin versant de la Chiers. Rapport, 28 pp.

Oudin, L., Hervieu, F., Michel, C., Perrin, C., Andréassian, V., Anctil, F., & Loumagne, C. (2005). Which potential evapotranspiration input for a lumped rainfall-runoff model?: Part 2–Towards a simple and efficient potential evapotranspiration model for rainfall-runoff modelling. Journal of Hydrology, 303(1), 290–306. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2004.08.026.

Tabary, P., Dupuy, P., L'Henaff, G., Gueguen, C., Moulin, L., Laurantin, O., Merlier, C., & Soubeyroux, J.-M. (2012). A 10-year (1997–2006) reanalysis of quantitative precipitation estimation over France: Methodology and first results (Vol. 351, pp. 255–260). IAHS Publication.

Vidal, J.-P., Martin, E., Franchistéguy, L., Baillon, M., & Soubeyroux, J.-M. (2010). A 50-year high-resolution atmospheric reanalysis over France with the Safran system. International Journal of Climatology, 30(11), 1627–1644. https://doi.org/10.1002/joc.2003.
# 5. Références

Astagneau, P. C., Bourgin, F., Andréassian, V., Perrin, C. (2022). Catchment response to intense rainfall: evaluating modeling hypotheses, 36, e14676, Hydrological Processes, https://doi.org/10.1002/hyp.14676.

Astagneau, P.C., Bourgin, F., Andréassian, V., Perrin, C. (2023). Impact hydrologique de fortes intensités de pluie : application à la prévision des crues. Colloque SHF "Prévision des crues et des inondations - Avancées, valorisation et perspectives", Toulouse, 28-30 novembre 2023.

Astagneau, P.C. (2022). Pistes d'amélioration de la généralité et de l'efficacité d'un modèle opérationnel de prévision des crues. Thèse de doctorat, INRAE (Antony), Sorbonne Université (Paris), GRNE (Paris), 212 pp.

Coron L, Thirel G, Delaigue O, Perrin C, Andréassian V (2017). The Suite of Lumped GR Hydrological Models in an R package. Environmental Modelling and Software, 94, 166-171. doi:10.1016/j.envsoft.2017.05.002.

Coron L, Delaigue O, Thirel G, Dorchies D, Perrin C, Michel C (2023). airGR: Suite of GR Hydrological Models for Precipitation-Runoff Modelling. doi:10.15454/EX11NA, R package version 1.7.4, https://CRAN.R-project.org/package=airGR.

Delaigue, O., Génot, B., Lebecherel, L., Brigode, P., and Bourgin, P. (2020). Database of watershed-scale hydroclimatic observations in France. https://webgr.inrae.fr/base-de-donnees.

DHE (2022). Analyse de l'évènement de juillet 2021. Bassin versant de la Chiers. Rapport, 28 pp.

Oudin, L., Hervieu, F., Michel, C., Perrin, C., Andréassian, V., Anctil, F., & Loumagne, C. (2005). Which potential evapotranspiration input for a lumped rainfall-runoff model?: Part 2–Towards a simple and efficient potential evapotranspiration model for rainfall-runoff modelling. Journal of Hydrology, 303(1), 290–306. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2004.08.026.

Tabary, P., Dupuy, P., L'Henaff, G., Gueguen, C., Moulin, L., Laurantin, O., Merlier, C., & Soubeyroux, J.-M. (2012). A 10-year (1997–2006) reanalysis of quantitative precipitation estimation over France: Methodology and first results (Vol. 351, pp. 255–260). IAHS Publication.

Vidal, J.-P., Martin, E., Franchistéguy, L., Baillon, M., & Soubeyroux, J.-M. (2010). A 50-year high-resolution atmospheric reanalysis over France with the Safran system. International Journal of Climatology, 30(11), 1627–1644. https://doi.org/10.1002/joc.2003.
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B402101001 – La Chiers à Longwy (212 km2)

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B457201001 – Le Loison à Han-lès-Juvigny (349 km2)

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B457201001 – Le Loison à Han-lès-Juvigny (349 km2)

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B460101001 – La Chiers à Chauvency-le-Château (1706 km2)

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B460101001 – La Chiers à Chauvency-le-Château (1706 km2)

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<figure><img src="image_253.png" /><figcaption>H602102001 – L'Aisne à Verrières (385 km2)</figcaption></figure>

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<figure><img src="image_250.png" /><figcaption>H602102001 – L'Aisne à Verrières (385 km2)</figcaption></figure>

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H610201001 – L'Aire à Beausite [Amblaincourt] (283 km2)

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H610201001 – L'Aire à Beausite [Amblaincourt] (283 km2)

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<figure><img src="image_255.png" /><figcaption>H612201001 – L'Aire à Varennes-en-Argonne (629 km2)</figcaption></figure>

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<figure><img src="image_283.png" /><figcaption>H612201001 – L'Aire à Varennes-en-Argonne (629 km2)</figcaption></figure>

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H620101001 – L'Aisne à Mouron (2242 km2)

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H620101001 – L'Aisne à Mouron (2242 km2)

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H702101001 – L'Oise à Hirson (316 km2)

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GR5H

GR5H RI

GR5H RI FIX
H702101001 – L'Oise à Hirson (316 km2)

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GR5H

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H710202001 – La Serre à Montcornet (112 km2)

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H710202001 – La Serre à Montcornet (112 km2)

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GR5H GR5H RI GR5H RI FIX
B402101001 – La Chiers à Longwy (212 km2)

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B402101001 – La Chiers à Longwy (212 km2)

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B402101001 – La Chiers à Longwy (212 km2)

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B457201001 – Le Loison à Han-lès-Juvigny (349 km2)

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H612201001 – L'Aire à Varennes-en-Argonne (629 km2)

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H612201001 – L'Aire à Varennes-en-Argonne (629 km2)

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H612201001 – L'Aire à Varennes-en-Argonne (629 km2)

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H612201001 – L'Aire à Varennes-en-Argonne (629 km2)

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H702101001 – L'Oise à Hirson (316 km2)

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H702101001 – L'Oise à Hirson (316 km2)

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H710202001 – La Serre à Montcornet (112 km2)

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H710202001 – La Serre à Montcornet (112 km2)

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H710202001 – La Serre à Montcornet (112 km2)

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H710202001 – La Serre à Montcornet (112 km2)

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