RÉSEAU Mai 1997 / Magazine de l'Université du Québec
Reproduction autorisée avec la mention de l'auteur et de la source.

La petite maison
Crédit: Jeannot Levesque

Par Élaine Hémond

À la suite des inondations au Saguenay l'été dernier, les chercheurs de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS-Eau) ont vu leur expertise mise à profit tant par Hydro-Québec que par la commission créée par le gouvernement pour analyser la gestion des barrages en cause, la Commission Nicolet. Des spécialistes en hydrologie statistique et en hydrologie déterministe de l'INRS-Eau ont joué un rôle central, soit comme membre de la Commission Nicolet et comme expert scientifique, soit comme spécialiste de la modélisation hydrodynamique des crues sur les rivières en aval des barrages. Pour tenter de répondre à la question que tout le monde s'est posée : les inondations auraient-elles pu être évitées ?

Gens du Saguenay et d'ailleurs, ne vous endormez pas sur la rassurante certitude que la crue décamillénaire, c'était l'année dernière ! La crue survenue les 20 et 21 juillet 1996 a autant de chance de se reproduire en 1997 qu'elle en avait de se produire en 1996. Les statistiques, c'est cela : même si la probabilité scientifique qu'un joueur remporte le million à la loterie est très mince, la même personne peut très bien gagner cette somme deux fois dans sa vie. Et c'est déjà arrivé...

Bernard BobéeLe titulaire de la Chaire industrielle Hydro-Québec/CRSNG en hydrologie statistique de l'INRS-Eau, Bernard Bobée, ne cache d'ailleurs pas sa crainte que la présentation de l'événement comme une crue décamillénaire ne crée une perception erronée et ne donne une fausse impression de sécurité. "Pour bien interpréter les informations transmises par les médias dans un cas semblable, les gens doivent comprendre ce qu'est une période de retour en hydrologie, dit-il. Ce n'est pas un chiffre magique. Théoriquement, la période de retour d'une crue Q0, c'est-à-dire le temps moyen entre deux événements Q ou > Q0, est calculée sur une très longue période. Ainsi, idéalement, pour déterminer de manière assez précise une crue de période de retour de 10 ans, il serait souhaitable de connaître les données sur 100 ans. Et dans la région du Saguenay, on dispose, au mieux, de 85 ans de données."

La crueOn ne peut prédire avec certitude quand aura lieu la prochaine crue.
En 1997 ? En 1998 ? En 2025 ? La vraie distribution statistique des crues demeure inconnue.
Crédit: Jeannot Levesque

Aussi, selon le scientifique de l'INRS-Eau, il pourrait être erroné d'affirmer catégoriquement que l'on a observé en juillet dernier une crue de période de retour de 10 000 ans. Il explique : "Cette valeur de 10 000 ans a été obtenue par extrapolation (c.a.d. en faisant l'hypothèse que des valeurs exceptionnelles font partie de la même population que les valeurs observées) d'un modèle statistique approximatif ajusté aux données ; en effet, la vraie distribution statistique des crues est toujours inconnue. En d'autres termes, on ne peut estimer, avec les données actuellement disponibles, la vraie période de retour de la crue observée en 1996 de manière précise. Les statistiques, ajoute M. Bobée, c'est l'art de tirer la meilleure information possible des données en tenant compte des limites des connaissances disponibles. Ainsi, plus on possède de données, meilleures seront nos estimations."

Utiliser les statistiques et les raffiner

Au-delà de cette mise au point, Bernard Bobée voit surtout l'importance de tirer des leçons de la catastrophe qui s'est produite en juillet 1996. Hydro-Québec n'a d'ailleurs pas tardé à faire appel à l'équipe de la Chaire en hydrologie statistique pour effectuer un contrat de recherche dans la région du Saguenay. "On nous a demandé de voir comment on peut tenir compte de cette crue exceptionnelle pour aider les ingénieurs à revoir le dimensionnement des barrages de Pont Arnaud et de Chute Garneau." Le sous-dimensionnement de ces deux ouvrages en aval du réservoir Kénogami a, en effet, causé de graves problèmes au moment de la crue.

CarteSelon la ville de La Baie, la partie hachurée
présenterait un risque potentiel de glissement de terrain. Le point noir marque l'endroit où des propriétés ont été endommagées par le glissement de terrain du 20 juillet 1996. La partie plus pâle représente la zone inondée à ce moment-là.

Dans le même objectif de mettre la science au service de la pratique en hydrologie, les membres de la Chaire ont proposé à Hydro-Québec un projet visant à raffiner les estimations statistiques des crues importantes. Il s'agit d'augmenter le nombre de données relatives aux précipitations exceptionnelles sur lesquelles les scientifiques peuvent appuyer leurs calculs de prévision. Deux approches permettent cette quête de nouvelles informations. La première consiste à compenser le manque de données dans le temps par des données dans l'espace : c'est la méthodologie de l'estimation régionale. "Nous obtenons alors des informations relatives aux événements hydrologiques extrêmes dans différentes régions aux caractéristiques hydrogéologiques semblables, explique M. Bobée. La seconde approche se fonde sur une recherche dans les archives où l'on tente de retracer des évocations de crues historiques qui se sont produites avant la période de jaugeage systématique. Même si on ne trouve pas d'indications précises de débits, les vieux documents (journaux, livres, récits) décrivent souvent les phénomènes exceptionnels en donnant, par exemple, des repères quant à la hauteur atteinte par les crues." Une phrase comme : "Il y avait de l'eau jusqu'en haut de la porte de l'église" peut, lorsqu'on sait où se situe l'église en question, permettre aux hydrologues d'évaluer la crue en fonction de leur connaissance du bassin versant.

Les hydrologues de l'INRS-Eau et la Commission Nicolet

Guy MorinDans le dossier des crues au Saguenay, outre l'expertise en hydrologie statistique de M. Bobée et de son équipe, plusieurs autres compétences de l'INRS-Eau ont été mises à profit. Le professeur Guy Morin, spécialiste de l'hydrologie déterministe, y a joué un rôle central, à la fois comme membre de la Commission Nicolet et comme expert scientifique. Les professeurs Yves Secretan et Michel Leclerc ont également soutenu la compréhension des phénomènes extrêmes survenus en procédant à la modélisation hydrodynamique des crues sur les rivières en aval des barrages.

La crueLe gouvernement du Québec
a confié à une équipe
présidée par l'ingénieur Roger Nicolet
le soin d'analyser la gestion
des barrages concernés
dans les inondations
de l'été dernier au Saguenay.
Crédit: Jeannot Levesque

À la suite des importants dégâts dans la région du Saguenay et des pressions de la population, le gouvernement du Québec confiait, le 7 août 1996, à une équipe présidée par l'ingénieur Roger Nicolet, le soin d'analyser la gestion des barrages en cause dans les inondations de juillet. "Ce travail exigeait une connaissance approfondie des bassins versants en amont des réservoirs et une évaluation précise des phénomènes météorologiques et hydrologiques survenus", explique le professeur Morin, qui était le scientifique tout indiqué pour mettre en lumière ces informations.

Pionnier de l'hydrologie déterministe au Québec, il est, en effet, le "père" du modèle CEQUEAU qui permet, entre autres, de déterminer les crues maximales probables (CMP) d'un bassin versant, une donnée clé pour la prévention des catastrophes hydrologiques. En outre, ce modèle informe les ingénieurs gestionnaires de la quantité d'eau produite par un bassin versant (pluie, fonte des neiges, transition de cours d'eau...) et de son cheminement vers l'exutoire. En utilisant le modèle CEQUEAU au Saguenay l'équipe de l'INRS-Eau a pu chiffrer les précipitations et les débits qui ont convergé vers les différents réservoirs du 19 au 21 juillet 1996.

La crueSi l'expertise de l'INRS-Eau
n'est pas une garantie de contrôle total
des phénomènes naturels,
c'est toutefois un atout sur lequel
le gouvernement devrait compter.
Crédit: Jeannot Levesque

Il s'agissait donc, dans un premier temps, de cerner les phénomènes hydrologiques en amont des différents ouvrages mis en cause, notamment les désormais célèbres réservoirs Kénogami et des Ha ! Ha ! Parallèlement aux études hydrologiques, les barrages ont fait l'objet d'une caractérisation précise par des ingénieurs. Qu'en était-il des vannes de crête, des pertuis et des turbines qui modifient, bien sûr, le passage de la crue ? Dans quel état de fonctionnement était tout ce matériel ?

Des hypothèses et des scénarios

Ces éléments en main, différents scénarios de gestion des ouvrages ont été brossés pour le lac Kénogami par l'équipe du professeur Morin. "Les quatre premiers scénarios s'appuyaient sur les avis recueillis dans la région à l'effet que le niveau d'eau était maintenu trop haut, explique-t-il. Dans les scénarios 1 et 2, nous formulions l'hypothèse que le réservoir était plus bas de 50 cm et de 1 m, ce qui laissait plus de place pour emmagasiner l'eau de la crue. Quant aux scénarios 3 et 4, ils imaginaient une gestion préventive dès que les avis météo ont été connus. Dans un cas, on ouvrait les vannes le jeudi, dans l'autre le vendredi."

Ces quatre scénarios permettaient d'évaluer l'influence que différentes manoeuvres auraient pu avoir sur l'ampleur des dégâts. "Mais dans ces quatre cas hypothétiques, même en idéalisant les scénarios et en combinant un niveau d'eau plus bas avec l'ouverture des vannes le jeudi, les inondations n'auraient pu être évitées", explique le professeur.

Enfin, les deux derniers scénarios effectués par le professeur Morin imaginent une gestion fondée sur l'utilisation du modèle CEQUEAU, c'est-à-dire que les gestionnaires du barrage auraient su, par prévision hydrologique, la quantité d'eau qui arriverait au réservoir 18 ou 36 heures plus tard. Le sixième scénario, qui présume d'une transmission instantanée (par satellite ou par radio) des données pluviométriques sur le bassin versant, évite les débordements. "Mais, nuance M. Morin, cette alternative n'était absolument pas réalisable, compte tenu des contraintes existantes, notamment la capacité d'évacuation des rivières en aval du réservoir Kénogami. Les évacuateurs des ouvrages y étaient sous-dimensionnés." En fait, il était tout aussi impossible d'évacuer le trop plein du réservoir de façon satisfaisante en ces jours de grande crue que de verser un litre d'eau dans une tasse d'un demi-litre sans la faire déborder.

Quant au réservoir du lac des Ha ! Ha !, qui a aussi fait l'objet des études hydrologiques, les problèmes de gestion y ont amplifié les effets de la nature. La digue a lâché faute d'interventions de délestage. On sait, en effet, que le barrage est doté d'un évacuateur de crue qui, à pleine ouverture, avait une capacité théorique d'évacuation supérieure à la pointe de la crue de juillet 1996.

Un chaos à analyserYves Secretan

Après que l'équipe du professeur Morin eût brossé les paramètres à la source du déluge, il fallait comprendre le désastre jusqu'au bout, c'est-à-dire analyser les effets de la crue sur les rivières en aval des barrages. Ce mandat fut donné aux professeurs Michel Leclerc et Yves Secretan, de l'INRS-Eau, qui ont à leur actif la modélisation de presque tout le fleuve Saint-Laurent.

Michel LeclercDans le cas de la rivière Chicoutimi, le modèle hydrodynamique développé par les chercheurs de l'INRS-Eau a permis la reproduction des événements. "Pour ce faire, explique Michel Leclerc, il a fallu mettre au point des algorithmes de calcul inédits et traiter des centaines de milliers de données qui ont permis de reconstituer la topographie des rivières et des rivages ainsi que la rugosité du terrain, c'est-à-dire tout ce qui influe sur l'écoulement de l'eau (forêt, diverses utilisations du territoire...)." En effet, un modèle hydrodynamique est un ensemble qui se tient complètement... ou pas du tout. Oubliez une donnée ou faites une erreur dans la profondeur du lit d'une rivière, ou dans le niveau de la plaine inondable, et l'édifice est bancal.

"Pour arriver à cet équilibre qui restitue les événements comme ils se sont déroulés, il faut effectuer de multiples validations tout en intégrant les informations observées", dit le scientifique. Si les variables qui émergent de la simulation concordent avec la réalité constatée sur le terrain (par exemple, les niveaux d'eau maxima atteints), la fiabilité du modèle est confirmée.

Au-delà de la reconstitution numérique des événements sur la rivière Chicoutimi, il s'agissait également de vérifier les effets, en aval du réservoir Kénogami, de l'un des scénarios alternatifs du professeur Guy Morin. "Une simulation hydrodynamique a donc présumé qu'une gestion différente avait été faite et qu'un débit de 900 m3/s était relâché à Portage-des-Roches, explique M. Leclerc. À l'examen des courbes, on note que le gain en niveau d'eau aurait varié entre 50 cm et 80 cm, selon les endroits, ce qui n'est pas considérable. L'ouvrage de Chute Garneau aurait, par ailleurs, été contourné de la même façon qu'il l'a été par la crue, alors que celui de Pont Arnaud aurait aussi probablement été incisé de la même façon. Bref, ce scénario alternatif de gestion aurait changé peu de choses aux conséquences de la crue sur la rivière Chicoutimi."

La rivièreLa rivière des Ha ! Ha !
a abandonné la Chute à Perron
pour s'enfoncer de plus de 20 m
sur 2 km dans les dépôts meubles
d'une vallée latérale ;
6,9 millions m
3 de matériel ont été emportés.

Sur la rivière des Ha ! Ha !, la stratégie d'analyse privilégiée se distingue de celle utilisée pour la rivière Chicoutimi en raison de l'ampleur des bouleversements qu'a subis la rivière. "Le chaos quasi indescriptible qui s'y est produit rendait pratiquement impossible la reconstitution hydrodynamique du passage de la crue à l'aide de modèles numériques", souligne le professeur Leclerc. En effet, après que la digue se soit incisée sur 10 ou 15 mètres, une crue hallucinante s'est retrouvée dans la rivière. Son lit a été érodé sur presque toute sa longueur et plus de neuf millions de m3 de dépôt meuble ont été emportés. D'embâcle de débris en débâcle, la vague de boue a déferlé dans l'embouchure de la baie des Ha ! Ha ! dévastant tout sur son passage. "C'est ce que nous ont permis de comprendre nos outils", note M. Leclerc.

Le projet dans son ensemble a pu être mené à bien grâce à la collaboration de géographes et de géologues, en particulier de Michel Lapointe de l'Université McGill et Normand Bergeron de l'INRS-Géoressources, qui ont assuré la caractérisation des multiples impacts géomorphologiques et sédimentaires de la crue. Michel Leclerc n'hésite d'ailleurs pas à leur rendre hommage : "Comme hydraulicien, je fais un acte d'humilité. Sans doute l'expertise des géomorphologues n'a-t-elle pas été suffisamment prise en compte autrefois dans la conception des barrages, dit-il. Je crois, par ailleurs, que si nous avons actuellement entre les mains un instrument qui allie les avantages qualitatifs des approches géomorphologiques et quantitatifs des modèles hydrodynamiques, c'est un peu grâce à eux."

À l'heure où les cicatrices laissées par les crues émergent de la neige fondante d'un rude hiver, chacun espère que de tels événements ne se reproduisent plus. À cet égard, si l'expertise de l'INRS-Eau n'est pas une garantie de contrôle total des phénomènes naturels, c'est certainement un atout que le Québec devrait mieux utiliser.



Hydrologie statistique, hydrologie déterministe et hydrodynamique

TROIS LUNETTES POUR UNE MÊME ÉTUDE

Alors que l'hydrologie statistique se fonde sur des lois statistiques et sur des extrapolations des données observées, l'hydrologie déterministe effectue ses calculs à partir d'équations physiques. Quant à l'hydrodynamique, cette discipline étudie le régime et les trajectoires des courants. À cet effet, la modélisation hydrodynamique, qui s'appuie sur la numérisation de différentes données, permet de simuler comment un cours d'eau ou un réseau hydrographique réagit à un événement qui peut être climatique, accidentel ou relié à un aménagement.

Ces trois volets de l'hydrologie ont leur utilité dans la prévision des aménagements, dans la gestion des ouvrages et dans la compréhension d'événements inattendus comme ceux survenus au Saguenay.


À vos écrans !

DES SITES WEB À VISITER

Voulez-vous visualiser ce qui s'est produit pendant la période du 19 au 25 juillet sur les rivières des Ha ! Ha ! et Chicoutimi ? Rendez-vous au site Web suivant : www.inrs-eau.uquebec.ca/saguenay/ ; vous assisterez au déroulement virtuel de la crue. Saisissant !

Pour mieux connaître le modèle CEQEAU et la Chaire en hydrologie statistique de l'Institut national de la recherche scientifique, visitez les sites www.inrs-eau.uquebec.ca/cequeau/ et www.inrs-eau.uquebec.ca/chaire_hydrol/


Page couv., Vol. 28, no 8, mai 1997 RETOUR