Présentation

L'ingénierie côtière a toujours été une discipline définie par sa lutte contre les forces naturelles dynamiques. Les ingénieurs conçoivent des structures et des systèmes pour protéger les vies, les biens et les écosystèmes contre l'action incessante des vagues, des marées et des tempêtes. Cependant, le changement climatique réécrit fondamentalement les règles de cet engagement. Les hypothèses qui sous-tendent l'analyse des risques pendant des décennies – niveau de la mer stable, fréquences prévisibles des tempêtes et conditions météorologiques cohérentes – ne sont plus fiables. L'élévation du niveau de la mer, l'intensification des cyclones et les changements de régimes de précipitations amplifient les risques anciens et en introduisent de nouveaux.

Comprendre l'analyse des risques en génie côtier

L'analyse des risques dans le domaine de l'ingénierie côtière est un processus systématique qui consiste à identifier, caractériser et quantifier les menaces naturelles qui peuvent endommager ou détruire l'infrastructure côtière. Les principaux risques comprennent les inondations côtières, l'érosion des rives, les ondes de tempête et le suremblayage des vagues. L'analyse des risques traditionnels repose en grande partie sur des données historiques : jauges des marées, bouées de vagues, relevés des tempêtes et relevés topographiques.

Les principaux éléments de l'analyse traditionnelle des dangers sont les suivants :

  • Évaluation probabiliste des risques :[ Utiliser la théorie des valeurs extrêmes pour estimer la probabilité d'événements de certaines grandeurs.
  • Modèles déterministes:[ Simulation de scénarios spécifiques (p. ex., un ouragan de catégorie 4 qui fait des atterrissages) pour évaluer la performance structurelle.
  • Relations empiriques:[ Équations liant la vitesse du vent à la hauteur des ondes de tempête, par exemple.
  • Analyse géomorphologique :[ Comprendre comment les côtes évoluent dans des conditions normales et pluviales.

Mais le changement climatique invalide l'hypothèse de la stationnarité.Comme le note l'évaluation du climat national des États-Unis, le changement climatique modifie la fréquence, l'intensité et la durée des événements extrêmes de manière à ne pas se situer dans la plage historique de variabilité.

Effets des changements climatiques sur les facteurs de risque

Augmentation du niveau de la mer

L'élévation du niveau de la mer est l'impact le plus direct et le plus répandu du changement climatique sur les dangers côtiers.Le niveau moyen de la mer mondiale a augmenté de 8 à 9 pouces depuis la fin du XIXe siècle et s'accélère.[NASA Sea Level Change Portal] suit des données satellitaires montrant un taux moyen de 3,4 mm par année au cours des trois dernières décennies.

L'élévation du niveau de la mer affecte l'analyse des dangers de plusieurs façons :

  • La zone d'inondation accrue : Les niveaux d'eau de base plus élevés signifient que les ondes et les ondes de tempête atteignent plus loin l'intérieur des terres.
  • Franc-bord réduit:[ Pour les murs de mer et les revertus, le franc-bord (la hauteur au-dessus du niveau d'eau prévu) diminue, augmentant le risque de surchauffe.
  • Érosion côtière accélérée:[ Des niveaux d'eau plus élevés permettent aux vagues d'agir plus haut sur le profil de la plage, accélérant le transport des sédiments et le retrait du littoral.
  • Intrusion d'eau salée: Le niveau croissant de la mer pousse l'eau salée dans les aquifères et les estuaires, ce qui affecte à la fois les fondations de l'infrastructure et les approvisionnements en eau douce.

Les ingénieurs doivent maintenant tenir compte des projections du niveau de la mer non stationnaire pendant la durée de vie d'un projet, souvent de 50 à 100 ans.Il faut intégrer des scénarios des GIEC Sixième rapport d'évaluation (AR6), qui fournit des fourchettes probables pour l'élévation du niveau de la mer sous différentes voies d'émission.

Intensité accrue des tempêtes

Les températures océaniques plus chaudes fournissent plus d'énergie aux cyclones tropicaux, ce qui entraîne une augmentation de la proportion de tempêtes majeures (catégorie 3 ou plus sur l'échelle Safir-Simpson). NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory prévoit que les précipitations d'ouragans de l'Atlantique pourraient augmenter de 10 à 15 % d'ici le milieu du siècle et que les hauteurs des ondes de tempête pourraient augmenter en raison de l'élévation du niveau de la mer et des vents plus forts.

Voici des exemples de l'incidence des tempêtes intensifiées sur l'analyse des risques :

  • Hautes hauteurs et périodes des vagues:[ Des vents plus longs et plus forts génèrent des vagues plus grandes qui peuvent dépasser les défenses côtières et causer plus de dommages.
  • Augmentation de la tempête :[ Des vitesses de vent plus élevées et des pressions centrales plus faibles poussent plus d'eau vers la côte.
  • Fondations pluviales plus importantes: De nombreux événements d'inondation côtière impliquent maintenant des inondations composées, où une vague de tempête coïncide avec de fortes précipitations, des systèmes de drainage accablants.

Les ingénieurs réagissent en adoptant des évaluations de vulnérabilité dynamique qui tiennent compte de l'évolution des caractéristiques des tempêtes au fil du temps, plutôt que d'utiliser des périodes de retour statiques.

Changements de la configuration météorologique et non-statistique

Au-delà de l'élévation du niveau de la mer et des tempêtes, le changement climatique modifie les modes de circulation atmosphérique, entraînant des changements dans les précipitations, la direction des vagues et la fréquence des rivières atmosphériques. Par exemple, la côte ouest des États-Unis a vu une augmentation de l'intensité des événements atmosphériques des rivières, qui entraînent des précipitations extrêmes et des inondations subséquentes dans les bassins versants côtiers.

Ces changements présentent des défis distincts pour l'analyse des dangers :

  • La perte de stationnarité dans le climat des vagues: Les diagrammes de rose des vagues (montrant la direction dominante des vagues et la hauteur) ne peuvent plus compter sur des projections de 30 ans; ils doivent être mis à jour avec des projections du changement climatique des vagues.
  • Modifications au transport des sédiments :[ Les angles et courants des vagues modifiés peuvent modifier la direction et l'ampleur de la dérive sur les longues côtes, affectant les patrons d'érosion sur les plages nourries et près des ports.
  • Événements combinés:[ La combinaison des marées hautes, des ondes de tempête et des fortes précipitations – une fois rares – devient plus fréquente. L'analyse des risques doit tenir compte de ces probabilités qui compensent, qui remettent en question statistiquement les méthodes univariées traditionnelles.

Défis dans l'analyse des risques dus aux changements climatiques

Modélisation des processus non statistiques

L'analyse traditionnelle de la fréquence à l'aide de distributions de valeurs extrêmes (p. ex. Gumbel, Valeur Extrême Généralisée) suppose que le processus sous-jacent est stationnaire. Le changement climatique introduit des tendances et des changements qui contreviennent à cette hypothèse. Les ingénieurs développent des modèles de valeurs extrêmes non stationnaires qui intègrent des covariables telles que la température moyenne globale ou les séries chronologiques régionales du niveau de la mer. Ces modèles sont plus complexes et nécessitent une sélection minutieuse des covariables, mais ils fournissent des niveaux de rendement en évolution temporelle qui sont essentiels pour la conception adaptative.

Incertitude et sélection des scénarios

Les projections climatiques sont très incertaines, les scénarios d'émissions, les modèles climatiques et les méthodes de réduction des émissions produisent une vaste gamme de conditions futures. Par exemple, les projections du niveau de la mer selon le niveau de la mer selon le niveau de la R6 du GIEC, selon le niveau de la mer selon le niveau de la PPU2-4.5 (un scénario modéré) vont de ~0,4 à 0,8 m par 2100, tandis que dans le niveau de la PPU5-8.5 elles atteignent jusqu'à 1,0 m. Les ingénieurs doivent décider quel scénario utiliser pour la conception, en conciliant la sécurité et la faisabilité économique.

Lacunes dans les données et demandes de calcul

Les modèles non stationnaires exigent des projections climatiques à long terme à haute résolution spatiale, qui ne sont pas toujours disponibles pour tous les littoral. L'échelle des modèles climatiques mondiaux à l'échelle locale est coûteuse en calcul et introduit une incertitude supplémentaire. Les petits États insulaires en développement et les côtes basses des pays en développement manquent souvent des données bathymétriques et topographiques nécessaires pour la modélisation de l'inondation à haute résolution.

Intégration des facteurs sociaux et économiques

Les changements climatiques affectent de façon disproportionnée les communautés les plus pauvres, qui vivent souvent dans des zones moins protégées et ont moins de ressources pour se rétablir. Les ingénieurs doivent tenir compte non seulement du risque physique, mais aussi de l'exposition et de la capacité d'adaptation des populations, ce qui exige une collaboration interdisciplinaire avec les spécialistes des sciences sociales, les urbanistes et les économistes, un changement que de nombreuses firmes d'ingénieurs commencent à peine à adopter.

Adapter les pratiques de génie côtier

Approches structurelles: Élever et renforcer les défenses

Les murs de mer, les digues et les barrières de tempête sont conçus avec des crêtes plus élevées et une plus grande résilience. Par exemple, la barrière de tempête de l'Escaut oriental aux Pays-Bas a été construite avec une durée de vie de conception de 200 ans et intègre des mécanismes pour soulever ses portes à mesure que le niveau de la mer monte. De nouveaux projets, comme les améliorations de la barrière de Thames à Londres, comprennent des portes flexibles qui peuvent s'adapter aux changements de niveau d'eau.

Solutions basées sur la nature: travailler avec les systèmes naturels

Les solutions basées sur la nature, comme la restauration de la mangrove, la construction de dunes et la création de récifs conchylicoles, gagnent en traction comme approches complémentaires ou alternatives.Ces défenses -vertes peuvent suivre le rythme de l'élévation du niveau de la mer par l'accrétion naturelle et fournir des avantages communs à l'habitat. L'analyse des risques pour les solutions basées sur la nature doit tenir compte des taux de croissance biologique, de l'approvisionnement en sédiments et des réponses écologiques au changement climatique, ce qui ajoute une couche de complexité que les modèles d'ingénierie traditionnels ne couvrent pas.

Infrastructure flexible et adaptative

Au lieu de construire une défense fixe unique, les ingénieurs conçoivent de plus en plus des voies d'adaptation, ce qui implique de construire des infrastructures qui peuvent être facilement modifiées au fil du temps, une approche appelée conception flexible ou conception adaptative --. Par exemple, les fondations de construction peuvent être surdimensionnées pour pouvoir accueillir une élévation future, et les barrières d'inondation peuvent être construites en phases.

Amélioration des systèmes de cartographie des risques et d'alerte rapide

Les ingénieurs élaborent également des cartes probabilistes des risques d'inondation qui montrent les probabilités d'inondation dans de multiples scénarios climatiques, fournissant aux planificateurs et aux gestionnaires des urgences une gamme de résultats possibles plutôt qu'une seule carte déterministe.

Études de cas : L'analyse des risques en connaissance de cause

New York : Évaluations des risques après Sandy

Après l'ouragan Sandy en 2012, New York a entrepris un examen complet du risque d'inondation côtière, en y intégrant les projections de hausse du niveau de la mer du Groupe d'experts sur l'évolution du climat (CCCN) de New York. Le projet de résilience côtière côté Est qui en a résulté utilise une combinaison de parcs surélevés, de murs de crue et de stations de pompes à eau de pluie conçues pour résister à une élévation du niveau de la mer de 2,5 pieds d'ici les années 2050 et de 5 pieds d'ici les années 2080.

Pays-Bas: Programme Delta et Deltas adaptatifs

Les Pays-Bas sont depuis longtemps un chef de file en ingénierie côtière. Son programme Delta est l'ensemble des scénarios climatiques jusqu'à 2100 et utilise une approche de gestion adaptative du delta. Plutôt qu'une conception fixe, le programme identifie les conditions -signpost---seuils dans l'élévation du niveau de la mer ou le déversement de fleuve--qui déclenchent des mesures d'adaptation spécifiques (par exemple, renforcer les digues ou construire une nouvelle barrière).

Miami Beach: Systèmes d'élévation et de pompage de routes

Miami Beach, Floride, connaît des inondations de -Sunny Day dues à des marées élevées et à l'élévation du niveau de la mer. La réponse de la ville comprend l'élévation des routes, l'installation de pompes massives et la construction de systèmes de gestion des eaux pluviales qui expliquent une élévation projetée du niveau de la mer de 2 pieds d'ici 2060.

Orientations futures de l'analyse des risques pour le génie côtier

Le terrain s'oriente vers des approches pleinement dynamiques et axées sur les risques qui traitent les risques côtiers comme des systèmes en évolution.

  • Modèles intégrés de systèmes de terre:[ Modèle d'atmosphère, d'océan, d'onde et d'hydrologie pour mieux représenter les événements composés et les boucles de rétroaction.
  • Projections probabilistes de l'élévation du niveau de la mer :[ Dépasser la meilleure estimation unique des valeurs de -- vers des distributions de probabilités complètes qui intègrent l'incertitude dans la dynamique des calottes glaciaires et le réchauffement de l'océan.
  • Lignes de vie et conception dynamique:[ Utiliser une surveillance autonome (p. ex., drones, capteurs) pour mettre à jour les évaluations des risques en temps réel et ajuster les stratégies de gestion adaptative.
  • Intégration de la vulnérabilité sociale:[ Inclure des données socioéconomiques dans la cartographie des risques afin de prioriser les ressources pour les populations les plus à risque.

Les organismes de normalisation mettent également à jour les codes. L'American Society of Civil Engineers (ASCE) a publié un manuel de la pratique 140, -Climate-Resilient Infrastructure, qui fournit des conseils sur l'intégration des projections climatiques dans la conception.

Conclusion

Le changement climatique n'est pas une préoccupation périphérique pour l'ingénierie côtière, mais il redéfinit la pratique fondamentale de l'analyse des risques.La perte de la stationnalité, l'amplification des extrêmes et l'émergence d'événements composés exigent que les ingénieurs dépassent les précédents historiques et adoptent des méthodes prospectives, probabilistes et adaptatives. L'élévation du niveau de la mer, l'intensification des tempêtes et l'évolution des conditions météorologiques continueront de remettre en question les hypothèses qui sous-tendent les infrastructures côtières.