L'élévation du niveau de la mer est l'une des conséquences les plus urgentes des changements climatiques anthropiques, menaçant des milliards de dollars dans les infrastructures côtières du monde entier. Des ports de conteneurs et des raffineries de pétrole aux autoroutes et aux centrales électriques, les atouts qui soutiennent les économies modernes sont de plus en plus menacés. La compréhension exacte de l'impact de la montée des mers sur ces structures critiques n'est plus facultative – il est essentiel pour une planification résiliente, une atténuation des risques et une adaptation à long terme.

Quels sont les modèles hydrodynamiques?

Les modèles hydrodynamiques sont des simulations informatisées qui résolvent les équations fondamentales qui régissent le mouvement des fluides, généralement les équations Navier-Stokes ou leurs approximations en eau peu profonde, pour représenter la façon dont l'eau coule, circule et interagit avec les formes et structures terrestres dans les régions côtières. Ces modèles intègrent une vaste gamme de facteurs physiques, notamment les marées astronomiques, les vagues du vent, les débits fluviaux, les ondes de tempête et les différences de densité dues à la température et à la salinité.

Les modèles hydrodynamiques modernes fonctionnent sur des grilles de calcul qui discrétent le paysage côtier en cellules, chacune avec sa propre élévation, sa rugosité et d'autres propriétés. Le modèle avance dans le temps, résolvant la profondeur et la vitesse de l'eau dans chaque cellule. Cette approche permet la simulation de processus lents et continus comme l'élévation du niveau de la mer et des événements rapides et extrêmes comme les ondes de tempêtes d'ouragans.

Comment les modèles simulent les scénarios de hausse du niveau de la mer

Pour évaluer l'impact de l'élévation du niveau de la mer, les modèles hydrodynamiques sont exploités dans un éventail de scénarios futurs, généralement tirés des projections du modèle climatique mondial produites par le sixième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) . Ces scénarios représentent différentes voies d'émission de gaz à effet de serre, allant de l'atténuation agressive à l'atténuation des effets de l'activité économique au moment habituel, et se traduisent par des augmentations moyennes du niveau de la mer à l'échelle mondiale allant d'environ 0,3 mètre à plus de 1,5 mètre d'ici 2100.

Le processus de modélisation fonctionne comme suit : Premièrement, le modèle hydrodynamique est établi pour la région d'intérêt, avec des conditions de bathymétrie, de topographie et de limites à haute résolution, à partir d'observations ou de modèles globaux. Ensuite, le niveau de la mer est augmenté progressivement en ajoutant un décalage uniforme à l'état de la frontière océanique, ou en imposant des modèles spatiaux différents dérivés de projections régionales du niveau de la mer qui comprennent l'expansion thermique, la fonte glaciaire et les changements de circulation océanique.

Y compris les processus côtiers dynamiques

Par exemple, l'élévation du niveau de la mer peut modifier la propagation des marées dans les estuaires, ce qui peut augmenter l'aire de marée dans les eaux intérieures. Les hauteurs des ondes de tempête peuvent augmenter de façon non linéaire si l'élévation du niveau de la mer permet aux vagues d'atteindre plus loin à terre. Certains modèles intègrent des processus morphodynamiques — le transport et l'érosion des sédiments — qui peuvent remodeler les îles et les dunes de barrière, modifier le niveau de protection qu'elles offrent.

Entrées de données et demandes de calcul

Les simulations hydrodynamiques à haute fidélité exigent des données d'entrée détaillées.

  • Bathymétrie et topographie[ – Données précises sur l'élévation des surfaces sous-marines et terrestres, généralement tirées de relevés LiDAR, de sonar multifaisceaux ou de modèles numériques globaux d'élévation tels que USGS produits d'élévation côtière.
  • Conditions limites de l'océan[ – Séries chronologiques de niveaux et de courants d'eau aux bords du domaine modèle, souvent dérivés de bases de données mondiales ou régionales sur les marées et de modèles océaniques opérationnels.
  • Forçage atmosphérique – Vitesse du vent, direction du vent et champs de pression atmosphérique, particulièrement important pour simuler les ondes de tempête.
  • Décharge de rivière[ – Données quotidiennes ou horaires sur les débits des principales rivières, y compris les tendances saisonnières et les volumes d'inondation extrêmes.
  • [Plans d'infrastructure – Emplacements et altitudes des routes, des bâtiments, des murs de mer, des systèmes de drainage et des installations essentielles pour évaluer l'exposition.

Comme les modèles hydrodynamiques résolvent plus de centaines de milliers, voire des millions de cellules de grille pendant de longues périodes de simulation, les exigences de calcul sont élevées. Un modèle typique pour une zone côtière métropolitaine sur une année de temps de simulation peut nécessiter des heures ou des jours sur un groupe de calcul à haute performance.

Validation des résultats du modèle par rapport aux observations

Avant de pouvoir se fier aux modèles hydrodynamiques pour la planification des décisions, leurs résultats doivent être validés en profondeur par rapport aux mesures réelles. La validation consiste généralement à comparer les niveaux d'eau, les courants et les niveaux d'inondation modélisés avec les données des marégraphes, des profileurs acoustiques du courant Doppler, des bouées d'onde et de l'altimétrie satellite.

Les mesures de validation communes comprennent l'erreur carrée moyenne racine (RMSE), le biais et les scores de compétence comme l'indice d'accord Willmott. Un modèle bien étalonné pour une région donnée peut obtenir des erreurs de niveau d'eau de moins de 10 à 20 centimètres pour les marées et de moins de 10 % pour les hauteurs de surtension.

Applications aux infrastructures côtières

Les modèles hydrodynamiques fournissent des renseignements exploitables dans de nombreux secteurs d'infrastructure :

Ports et ports

L'élévation du niveau de la mer réduit le dégagement sous les ponts et les grues à conteneurs, raccourcit le temps de chargement autorisé pour les navires et accroît le risque d'inondation du quai pendant les marées et les tempêtes. Les modèles simulent comment les opérations dans les principaux ports – comme le port de Rotterdam ou le port de Shanghai – peuvent être interrompues selon différents scénarios de niveau de la mer.

Réseaux de transport

Les modèles hydrodynamiques peuvent cartographier la période de retour des inondations pour chaque tronçon de route après avoir pris en compte l'élévation du niveau de la mer. Par exemple, un modèle pourrait montrer qu'une marée montante dans un scénario de +0,5 mètre pourrait dépasser le corridor I-95 à Miami presque chaque année d'ici 2050, ce qui inciterait les responsables à envisager des routes surélevées, des portes de marée ou des réacheminements.

Infrastructure énergétique

Les modèles hydrodynamiques évaluent comment l'élévation du niveau de la mer se combine avec l'onde de tempête pour menacer les prises d'eau de refroidissement, les intercalaires électriques et les générateurs de secours. À New York, les données de la modélisation hydrodynamique ont aidé à durcir le centre d'énergie de Indian Point après Superstorm Sandy, en augmentant l'équipement critique et en installant des barrières d'inondation.

Traitement des eaux et des eaux usées

Les usines de traitement des eaux usées sont particulièrement vulnérables aux inondations côtières parce qu'elles doivent exploiter des égouts à la gravité. L'inondation peut causer des égouts, la contamination et l'arrêt des installations.

Études de cas : Modélisation hydrodynamique en action

Miami-Dade Comté, Floride

Les responsables du comté ont utilisé un modèle Delft3D à haute résolution pour simuler les inondations sous 1 à 3 pieds de hauteur. Le modèle a incorporé le forçage des marées, le ruissellement des précipitations et la dynamique des eaux souterraines pour produire des cartes détaillées de l'étendue des inondations pour chaque district. Les résultats ont montré que, sans adaptation, plus de 30 % des routes principales du comté et 50 % de ses conduites d'eau seraient en danger d'ici 2060. Le comté a réagi en soulevant des lits de route, en installant des pompes et des portes à volets et en exigeant que les nouveaux bâtiments aient une altitude du premier étage de 3 pieds au-dessus de l'altitude actuelle des inondations.

Bangkok (Thaïlande)

Bangkok est en train de sombrer grâce à l'extraction des eaux souterraines à un rythme allant jusqu'à 5-10 mm par an, ce qui aggrave les effets de l'élévation du niveau de la mer mondiale. Des chercheurs de l'Université de technologie de Delft ont utilisé un modèle hydrodynamique et hydro-hydraulique couplé pour simuler les risques d'inondations sous la subsidence combinée et l'élévation du niveau de la mer.

Pays-Bas : Planification à long terme du delta

Aucun pays n'a investi plus dans la modélisation hydrodynamique que les Pays-Bas. Le programme du delta néerlandais utilise une suite de modèles à l'échelle nationale pour évaluer les scénarios d'élévation du niveau de la mer jusqu'à 2 mètres et au-delà. Les modèles simulent la réponse des énormes barrages de tempête Delta Works, la capacité de déversement du Rhin et l'intrusion d'eau salée dans les polders agricoles.

Limitations et incertitudes

Bien que les modèles hydrodynamiques soient puissants, ils ne sont pas des boules de cristal.

  • Incertitude du scénario – Les émissions futures de gaz à effet de serre dépendent du comportement humain, qui ne peut être prédit.Les modèles doivent donc présenter une gamme de résultats plausibles, et non une seule prévision.
  • Dynamique des plaques de glace – La contribution des plaques de glace du Groenland et de l'Antarctique à l'élévation du niveau de la mer demeure l'un des plus grands inconnus. Certains secteurs marins de la nappe glaciaire de l'Antarctique occidental peuvent s'effondrer, ajoutant des mètres d'élévation du niveau de la mer en quelques siècles.
  • Mouvement vertical local de la terre – La subsidence ou le soulèvement de la terre peut soit aggraver ou compenser l'élévation du niveau de la mer.
  • – Les grilles grossières ne tiennent pas compte des canaux étroits, des petites caractéristiques côtières et des bâtiments individuels qui influent sur le débit d'eau. Les modèles à haute résolution sont à forte intensité de données et coûtent cher, de sorte que des compromis sont nécessaires.
  • Les rétroactions biotiques et morphologiques – Les mangroves, les récifs coralliens et les marais salants peuvent atténuer les vagues et augmenter avec le niveau de la mer, mais de nombreux modèles simplifient ou ignorent ces écosystèmes.

Ces incertitudes n'invalident pas les résultats du modèle, mais exigent une communication attentive. Les planificateurs devraient utiliser des approches d'ensemble – en cours de réalisation de nombreux modèles ou de nombreux scénarios – et traiter les projections comme des probabilités plutôt que des absolus.

Orientations futures de la modélisation hydrodynamique

Plusieurs tendances sont en passe d'améliorer la pertinence des modèles hydrodynamiques pour la prise de décision en matière d'infrastructures côtières:

Apprentissage automatique et émulation

Les modèles hydrodynamiques complets sont trop lents pour l'évaluation des risques en temps réel ou pour explorer des milliers d'options d'adaptation.Les émulateurs d'apprentissage automatique formés sur les sorties de modèles peuvent reproduire le comportement essentiel d'un modèle en millisecondes.Ces émulateurs permettent des outils interactifs « et si » que les planificateurs peuvent utiliser pour tester différents taux d'élévation du niveau de la mer, intensités de tempête et conceptions d'intervention.

Modélisation intégrée

La plupart des modèles hydrodynamiques sont autonomes, mais la physique du monde réel est en rapport avec les systèmes socio-économiques.Les efforts de la prochaine génération intègrent les sorties hydrodynamiques avec les modèles de réseau d'infrastructure (p. ex., réseaux électriques, réseaux de transport) et les modèles de dommages économiques.

Données satellitaires à haute résolution

De nouvelles missions satellitaires telles que SWOT (Surface Water and Ocean Topographie) offrent une couverture mondiale sans précédent des élévations de surface de l'eau. Lorsqu'elles sont assimilées à des modèles hydrodynamiques, ces données améliorent les conditions limites et permettent une meilleure validation.

Modélisation communautaire

Pour que les stratégies d'adaptation soient équitables, les produits modèles doivent être accessibles aux intervenants locaux.Les plateformes Web comme Deltares OpenEarth et l'application de résilience côtière permettent de visualiser les résultats hydrodynamiques de manière à ce que les non-experts puissent les explorer.

Conclusion

Les modèles hydrodynamiques sont les seuls outils qui permettent de traduire les projections climatiques mondiales en données locales, actionnables, dont les ingénieurs et les décideurs ont besoin. En simulant les marées, les vagues, les ondes de tempête et les débits fluviaux avec une grande fidélité, ces modèles révèlent précisément quelles routes inonderont, quelles sous-stations seront courtes, quels ports doivent élever leurs défenses. Ils évoluent également – en intégrant davantage de processus, en fonctionnant plus rapidement et en s'intégrant à des modèles économiques et écologiques – pour donner des images toujours plus réalistes de l'avenir.