Plan de Prévention des Risques Naturels Multirisques : … · houle, qui permettent de transformer les événements de référence au large en conditions près de la côte. Le chapitre

Plan de Prévention des RisquesNaturels Multirisques : submersion

marine, inondations par débordementde cours d'eau et chutes de blocs de la

région cherbourgeoise

Tranche Conditionnelle 5———————

Phase 2 Caractérisation des aléas : Modélisation descouples extrêmes de houles et niveaux d'eau

———————

Direction Départementale des Territoires et de la Mer de La Manche

Bureaux d'études Alp’Géorisques et IMDC

Version 2.0 Août 2016

PRÉFET DE LA MANCHE

Résumé :

Ce rapport présente les résultats de modélisation de houle, qui permettent de transformer les événements de référence au large en conditions près de la côte.

Le chapitre 1 est une introduction du projet PPRL.

Le chapitre 2 présente l'objectif du rapport.

Le chapitre 3 présente un rappel des études précédentes.

Le chapitre 4 présente les résultats de la modélisation de houle.

Le chapitre 5 décrit la méthode de calcul du setup (surcote due à la houle).

Le chapitre 6 récapitule sur les incertitudes autour du niveau marin de référence.

Le chapitre 7 conclut sur les événements de référence choisis.

PPRN multirisques de la région cherbourgeoise Août 2016TC 2 : Phase 2 caractérisation des aléas : Evénements de référence au large

TABLE DES MATIÈRES

1 INTRODUCTION.....................................................................................................................................7

1.1 Contexte de l'étude..........................................................................................................................7

1.2 Objet de l'étude...............................................................................................................................7

1.3 Démarche de l'étude.......................................................................................................................7

1.4 Structure du rapport.........................................................................................................................9

2 Objectif du rapport.................................................................................................................................10

3 Rappel sur l'analyse historique et statistique........................................................................................11

4 Modèle de houle....................................................................................................................................12

4.1 Modèle SWAN...............................................................................................................................12

4.2 Bathymétrie et maillage.................................................................................................................13

4.3 Données d'entrée..........................................................................................................................164.3.1 Houle.....................................................................................................................................16

4.3.1.1 Période de la houle........................................................................................................164.3.1.2 Direction de la houle......................................................................................................18

4.3.2 Vent........................................................................................................................................184.3.3 Niveau d'eau..........................................................................................................................19

4.4 Calibration du modèle...................................................................................................................19

4.5 Modélisation des conditions extrêmes..........................................................................................224.5.1 Résumé des conditions aux limites.......................................................................................224.5.2 Résultats................................................................................................................................24

5 Calcul du Setup.....................................................................................................................................27

5.1 Situation.........................................................................................................................................27

5.2 Méthodes.......................................................................................................................................28

5.3 Comparaison avec mesures..........................................................................................................295.3.1 Evénements historiques........................................................................................................295.3.2 Approche retenue pour la côte..............................................................................................305.3.3 Approche retenue pour le port...............................................................................................31

5.4 Résultats........................................................................................................................................35

6 Incertitudes............................................................................................................................................38

7 Sélection de l'événement de référence.................................................................................................40

8 Références............................................................................................................................................42

9 ANNEXES..............................................................................................................................................44ANNEXE A- Champs de propagation de houle.................................................45

A.1T100........................................................................................................46A.2T10..........................................................................................................48A.3T1000......................................................................................................50

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TABLE DES TABLEAUX

Tableau 4.1 : Tempêtes modélisées pour la calibration du modèle de houle...........................................21

Tableau 4.2: Conditions aux limites pour la période de retour T10 et une élévation du niveau marin de20 cm........................................................................................................................................................23

Tableau 4.3: Conditions aux limites pour la période de retour T100 ans et une élévation du niveau marinde 20 cm...................................................................................................................................................23

Tableau 4.4: Conditions aux limites pour la période de retour T1000 ans et une élévation du niveaumarin de 20 cm.........................................................................................................................................24

Tableau 5.1 : Conditions hydro-météorologiques des événements historiques.......................................30

Tableau 5.2 : Setup estimé à Cherbourg par rapport au large pour les événements historiques.Sources: niveau marin REFMAR (port militaire), données historiques Grontmij (2013), topographieLidar..........................................................................................................................................................30

Tableau 5.3 : Setup calculé et mesuré à Cherbourg pour les événements historiques. Calcul dans leport à titre indicatif (2008).........................................................................................................................31

Tableau 5.4 : Surcote et niveau marin total [m IGN] pour les couples T100 de l’analyse statistique, horsmarges pour les incertitudes et pour le changement climatique..............................................................36

Tableau 5.5 : Niveau marin de référence [m IGN] et ses différentes composantes à la côte, dans lapetite rade et dans la grande rade...........................................................................................................37

Tableau 5.6 : Niveau marin extrême au large pour le secteur de Cherbourg d’après l’étude du SHOM(2012).......................................................................................................................................................37

Tableau 7.1: Evénements de référence pour l'établissement de la cartographie de l'aléa de submersion(L: littoral, R: grande et petite rade, C: bassin du Commerce et avant-port)...........................................41

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TABLE DES FIGURES

Figure 4.1: Bathymétrie du modèle de houle global et points ANEMOC.................................................15

Figure 4.2: Bathymétrie de la zone d'étude et points de sortie du modèle..............................................15

Figure 4.3: Maillage du modèle global.....................................................................................................16

Figure 4.4: Maillage de la zone d'étude...................................................................................................16

Figure 4.5: Régression linéaire de la période de pic en fonction de la hauteur de houle au pointANEMOC 1154 – Secteur Ouest (210°N-340°N).....................................................................................18

Figure 4.6: Régression linéaire de la période de pic en fonction de la hauteur de houle au pointANEMOC 1154 – Secteur Restant (340°N-210°N)..................................................................................18

Figure 4.7: Régression linéaire de la vitesse du vent en fonction de la hauteur de houle au large –Secteur Ouest (210°N-340°N), limites médiane, haute et basse.............................................................19

Figure 4.8: Régression linéaire de la vitesse du vent en fonction de la hauteur de houle au large –Secteur Restant (340°N-210°N), limites médiane, haute et basse..........................................................20

Figure 4.9: Comparaison des hauteurs de houle modélisées à celles du point ANEMOC 2791.............22

Figure 4.10 : Champ de houle pour le couple de hauteur de houle maximale d'un événement T100,secteur Ouest...........................................................................................................................................26

Figure 4.11 : Champ de houle pour le couple de hauteur de houle maximale d'un événement T100,secteur Ouest. Zoom sur la zone d'étude................................................................................................26

Figure 4.12 : Champ de houle pour le couple de hauteur de houle maximale d'un événement T100,secteur Restant........................................................................................................................................27

Figure 4.13 : Champ de houle pour le couple de hauteur de houle maximale d'un événement T100,secteur Restant. Zoom sur la zone d'étude..............................................................................................27

Figure 5.1 : Exemple de niveau instantané mesuré à la station Javain (bleu), dans le port militaire deCherbourg (rouge) et différence (magenta).............................................................................................33

Figure 5.2 : Exemple de niveau de haute mer mesuré à la station Javain (rouge), dans le port militairede Cherbourg (bleu) et différence (magenta)...........................................................................................34

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Figure 5.3 : Différence de niveau entre la station Javain et le port militaire (en haut), et débit de laDivette (en bas). Effet de la marée illustré dans le cadre bleu, effet du débit illustré dans le cadre rouge...................................................................................................................................................................35

Figure 6.1 : Augmentation observée du niveau de la mer comparé à d'anciennes projections du GIEC(source: MEDDTL, 2012).........................................................................................................................40

Figure 6.2 : Projections d'augmentation du niveau de la mer (GIEC, 2015)............................................40

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1 INTRODUCTION

1.1 CONTEXTE DE L'ÉTUDE

La Direction Départementale des Territoires et de la Manche a en charge l’élaboration des Plans dePrévention des Risques Naturels (PPRN) du bassin de la Divette et du Trottebec. Elle a confié laréalisation des études techniques des aléas littoraux sur les communes d'Urville-Nacqueville, deQuerqueville, d'Equeurdreville-Hainneville, de Cherbourg-Octeville et de Tourlaville à Alp’Géorisques etIMDC.

1.2 OBJET DE L'ÉTUDE

L'étude doit aboutir à une caractérisation précise des aléas littoraux et plus particulièrement de lasubmersion marine, de l’érosion du trait de côte et de la migration dunaire présents sur le territoire descommunes concernées ainsi, qu'à l'établissement de cartographies de ces dernières en vue del'établissement du PPRN couvrant la zone étudiée.

1.3 DÉMARCHE DE L'ÉTUDE

La partie de la mission concernant la submersion marine comporte plusieurs phases :

TC 1: Analyse du site volet submersions marines.

L'analyse du site permet de connaître :

les phénomènes naturels entrant en jeu sur le périmètre d'étude ;

l'historique des événements majeurs et de leurs conséquences ;

la description du trait de côte (recensement des ouvrages de défense notamment).

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Une carte informative des phénomènes naturels sera ainsi élaborée. Cette analyse sera réalisée surl'ensemble du littoral de la zone d’étude. La compréhension du fonctionnement des secteursgéographiques permettra de choisir les hypothèses et la méthode de caractérisation des aléas les plusadaptées.

TC 2: Caractérisation des différents aléas volet submersions marines. Cette tranche 2 consiste à :

définir l’événement de référence ;

caractériser l’aléa de submersion marine ;

caractériser l’aléa d’évolution du trait de côte et d’avancées dunaires ;

décrire les ouvrages de protection.

Cette phase permet ainsi d'élaborer la carte des aléas.

Selon les besoins, qui seront identifiés à la fin, de la TC1, les tranches conditionnelles TC3, TC4, TC5,TC6 et TC7 pourront être déclenchées :

TC 3 : Rédaction d’un cahier des charges pour la topographie ;

TC 4 : Rédaction d’un cahier des charges pour la bathymétrie ;

TC 5 : Modélisation propagation de la houle au large ;

TC 6 : Modélisation de la submersion marine ;

TC 7 : Modélisation hydrosédimentaire.

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1.4 STRUCTURE DU RAPPORT

Le rapport est structuré comme suit :

• Chapitre 2 : objectif du rapport

• Chapitre 3 : Rappel des études précédentes

• Chapitre 4 : Modélisation de la propagation de la houle vers la côte

• Chapitre 5 : Calcul du setup (surcote due à la houle)

• Chapitre 6 : Récapitulatif de la prise en compte des incertitudes

• Chapitre 7 : Choix de l'événement de référence à la côte

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2 OBJECTIF DU RAPPORT

Les événements de référence au large de la zone d'étude ont été déterminés dans le rapport de phase2 – Événement de référence au large (IMDC, 2015a), à partir d'une analyse statistique des valeursextrêmes. Ces événements sont caractérisés par deux paramètres, le niveau d'eau et la hauteursignificative des vagues. Ces paramètres sont définis au large mais leur caractérisation à la côte estnécessaire pour connaître les volumes de franchissement possibles et le risque de submersion.L'événement retenu (pour chaque scénario) est alors l'événement le plus pénalisant en termes desubmersion, ce qui revient à dire le plus pénalisant en termes de volumes entrants.

L'objectif de ce rapport est donc de présenter les événements de référence à la côte en termes dehauteur de houle et de niveau d'eau, ceci afin de pouvoir calculer les volumes entrants et ainsi desélectionner les événements de référence les plus pénalisants pour la modélisation de la submersionmarine. Cela est réalisé pour les scénarios suivants :

• Scénario de référence (basé sur T100), marge de 20 cm de niveau d'eau pour tenir compte del'augmentation du niveau de la mer à court terme ;

• Scénario à échéance 100 ans (basé sur T100), marge de 60 cm de niveau d'eau pour tenircompte de l'augmentation du niveau de la mer à long terme ;

• Scénario fréquent (basé sur T10), marge de 20 cm de niveau d'eau pour tenir compte del'augmentation du niveau de la mer à court terme ;

• Scénario extrême (basé sur T1000), marge de 20 cm de niveau d'eau pour tenir compte del'augmentation du niveau de la mer à court terme.

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3 RAPPEL SUR L'ANALYSE HISTORIQUE ET STATISTIQUE

Les événements de référence au large ont été estimés à partir d'une analyse statistique multivariée(hauteur de houle au large Hs, niveau d’eau au large Z0) et multidirectionnelle (IMDC & Alp'Géorisques,2016a). En effet la combinaison de la hauteur de houle et du niveau d'eau est critique pour les calculsde setup, de franchissement et de submersion. Elle résulte pour chaque direction (secteur Ouest etsecteur Restant) en une série de couples au large (Hs, Z0) de période de retour de 10, 100 et1000 ans. Les événements historiques au large ont ensuite été comparés aux couples de période deretour de 100 ans au large. Les tempêtes du 28 février 1990 et du 10 mars 2008 ont une période deretour de l'ordre de ou légèrement supérieur à 100 ans. Ces événements sont donc potentiellement desévénements de référence marin.

La concomitance entre les inondations fluviales et marines a été analysée de manière similaire à partirdu niveau d'eau au large Z0 et du débit Q de la Divette ou du Trottebec. Les crues historiques ontensuite été comparées aux couples (Z0, Q) de période de retour 100 ans. La crue de 2010 a unepériode de retour nettement supérieure à 100 ans et est choisie comme événement de référencefluvial.

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4 MODÈLE DE HOULEUn modèle de propagation de la houle est nécessaire pour convertir les houles au large en conditionsprès de la côte. Les données du point ANEMOC 1154 utilisé pour l’analyse statistique sont appliquéescomme conditions aux limites. La propagation de la houle est appliquée en tenant compte des 20 cmd’élévation du niveau de la mer à court terme.

Les hauteurs de houle obtenues à la côte sont ensuite utilisées dans les calculs d'érosion et defranchissement des digues et des dunes.

4.1 MODÈLE SWAN

SWAN est un modèle de houles dit de troisième génération, permettant de propager des houles enzones côtières, lacs et estuaires à partir de conditions de vent, de houles au large et de bathymétrie. Lemodèle SWAN est développé par l’Université Technique de Delft (TU Delft).

Les principaux processus de propagation de la houle sont pris en compte par SWAN :

• Propagation des vagues dans l’espace ;

• Réfraction due aux variations spatiales des fonds et des courants ;

• Shoaling (gonflement) dû aux variations spatiales des fonds et des courants.

Les principaux processus de génération et de dissipation de houles sont pris en compte par SWAN :

• Génération par le vent ;

• Dissipation par moutonnement ;

• Dissipation par déferlement ;

• Dissipation par friction sur le fond ;

• Interactions entre les houles non linéaires.

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Les calculs de SWAN peuvent être effectués sur un maillage irrégulier, adaptant parfaitement ce logicielaux conditions du port de Cherbourg. SWAN fournit, entre autre, les valeurs suivantes en chaque pointdu maillage :

• Spectre d’état de mer ;

• Hauteur de houle significative, période de pic, période moyenne ;

• Direction de la houle et dispersion directionnelle ;

• Pourcentage de déferlement.

4.2 BATHYMÉTRIE ET MAILLAGE

Le modèle couvre la partie Nord du Cotentin, depuis la pointe de la Hague à l'Ouest jusqu'à la pointede Barfleur à l'Est. L’étendue du modèle a été choisie en raison des deux points suivants :

• Les données du point ANEMOC Coast-1154 sont utilisées comme conditions aux limites dumodèle. La frontière Nord du modèle correspond donc à la bathymétrie à laquelle ce point estsitué ;

• Les données du point ANEMOC Coast-2791 sont utilisées pour la calibration du modèle;

• En raison des directions principales de houle à modéliser (280°N et 50°N), il faut une certainedistance depuis les frontières Ouest et Est du modèle pour que le phénomène de réfraction deshoules (changement de la direction des houles du à la variation de la bathymétrie) jusqu'à lazone d'étude soit visible.

La bathymétrie appliquée au modèle est présentée dans la Figure 4.1. Un zoom sur la zone d'étude estprésenté dans la Figure 4.2. La bathymétrie au large et dans certaines zones de la rade de Cherbourgest issue des données C-Map, la bathymétrie le long de la côte est issue des données RGE-Alti (Lidar),et enfin une partie de la bathymétrie de la rade de Cherbourg est issue de levés bathymétriques.

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Figure 4.1: Bathymétrie du modèle de houle global et points ANEMOC

Figure 4.2: Bathymétrie de la zone d'étude et points de sortie du modèle


La taille des mailles du modèle varie graduellement en fonction de l’approche de la côte, avec une tailleau large de 1 km, et une taille dans la zone d'étude variant de 30 à 10 mètres. Le maillage du modèleest présenté dans la Figure 4.3, un zoom sur la zone d'étude est présenté dans la Figure 4.4.

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Figure 4.3: Maillage du modèle global

Figure 4.4: Maillage de la zone d'étude


4.3 DONNÉES D'ENTRÉE

4.3.1 HOULE

Les conditions de houle extrême sont déterminées pour des périodes de retour de 10, 100 et 1000 anspar une analyse statistique de la hauteur de houle significative au point ANEMOC Coast-1154 (IMDC etAlp'Géorisques, 2016a).

Les paramètres d’entrée concernant la houle sont les suivants :

• Hauteur de houle significative, issue de l’analyse statistique au point ANEMOC Coast-1154 ;

• Période moyenne de la houle, obtenue à partir d’une régression linéaire au point ANEMOCCoast-1154 entre la hauteur de houle significative et la période moyenne (Figure 4.5 et Figure4.6) ;

• Direction de la houle, correspondant à la direction la plus fréquente des tempêtes (voir§4.3.1.2).

Hauteur de houle significative

La hauteur de houle significative à modéliser est issue de l’analyse statistique des hauteurs de houle(IMDC et Alp'Géorisques, 2016a). Les hauteurs de houle ont été déterminées pour des périodes deretour de 10, 100 et 1000 ans.

4.3.1.1 Période de la houle

Pour déterminer la période de la houle correspondant aux hauteurs de houle significatives à simuler,une régression linéaire entre la hauteur et la période de la houle a été établie sur la base des hauteursde houle extrêmes.

Cette régression linéaire est réalisée pour les deux secteurs à modéliser : secteur Ouest, et secteurRestant, et est présentée en Figure 4.5 et Figure 4.6.

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Figure 4.5: Régression linéaire de la période de pic en fonction de la hauteur de houle au pointANEMOC 1154 – Secteur Ouest (210°N-340°N)

Figure 4.6: Régression linéaire de la période de pic en fonction de la hauteur de houle au pointANEMOC 1154 – Secteur Restant (340°N-210°N)


4.3.1.2 Direction de la houle

La direction de la houle correspondant aux hauteurs de houle significatives à simuler correspond à ladirection la plus fréquente pour les tempêtes selon les deux secteurs étudiés:

• Secteur Ouest : la direction de 280°N est la plus fréquente ;

• Secteur Restant : la direction de 50°N est la plus fréquente.

Ces deux directions sont donc modélisées.

4.3.2 VENT

Pour déterminer la vitesse du vent correspondant aux hauteurs de houle significatives à simuler, unerégression linéaire entre la hauteur de la houle au point ANEMOC 1154 et la vitesse du vent sur labouée OCEANOR a été établie sur la base des hauteurs de houle extrêmes.

Cette régression linéaire est réalisée pour les deux secteurs à modéliser : le secteur Ouest (210°N à340°N), et le secteur Restant (-20°N-210°N), et est présentée en Figure 4.7 et Figure 4.8. La valeurretenue pour la modélisation (min, moyenne, max) est choisie à l'issue de la calibration du modèle.

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Figure 4.7: Régression linéaire de la vitesse du vent en fonction de la hauteur de houle au large –Secteur Ouest (210°N-340°N), limites médiane, haute et basse


4.3.3 NIVEAU D'EAU

Les niveaux d’eau extrêmes sont obtenus de l’analyse statistique. Les niveaux d’eau ont étédéterminés pour des périodes de retour de 10, 100 et 1000 ans. Les couples de surcotes extrêmesavec des événements de houles extrêmes sont étudiés en appliquant la copule de Gumbel. Lessurcotes extrêmes de ces couples sont combinées avec toutes les pleines mers astronomiques parconvolution, pour obtenir les niveaux d’eau totaux.

Pour chaque période de retour, plusieurs couples de hauteur de houle significative et de niveau d’eauont été retenus. Ces couples sont résumés dans les tableaux 4.2 à 4.4.

4.4 CALIBRATION DU MODÈLE

Afin de valider le modèle de propagation de la houle, l’étape de calibration est cruciale. Cette étape apour but de sélectionner les bons paramètres d’entrée du modèle en simulant des tempêtes et encomparant les résultats obtenus en différents points avec des données réelles.

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Figure 4.8: Régression linéaire de la vitesse du vent en fonction de la hauteur de houle au large –Secteur Restant (340°N-210°N), limites médiane, haute et basse


Les mesures des bouées CANDHIS ne peuvent pas être utilisées pour la calibration car elles enrecoupent pas la période de disponibilité des données ANEMOC utilisées comme conditions auxlimites.

Le point ANEMOC Coast-2791 a donc été sélectionné pour la calibration car il se situe en face de lazone d'étude (voir Figure 4.1). Ce point indique les hauteurs de houle issues de simulationsrétrospectives sur une période de 23 ans avec un modèle de houle TOMAWAC calibré. Les hauteursde houle en ce point sont donc comparées avec celles obtenues avec le modèle pour plusieurstempêtes historiques couvrant les différentes directions de houle.

Les tempêtes ont alors été modélisées en utilisant différents paramètres d’entrée, tels que lesformulations de propagation, les vitesses de vent, etc.

Les paramètres permettant d’obtenir les hauteurs de houle les plus proches de la réalité ont été définiscomme étant :

• Formulation de Komen pour la propagation des houles, en mode 3ème génération ;

• Formulation de Komen pour le moutonnement ;

• Déferlement induit par faibles fonds ;

• Houles du secteur Ouest :

• Vitesse de vent basse (issue de la régression linéaire avec la hauteur des houles) ;

• Spectre de Pierson-Moskovitz (valable pour des conditions de houle Atlantique);

• Houles du secteur Restant :

• Vitesse de vent moyenne (issue de la régression linéaire avec la hauteur des houles) ;

• Spectre de Jonswap (valable pour des conditions de mer de vent en Manche et Mer du Nord);

Les tempêtes modélisées sont présentées au Tableau 4.1. Les résultats de la calibration en utilisantces paramètres sont résumés dans la Figure 4.9, qui montre que le modèle surestime la hauteur dehoule au point 2791 de l'ordre de 3 %.

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Tableau 4.1 : Tempêtes modélisées pour la calibration du modèle de houle

Secteur Date Hauteur de houlesignificative [m]

Direction [°N]

Ouest 15/12/1979 8.88 268

Ouest 25/10/1992 7.28 280

Ouest 4/1/1998 7.17 271

Restant 20/2/1996 5.33 23

Restant 10/12/1990 4.22 12

Restant 17/12/1997 4.17 82

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Figure 4.9: Comparaison des hauteurs de houle modélisées à celles du point ANEMOC 2791


4.5 MODÉLISATION DES CONDITIONSEXTRÊMES

4.5.1 RÉSUMÉ DES CONDITIONS AUX LIMITES

Les conditions extrêmes modélisées sont résumées dans les tableaux 4.2 à 4.4. Les niveaux d’eauindiqués dans ces tableaux prennent en compte l’élévation à court terme due au changementclimatique (20 cm).

Ces conditions sont uniformément réparties le long des courbes d’isoprobabilité de l'analyse statistique(IMDC et Alp'Géorisques, 2016a).

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Tableau 4.2: Conditions aux limites pour la période de retour T10 et une élévation du niveau marin de 20 cm

Niveau d'eau [m IGN] Hauteur de houle [m] Direction [°N]

T10ans / SecteurOuest / élévation

changementclimatique +20 cm

4.10 4.06 280

3.92 5.52 280

3.72 6.47 280

3.52 7.05 280

3.12 7.78 280

2.72 8.14 280

2.42 8.32 280

T10ans / SecteurRestant / élévation


3.57 3.06 50

3.42 3.46 50

3.22 3.85 50

3.02 4.15 50

2.71 4.40 50

2.32 4.58 50

1.92 4.71 50

Tableau 4.3: Conditions aux limites pour la période de retour T100 ans et une élévation du niveau marin de 20 cm




4.38 4.10 280

4.22 6.25 280

4.01 7.71 280

3.81 8.55 280

3.42 9.49 280

2.93 10.08 280

2.42 10.36 280



3.83 3.16 50

3.72 3.90 50

3.52 4.55 50

3.32 4.95 50

2.92 5.45 50

2.52 5.64 50

1.92 5.80 50

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Tableau 4.4: Conditions aux limites pour la période de retour T1000 ans et une élévation du niveau marin de 20 cm




4.61 4.50 280

4.52 6.70 280

4.42 7.89 280

4.22 9.20 280

3.94 10.37 280

3.52 11.32 280

2.92 11.88 280



3.91 3.87 50

3.82 4.65 50

3.72 5.16 50

3.51 5.75 50

3.21 6.21 50

2.72 6.53 50

1.92 6.70 50

4.5.2 RÉSULTATS

Chaque condition extrême indiquée dans les tableaux 4.2 à 4.4 a été propagée jusqu'à la zone d'étudeà l’aide du modèle SWAN présenté précédemment.

De ces simulations les paramètres de houle (hauteur et période) sont obtenus le long de la côte de lazone d'étude.

Les résultats de propagation de houle sont présentés pour le couple de hauteur de houle maximaledans les figures en ANNEXE A. Ces champs de houle sont présentés pour l'événement T100 auxFigure 4.10 à Figure 4.13.

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Figure 4.10 : Champ de houle pour le couple de hauteur de houle maximale d'un événement T100, secteur Ouest.

Figure 4.11 : Champ de houle pour le couple de hauteur de houle maximale d'un événement T100,secteur Ouest. Zoom sur la zone d'étude.


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Figure 4.12 : Champ de houle pour le couple de hauteur de houle maximale d'un événement T100,secteur Restant.

Figure 4.13 : Champ de houle pour le couple de hauteur de houle maximale d'un événement T100,secteur Restant. Zoom sur la zone d'étude.


5 CALCUL DU SETUPLe niveau d'eau à la côte est plus élevé qu'au large en raison de la surcote due au déferlement de lahoule, ou “setup”. Ce chapitre détaille la méthode de calcul du setup.

5.1 SITUATION

Le setup (surcote) dû à la houle est important en situation dissipative et moindre voire absent ensituation réflexive (DGPR, 2013, p72). Une situation dissipative se caractérise par un fort déferlementde la houle et typiquement par une faible pente du lit marin (par exemple larges plages sableuses). Unesituation réflexive se caractérise par une forte réflexion de l’énergie de houle (faible déferlement),typiquement par une forte pente du lit marin (digue en eau profonde, quais). Le setup dépend aussifortement du profil de la plage et diminue avec la cambrure de la houle. Enfin le setup est maximal pourune houle à incidence nulle, et théoriquement nul pour une houle à incidence 90°.

On s’attend à la présence de setup le long du littoral exposé, potentiellement réduit par la relativementforte pente de la côte (en particulier des sections rocheuses). Dans le port de Cherbourg (grande radeet petite rade), on ne s’attend pas à une surcote due à la houle. En effet la profondeur est importante etla fraction de la houle pénétrant dans la grande rade déferle sur les digues ou est réfléchie contre lesquais. Les cotes de submersion relevées dans le bassin du Commerce lors des événements de 1990 etde 2008 suggèrent l’absence d’autres phénomènes importants pouvant causer une surcote, telle uneonde stationnaire. Pour en être certain, les niveaux d’eau relevés à la station de pompage Javain sontcomparés au niveau « au large » dans le port militaire.

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5.2 MÉTHODES

Toutes les méthodes de calcul du setup sont établies pour des plages. Les méthodes suivantes sontidentifiées (CETMEF, 2009 ; DGPR, 2013) :

Battjes (1974) : fondé sur la théorie de la houle linéaire pour des conditions de houle à la lignede déferlement, valide pour une houle régulière à incidence normale

η=516* γbrHbr

soit typiquement 0.9 m pour un index de déferlement γ br=0.73 et une hauteur de houleH br=4m

Bowen et al. (1968) : fondé sur la théorie de la houle linéaire pour des conditions de houle à laligne de déferlement, cette formule tient compte du setup dans l’index de déferlement

η=1

1+8

3 γbr2

* hb r

soit également 0.9 m pour un index de déferlement γ br=0.73 et une hauteur de houle H br=4m

Hanslow et Nielsen (1992) : fondé sur des mesures de terrain et des simulations numériques pourune houle irrégulière, en situation dissipative, pour des conditions de houle en eau profonde, maisprésentant encore une grande dispersion des données (R=0.77, correspondant à une fourchettede 0.5-1.5 fois la valeur prédite)

η=0.048√H 0 rms L0

L0=gT 2

2π

soit 0.6 m pour une hauteur de houle H 0rm s=2.83m (Hs=4 m) et une période de houle T=6 s

Goda (2000) : abaque prédisant le setup en fonction de la cambrure de la houle, à partir de lahauteur de houle significative au large corrigée pour la réfraction et la diffraction, pour des plages àpente uniforme entre 1/10 et 1/100

Pour une plage sableuse dissipative de pente 1/50, une houle de hauteur H s=4m et de périodeT=6 s résulte en une cambrure de 0.07 et un setup de 0.4 m.

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Stockdon et al. (2006) : régression linéaire fondée sur un grand nombre de mesures de terraincouvrant un large spectre de conditions environnementales, pour des conditions de houle en eauprofonde et la pente de la plage à travers le nombre d’Iribarren

η=0.35β f √H 0 sL0 de manière générale

η=0.016√H 0sL0 en situation dissipative (nombre d’Iribarren ξ0 < 0.3)

soit 0.24 m pour une hauteur de houle significative H 0s=4m , une période de houle T=6 s etune pente de plage de 1/50 (nombre d’Iribarren 0.08) en situation dissipative, et 0.11 m avec laformule générale. Les faibles valeurs de setup en situation dissipative sont attribuées à la perted’énergie par frottement avec le fond sur de longues distances.

Dean et Walton (2009) : Cet article passe en revue les données et les formules relatives au setup,et en concluent que ces formules sont difficilement applicables à cause de définitions peu clairesdes paramètres d’entrée et de sortie des formules, ainsi que d’une forte dispersion des données.

L’article estime le setup à 0.19 ± 0.1 fois la hauteur significative de houle au large, soit 0.76 m ±

0.4 m pour une houle de hauteur H s=4m .

Modélisation : La modélisation avec un logiciel calculant la propagation de la houle et la contraintede radiation à l’origine du setup permet une estimation plus fine dans des situations complexes.

Dû à des limitations techniques du modèle employé, cette option n'est pas disponible pour laprésente étude.

5.3 COMPARAISON AVEC MESURES

5.3.1 EVÉNEMENTS HISTORIQUES

A partir des éléments de terrain, il est possible d’en déduire une valeur de setup réelle sur le littoralexposé ou dans le bassin du Commerce du port de Cherbourg, et de la comparer à ce que les formulesci-dessus prédisent.

Le Tableau 5.1 présente les conditions hydrométéorologiques au pic de niveau marin des principauxévénements historiques. Ces valeurs sont issues des données numériques du point ANEMOC COAST-1154 au large de Cherbourg. Ces valeurs ne sont qu’indicatives car elles sont fortement variablesdurant la tempête et car elles sont issues d'un modèle numérique dont nous ne connaissons pas laperformance par conditions extrêmes.

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Tableau 5.1 : Conditions hydro-météorologiques des événements historiques

Evénement Hs [m] Tp [s] Direction Vent [m/s]

28/02/1990 19:00 8.27 12.1 O NA

10/03/2008 09:40 4.49 9.3 OSO 17

05/12/2010 07:10 0.69 6.5 O 2.6

04/11/2013 08:00 2.101 7.5 NA NA

Le Tableau 5.2 présente le setup estimé pour chacun des événements historiques à partir des photoset du MNT. Pour la conversion des niveaux d’eau, 0 m CM à Cherbourg correspond à -3.29 m IGN.

Tableau 5.2 : Setup estimé à Cherbourg par rapport au large pour les événements historiques.Sources: niveau marin REFMAR (port militaire),

données historiques Grontmij (2013), topographie Lidar.

EvénementNiveau mesuré

[m IGN]Niveau estimé [m

IGN]Setup estimé [m] Lieu

28/02/1990 19:00 3.782 3.9 ± 0.104.2 ± 0.30

0.12 ± 0.100.42 ± 0.30

Bassin duCommerce

Côte d'Urville-Nacqueville

10/03/2008 09:40 4.12 4.2 ± 0.10 0.08 ± 0.10Bassin duCommerce

05/12/2010 07:10 3.23 5.1 ± 0.30 NAAv. de Paris sur la

Divette

04/11/2013 08:00 3.603 NA NA NA

5.3.2 APPROCHE RETENUE POUR LA CÔTE

Le Tableau 5.3 compare le setup mesuré au setup calculé par les différentes formules présentées auparagraphe précédent. Il n’est pas tenu compte de la direction de la houle dans le calcul du setup(réfraction suffisante supposée). On rappelle que ce calcul n’est en théorie physiquement correct quesur le littoral exposé, donc pour la tempête de 1990 uniquement.

On remarque qu’à l’exception de la formule de Stockdon et al. (2006), toutes prédisent un setupbeaucoup plus important que mesuré. En réalité le setup devrait être calculé avec les valeurs de houlesuffisamment proches de la côte, et non avec celles du point ANEMOC. A cause de la zone d’ombrecréée par la pointe du Cotentin ces valeurs sont environ 1/3 inférieures. Néanmoins cela n’estlargement pas suffisant pour expliquer la différence. Il est également possible que les platiers rocheuxdevant le lieu-dit Le Pré de la Mer, où ont été estimés le niveau et la surcote à Urville-Nacqueville, nesoient pas représentatifs de la situation physique supposée par les formules.

1 Source : Prévimer2 Source : Refmar3 Source : Prévimer

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Tableau 5.3 : Setup calculé et mesuré à Cherbourg pour les événements historiques. Calcul dans le port à titre indicatif (2008).

Setup [m] \ Evénement 28/02/1990 19:00

Battjes (1974) 1.89

Bowen et al. (1968) 1.89

Hanslow & Nielsen (1992) 1.78

Stockdon et al. (2006) 0.69

Dean & Walton (2009) 1.57 ± 0.83

Mesuré 0.42 ± 0.30

Lieu Urville-Nacq.

Néanmoins l’approche de Stockdon donne des résultats réalistes, compris dans la marge d’incertitudeimportante de l’estimation in situ et de la formule de Dean & Walton (2009), et le fondement de la formuleest physiquement correct (grand nombre de données, situation dissipative). La formule de Stockdon estdonc retenue pour le calcul de la surcote sur le littoral exposé.

5.3.3 APPROCHE RETENUE POUR LE PORT

Pour estimer la surcote dans le bassin du Commerce du port de Cherbourg par rapport au niveau « aularge » dans le port militaire, les niveaux d’eau mesurés à la station de pompage Javain entre juin 2014 etmars 2016 sont comparés à ceux du port militaire. La sonde de la station Javain se situe au niveau ducanal de la Divette en liaison directe avec la mer. Elle a pour but de contrôler le fonctionnement desvannes protégeant le quartier de l’hôpital des submersions marines. L’historique des mesures n’est pasarchivé, il n’est donc pas possible d’en tirer la surcote lors des événements historiques.

La Figure 5.1 présente un exemple des données instantanées mesurées à la station Javain et de ladifférence avec le port militaire. La sonde semble placée à environ -1 m IGN, ce qui ne permet pas demesurer les basses mers de vives eaux. La différence de niveau est donc maximale durant ces basseseaux. Hormis ces périodes, la surcote semble limitée.

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Figure 5.1 : Exemple de niveau instantané mesuré à la station Javain (bleu), dans le portmilitaire de Cherbourg (rouge) et différence (magenta)

La Figure 5.2 montre une analyse similaire mais limitée au pic de haute mer de chaque cycle de marée,sur l’ensemble des observations disponibles. On y observe que la différence est stable, de l’ordre de 12 cmen moyenne, avec des variations allant généralement de 8 cm à 16 cm (Figure 5.3). L’impact del’amplitude de marée (cycle de mortes et vives eaux) est faible mais clairement visible. Par exemple dejuillet à novembre 2014 par faible débit de la Divette, ces variations sont de l’ordre de 5 cm durant un cyclede vives et mortes eaux. Un débit élevé de la Divette, comme de décembre 2014 à février 2015, atendance à perturber la régularité du signal et à augmenter légèrement la surcote par remontée de la ligned’eau (26 cm de surcote fin février 2015).

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Figure 5.2 : Exemple de niveau de haute mer mesuré à la station Javain (rouge), dans leport militaire de Cherbourg (bleu) et différence (magenta)

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Figure 5.3 : Différence de niveau entre la station Javain et le port militaire (en haut), etdébit de la Divette (en bas). Effet de la marée illustré dans le cadre bleu, effet du débit

illustré dans le cadre rouge.

Cette valeur moyenne de 12 cm est aussi en accord avec la surcote estimée lors des événements de 1990et de 2008 (resp. 12 cm et 8 cm ; Tableau 5.2). On retiendra donc la valeur moyenne de 12 cm commesurcote dans le bassin de Commerce et l'avant-port (hors port de Chantereyne). Aucune surcote n’estretenue dans la petite et la grande rade, le niveau est supposé uniforme et égal à celui mesuré dans leport militaire.

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5.4 RÉSULTATS

L’événement de référence est défini comme l’événement le plus important entre l’événement centennal etles événements historiques.

Le Tableau 5.4 présente les surcotes et niveaux marins totaux pour les couples issus de l’analysestatistique en utilisant la formule de Stockdon et al. (1992) pour le calcul du setup sur la côte.

Le niveau obtenu de 4.30 m dans le bssin du Commerce (4.18 m et surcote 0.12 m) est supérieur àl'événement historique de 2008 (4.20 m). L'événement statistique est donc retenu.

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Tableau 5.4 : Surcote et niveau marin total [m IGN] pour les couples T100 de l’analyse statistique,hors marges pour les incertitudes et pour le changement climatique

Pour chaque scénario le niveau marin total est obtenu en additionnant :

• le niveau marin au large,

• la surcote sur le littoral, dans le bassin de Comemrce et l'avant-port,

• une marge additionnelle de 0.20 m pour l'incertitude,

• et le changement climatique à court terme de 0.2 m ou à long terme de 0.6 m selon lesrecommandations de l'ONERC pour la France métropolitaine.L'ajout d'une marge additionnelle de20 cm est un choix visant à tenir compte de diverses incertitudes résiduelles. Il est discuté dansle chapitre suivant.

Le Tableau 5.5 détaille le niveau marin de référence qui en découle et ses différentes composantes. Leniveau marin au large T100 de 4.18 m IGN est comparable au niveau T100 de 4.20 m IGN retenu par leSHOM (Tableau 5.6). L’étude du SHOM ne tient pas compte des autres composantes.

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Tableau 5.5 : Niveau marin de référence [m IGN] et ses différentes composantes à la côte, dans la petite rade et dans la grande rade.

Composante T100 à la côteT100 dans la petite

radeT100 dans lagrande rade

Niveau marin au large 4.02 m 4.18 m 4.18 m

Surcote due à la houle(côte) ou à l’onde de marée

(port)0.53 m 0.12 m NA

Niveau de référence horsmarge d’incertitude et

changement climatique4.55 m 4.30 m 4.18 m

Marge d’incertitude Litto3D 0.20 m 0.20 m 0.20 m

Changement climatique àcourt terme

0.20 m 0.20 m 0.20 m

Niveau de référence 4.95 m 4.70 m 4.58 m

Tableau 5.6 : Niveau marin extrême au large pour le secteur de Cherbourg d’après l’étude du SHOM (2012)

Période de retourNiveau extrême

actuel[ m NGF]

Niveau extrêmeactuel + 50 ans

[ m NGF]

Niveau extrêmeactuel + 100 ans

[ m NGF]

5 ans 3.94 m 4.14 4.54

10 ans 4.00 4.20 4.60

20 ans 4.06 4.26 4.66

50 ans 4.14 4.34 4.74

100 ans 4.20 4.40 4.80

Les niveaux marins totaux pour tous les scénarios sont présentés au chapitre 7.

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6 INCERTITUDESL’incertitude principale à contrôler concerne le niveau marin total relatif au niveau des quais. Il estcomposé du niveau marin au large et de la surcote à la côte (due à la houle sur le littoral, à d’autresphénomènes dans le port).

Le niveau marin au large est calculé par analyse statistique ou issu d’un événement historique. Pourles résultats statistiques l’intervalle de confiance à 95 % est sélectionné. Cela implique une marge de 5à 15 cm sur le niveau d’eau, et de 10 à 30 cm sur la hauteur de houle (soit 2 cm de plus sur le setup).Les événements historiques, s’ils sont sélectionnés, ont déjà une période de retour de plus de 100 ans.

Le setup dû à la houle sur le littoral est calculé par une formule empirique dont les résultats sontcalibrés sur des éléments de terrain (tempête de 1990). De même le setup retenu dans le bassin duCommerce et l'avant-port repose entièrement sur des éléments de terrain. Ces valeurs sont doncjugées très réalistes.

Plusieurs incertitudes subsistent néanmoins. L'incertitude liée aux données Lidar Litto3D, et plusparticulièrement aux seuils de submersion, a été estimée à ±20cm (IMDC et Alp'Gérisques, 2016a).Comme prescrit dans le guide PPRL, les valeurs retenues pour le changement climatique (60cm àéchéance 100 ans) sont fondées sur un rapport de l'ONERC de 2010, tandis que les dernièresprojections du GIEC envisagent une augmentation plus rapide du niveau de la mer. Ainsi à partird'observations récentes (Figure 6.1), le GIEC a réévalué les projections à la hausse, avec uneaugmentation du niveau de la mer de 26-98cm d'ici 2100 (Figure 6.2) au lieu de 18-59cmprécédemment. Enfin le niveau d'eau issu de l'analyse statistique, avec surcote dans le bassin deCommerce mais hors marges en tous genres, n'est que de 4.30m IGN par rapport aux 4.20m déjàobservés en 2008 et aux niveaux potentiellement plus élevés par le passé (1846, 1949).

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La submersion modélisée découle enfin de la comparaison du niveau marin retenu au niveau dumodèle numérique de terrain. Pour tenir compte des diverses incertitudes identifiées ci-dessus, unemarge additionnelle de 20 cm est donc ajoutée au niveau d’eau.

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Figure 6.1 : Augmentation observée du niveau de la mer comparé à d'anciennes projections duGIEC (source: MEDDTL, 2012).

Figure 6.2 : Projections d'augmentation du niveau de la mer (GIEC,2015)


7 SÉLECTION DE L'ÉVÉNEMENT DE RÉFÉRENCE

Afin de tenir compte de la concomitance observée entre inondation fluviale et submersion marine(IMDC, 2015a), l'approche suivante est retenue :

• Définition d'un événement de référence marin, avec niveau maximal à la côte. L'événementstatistique T100 est choisi, avec un niveau de 4.95 m IGN sur le littoral, de 4.58m dans la petiteet grande rade, et de 4.70m dans le bassin du Commerce et l'avant-port (paragraphe 5.4).

• Définition d'un événement de référence fluvial, avec débit maximal. Celui-ci est basé surl'événement historique de 2010 de la manière suivante (IMDC, 2015c) :

◦ niveau marin mesuré, plus surcote et changement climatique à court terme de 20cm (soitun pic à 3.60 m IGN)

◦ débit de la Divette mesuré (hydrogramme mesuré avec pic à 47 m³/s)

◦ débit du Trottebec T100 statistique (hydrogramme synthétique avec pic à 9.2 m³/s), car ledébit mesuré a une période de retour de 5 ans seulement

• Définition d'un aléa combiné correspondant au maximum des aléas des deux événements deréférence dans la zone soumise à la submersion marine.

Le Tableau 7.1 présente les niveaux d'eau à la côte des différents scénarios. Ils correspondent auniveau maximal obtenu avec les différents couples de hauteur de houle et de niveau d'eau. Pourl'événement fluvial aucune marge d'incertitude n'a été retenue car celle-ci concerne un phénomènemarin, et car l'événement a déjà une période de retour supérieure à 100 ans.

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Tableau 7.1: Evénements de référence pour l'établissement de la cartographie de l'aléa de submersion (L: littoral, R: grande et petite rade, C: bassin du Commerce et avant-port)

Evénement Houlesignificati

ve [m]

Niveaud'eau avantsurcote4 [m

IGN]

Surcote[m]

Changement

climatique[m]

Marged'incertitud

e [m]

Niveaud'eau à la

côte[m IGN]

Evénement deréférence T100

L: 6.25 L: 4.02R: 4.18C: 4.18

L: 0.53R: 0

C: 0.12

0.20 0.20 L: 4.95 mR: 4.58 mC: 4.70 m

Evénement deréférence avecchangement

climatique T100 + CC

L: 6.25 L: 4.02R: 4.18C: 4.18

L: 0.53R: 0

C: 0.12

0.60 0.20 L: 5.35 mR: 4.98 mC: 5.10 m

Ruine généraliséeT100

L: 6.25 L: 4.02R: 4.18C: 4.18

L: 0.53R: 0

C: 0.12

0.20 0.20 L: 5.00 mR: 4.58 mC: 4.70 m

Evénement fréquentT10

L: 4.02 L: 3.90R: 3.90C: 3.90

L: 0.36R: 0

C: 0.12

0.20 0.20 L: 4.66 mR: 4.30 mC: 4.42 m

Evénement extrêmeT1000

L: 6.70 L: 4.32R: 4.41C: 4.41

L: 0.56R: 0

C: 0.12

0.20 0.20 L: 5.28 mR: 4.81 mC: 4.93 m

Crue de 2010 L: 0.69 L: 3.23R: 3.23C: 3.23

L: 0.17R: 0

C: 0.12

0.20 0 L: 3.60 mR: 3.43 mC: 3.55 m

Crue de 2010 avecchangementclimatique

L: 0.69 L: 3.23R: 3.23C: 3.23

L: 0.17R: 0

C: 0.12

0.60 0 L: 4.00 mR: 3.83 mC: 3.95 m

4 i.e. dans le port militaire, qui peut contenir une fraction de la surcote du bassin du Commerce, mais pasde surcote due à la houle

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8 RÉFÉRENCESBattjes, J.A. (1974). Computation of setup, longshore currents, runup and overtopping due to windgenerated waves. Report 74-2, Communication on Hydraulics, Dept of Civil Engineering, DelftUniversity of Technology.

Bowen, A. J. D., Inman, D. L., Simon, V. P. (1968). Wave set-down and set-up. Journal of GeophysicalResearch, vol 73, pp. 2569-2577.

CETMEF (2009). Guide enrochement. L’utilisation des enrochements dans les ouvrages hydrauliques.Version française du Rock Manual (2e édition).

Dean R.G. et Walton T.L. (2009). Wave setup. In Handbook of coastal and Ocean Engineering, byYoung C. Kim ed., World Scientific, 1-23.

DGPR (2013). Guide méthodologique : Plan de prévention des risques littoraux. Version finale,décembre 2013.

GIEC (2015). Résumé à l'intention des décideurs de la synthèse du 5e rapport d'évaluation du GIEC.

Goda, Y. (2000). Random seas and design of maritime structures. Advanced series on oceanengineering, vol 15, World Scientific, Singapore.

Hanslow D. J. and Nielsen P. (1992). Wave setup on beaches and in river entrances. Proc. 23rd Int.Coastal Eng. Conf., Venice, Italy, pp. 240-252.

IMDC et Alp'Géorisques (2014). Plan de prévention des risques naturels multirisques : submersionmarine, inondations par débordement de cours d'eau et chutes de blocs de la région cherbourgeoise.Phase 1 – Analyse du site : Volet submersion marine.

IMDC et Alp'Géorisques (2016a). Plan de prévention des risques naturels multirisques : submersionmarine, inondations par débordement de cours d'eau et chutes de blocs de la région cherbourgeoise.Phase 2 Cartographie des aléas – Evénements de référence au large.

IMDC et Alp'Géorisques (2016b). Plan de prévention des risques naturels multirisques : submersionmarine, inondations par débordement de cours d'eau et chutes de blocs de la région cherbourgeoise.Phase 2 Cartographie des aléas – Modélisation des couples extrêmes de houles et niveaux d'eau.

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IMDC et Alp'Géorisques (2016c). Plan de prévention des risques naturels multirisques : submersionmarine, inondations par débordement de cours d'eau et chutes de blocs de la région cherbourgeoise.Phase 2 Cartographie des aléas – Modélisation de submersion, de l'érosion du trait de côte etcartographie des aléas.

MEDDTL (2012). Le climat de la France au XXIe siècle. Volume 3 : évolution du niveau de la mer.

Stockdon H.F., Holman R.A., Howd P.A., Sallenger Jr. A.H. (2006). Empirical parameterization of setup,swash, and runup. Coastal Engineering, 53, 573-588.

Version 2.0 44


9 ANNEXES

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ANNEXE A - CHAMPS DE PROPAGATION DE HOULE

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A.1 T100

Version 2.0 47

:


Version 2.0 48

:


A.2 T10

Version 2.0 49

:


Version 2.0 50

:


A.3 T1000

Version 2.0 51

:


Version 2.0 52


NOTES

Version 2.0 53

Version 2.0

Documents

Plan de Prévention des Risques Naturels Multirisques : … · houle, qui permettent de transformer les événements de référence au large en conditions près de la côte. Le chapitre