HYDROLOGIE - Eau
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1. o SA 28 99 2000 00 00 28 09 2000 12 00 29 09 2000 00 00 29 09 2000 12 00 30 09 2000 00 00 30 09 2000 12 00_01 10 2000 00 00 01 10 2000 12 00 7 Validation sous HEC HMS sur l v nement se Septembre 2000 Ces deux simulations conduisent la repr sentation compl te suivante Validation du mod le hydrologique Ann e 2000 1600 a DE T m ee 1400 SN SN ES oo e eRe Simul HEC HMS o e ESEE EEE l __ Simul RSI l T 1000 a E 800 1 1 LL 2 1 5 600 a Re A AD A A a ea annene 200 a a a a a l 0 a l 2900 OO 00 00 68 09 2000 1200 lt E9 0912000 00 00 29109 2000 12 09 30 03 2009 00 00 30 09 2000 16 00 01 10 2000 00 00 01119 2009 14 00 Date 8 R capitulatif de la validation pour l v nement se Septembre 2000 4 2 Discussion des r sultats de la validation Tout comme la phase de calage nous pouvons tablir le crit re de Nash et le crit re portant sur les quantit s d eau misent en jeu C est ainsi que le tableau suivant pr sente les r sultats des crit res de Nash et du volume pour les deux mod les num riques HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 14 18 LE ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES Ce tableau est relier la repr sentation graphique pr c dente En effet bien que le crit re de Nash et celui de volume soit plus faible pou2. HYDROLOGIE Etude de la g n ration de crues rapides par la confrontation de deux logiciels Le Gardon G n rargues Lilian BERTERRECHE Renaud CHAMPREDONDE Ann e 2007 2008 Encadrant Denis Dartus ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES SOMMAIRE 1 INTRODUCTION ann ann lo modonelo dodo 3 2 PRESENTATION DES LOGICIELS sssissgennsssnmsnnsiieontensnnense 4 2 1 Concepts th oriques nn en eme em 4 2 2 Production Mod le d infiltration GR3 nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnna 4 2 3 Transfert Mod le d coulement 5 2 4 R partition des variables m t orologiques sssssssseeneeeeseesrrrnrrrreseeeerene 5 3 CALAGE DES MODELES HYDROLOGIQUES ssssssssssssseerrnreseerrrrrrrrnnnsseerrrne 6 3 1 Construction des mod les hydrologiques 6 3 2 Choix de l v nement de r f rence 8 3 3 Calage sous Routing System lausanne 9 3 4 Calage sous HEC HMS iii 11 3 5 Discussion sur les r sultats du calage nneeeeeeeesenernnnneeeeeenrrnrnneeeeerrene 12 4 VALIDATION PAR L EVENEMENT DE SEPTEMBRE 2000 13 4 1 R sultats de la validation noononooonnnoonononeeeeeeeeeererrrerrrrrrrrerrrrrrrrrrrrrrreree1 13 4 2 Discussion des r sultats de la validation 14 5 CONCLUSIONS inst mener ane ninan 16 6 BIBLUOGRAPH IE o eeste nennueee esaeet neier arate ekana Y AEA EENE AKAP E
3. s avoir d limit nos cinq sous bassins cf cartes ci dessous nous avons utilis le logiciel GEPath le Path pour Google Earth qui permet de calculer laire de chacun des cinq polygones d finis dans Google Earth 3 1 Construction des mod les hydrologiques Nous avons choisi de nous limiter au bassin versant de Mialet Ce bassin versant de 219 km2 a t mod lis par diff rent processus hydrologique Les deux figures ci dessous repr sentent le mod le d exutoire Mialet tabli sous HEC HMS et sous Routing System Il HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 6 18 NP ENSEEIHTg ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES 1 D finition du mod le hydrologique sous HEC HMS IA LA SUBIN badie A 3 SAMM 24 Ve bo N E wiy a 6 MC Reach ET ES GRS pA M27 Junction it T S J rech ne 7 28 CR326 Junction 18 2 D finition du mod le hydrologique sous RSI HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 7 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES Dans les deux cas nos g om tries sont compos es des outils hydrologiques suivant HEC HMS subbassins permet de d finir une zone l mentaire reach repr sente les cours d eau Permet de router un d bit junction additionne deux d bits Routing System II Station permet de spatialiser les donn es m t orologiques par la m thode de Sh pard infiltration GR3 s pare la partie infiltr e de la p
4. libre Il permet la mod lisation hydrologique et hydraulique selon un sch ma de type conceptuel semi distribu et par une approche orient e objets Il permet la prise en compte non seulement de processus hydrologiques particuliers tels la fonte de neige et glaciaire les coulements de surface et de sub surface sur un bassin versant mais aussi la mod lisation d ouvrages r gul s tels que retenues vannes vacuateurs r glables prises d eau turbines ou pompes galeries et autres ouvrages hydrauliques Son principe g n ral associe chaque objet une fonction hydraulique repr sent e par une ic ne qui peut tre assembl e manuellement avec ses voisins selon une topologie d finie par l utilisateur 2 1 Concepts th oriques Le logiciel Routing System Il est con u sous forme d objets associ s des fonctions Chacune d entres elles repr sentent un processus hydrologique Routing System Il poss dent d autres fonctions comme le routage par les quations de Barr de Saint Venant ou des fonctions li es aux ouvrages hydrauliques 2 2 Production Mod le d infiltration GR3 Une intensit brute ou pr cipitation quivalente Peq provenant du mod le de neige est introduite dans le mod le GR3 qui prend aussi en compte l vapotranspiration potentielle ETP non utilis e dans le cadre de notre tude Les entr es du mod le HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 4 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES
5. EYE Cernii 17 7 TABLE DES ILLUSTRATIONS moines 18 HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 2 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES 1 INTRODUCTION Nous fixons notre tude sur une probl matique qu un bureau d tude en eau et environnement aurait r soudre mod liser la g n ration des crues sur un petit bassin aux temps de r ponse extr mement courts Pour ce faire nous utiliserons deux logiciels qui seront mis en parall le lors de la manipulation ainsi que lors de l analyse des r sultats L objectif est donc de retrouver les ph nom nes r els l aide de ces logiciels en adoptant une m thodologie adapt e ce type d tude La confrontation de ces deux outils doit aboutir une pr f rence d utilisation de l un ou l autre avec sa m thodologie propre le tout choisi en fonction des r sultats finaux obtenus HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 3 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES 2 PRESENTATION DES LOGICIELS Nous pr sentons ici les principales fonctions du logiciel Routing System ll uniquement puisque pour le logiciel HEC HMS le manuel utilisateur d veloppe de fa on tr s d taill ces aspets Le logiciel Routing System II a t d velopp par le Laboratoire de Constructions Hydrauliques LCH de l cole Polytechnique F d rale de Lausanne EPFL Ce logiciel a t con u pour simuler la formation et la propagation des coulements dans des syst mes surface
6. ILLUSTRATIONS N OO OO A OUO N D finition du mod le hydrologique sous HEC HMS ssssssssssssserennessssssrrrrrrreesses 7 D finition du mod le hydrologique sous RSII 7 Ev nement de r f rence pour le calage Crue de Septembre 1994 9 Calage sous RSII de l v nement de Septembre 1994 10 Calage sous HEC HMS de l v nement de Septembre 1994 11 Validation sous RSII sur l v nement se Septembre 2000 13 Validation sous HEC HMS sur l v nement se Septembre 2000 ssssesssssnenenn 14 R capitulatif de la validation pour l v nement se Septembre 2000 14 HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 18 18
7. RAPIDES sont la pr cipitation quivalente ou intensit brute et l ETP L intensit nette le d bit de base et l vapotranspiration r elle sont fournis en sortie 2 3 Transfert Mod le d coulement Le transfert de l intensit nette sur une surface imperm able est r alis l aide d un r servoir de transfert non lin aire Comme dans le cas du mod le d infiltration GR3 il s agit nouveau de r soudre une quation diff rentielle ordinaire avec la m thode d Euler de premier ordre Aliment en amont par un hy togramme de pluie nette le mod le SWMM fournit un hydrogramme de crue l aval du bassin versant 2 4 R partition des variables m t orologiques La m thode utilis e est celle de Sh pard pour la r partition et la spatialisation des donn es m t orologiques HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 5 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES 3 CALAGE DES MODELES HYDROLOGIQUES La premi re phase de toute tude hydrologique mener bien constitue la phase de calage Celle ci a pour but de d finir le mod le construire et de le faire co ncider au maximum avec un v nement r el pris comme r f rence Les param tres du mod le seront ainsi dits adapt s au mod le et au ph nom ne r el Cette phase doit tre effectu e avec la plus grande attention car elle constitue la base du travail Nous avons choisi de fragmenter le bassin versant l aide de Google Earth Apr
8. RSI C est ainsi que l hydrogramme de crue du 23 et 24 Septembre 1994 a t ins r dans le logiciel Mialet Les param tres constitutifs du mod le hydrologique du bassin versant de Mialet sont obtenus par un processus d optimisation interne Celui ci se base sur l hydrogramme de crue ins r pour minimiser une fonction objectif repr sentant notre d bit l exutoire Nous obtenons alors le graphique suivant Calage du mod le hydrologique sous HEC HMS Ann e 1994 300 Obser 250 200 150 100 D bits m s 50 0 i 22 09 1994 00 00 22 09 1994 12 00 23 09 1994 00 00 23 09 1994 12 00 24 09 1994 00 00 24 09 1994 12 00 50 L nn SRE RER 5 Calage sous HEC HMS de l v nement de Septembre 1994 Nous observons que le premier pic de crue est relativement correctement repr sent alors que le second ne retranscrit pas vraiment les valeurs observ es pour cet v nement Les crit res suivants permettent d exprimer la corr lation entre valeurs observ es et valeurs simul es CRIERE DE NASH 0 259022873 BILAN VOLUME 0 58 HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 11 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES La valeur du crit re de Nash s explique en partie par l cart sur le second pic de crue En effet la d finition m me de ce crit re permet de jauger l importance de la diff rence entre valeurs observ es et simul es no
9. TS 16 18 LE ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES 6 BIBLIOGRAPHIE Champredonde R Garci J Boillat J L et Schleiss A 2007 Impacts du changement climatique sur le cycle de l eau application au bassin versant du Rh ne Communication interne du Laboratoire de Constructions Hydrauliques ed Schleiss EPFL Lausanne Dartus D Maubourguet M M Chorda J 2007 Mode d emploi de HEC HMS Hydrologic Modeling System Polycopi de l Ecole Nationale Sup rieure d Electrotechnique d Electronique d informatique d Hydraulique et des T l communications de Toulouse Dartus D 2007 Mode d emploi de HEC HMS Description des diff rents processus hydrologiques impliqu s Polycopi de l Ecole Nationale Sup rieure d Electrotechnique d Electronique d informatique d Hydraulique et des T l communications de Toulouse HYDRO 2008 Banque HYDRO R seau national des donn es sur l eau Services de l Etat directions r gionales de l Environnement France http www hydro eaufrance fr Liste des Stations limnim triques 2008 Services de l Etat directions r gionales de l Environnement France http www rdbrmc com hydroreel2 US Army Corps of Engineers 2006 HEC Ras Software www hec usace army mil software hec ras US Army Corps of Engineers 2006 HEC Ras Software User Manual HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 17 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES TABLE DES
10. artie apte ruisseler ou tre router reach routage des d bits selon la m thode de Muskingum Cunge junction additionne deux d bits et trace l hydrogramme Autant pour RSII que pour HEC HMS nous n avons trouv aucune influence des conditions initiales sur les d bits simul s Les p riodes simul es d une ann e expliquent en parties cette remarque d autant plus que nos v nements se produisent tous vers la fin de l ann e simul e dans chacun des cas Nos donn es ne nous permettaient pas d effectuer des simulations sur une ann e hydrologique compl te ce qui eu t plus judicieux pour viter d omettre un processus hydrologique majeur 3 2 Choix de v nement de r f rence Nous avons choisi de caler notre mod le sur l v nement de Septembre 1994 Celui ci pr sente un double pic de crue comme le montre la figure ci dessous HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 8 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES Ev nement de Septembre 1994 e eneee DNS De E de DO eee nn eee eee D Aaaeeeaa eonenna m3 s 150 1 1 bit D b 100 pann a EEEE EE ONEN i OEE BO peers a_a 0 i 22 09 1994 22 09 1994 23 09 1994 23 09 1994 24 09 1994 24 09 1994 Date 3 Ev nement de r f rence pour le calage Crue de Septembre 1994 Cette caract ristique nous est apparue int ressante et plus complexe qu un simple pic de crue Le calage su
11. eurs obtenues la phase pr c dente Les r sultats des simulations sont pr sent s ci dessous pour RSII ainsi que pour HEC HMS Validation du mod le hydrologique sous RSII Ann e 2000 A a a AO a poranne pon els O E E ESRI R LeTo PR E EE E E le o a e S uns 0 oTo SRE E RS E SES SES SE PE RS RE PRES RE D bits m s 150 RS a 50 0 i I l i l 28 09 2000 28 09 2000 29 09 2000 29 09 2000 30 09 2000 30 09 2000 01 10 2000 01 10 2000 00 00 12 00 00 00 12 00 00 00 12 00 00 00 12 00 Date nl j l j l l ji j ji j ji fi 6 Validation sous RSII sur l v nement se Septembre 2000 HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 13 18 DER ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES Validation du mod le hydrologique sous HEC HMS Ann e 2000 1600 T T EE s e a a E T T RE a A A RER DO OT TA ee RE l l l i Observ 1400 te dE are dE art dr re de Jek se ar sb dr aot du ae fussent net qu onde SET D je su ru dr sue dr s qe serbes I Simul l fees ee nt SEE Lee m 1000 EAA Rae ae de No DAAT Porn AEREA o i l i l Re ee Re me D ne Louis ses Fa 1 I 1 i i ie EE EEEE E EEEE E EEE EEE EE E E EE L E E EE E ET E EEEE EA E E MASNI OELLE EEA EEE IEA E EEA EE EE E EO E E ET EEE EEE 5 60 i 5 l o M a a oo re 200 T AN EE
12. m riques de correctes Des nombres si peu lev ne sont pas repr sentatifs de la bonne coh rence entre valeurs observ es et valeurs simul es Cette corr lation est vraisemblablement due une repr sentation peut tre trop simpliste du sous bassin versant 3 Ne disposant pas de plus d informations sur les v nements mod lis s ces op rations ont cependant t prises comme r f rence Lors de la phase de validation nous avons montr que la simulation num rique tablie sous le logiciel RSII retranscrit une allure g n rale plus fid le que celle effectu sous HEC HMS si l on fait abstraction du retard sur l hydrogramme de 1h 2h par rapport la r alit Le retard beaucoup plus important et les extrema en dehors des proportions des valeurs r elles permettent de mettre en avant le logiciel RSII L ensemble des op rations effectu es restent plus fid le la r alit en utilisant ce logiciel Une tude plus approfondie sur chaque sous bassin versant et en particulier le num ro 3 permettrait de mettre en vidence une cin tique de crue plus rapide que celle d crite dans le cadre de cette tude Les outils pour d crire alors ces simulations coefficient de Nash et bilan de volume tendraient alors tout deux vers l unit montrant ainsi les capacit s de ce logiciel d crire et retranscrire les ph nom nes hydrologiques naturelles extr mes que sont les crues claires HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSAN
13. r RSII que pour HEC HMS l hydrogramme de crue simul avec RSII se rapproche plus de la r alit A une anti corr lation importante le 29 Septembre 12h s oppose un hydrogramme plus r aliste obtenu avec RSI Les d bits maximums fournis par les simulations sur cet v nement restent plus fid le la r alit avec RSII qu avec HEC HMS En effet le maximum calcul par RSII avoisine les 200 m s Avec un retard de plus d heure par rapport au pic de crue il repr sente cependant plus fid lement la r alit que le pic fourni en sortie par HEC HMS avec un maximum de pr s de 1400 m s avec un retard de 6 heures Le bilan de volume confirme la remarque pr c dente avec une quantit tr s fortement sup rieure celle observ e pour la simulation sous HEC HMS Le bilan de volume indique une sous estimation par le logiciel RSII des quantit s misent en jeu HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 15 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES 5 CONCLUSIONS En ce qui concerne la phase de calage RSII pr sente un retard de 1h30 par rapport aux deux pics de crue Le calage sous HEC HMS indique une bonne d finition du premier pic de crue mais le second simul est tr s nettement en dessous de la valeur observ Les crit res de Nash exprim s respectivement gaux 0 40 et 0 26 pour RSII et HEC HMS indiquent une meilleure corr lation pour RSII Cependant ces deux valeurs ne peuvent pas qualifier les simulations nu
14. r un tel v nement permettra de mieux mod liser la r alit lors de la validation sans omettre des processus hydrologiques peut tre masqu s par un seul pic de crue La phase de calage d un logiciel a pour but d adapter le mod le tabli la r alit Nous nous servons donc d un v nement av r du mois de Septembre 1994 pour faire co ncider au mieux les r sultats num riques simul s de ceux r ellement observ s 3 3 Calage sous Routing System Il Contrairement HEC HMS Routing System Il ne poss de pas de fonction d optimisation interne En r alit celle ci est r alis e l aide d un programme externe Matlab N ayant pas disposition ce programme nous n avons pu effectuer qu un calage la main C est la suite de ce dernier que nous obtenons pour l v nement de Septembre 1994 les deux courbes suivantes HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 9 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES Calage du mod le hydrologique sous RSII 300 250 200 150 D bits m s 100 50 4 22 09 199 22 09 199 22 09 199 22 09 199 23 09 199 23 09 199 23 09 199 23 09 199 24 09 199 24 09 199 24 09 199 400 00 406 00 412 00 418 00 400 00 406 00 412 00 418 00 400 00 406 00 412 00 Date 4 Calage sous RSII de l v nement de Septembre 1994 Pour exprimer la corr lation entre les valeurs observ es et les valeurs simul es nous exprimons le c
15. rit re de Nash dont nous pr sentons l criture Nash 1 gt Q mui Ci Ou Qu Ce dernier est compris entre et 1 Une valeur unit correspond a une corr lation parfaite entre les valeurs observ es celles simul es Le second crit re utilis a pour but de repr senter la diff rence de quantit d eau qui s est coul C est ainsi que ce crit re est d fini de la fa on suivante Der X dt gt Que X dt Bilan de Volume Le calcul des ces param tres pour la phase de calage sous le logiciel RSII est indiqu ci dessous CRIERE DE NASH _0 39751913 BILAN VOLUME 1 31 Le crit re de Nash gal 0 40 ne correspond une valeur satisfaisante Cependant nous observons un d calage de la r ponse simul e par rapport celle observ e Si l on effectue une translation vers la gauche de notre hydrogramme obtenu nous observons alors une bonne corr lation Les processus hydrologiques y sont donc HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 10 18 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES relativement correctement repr sent sans pour autant tre exact puisque ne repr sentant pas r ellement cette caract ristique des bassins tudi s savoir cin tique rapide 3 4 Calage sous HEC HMS Pour pouvoir comparer les r sultats des deux simulations nous avons cal les mod les sous HEC HMS avec le m me v nement que celui utilis pour le calage sous
16. s bassins versant tendus en longueur ne retranscrivent pas r ellement l apport d eau au temps simul C est le cas dans nos mod les du sous bassin versant 3 qui de surcroit est le plus tendu en superficie Cependant le volume d eau achemin e l exutoire par ce type de sous bassin reste correcte puisque simplement un retard est g n r Pour ventuellement palier cette mauvaise repr sentation du sous bassin versant il aurait peut tre t plus judicieux d effectuer une fragmentation de ce sous bassin Nous aurions alors obtenus par exemple deux sous bassins l un en amont avec pour exutoire Gabriac l autre en aval ayant pour le m me exutoire que celui d fini pour le sous bassin versant 3 HYDROLOGIE GENERALE BASSINS VERSANTS 12 18 INE ENSEEIHT 4 ETUDE DE LA GENERATION DE CRUES RAPIDES 4 VALIDATION PAR L EVENEMENT DE SEPTEMBRE 2000 4 1 R sultats de la validation Une fois les mod les hydrologiques cal s nous pouvons maintenant passer la validation Cette derni re a pour objectif de soumettre les mod les ainsi tablis un ph nom ne r el diff rent de celui utilis pour le calage pour en observer la r ponse num rique Nous avons choisi d effectuer cette phase sur l v nement pluviom trique de Septembre 2000 La cr ation et l insertion des bases de donn es pluviom triques tant r alis es nous avons effectu les simulations en prenant comme valeurs des param tres les val
17. tamment pour des v nements peu communs comme par exemple les pics de crue Le bilan de volume gal 0 58 indique une perte de volume au niveau de la simulation de plus de 40 Bien que non satisfaisante pour une phase de calage nous accepterons ce calage pour pouvoir envisager l tape ult rieure de validation 3 5 Discussion sur les r sultats du calage La caract ristique principale des r ponses des deux mod les confront s rejoint le cadre de cette tude savoir la rapidit et la soudainet de la r ponse hydrologique un v nement dit clair En effet les deux r sultats pr sentent tout deux un retard cons quent quant la pr vision des pics de crue Malgr nos efforts de param trages notamment sur les coefficients de ruissellement dans HEC HMS et sur les coefficients de vidange des r servoirs de ruissellement dans RSI ce retard n a pas tre combler L optimisation labor e sous HEC HMS n a pas galement r ussi cette preuve Un l ment de r ponse cette question rest e inachev e peut r sider dans la mauvaise description du bassin versant Par exemple le temps de r tention de l eau Lag time sous HEC HMS et la longueur du cours de la portion du cours d eau jouent certainement pour beaucoup dans ce retard observ Dans l un comme dans l autre des deux logiciels utilis s l ensemble de l eau qui tombe sur un sous bassin versant est r duite une seule quantit De ce fait les sou
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