Post on 12-Jul-2020
www.irstea.fr
Isabelle BRAUD
UR Hydrologie Hydraulique, Lyon
Avec les contributions de Flora Branger, (Irstea), Sonja
Jankowfsky (Irstea, RMS), Musandji Fuamba (Polytech
Québec), Pedro Sanzana-Cuevas (Univ. Catholique, Chili)
Séminaire modélisation Irstea 2-3 Juin 2015 Clermont-Ferrand
Modélisation hydrologique intégrée des petits bassins
périurbains: le modèle PUMMA
2 Pourquoi s’intéresser à l’hydrologie des
bassins périurbains?
Contexte démographique :
• Augmentation de la population et concentration dans et autour des grandes villes • Pour l’agglomération lyonnaise: péri-urbanisation importante depuis les années 1970; 1.9 Millions d’habitants prévus en 2030 (Plan Local de l’Habitat, 2008), avec forte croissance des zones péri-urbaines
Contexte institutionnel : • Directive cadre sur l’eau (DCE): impose l’atteinte du
bon état écologique des cours d’eau pour 2015 • Directive sur les inondations: cartographier les zones
à risque pour 2013 2
3 Quels impacts attendus de
l’urbanisation?
Incision du chenal
(Photo, L. Schmitt)
Pollution
(Photo,
Cemagref)
Inondations Oullins
(Photo, Le Progrès)
Inondations Parc de Procé,
Nantes (Photo, K. Chancibault) 3
4 Caractéristiques des bassins périurbains?
Forte hétérogénéité du système
• Juxtaposition/imbrication de zones plus ou moins
urbanisées et de zones rurales naturelles
• Forte anthropisation du milieu: réseaux routiers,
chemins, réseaux d’assainissement d’où modifications
importantes des chemins naturels de l’eau
BDOrtho® IGN 4
5
Questions scientifiques
Questions scientifiques • Quels impacts de l’urbanisation sur le régime hydrologique des
petits bassins péri-urbains?
• Quels impacts des rejets urbains et de leur gestion sur la qualité des petits cours d’eau, souvent intermittents?
Questions pour la modélisation • Besoin de représenter la variabilité spatiale à l’intérieur des bassins (occupation des sols, types de sols, éléments anthropiques) et les pratiques de gestion
• Besoin de connaissances/résultats sur des bassins non instrumentés (initiative PUB: Prediction of Ungauged Basins)
• Besoin de simuler d’autres variables que les débits: teneur en eau des sols, évapotranspiration, niveaux de nappes
=>Développement de modélisation distribuées adaptées
5
6
Utilisation des modèles comme testeurs d’hypothèses
?
Set up of a dedicated model representing the heterogeneities at the target scale and based on the present knowledge and data (no
calibration)
Comparison with observations questions : -About the simulated processes -About the modelling hypotheses -About input data
New data collection and data analysis
Model evolution -Correction of input data -Addition of new processes into the model -Set up of new observations
Objectives Process understanding
Role of the various factors in the hydrological response (soils, vegetation, land use, networks, etc)
Various investigation scales: small scales, larger scales
From O. Vannier, 2012
7 Quels choix en termes de modélisation?
Intérêt d’outils de modélisation intégrés / plate-forme de modélisation • Mutualisation des pré-traitements (découpage de l’espace) et lien avec SIG et bases de données
• Mutualisation des outils de post-traitement
• Besoin d’outils pour assembler les représentations de différents processus et les coupler dans l’espace et le temps
=> A l’époque du début du projet: pas de plateforme adaptée aux besoins
Développement de la plateforme de modélisation LIQUID (2003-2011)
• Pas de compétences internes en informatique
• Travail avec une startup Hydrowide issue du LTHE (2 ingénieurs) 2003-2011
• Développement de l’outil et collaborations avec les scientifiques pour la construction des modules
• Plateforme utilisée pour d’autres applications que celles sur les bassins périurbains présentés aujourd’hui
• Plateforme propriétaire, convention avec Hydrowide sur 5 ans (2006-2011) + projets communs (ANR AVuPUR)
7
8
LIQUID
Framework Libraries
• Numerical analysis
• Geometry
• Data base/ GIS System
• Scheduler
• Model build system Documentation
Module
• Test framework
• Doc generator
Model
Structure générale de la plateforme
Branger et al.,
2010
• Modules de processus de complexité variée, facilité pour créer de
nouveaux modules
• Outils pour construire des modèles et réaliser les couplages
spatiaux et temporels
• Facilitation du traitement des entrées et sorties (lien avec une base
de données relationelles PostgreSQL/Postgis)
=> Possibilité de construire des modèles “à la carte” selon les
questions scientifiques traitées et les données disponibles 8
9 Principes du modèle PUMMA
10 Les fondements du modèle
PUMMA
Modèle de bassin
rural incluant des
parcelles agricoles,
des parcelles
drainées, des haies
et le réseau
hydrographique
(Branger, 2007)
Modèle de parcelle urbaine
(parcelle cadastrale + moitié de
route), modèle URBS
(Rodriguez et al., 2008) 10
11 Obtention du maillage de PUMMA
Partie rurale
Hydrological Response Unit
HRU = Intersection de
l‘occupation du sol, sol,
géologie et sous-bassins
Partie urbaine
Urban Hydrological Element
UHE = parcelle cadastrale + partie
de la route
Rodriguez et al., 2003
Données d’origine et de format différents, grand nombre de parcelles,
nécessité d’optimiser le maillage = > automatisation nécessaire: PYTHON +
GRASS +SQL
12 Le modèle PUMMA
Objets du paysage
Modules de calcul de
flux ou de connexions
12
13 Le bassin versant de l’Yzeron
Surface:150 km²; Climat semi-continental à influence méditerranéenne;
Relief prononcé; Urbanisation amont aval; augmentation des crues
depuis les années 1980
Conventions pour les données: Grand Lyon, CCVL, SIAHVY, SAGYRC,
RPG, Météo-France, Sol Info Rhône Alpes 13
14 Maillage final du sous-bassin de la
Chaudanne
A noter, la nécessité de déterminer les frontières du bassin versant qui ne
correspondent plus aux frontières topographiques. Proposition d’une
méthodologie combinant des informations sur les réseaux + des relevés de
terrain (Jankowfsky et al., Hydrol. Process, 2013) 14
15
Maillage final du sous-bassin du Mercier
15
16
Routage en surface pour le sous-bassin
de la Chaudanne
16
17 Application du modèle Spécification des paramètres à partir des informations existantes et de la littérature. Pas de calibration spécifique
Application sur un sous-bassin de 2.6 km2 où nous disposions de mesures de débit dans le réseau hydrographique naturel, le réseau d’assainissement, un déversoir d’orage
Analyse de sensibilité
Scenarii d’aménagement
Upstream
_SOD1
discharge
Rainfall
CSS discharge
SOD1 discharge
Combined Sewer System
SO
D2
La
Léchère
discharge
ge
Towards WWTP
17
18 Exemple de résultats
Rivière
Réseau
unitaire
Année hydrologique 2008-2009
18
19 Exemple de résultats: Niveau moyen de la surface
saturée
Année 2008
humide
Année 2009
sèche
19
20 Composantes de l’écoulement
20
Episode 2 Novembre 2008 Durant le pic
Après l’événement
HEDGE important
seulement sur les
récessions
Principalement du
ruissellement de surface
20
21 Instrumentation complémentaire: Mercier
• Réseau dense de capteurs de niveau d’eau (18 capteurs) (Thèse
B. Sarrazin, 2012)
• Capteurs de mesure de la teneur en eau de surface (2010-2011)
• MNT Lidar 2m 21
22
• Temps de
réponse
• Temps de
réaction
22
23 Evaluation: sous-bassin du Mercier
23
24 Utilisation des informations des limnimètres
24
Temps de réaction:
temps entre le début de
la pluie et la montée du
niveau d’eau
Temps de réponse:
temps entre le début de
la pluie et le pic du
niveau d’eau
25 Utilisation des informations sur l’humidité des sols
pour évaluer la dynamique simulée par le modèle
Comparaison du
stock d’eau
dans le sol et de
l’humidité sur 0-
5cm normalisés
Comparaison
des incréments
du stock d’eau
dans le sol et de
l’humidité sur 0-
5cm normalisés
25
26
TITRE DE
VOTRE
PRÉSENTATION
À MODIFIER
DANS LE
MASQUE
Conclusions et perspectives
Conclusions sur la plate-forme LIQUID et PUMMA • LIQUID un outil performant répondant aux besoins, mais exigeant en
termes de qualité de la géométrie du maillage
• Réutilisation des composantes effectives (utilisation dans d’autres
modèles comme des modèles de simulation des crues rapides)
• Outil complexe qui n’est plus maintenu (disparition de la société
Hydrowide) et qui ne peut donc plus évoluer
• Investissement sur d’autres plateformes mais pas d’équivalent en terme
de souplesse sur les pas de temps et la géométrie
Perspectives • Recompilé sur machines Windows 7, mais plus d’évolution possible
• Outils d’automatisation du maillage en cours d’amélioration (thèse P.
Sanzana Cuevas, Chili)
• Utilisation envisagée sur un bassin périurbain Chilien et
approfondissement sur le Mercier (maillage amélioré à tester)
• Investissement sur d’autres outils licence GPL: JAMS (cf F. Tilmant)
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Merci pour votre attention
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