6.5. Rivières et écoulements à surface libre

6.5.1. Introduction

Les objets de modélisation et outils de construction associés au domaine rivières et écoulements à surface libre sont les suivants :

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Hydra propose différents schémas de modélisation des écoulements de rivière, et de façon plus générale à surface libre (lit majeur, secteurs urbains soumis aux débordements de réseaux, ...), adaptés à l’échelle de travail et aux systèmes étudiés, tout en permettant leur couplage :
  • filaire, ou unidimensionnel (1D) : cours d’eau (lits mineur et / ou majeur, canaux, tronçons couverts), représentés par des sections géométriques agencées le long d’un axe préférentiel d’écoulement ; les vitesses d’écoulement sont imposées le long de cet axe,
  • bidimensionnel (2D) : le terrain naturel et / ou la bathymétrie sont schématisés par un maillage triangulaire ou quadrangulaire, chaque maille étant caractérisée par sa surface et la cote moyenne du terrain naturel,
  • casiers : zones de stockage présentant de faibles vitesses d’écoulement et de faibles variations de hauteurs d’eau, caractérisés par une loi de remplissage cote / volume,
  • rues : axes potentiels privilégiés des écoulements dans un environnement urbain dense et/ou régulier, assimilées à un schéma filaire,

Ces différents schémas et les objets de modélisation associés sont présentés dans les chapitres suivants. Ils peuvent être connectés entre eux par des Liaisons.

Dans le cas de modèles surfaciques comportant plusieurs milliers de mailles et de liaisons il est illusoire de tenter de construire et de renseigner manuellement chaque objet de modélisation. Hydra dispose pour cela d’un outil de génération automatique très performant permettant, à partir du tracé par l’utilisateur de simples polylignes, des lignes de contrainte RIV_CST Constrain, de générer automatiquement les maillages 2D ainsi que les liaisons connectant ces différents domaines.

Ces outils sont présentés dans le chapitre suivant.

6.5.2. Conceptualisation du territoire à modéliser pour la génération du maillage 2D, de liaisons en lot et la cartographie avancée des zones inondables

6.5.2.1. Objectifs

La construction des modèles, notamment pour les écoulements de surface, s’appuie sur des méthodes et moyens de conceptualisation permettant de passer d’un schéma de modélisation très général défini par l’utilisateur à la génération automatisée des objets de modélisation associés à cette représentation.

Cette méthodologie permet au modélisateur de se focaliser sur la conceptualisation du schéma de modélisation, découlant directement de sa compréhension du fonctionnement physique du système, et d’automatiser la génération des objets de modélisation associés.

Les écoulements de surface sont avant tout contraints par des marqueurs physiques du terrain naturel, que le modélisateur se doit d’identifier afin de définir les schémas de modélisation les plus adaptés au contexte géographique et aux attendus associés à la modélisation mise en œuvre :
  • structures du système alluvial au sens hydro géomorphologique : lit mineur, délimité par ses berges, lit moyen accueillant les crues fréquentes, lit majeur qui accueille les crues rares à exceptionnelles
  • Obstacles aux écoulements ( remblais, digues, …) et ruptures de pente,
  • Axes préférentiels d’écoulement,
  • Fossés de drainage et de ressuyage des plaines alluviales,
  • Occupation du sol : végétation, bâti, …

La construction des modèles passe ainsi par une première étape préalable de délimitation de l’ensemble de ces espaces ou marqueurs, via des lignes de contraintes RIV_CST Constrain.

6.5.2.2. Lignes de contraintes et coverages

Les lignes de contraintes sont matérialisées par des polylignes créées par l’utilisateur, via le bouton RIV_CST; leurs fonctions sont multiples :
  • délimitation des frontières extérieures des différents domaines de modélisation. La juxtaposition de lignes de contraintes contiguës se refermant sur elles-mêmes permet de délimiter des coverage, surfaces polygonales auxquelles sont affectés des schémas de modélisation donnés. Ces polygones sont créés dynamiquement par l’application lors de l’enregistrement des lignes de contraintes. Les modalités de création de ces domaines et des entités associées sont détaillées dans les chapitres suivants :
  • automatisation de la génération de liaisons entre domaines (§ Création des liaisons en lot),
  • génération des analyses cartographiques des résultats de calcul.
Pour chacune de ces lignes de contraintes, l’utilisateur définit :
  • une fonction (type) :
    • boundary permettant de générer des liaisons d’un domaine 2D vers une condition limite aval,
    • flood plain transect permettant de définir l’orientation de la vallée et de générer des sections de vallée pour les modèles filaires,
    • le type de liaisons hydrauliques associées le cas échéant, et leurs paramètres non géométriques : 2D, overflow, porous.
  • une taille objectif d’éléments de modélisation (mailles 2D pour les domaines 2D, largeurs de liaisons d’échange entre deux domaines filaires, …).
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Une étoile jaune ( RIV_UNCLOSED_CST Unclosed constrain) matérialise les sommets des lignes de contraintes proches mais non fusionnées afin d’alerter l’utilisateur sur :
  • la présence de sommets de deux lignes de contraintes très proches mais non fusionnées, ne permettant pas la création d’un coverage,
  • la proximité de deux sommets d’une même ligne de contrainte susceptibles d’entraîner la création de mailles de très petite dimension.

L’outil RIV_SPLIT_CST permet de couper une ligne de contrainte.

6.5.3. Domaine filaire (ou 1D)

6.5.3.1. Les objets de modélisation

Les objets de modélisation associés au domaine 1D sont les suivants :

../../_images/_River_1D_button_ui.png

6.5.3.2. Principes de modélisation

Le bief ( RIV_REACH Reach) constitue l’ossature de ce domaine : c’est une polyligne représentant l’axe du cours d’eau. Cet objet doit être tracé avant tous les autres. Deux nœuds extrémités ( RIV_RNODE River node) sont automatiquement générés lors de la création du bief.

Après sélection du bouton RIV_REACH Reach, l’utilisateur dessine la polyligne matérialisant le bief de l’amont vers l’aval.

Les données attributaires d’un bief sont :
  • son nom
  • le PK origine du bief (0.0 par défaut)
  • le pas de discrétisation (50m par défaut)

On peut ensuite poser des nœuds ( RIV_RNODE River node) intermédiaires le long du bief; ces nœuds servent de support aux profils de sections, aux singularités et aux liaisons latérales.

Note

les outils RIV_REACH_M et RIV_REACH_S permettent respectivement d’assembler deux reach ou d’en séparer un en deux.

La géométrie d’un bief est définie par les objets RIV_CS Cross section posés sur les nœuds.

Les extrémités des biefs :
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Du fait de la définition de la géométrie, une cross section doit être définie aux 2 nœuds extrémités d’un reach. Par ailleurs les extrémités de deux biefs différents ne peuvent pas être fusionnés , ils doivent être connectés par un link; Il y a donc là une importante différence avec les règles d’agencement des tronçons d’assainissement.

6.5.3.3. Géométries de sections et règles d’agencement

La géométrie d’une branche filaire est renseignée au niveau des objets RIV_CS Cross section, posés sur des nœuds de rivière RIV_RNODE River node. Pour chacun de ces objets on peut définir une section amont et une section aval, afin de prendre en compte les discontinuités de géométries.

../../_images/_Cross_section_ui.png
Cinq types différents de sections géométriques sont disponibles :
  • les 4 sections de collecteurs également disponibles pour les branches d’assainissement, NET_P tronçons de collecteur (la bibliothèque de sections est commune aux branches de rivière et d’assainissement)
    • Circular : collecteur circulaire, caractérisé par son diamètre
    • Ovoïd : collecteur ovoïde, caratérisé par ses diamètres bas et haut et par sa hauteur
    • sections paramétriques, définies par une courbe tabulée hauteur / largeur :
      • Pipe : collecteur paramétrique fermé
      • Channel : canal paramétrique ouvert

    Une cote radier (zf upstream elevation et zf downstream elevation) et un coefficient de strickler sont affectés à chaque section.

    Pour les sections paramétriques, l’onglet geométry permet de sélectionner une géométrie existante ou d’en créer une nouvelle qui sera enregistrée dans la bibliothèque de sections.

  • la section valley à lits composés (section de cours d’eau comprenant le lit mineur et les lits majeurs rives gauche et droite). Elle peut être construite manuellement, ou générée à partir du MNT et/ou de semis de points bathymétriques (cf. Valley cross section).
    Sont définis :
    • deux coefficients de strickler : un pour le lit mineur, et un pour le lit majeur (affecté aux rives gauche et droite),

    • un coefficient de sinuosité, correspondant au ratio entre la longueur développée du lit mineur et la longueur de la vallée jusqu’à la section suivante pour laquelle un coefficient de sinuosité est défini (toujours supérieur à 1).

      Note

      Si les coefficients de Strickler et de coefficient de sinuosité sont à 0, les trois valeurs de la section amont seront automatiquement affectées.

    • Une géométrie : l’onglet geométry permet de sélectionner une géométrie existante ou d’en créer une nouvelle qui sera enregistrée dans la bibliothèque de sections,

    • Une cote radier du lit mineur (zf upstream elevation et zf downstream elevation). Les cotes section sont recalées en ajoutant la grandeur zf - zfmin à chaque cote de la section, où zfmin est la cote de fond du lit mineur définie dans la géométrie.

La bibliothèque de sections est également accessible via le bouton TB_SEC Geometries library de la barre d’outils hydra.

Un bief peut ainsi être défini géométriquement comme suit :

../../_images/_Reach_sections_building_rules.png

Avertissement

  • Une geometry downstream doit être nécessairement définie sur le nœud amont du bief
  • Une geometry upstream doit être nécessairement définie sur le nœud aval du bief
  • Si un seul profil est défini sur un point courant, il peut être posé indifféremment en amont (upstream) ou en aval (downstream).

La barre de défilement située en bas de l’éditeur de cross sections permet de naviguer le long des cross section d’une branche. Cet outil permet de créer et d’ajuster les sections d’une même branche sans sortir de l’éditeur (évitant ainsi l’édition systématique de chacun des objets).

../../_images/_Cross_section_navigation_ui.png

6.5.3.4. Délimitation du domaine surfacique 1D

La délimitation du domaine surfacique 1D (coverage de type reach) est nécessaire pour la génération automatique de liaisons vers d’autres domaines et les traitements cartographiques des résultats de calcul. Elle se fait via les lignes de contrainte RIV_CST Constrain.

Ce domaine correspond à l’emprise du territoire couverte par une modélisation de type 1D à surface libre, par le biais de sections de type vallée. Il est délimité par :
  • deux lignes de contrainte de type flood plain transect définissant les limites amont et aval du domaine,
  • des lignes de contrainte délimitant les frontières latérales du domaine. L’utilisateur précise le type de liaisons associées à ces frontières le cas échéant (cf. Liaisons; par défaut, des liaisons LINK_O Overflow link seront générées)

Un coverage est créé lorsque plusieurs lignes de contraintes juxtaposées délimitent un polygone. Ce coverage est de type Reach (1D) si il intersecte une portion de bief de type vallée (i.e. les sections amont et aval de cette portion de bief sont de type Valley).

Note

les couches Valley et Channel peuvent être visualisées dans le gestionnaire de couche (groupe River and free surface flow du modèle actif). Elles matérialisent les tronçons de reach de type Valley ou Channel.

Des flood plain transect intermédiaires peuvent être ajoutés :
  • pour générer des géométries de sections (cf. Valley cross section),
  • pour préciser l’orientation de la vallée. Ces lignes de contraintes complémentaires permettent de définir l’axe d’interpolation des cotes calculées sur le lit mineur en lit majeur pour le traitement cartographique des résultats de calcul ainsi que l’orientation des liaisons vers les domaines connexes le cas échéant.
../../_images/_1D_coverage_building.png

Avertissement

  • Les lignes de contraintes doivent être fusionnées les unes aux autres sur leurs extrémités (notamment les flood plain transect et les lignes de contraintes latérales).
  • Les flood plain transect doivent être orientées de la rive gauche vers la rive droite.
  • Un coverage 1D ne doit intersecter qu’un seul reach.
  • Une attention particulière doit être apportée à la définition des Flood plain transect aux extrémités des biefs et des tronçons de type vallée. Sur l’exemple ci-dessous, à la transition entre un tronçon de type vallée et un tronçon de type collecteur circulaire, les contraintes devant délimiter le domaine 1D doivent être positionnées à l’extérieur des biefs de type vallée : en aval de la dernière section vallée et en amont de la dernière section couverte.
../../_images/_1D_coverage_rules.png

6.5.4. Casiers

Le casier est une zone d’expansion du lit majeur caractérisée par des vitesses d’écoulement généralement faibles et dont le contour s’appuie sur la topographie naturelle ou sur des obstacles artificiels à l’écoulement des eaux. Le casier est délimité par un contour polygonal de forme quelconque et caractérisé par une courbe de remplissage cote / surface.

Le contour du casier est défini par une ou plusieurs lignes de contrainte RIV_CST Constrain. Un coverage est créé, de type 2D par défaut. L’insertion d’un marqueur de casier RIV_STORAGE affecte un type casier au coverage.

../../_images/_Storage_building.png

La loi de remplissage cote / surface du casier est calculée à partir du MNT à l’aide du bouton RIV_STORAGE_FILLING_CURVE.

../../_images/_Storage_ui.png

6.5.5. Domaine 2D

6.5.5.1. Création du maillage

L’ossature d’un sous domaine 2D est la maille à 3 ou 4 nœuds (mesh element), caractérisé par :
  • sa surface,
  • une cote moyenne de fond,
  • une cote basse de fond, calculée à partir des données fournies par les liaisons connectées à la maille.

La génération du maillage s’appuie sur les lignes de contrainte RIV_CST Constrain. La juxtaposition de lignes de contrainte définit le contour d’un coverage qui est de type 2D s’il n’intersecte pas de bief 1D de type vallée, de rue (street) ou de marqueurs casiers ou null.

Les paramètres associés à la ligne de contrainte sont :
  • La largeur d’élément (element length), qui correspond à la largeur de la maille attendue le long de la ligne de contrainte,
  • Le type de liaison associé à la ligne de contrainte, pour la génération automatique des liaisons entre les éléments situés de part et d’autre de cette ligne de contrainte.

Avertissement

Le maillage s’appuie également sur les sommets des lignes de contrainte; leur espacement doit donc être cohérent avec la taille de mailles souhaitée et la longueur d’élément affectée à la ligne de contrainte pour ne pas créer de trop fortes distorsions dans le maillage.

Le maillage est généré via le bouton RIV_MESH, puis un clic dans le coverage considéré. Lors de cette étape, sont également créées :
  • les liaisons entre mailles 2d situées à l’intérieur du coverage,
  • les liaisons vers les autres domaines s’appuyant sur des lignes de contrainte communes (cf. Liaisons).

Note

Des lignes de contraintes peuvent être ajoutées à l’intérieur d’un coverage; le maillage s’appuiera alors sur ces lignes suivant le même principe que pour les frontières extérieures du coverage. Les liaisons entre les éléments situés de part et d’autre de ces lignes de contrainte seront également générées lors du maillage.

Le maillage peut être ajusté, par modification des lignes de contrainte ou de leurs caractéristiques. Le maillage existant doit être préalablement supprimé via le bouton RIV_MESH_GARBAGE puis sélection du coverage à démailler. Toutes les liaisons générées automatiquement avec mailles supprimées sont également supprimées.

../../_images/_Mesh_2d.png
Les outils suivants permettent de générer le maillage en lot :
  • RIV_MESH_REGEN_UNMESHED maillage des coverage non maillés,
  • RIV_MESH_REGEN_ALL maillage de l’ensemble des coverage 2d, y compris ceux déjà maillés le cas échéant.

6.5.5.2. Affectation d’un nom de domaine

Un nom de domaine 2D (2d domain) peut être affecté aux mailles via le bouton RIV_DOM2D , permettant de préciser les modalités d’algorithmes de calculs dans ce domaine.

6.5.6. Rues

Les objets de modélisation associés au domaine rue sont les suivants :

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  • Les carrefours : RIV_CR Crossroad : carrefours, définis par leur surface d’emprise,
  • Les rues : RIV_STREET Street segment : rues, définies par une largeur moyenne, un décaissé et un coefficient de strickler.

Les objets RIV_STREET street sont utilisés pour automatiser la construction des éléments associés au domaine street, et ne sont pas exploités pour le calcul.

Ce domaine se présente comme un réseau maillé de tronçons de rues connectés à un carrefour à chaque extrémité, permettant de modéliser des débordements le long de rues. Des objets Tronçons de rues, reliant chacun des Crossroad le long des objets Street sont automatiquement générées entre 2 carrefours par l’application pour le calcul, reprenant les caractéristiques de l’objet Street.

Note

Une modification de géométrie sur une rue doit donc conduire à la séparer en deux objets street distincts.

6.5.6.1. Création des objets carrefour et rue, délimitation du domaine rue

L’objet RIV_STREET rue permet d’automatiser la création des carrefours et des tronçons de rue le long d’une voirie de largeur homogène. Après sélection du bouton RIV_STREET, l’utilisateur positionne la polyligne matérialisant la rue puis lui affecte une largeur et un coefficient de strickler.

Après validation, l’application crée :

  • des carrefours RIV_CR Crossroad aux sommets de la polyligne `street,

  • des tronçons de rue reliant les RIV_CR Crossroad; ces objets, générés lors du calcul, ne sont pas visibles via l’interface.

  • une ligne de contrainte autour de la rue, délimitant un coverage; un type street est affecté au coverage, qui contient au moins un objet street.

    ../../_images/_Street_coverage_generation.png

Lorsque plusieurs street s’intersectant sont créées, l’application effectue un découpage des lignes de contraintes créées autour de chaque street. Une reprise manuelle des lignes de contrainte ainsi générées peut être ponctuellement nécessaire pour ajuster les limites de coverages.

../../_images/_Street_coverage_generation_2.png

6.5.6.2. Création manuelle des carrefours

Les carrefours sont créés via le bouton RIV_CR Crossroad en les posant le long d’un objet street.