9.5. Compléments

Les informations des sections précédentes fournissent une base conséquente pour la construction d’un modèle classique. Cependant certaines applications nécessitent de maîtriser des notions additionnelles pour tirer pleinement profit des fonctionnalités proposées par HYDRA.

Ces compléments sont décrits ci-après.

9.5.1. Paramétrage des données hydrologiques en mode externe

Les données hydrologiques sont définies par saisie manuelle dans des écrans de saisie via le menu hydrology de l’IHM (Interface Homme-Machine), puis stockées dans la base du projet. HYDRA offre une autre possibilité de définir ces données via des fichiers externes déclarés par le bouton output files de l’onglet computation option du gestionnaire de scenarios :

../../_images/comp_options.png

La documentation associée est consultable en activant le bouton « ? » ci-dessus. Elle décrit le format des fichiers externes à renseigner au chapitre 6 de cette documentation. Les données concernées sont :

  • Les données pluviométriques,
  • Les données de scénarios d’apports de temps sec,
  • Les données de déroutage,
  • Les hydrogrammes d’apports,
  • Les fichiers de régulation.

Chacune de ces rubriques est déclarée par un mot clé. Lorsque que ce mot clé est détecté, HYDRA ignore les données correspondantes renseignées dans le gestionnaire de scénarios et sélectionne les données définies sous le mot clé du fichier externe.

Cette alternative s’avère très intéressante dans les cas suivants :

  • Pour profiter de la plus grande richesse de format de données offerte par les fichiers externes. Si on considère par exemple les données pluviométriques, les temps peuvent être exprimés en date calendaire, alors que dans l’IHM ils sont exprimés en minutes écoulées depuis la date origine du scénario.
  • Pour éviter de transposer manuellement dans les écrans de saisie de l’IHM des données déjà définies et mises en forme dans des fichiers externes (à noter que la plupart de ces fichiers sont définis au format .csv).
  • Pour les applications temps réel, dans lesquels les calculs sont pilotés par un superviseur dédié, et non par l’IHM d’HYDRA.
  • Pour le pilotage des séries chronologiques : les données pluviométriques sont généralement définies dans un seul fichier couvrant la totalité de la période avec le temps exprimé en date calendaire. L’importation d’un tel fichier dans l’IHM représenterait un travail très lourd dont on s’affranchit avec cette procédure de lecture en mode externe.

9.5.2. Définiton et paramétrage des lois de production des apports de ruissellement

Les lois disponibles sont renseignées dans l’objet catchment, elles sont décrites dans le manuel d’analyse (chapitres 3 et 4). Quelques précisions utiles complémentaires sont détaillées ci-après.

Bassin versants urbains

Un paramètre intrinsèque important est le coefficient d’imperméabilisation : il est défini comme le rapport entre les surfaces imperméabilisées et la surface totale du bassin versant. La surface imperméabilisée englobe les voiries et leurs bas-côtés, les toitures et terrasses, ainsi que les parkings et surfaces aménagées des zones d’activité. Deux modèles sont proposés pour modéliser le ruissellement sur ces surfaces :

  • le modèle Horner qui tient compte des pertes initiales,
  • le modèle à coefficient de ruissellement Cr constant.

Le modèle d’Horner est réputé plus précis, mais le calage des coefficients nécessite de disposer d’un nombre conséquent de données de mesures, qui ne sont pas toujours disponibles.

Le modèle à coefficient Cr constant est plus simple à mettre en œuvre, mais il tombe en défaut pour les petites pluies (inférieures à 5mm) et les gros épisodes (supérieurs à 25 mm).

Entre ces deux bornes l’expérience montre que ce coefficient est relativement constant et peut être pris égal à 0.7 fois le coefficient d’imperméabilisation.

A l’extérieur de ces bornes des ajustements doivent être apportés à cette formulation. Des lois d’ajustement sont proposées dans HYDRA via trois mots clés déclarés dans le fichier d’options :

../../_images/comp_options.png

Ces mots clé sont : PINI_CR, PINI2_CR, PINI3_CR.

La loi d’ajustement la plus complète correspond au mot clé : PINI3_CR. Le coefficient Cr est modulé comme suit :

../../_images/comp_pini.png

Cette loi a été calée/testée sur des épisodes orageux s’étalant sur plusieurs jours en région parisienne lors du mois de juillet 2018. Elle est intéressante car elle tient compte de l’assèchement des sols en période non pluvieuse et peut donc s’appliquer à une chronique continue.

Bassins versants ruraux

On s’intéresse pour ce type de bassins à des épisodes de crues sur plusieurs jours, voire des chroniques de plusieurs semaines ou plusieurs mois. La réaction de sols non urbanisés joue un rôle important et les modèles associés sont des modèles à réservoirs plus ou moins élaborés. HYDRA propose 4 modèles de production de ruissellement :

  • Le modèle Holtan,
  • le modèle SCS adapté pour une exploitation en continu par des chroniques longue durée,
  • le modèle GR4J développé par l’IRSTEA,
  • le modèle HYDRA qui constitue une variante du modèle GR4J.

Le modèle Holtan, tel qu’il est paramétré, peut être utilisé pour modéliser des événements pluvieux simples, il ne dispose pas de fonction de vidange du réservoir par évapotranspiration (ETP) ou autre mécanisme.

Les trois autres modèles permettent de modéliser des chroniques longue durée :

  • le modèle SCS modifié reprend la formulation classique SCS et lacomplète par une fonction de vidange du réservoir de sol. Son utilisation est recommandée pour les épisodes pluvieux simples, les résultats fournis sont comparables à ceux du modèle Holtan après calage. Les tests réalisés sur des chroniques longue durée montrent que les résultats ont tendance à se dégrader sur la durée.
  • Les modèles GR4J et HYDRA sont recommandés pour des simulations de chroniques longue durée. Ce sont tous deux des modèles à deux réservoirs et à 4 paramètres de calage.

o Le modèle GR4J a été appliqué à des typologies de bassins versants très contrastées et a prouvé ses qualités de précision et de robustesse. Les paramètres de calage n’ont cependant pas d’interprétation physique évidente et sont difficiles à ajuster sans outil d’aide spécifique. L’IRSTEA a développé un outil Open source en langage Python pour caler automatiquement les paramètres du modèle à partir de données de chroniques sur une, voire plusieurs années hydrologiques, comprenant des données pluviométriques, l’enregistrement des débits journaliers à l’exutoire du BV et les données mensuelles d’ETP.

o Le modèle HYDRA est basé sur un modèle conceptuel à réservoirs avec une architecture légèrement différente, qui utilise notamment pour la RFU la formulation SCS. Les paramètres de ce modèle présentent l’avantage de pouvoir être interprétés physiquement et être estimés pour certains par lecture directe des enregistrements. Il est applicable pour des pas de temps de calcul quelconques, contrairement au modèle GR4J pour lequel un pas fixe de 24 heures ou de une heure est prescrit. Ce modèle dispose également d’un outil spécifique de calage d’une chronique longue durée, écrit en langage Python. Cet outil n’est pas intégré à la version actuelle d’HYDRA et doit être exploité en externe. Son intégration dans l’IHM d’HYDRA est prévue à terme.

o Des tests de comparaison ont été effectués entre ces deux modèles sur des bassins versants contrastés (cf. documents de validation). Les ajustements obtenus à l’aide des outils de calage précités sont de qualité comparable.

9.5.2.1. Ajustement des conditions initiales des sols

Deux types d’ajustement des conditions initiales de sols sont proposés :

Ajustement imposé par l’utilisateur

L’utilisateur a la possibilité d’ajuster les paramètres de sol au début d’un événement de crue en affectant un coefficient initial de saturation via les champs suivants du gestionnaire de scénarios :

../../_images/comp_ci_sols.png

Runoff coefficient variation « Rcv »

Ce coefficient s’applique uniquement à la loi de production Cr constant : le coefficient Cr de chaque BV concerné est multiplié par le factor Rcv.

Soil moisture coefficient « Smc »

Ce coefficient s’applique aux réservoirs superficiels des modèle Holtan, SCS et HYDRA : le niveau d’humidité de chaque réservoir est calculé en multipliant la capacité du réservoir par le coefficient Smc. Par défaut ce coefficient est égal à 0 : les réservoirs sont à sec en début de simulation.

Cette fonctionnalité ne concerne que les modèles à réservoirs : Holtan, SCS et HYDRA. Elle est activée dans le cas de la modélisation hydraulique d’une crue démarrant à une date donnée. Les conditions d’écoulement sont calmes au démarrage de la crue, mais l’humidité des sols est généralement affectée par les événements pluvieux antérieurs à la crue. Pour quantifier les conditions d’humidité du sol en début de crue on précède en deux temps :

Première étape* : scénario préparatoire Scen1*

Simulation de la période préparatoire à l’aide du module hydrologique uniquement. Le gestionnaire du scénario préparatoire « Scen1 » est positionné comme suit :

../../_images/comp_periode_preparatoire.png

Les niveaux de remplissage au temps Tsave=2880 heures sont stockés dans le fichier Scen1_R_hydrol.ini du répertoire Scen1hydrol. Les niveaux calculés sont également stockés dans le fichier Scen1_R_soil_ini.csv pour consultation.

Deuxième étape* : scénario Scen2*

Simulation de la crue avec les conditions initiales de sol contenues dans le fichier Scen1_R_hydrol.ini.

Il est impératif que la scénario Scen2 soit réglé en démarrage à froid. Il suffit de positionner les champs suivants comme suit :

../../_images/comp_recup.png

Dans la phase de calcul hydrologique le programme va récupérer les niveaux d’humidité des réservoirs dans le fichier Scen1_R_hydrol .ini généré dans la simulation précédente.