19
1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain du ruissellement dans un milieu Péri-urbain Application sur un bassin versant du département 94 (Val de Marne) Eddy EL TABACH Eddy EL TABACH Post doctorant, CEREVE-ENPC Post doctorant, CEREVE-ENPC Conclusions et perspectives de l’étude. 11 Juin 2009 Problématique et but du travail. Description du modèle développé. Résultats de son application sur un sous bassin de Villecresnes- Département 94.

Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

  • Upload
    buinhan

  • View
    217

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

1

Modèle distribué à base physique pour simuler les processusModèle distribué à base physique pour simuler les processusdu ruissellement dans un milieu Péri-urbaindu ruissellement dans un milieu Péri-urbain

Application sur un bassin versant du département 94 (Val de Marne)

Eddy EL TABACHEddy EL TABACHPost doctorant, CEREVE-ENPCPost doctorant, CEREVE-ENPC

Conclusions et perspectives de l’étude.

11 Juin 2009

Problématique et but du travail.

Description du modèle développé.

Résultats de son application sur un sous bassin de Villecresnes-Département 94.

Page 2: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

ProblématiqueProblématique

22

ExutoireDébordement

Ruissellement

EvapotranspirationPluie

EcoulementssouterrainsZone saturée

Zone non saturée

Urbanisation&

Changement climatique

Zone urbaine

Rivière

↑des surfaces imperméableslimitent très fortement lespossibilités d’infiltration del’eau dans le sol ce quientraînent une ↑ de volumed’eaux ruisselées.

Constitue unemenace de

diminution du stockd’E.P souterraines?

Insuffisanceréseau existant:

Inondations?

Mettre en danger la vie des êtresvivants.Peut causer des dommages etpertes financières

Page 3: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

ObjectifObjectif

Développer un outil de modélisation numérique spatio-temporel

Prévoir les zones inondées.

Etudier l’évolution de la nappe.

Etudier la capacité du réseau séparatif d’eau pluvial.

Projet Européen ERA-Net CRUEProjet régional de recherche et de développement durable (R2D2-SYSTEO)

33

Evaluer la performance des solutions alternatives “SUDS”.

pour différents scénariosd’aménagements(changement climatique,occupation du sol, …).

Page 4: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

Modèles numériques Rural/Urbain:

Watershed Modelling System (WMS)-(commercial).Two dimensional Runoff Erosion and eXport Model (TREX).Mike SHE (commercial).

Milieu ruralModèle distribué

Storm Water Management Model (SWMM),CANOE (commercial).

Milieu urbainModèle non distribué

Avantage: Calculs hydrauliques (présence de tuyaux).

Inconvénients: Découplage / couplage faible des processus de surface et desub-surface,Pas de prise en compte de la nappe ni de l’hétérogénéité du sol,

Avantage: Calcul d’hydrologie de surface et de sub-surface.

Inconvénients: Pas de calculs hydrauliques (pas de présence de tuyaux).

4

Constat de départConstat de départ

Page 5: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

5

Mon modèle « Mon modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » ( » (Péri-urbainPéri-urbain))Modèle distribué à base physique sous Matlab.

Modélisation (quantifier) des processus de ruissellement dans un milieu péri-urbain entenant compte de l’infiltration de l’eau dans les différentes couches du sol non saturé et laquantité de l’eau entrant dans le réseau des eaux pluviales (à partir des avaloirs) suite à unévénement pluvieux.

Exutoire (amont)

y x

Réseau (tuyau) connectant tousles avaloirs dans la zone d’étude.

z

Ruissellement

Sol

Infiltration

Urbain

Rural Avaloir

Direction de l’eaudans le tuyau

Schéma d’un modèle conceptuel pourles surfaces péri-urbaines dans unecellule de grille et leur raccordementau réseau d’eau pluviale.

Représentation del’élévation des grilles.

Pluie spatialeet temporelle Réunion des avantages

de 3 logiciels publiques(TREX, VS2DT et SWMM)sous « Matlab ».

Page 6: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

6

Description du modèle « Description du modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » »

Représentation topographique des écoulements desurfaces et dans les rivières (Jullien, 2002).

Méthodologie et hypothèse de calcul:

Sol 1

Sol n

Solsaturé

Subsurface PixelVS2DT

TREX

Pour avoir un bon échange entre la surface et le subsurface, on a attribué à chaquepixel, en utilisant le modèle VS2DT les différentes couches de sol et nappe.

Pluie spatialeet temporelle

Rural Péri-urbain

Page 7: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

7

Description du modèle « Description du modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » »Two dimensional Runoff Erosion

and eXport Model (TREX).

Modèle distribué spatial(cycle de l’eau)

VS2DT (Healy, 1990)

(Infiltration d’un liquide dans unmilieu poreux à saturation d’eauvariable).

Equation de conservation demasses (Julien, 2002):

Wfiy

q

x

q

t

hn

yx +!="

"+

"

"+

"

"

h : Hauteur d’eau [L].

In : précipitation nette.

Equation de Saint Venant.

f: coefficient d’infiltration

Différence finies

Loi de conservation de masse etune forme non-linéaire de la loide Darcy.

1- Calcul des recharges deseaux dans les différentescouches de sols.

2- Suivi de l'évolution de lanappe. 7

( ) !"

#$%

&'(

)*+

,+

-

-.

-

-=

-

-1

zK

zt

/0

0

Page 8: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

8

Sol imaginaireKaval: Perméabilité.Θ: Porosité.

Maille à « Avaloir »Qi(t)

Qo(t)

Qi(t) = f (Kaval, θ, Qx(t), Qy(t))

Kaval =↑ et θ ↑ → Avaloir enfonctionnement.Qi(t) = Qo(t) = Qx(t)+Qy(t)

Qx(t)

Qy(t)

Exutoire(amont)

yxz

Ruissellement

Soil

Infiltration

PluieAvaloir

Afin de tenir compte de la quantité de l’eau Q(t) quirentre dans le réseau des eaux pluviales à partir desavaloirs, on a remplacé le sol existant dans chaquemaille contenant un avaloir par un sol à très forteperméabilité et de porosité.

Description du modèle « Description du modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » »

Page 9: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

9

Q1(t) Q2(t)

Q3(t)

Q4(t)

Q6(t)Q5(t)

Q8(t) Q7(t)

Q17(t)Q16(t)

Q15(t)

Avaloirs

Tuyau

Exutoire du tuyau

LégendeRésolution de l’équation del’écoulement de Saint Venant enutilisant la partie hydraulique dulogiciel SWMM (USEPA, 2007)

1) Évolution de la hauteur d’eaudans les tuyaux.

2) Capacité du tuyau à capterl’eau ruisselé.

Plan d’un réseaud’assainissement

Description du modèle « Description du modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » »

Page 10: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

10

ApplicationApplication

Contour dubassin deVillecresnes

Ville de Villecresnes.

Bassin étudié du Villecresnes.

Département de Val de Marne, France.

Vue aérienne de la zone d’étude.

Application au sous bassin de Villecresnes (département94)

Aire=712300m2.

Page 11: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

High : 111.5

Low : 54.07

Elévation (m)

Parmi les données (DSEA94) nécessaire pour le modèlenumérique

11Carte de distribution spatiale del’altitude [m].

Carte de distribution spatiale du moded’occupation du sol.

Serre agriculture

Classe d’occupation du solForêtRouteverdureMaisonPiscineTennis

Avaloirs

8 classes

Traitement, analyse etpréparation desdonnées sous lelogiciel ArcGIS.

ApplicationApplication

Page 12: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

12

t = 1 heure. t = 4,65 heures (pluie termineaprès 4,65 heures).

Résultats: Distribution spatiale de la hauteur d’eau à la surface du sol pourdifférents temps de calculs

Lame d’eau (m)

t = 5 heures.

ApplicationApplication

Zone inondée.

Page 13: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

13

tuyau 31-32

Cap

acité

Temps (Heures)Evolution de la capacité duréseau d’eau pluvial existant

Avaloir

Plan du réseau d’eau pluvial

Aval

40%

Résultats

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25

ApplicationApplication

Page 14: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

14

Coordonnéesmaille

X = 613 280.140Y = 113 887.902

ApplicationApplicationSurface du sol

Prof

onde

ur(m

)

Lim

ons

Cra

ieC

raie

satu

rée

2m3m

Typologie du sol

Saturation en eau0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

t = 0 hour.

t = 2 hours.

t = 4.65 hours.

t = 6 hours.

t = 10 hours.

t = 12 hours.

Prof

onde

ur(m

)

Variation de la saturation en eau dansle profil du sol à une position fixe.

Page 15: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

Étude de l’impact du changement du mode d’occupation du sol sur lesprocessus de ruissellement dans le sous bassin de Villecresnes.

Future distribution spatiale du moded’occupation du sol

15

Fôret Urbain

RouteverdureMaisonPiscineTerrain de tennisSerre agricultureAvaloirs

ApplicationApplication

Page 16: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

16

ApplicationApplicationParmi les résultats: Changement de MOS.

t=3 heures t=4,65 heures t=5 heures

Distribution spatiale de la hauteur d’eau à la surface du sol pour différents temps de calculs

Page 17: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

17

Étude de l’influence du changement d’occupation du sol

Temps (Heures)

Cap

acité

Avaloir.

Le tuyau est encore capable de capter l’augmentation de l’eau(15%) générée par ce nouveau mode d’occupation du sol.

ApplicationApplication

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 4 8 12 16 20 24

Normal

Scénario

Page 18: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

18

Recherche Recherche (Post doc)(Post doc)

Conclusion

Un modèle numérique distribué à base physique qui permet de modéliser lesprocessus du ruissellement dans un milieu péri-urbain.

Cette étude nous a permis de mieux comprendre la réponse hydrologique du sousbassin de Villecresnes sous des condition météorologique sévères et des différentsscénarios du mode d’occupation du sol.

Ce modèle peut donner des informations utiles pour déterminer les endroitsexacts des inondations et de débordements du réseau.

Perspective

Validation du modèle numérique par des mesures expérimentales (Stage en coursavec Omar Mahmood).

Simuler la pluie spatiale.

Page 19: Eddy EL TABACH - hydrologie.orghydrologie.org/CNFSH/CNFSH2009AG/ElTabach.pdf · 1 Modèle distribué à base physique pour simuler les processus du ruissellement dans un milieu Péri-urbain

Merci pour votre attentionMerci pour votre attention

19

Eddy EL TABACHEddy EL TABACH

11 Juin 2009

CollogueCollogue CNFSH CNFSH