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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