Calage et validation du modèle hydraulique

La bathymétrie du cours d'eau ainsi que les ouvrages sont maintenant implémentés sous Hec-Ras. On cherche alors à caler les paramètres du modèle hydraulique sur les observations disponibles.

Calage et validation du lit mineur

  • Paramétrisation du modèle

Dans un premier temps, le coefficient de Strickler est calé pour  le lit mineur, ainsi que le coefficient de débits du seuil. On dispose pour celà des lignes d'eau relevé lors de l'étude menée par Génivar et du débit moyen journalier au 23 Juillet 2012.

Le seuil est constitué d'une porte assimilable à un seuil mince, et un seuil épais trapézoïdal.

On implémente dans HEC-RAS la loi de seuil suivante, qui convient aux seuils dénoyés :

Q = C . L . H1.5

avec :

- Q : débit au droit du seuil

- C : coefficient de seuil

- L : largeur du déversoir

- H : hauteur de la nappe déversante
 

Remarque : HEC-RAS est par la suite capable d'ajuster la valeur du coefficient de seuil dans le cas où le seuil devient partiellement noyé, en fonction de la hauteur aval. Le logiciel est de plus capable, en cas de seuil complétement noyé (ou "effacé"), d'opter pour une méthode de calcul basée sur l'énergie plutôt que sur une équation de seuil.

Le coefficient de Strickler sera quant à lui pris à une valeur standard avant d'être ajusté ; il y a de toute façon peu d'information sur la composition granulométrique du lit et des berges pour délimiter une valeur de Strickler de départ.

Des paramètres supplémentaires ont été fixés sans avoir pu faire l'objet d'un ajustement par calage. Ainsi, aux droits du pont et de la passerelle, on choisit une approche par bilan de quantité de mouvement ("Momentum") pour modéliser leurs impacts sur la ligne d'eau. L'équation requiert les coefficients de trainée des piles, que l'on fixe à 0.3 pour celles de la passerelle (rapport longueur sur largeur de 6 pour 1), et 1,39 pour la pile du pont (nez triangulaire avec un angle de 30° à 60°) en se référant au guide de référence hydraulique d'Hec-Ras.

  • Calage du modèle sur les débits de Juillet 2012

On se base sur les lignes d'eau relevées par Genivar lors de la campagne de terrain de 2012 pour réaliser le calage.

Le calage mène à un coefficient de Strickler de 25 m1/3.s-1 dans le lit mineur en l'aval du tronçon et à un coefficient de débit de 1,75 pour la porte qui est assimilée à un seuil mince. Pour le coefficient de Strickler de la zone amont, l'influence du seuil ne permet pas un calage précis du lit mineur.

Tableau 3.3 : Calage du lit mineur

Date des mesures Emplacement Cote NGF de la surface libre mesurée (m) Cote NGF de la surface libre simulée (m) Erreur
Juillet 2012 Sous la passerelle 294.20 294.23 3,2%
Juillet 2012 Amont du seuil 294.19 294.23 4,3%
Juillet 2012 Aval du seuil 292.97 292.99 11%

Remarque : les erreurs sont calculées à partir des hauteurs d'eau et non pas des cotes NGF.

  • Validation sur 2007

 La validation du modèle est réalisée sur les données issues de l'étude d'Hydratec et relevés le 23 avril 2007.

Tableau 3.4 : Validation du lit mineur

Date des mesures Emplacement Hauteur de la surface libre mesurée (m) Hauteur de la surface libre simulée (m) Erreur
23 Avril 2007 Amont du seuil 294.38 294.37 0.7%
23 Avril 2007 Aval du seuil 293.43 293.28 29%

Les lignes d'eau simulées sont représentées sur le profil en long de la rivière au niveau d'Harchéchamp.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 3.20 : Lignes d'eau du Vair pour les deux débits d'étiage 

  • Commentaires

Le calage du lit mineur et des ouvrages apparaît acceptable mais mérite cependant d'être relativisé. En effet,  l'influence du seuil se faisant ressentir sur une très longue distance en amont par son effet de retenue, la ligne d'eau pour de faible débit est essentiellement influencée par le seuil. Ainsi, le coefficient de Strickler du lit mineur de cette zone est impossible à déterminer. Aussi, le coefficient de Strickler du lit mineur de la zone à l'aval lointain qui donne en revanche des résultats satisfaisant a été retenu pour décrire la zone amont.

Enfin, les erreurs à l'aval immédiat du seuil peuvent être imputées à la bathymétrie accidentée et irrégulière du site visible sur les photos ainsi qu'au manque d'information sur la localisation des mesures.



 

Calage et validation du lit majeur

  • Objectif

Le calage du modèle a ensuite été réalisé pour le lit majeur en appliquant au lit mineur les valeurs de coefficient de Strickler obtenues précedemment.

Ainsi, la crue de décembre 2011, la plus riche en mesures et observations au niveau d'Harchéchamp, va servir à caler les coefficients de Strickler du lit majeur.

La validation de cette paramétrisation sera effectuée sur la récente crue de février 2013. L'hydrogramme de crue est issu du site vigicrues.gouv.fr. Ce site publie des données à titre informatif qui ne sont ni critiquées, ni validées, susceptibles d'être modifiées, et n'ayant aucune valeur officielle. Des photos de cette crue ont été prises à Harchéchamp par un membre du binôme 2 et ont permis de reconstituer quelques repères de crues.

  • Simulations et calage (crue de 2011)

Deux moyens de calage sont disponibles : la création d'une tache d'inondation d'une part, et la visualisation de la ligne d'eau d'autre part.

Le module Ras-Mapper du logiciel Hec-Ras peut en effet générer une tache d'inondation plutôt qu'une visualisation de la ligne d'eau, en s'appuyant sur un fichier "terrain" contenant le modèle numérique de terrain. 

Les travaux de Horrit & Bates (2002) montre que pour un écoulement rassemblant certaines hypothèses, les résultats des simulations 1D du logiciel HEC-RAS, bien que découlant d'une méthode plus simple, sont comparables à ceux d'une modélisation 2D, lorsque le module Ras-Mapper est utilisé pour visualiser les taches d'inondation. En revanche, ceci implique de posséder un modèle numérique de terrain de résolution acceptable.

Ce moyen sera privilégié pour effectuer le calage du modèle. En effet, les deux laisses de crues en aval du seuil relevées par Genivar sont sujettes à plus d'approximation que les photos aériennes. Cependant, il faut rappeler que le MNT est d'une résolution discutable.

Le processus de calage mène à un Strickler du lit majeur de 15 m1/3.s-1. Le lit majeur est régulier, essentiellement constitué de champs cultivés et d'herbe basse, il n'y a pas lieu de définir des zones particulières plus rugueuses.

Dans un premier temps le coefficient de seuil a été calé à 1,6. Cependant, compte tenu des débits étudiés, il s'avère que celui ci étant totalement ennoyé, le coefficient de seuil n'intervient plus dans le calcul hydraulique.

 

Figure 3.21-3.22 : Comparaison de la tache d'inondation observée et simulée (gauche) et exemple de photo utilisée (droite, source : Epama)

(Cliquer pour agrandir)

  • Validation (crue de 2013)
 

Figure 3.23 - 3.24 : Comparaison de la tache d'inondation observée et simulée (gauche) et exemple de photo utilisée (droite)

(Cliquer pour agrandir)

  • Commentaires

On constate que la tache d'inondation est cohérente sur les zones à pentes régulières, qu'elles soient faibles ou fortes. Cependant, lorsque la zone présente des discontinuités de type "escaliers", typiquement la route en rive droite, la tache d'inondation modélisée diffère des observations. Cela s'explique par le fait qu'une petite surestimation de la hauteur entraîne une mince couche d'eau qui s'étend largement sur le plat sans difficultés. On le vérifie sous Hec-Ras car les lignes d'eau au niveau de la route sont de l'ordre du centimètre.

Il faut critiquer la précision du modèle numérique de terrain sur lequel s'appuie Hec-Ras pour générer la tache, qui diffère parfois jusqu'à 80 cm des levés topographiques. Il a été de plus nécessaire de prolonger les profils implémentés sous Hec-Ras afin de couvrir l'intégralité du lit majeur en se basant sur le MNT, malgré  des doutes sur la cohérence entre les deux séries de données (levée topographique et MNT). Compte tenu de ces observations, on conclut sur la nécessité d'affiner et de valider les données topographiques afin d'assurer une fiabilité des résultats.

Le calage ainsi obtenu est retenu pour la modélisation avec cependant une certaine prudence sur la fiabilité des résultats développés ci-après.