MASCARET (HU)

Dernière mise à jour : 11/05/2024

Logiciel reposant sur un modèle hydrodynamique 1D (monodimensionnel suivant l’axe longitudinal du cours d’eau) résolvant les équations de Barré de Saint-Venant par la méthode des différences finies ou la méthode des éléments finis.

Structure du logiciel

Ce logiciel a été développé à l'origine par le Laboratoire National d’Hydraulique et d’Environnement (LNHE) d’Électricité de France (EDF) (Goutal et Maurel 2002 ; Goutal et al, 2012). Il est composé de trois noyaux de calcul hydrodynamique et permet des calculs en régime :

• fluvial ou transcritique (souvent dit torrentiel) permanent ;
• fluvial non permanent (en utilisant le schéma de différences finies de Preissmann) ;
• transcritique non permanent (en utilisant le schéma Volumes finis Roe).

Le code prend en charge des profils complexes incluant un grand nombre de points descriptifs. Outre le lit mineur des cours d’eau, il peut prendre en charge des profils complexes pour intégrer plus précisément les parties de l’écoulement dans les lits majeurs contributifs (cas de vallées assez étroites ou de chenaux dans les vallées plus larges), dont les mises en eaux puis hors d’eau peuvent se faire de manière progressive.

Un modèle à casiers couplé avec les noyaux fluviaux permet de prendre en compte les zones inondables relativement isolées du lit majeur par un ensemble de casiers interconnectés. Ces derniers peuvent être reliés à la rivière et entre eux par différentes liaisons hydrauliques représentant les zones d'échange et les obstacles naturels de l'écoulement (digue, seuil, chenal, siphon, orifice, vanne-clapet).

MASCARET permet de réaliser le calage automatique des coefficients de Strickler par zones. Cette fonction est disponible pour un bief unique en lit composé et en régime fluvial permanent. Le calage peut être réalisé sur plusieurs crues, pour le lit mineur et pour le lit majeur, à partir de séries de mesures hydrométriques et de relevés de laisses de crues.

Pour en savoir plus sur les modèles utilisés dans mascaret

Le système MASCARET regroupe l’ensemble des codes de calcul unidimensionnels à surface libre du LNHE Sur la base des équations de Saint-Venant, différents modules simulent un large champ de situations hydrauliques sur des géométries réelles et sur de vastes domaines, par exemple :

• la propagation de crues et modélisation des champs latéraux d'inondation (lit composé et casiers) ;
• la résolution des équations de Saint-Venant unidimensionnelles sur un réseau ramifié et maillé en régime transitoire transcritique ;
• le traitement des écoulements fluviaux en régime transitoire sur un réseau ramifié et maillé transitoire transcritique ;
• le traitement des propagations sur zones sèches et d’une onde de submersion résultant d’une rupture de barrage ou d’une digue ;
• le traitement des zones de confluence, avec un modèle 2D local, cette fonctionnalité étant étendue à des couplages 1D – 2D latéraux (le cours d’eau et sa zone inondable) ou longitudinaux (un cours d’eau et son estuaire) ;
• un calcul avec schéma explicite ou implicite en temps.

Construction des éléments géométriques

Une première interface (Fudaa) entre l’utilisateur et Mascaret aidait à construire une base du modèle, non géoréférencée, comprenant déjà la construction de casiers. Une nouvelle interface de construction et d’étude a été développée, d’abord par le SPC Maine Loire aval (DREAL Pays de la Loire) sous forme d’un prototype de plugin QGIS, qui a ensuite été régulièrement améliorée sous pilotage du SCHAPI, en association avec le CEREMA, lequel a notamment enrichi les fonctionnalités liées aux casiers et contribué à l’organisation des retours de la part des utilisateurs. Le plugin de QGIS est diffusé par ARTELIA, et bénéficie d’une documentation en ligne (https://github.com/Artelia/Mascaret/wiki).

Le tracé des profils en travers est effectué à la main par des lignes brisées (Voir Figure 1), autant que possible perpendiculaires à l’axe principal d’écoulement. Le plugin Mascaret permet ensuite d’extraire la topographie à partir d’une dalle de Modèle Numérique de Terrain (MNT) préalablement chargée dans QGIS puis de compléter avec des profils topo-bathymétriques relevés sur le terrain et éventuellement des valeurs altimétriques de points situés sur ces profils en travers, interpolées entre celles disponibles pour des points alentour. Le modélisateur définit ensuite les limites du lit mineur, du lit majeur et éventuellement des zones de stockage (ne participant guère à l’écoulement). Il prend ensuite en compte les transformations des écoulements par les singularités hydrauliques ponctuelles, en 1D (pont, dalot, seuil, orifice, etc.) en définissant des sections de calcul concernées. Dans chacune de ces sections les équations de Saint Venant sont remplacées par une relation spécifique adaptée à la nature de la singularité, et choisie dans un catalogue complet d’abaques. Une interface graphique spécifique permet de saisir les paramètres en fonction des caractéristiques géométriques de l’ouvrage spacial à décrire.

Figure 1 : Positionnement des profils en travers (en rouge) pour la modélisation hydraulique avec MASCARET des écoulements dans les lits mineur et majeur de l’Adour et des Gaves réunis au niveau et à l’aval de leur confluence ; Source : Open TELEMAC-MASCARET.

Le réseau hydrographique doit ensuite être défini grâce à des "branches" interconnectées au niveau des confluences ou des déffluences. Les branches constituent la colonne vertébrale d’un modèle, en reliant tous les objets qui le constituent (profils en travers et singularités, apports, pertes, etc.). Ce référencement linéaire permet de passer du référentiel géographique (celui du SIG, à partir de données géoréférencées) et de la construction graphique des singularités, au référentiel du modèle hydraulique 1D. Les branches sont délimitées par nœuds extrémités sur lesquelles on applique différents types de conditions aux limites (débits, niveaux d’eau, courbes de tarage, etc.).

Il est également possible de définir des casiers interconnectés aux branches et entre eux grâce à : des lois paramétrables, des ouvrages paramétrables (comme vu plus haut, pour les ouvrages spéciaux sur les cours d’eau modélisés) ou des apports ou prélèvements ponctuels ou sur un linéaire.

Cette interface SIG est une véritable avancée pour la construction et la diffusion (et l’appropriation) des modèles "Mascaret". Le plugin permet au modélisateur de saisir les données à utiliser par le code Mascaret de manière plus rapide et plus fiable, sous contrôle par visualisation cartographique. L'ergonomie d’ensemble rend plus facile et plus sûre la construction de modèles sur de grandes emprises, de plusieurs dizaines de kilomètres et plusieurs centaines de profils en travers, avec des singularités.

Figure 2 : : Exemple de visualisation d’un modèle géoréférencé dans le Plugin QGis Mascaret, concernant la Loire aval de Chalonne à l’Océan ; Source : Le Pape et al. (2024).

Intégration dans la chaine TELEMAC-MASCARET

MASCARET et maintenant intégré dans la chaine TELEMAC-MASCARET qui est un ensemble de codes de calculs scientifiques couplés et parallélisés, dédiés à la modélisation de l’hydraulique environnementale à surface libre, qui regroupe des codes 1D, 2D et 3D, permettant de modéliser et prédire tous les écoulements liés à l’eau : cours d’eau, réservoirs et lacs, mers et océans, divers transports solides, qualité de l’eau, etc. Cette suite est composée de logiciels libres, gratuits et bénéficie d’une communauté d’utilisateurs et développeurs. Depuis 2015, le bureau d’études Artelia gère la maintenance du code Mascaret dans le cadre du Consortium TELEMAC-MASCARET et intègre les développements des contributeurs.

Bibliographie :

• Goutal, N., Maurel, F. (2002). A Finite Volume Solver for 1D Shallow-Water Equations Applied to an Actual River, Int. J. Numer. Meth. Fluids ; 38 ; pp 1-19
• Goutal, N., Lacombe, J.-M., Zaoui, F., El-Kadi-Abderrezzak, K. (2012) : MASCARET: a 1-D Open-Source Software for Flow Hydrodynamic and Water Quality in Open Channel Networks ; River Flow 2012 – Murillo (Ed.), pp 1169-1174.
• Le Pape, E., Nicolas, M., Bernard, A., De Linares, M., Daoud, M.-P. (2024) : Utilisation du modèles MASCARET 1D pour la prévision des crues ; 10 p. ; Colloque de la SHF sur « Prévision des crues et des inondations : avancées, valorisation et perspectives, Toulouse, 28-30/11/2023 et La Houille Blanche, 110:1, 2313198, DOI: 10.1080/27678490.2024.2313198 ; disponible sur https://doi.org/10.1080/27678490.2024.2313198 ou https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/27678490.2024.2313198

Pour en savoir plus :

• http://www.opentelemac.org/