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Courbe de tarage : extrapolation par modélisation 1D et cartographie par couplage SIG

De Wikhydro
Version du 23 mars 2015 à 10:41 par Yasmina Boussafir (discuter | contributions)

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Sommaire

Utilisation du couplage SIG - modélisation 1D, dans le cadre d'une extrapolation de courbe de tarage

Définition :

Une courbe de tarage représente la relation hauteur-débit d'une rivière ou d'un canal : le débit mesuré est généralement reporté en abscisse et la hauteur (ou cote) en ordonnée. On appelle jaugeurs les personnels qui sont en charge de ces mesures (jaugeages). Les hauteurs d'eau sont lues/enregistrées au droit d'échelles limnimétriques/hydrométriques (échelle graduée servant à visualiser la hauteur d'eau) et les débits sont mesurés à l'aide de méthodes d'intégrations des vitesses par moulinet hydrométrique ou encore par effet doppler (ADCP : profileur acoustique de vitesse par effet Doppler).

Lors d'événements hydrologiques extrêmes (fortes précipitations), le débit de la rivière devient tel qu'il ne peut plus être mesuré sans mettre en péril les agents et/ou le matériel de mesure. C'est par exemple le cas lorsque la rivière sort de son lit : la section découlement n'est plus « contrôlée » (la section d'écoulement au droit de l'échelle est connue au moins lorsque la rivière ne déborde pas) car c'est le lit mineur et les lits majeurs qui sont sollicités. On ne peut donc pas connaître le haut de la courbe de tarage puisqu'il y a absence de mesure du débit. Les hauteurs d'eau peuvent encore être mesurées/enregistrées tant que l'échelle ou les appareils de mesure du niveau d'eau restent pérennes mais le débit n'est plus quantifiable.

Un des éléments pris en compte pour établir la prévision des inondations est l'exploitation de ces courbes de tarages : avec les hauteurs lues/enregistrées au droit des échelles limnimétriques on peut connaître le débit et donc « prévoir » quels vont être les niveaux/débits atteints pour les stations plus en aval. Il est donc primordial d'avoir une connaissance la plus précise possible de la partie haute de ces courbes. Comme cette partie est difficilement mesurable (ou même non mesurable) on l'extrapole.


En période de risques inondations ce sont les SPC (Service de Prévision des Crues), généralement hébergés dans les DREAL (Directions Régionales de l'Environnement, de l'Aménagement et du Logement), qui sont en charge de la surveillance, la prévision et la transmission de l’information pour les crues sur leur zone de compétence (interdépartementale).

Extrapolation d'une courbe de tarage

Plusieurs méthodes coexistent pour extrapoler une courbe de tarage :

  • mathématique (log) ;
  • surface mouillée, Stevens ;
  • modélisation hydraulique (1D voir 2D quand les écoulements lit mineurs-lits majeurs sont complexes).

Le Laboratoire Régional de Blois (Cerema, Direction Territoriale Normandie Centre) a extrapolé la courbe de tarage de l’échelle d'annonce de crue implantée sur la commune de Saint Pourçain-sur-Sioule (03) à l'aide d'une modélisation hydraulique 1D. Suite à l'analyse de l'environnement hydraulique de la zone d'étude et compte tenu de la « géométrie » complexe du site (nombreux ouvrages d'art, seuils et diffluences/confluences) nous avons utilisé un couplage SIG (Système d’Information Géographique) - modèle 1D. Cette méthode permet à la fois de répondre au sujet de l'étude mais aussi d'apporter une plus-value en proposant une cartographie des débits extrêmes (ceux utilisés pour établir la partie extrapolée de la courbe de tarage).

La conception de ce modèle doit permettre de modéliser au mieux les écoulements au droit de l'échelle d'annonce de crue mais aussi au droit d'une autre échelle se trouvant plus en amont (rive gauche aval ouvrage d'art de la RN 9). Nous disposons d'un MNT (Modèle Numérique de Terrain) exploitable sur la zone d'étude et les mesures bathymétriques au droit des profils en travers, nécessaires à la construction du modèle, sont réalisés par le Lr de Blois. Nous avons utilisé le logiciel SIG d'ArcGis (ArcMap, payant) couplée à HEC-RAS (logiciel de modélisation hydraulique 1D, gratuit). Ce couplage SIG - modèle 1D nécessite la barre d'outils Hec-GeoRas qui est téléchargeable gratuitement sur le site d' HEC-RAS, ainsi que les extensions (payantes) 3D Analyst et Spatial Analyst, d'ArcMap. Trois étapes sont nécessaires pour obtenir une cartographie des débits extrêmes :


Construction de l'architecture du modèle sous ArcMap

(Cf. Illustration n°1) 
Il s'agit de digitaliser à l'aide de la souris différentes lignes déterminantes pour le modèle. Ce sont principalement la rivière et ses différents bras (en bleus sur l'Illustration n°1), les berges (en rouge) et les profils en travers (en vert). Lorsque la géométrie est complète, celle-ci est exportée dans un format de fichier de données SIG associé à HEC-RAS (.sdf).

Illustration 1: modèle construit sous ArcMap avec barre d'outils HEC-Georas






























Import sous HEC-RAS

L'import de l'architecture (Cf. Illustration n°2) est simple et rapide puisqu'il suffit, sous la fenêtre [Geometric Data] d'HEC-RAS, d'importer le fichier .sdf.

Illustration 2: Architecture du modèle importée sous HEC-RAS






















Puis on cale le modèle : le processus de calage consiste, pour un événement hydrologique donné, à faire varier des coefficients (coefficients de frottement) de tel façon que la ligne d'eau calculée « colle » au témoignages recueillis (cotes de niveau d'eau) pour ce même événement. Lorsque le modèle est calé on procède à sa validation en vérifiant que la simulation d'un autre événement hydrologique connu (débit et cotes du niveau de la rivière connus) donne un résultat de calcul de ligne d'eau proche de la ligne d'eau constatée.

Extrapolation :

L'extrapolation consiste alors à reporter sur un graphique hauteur-débit (Cf. Illustration n°3), à la suite des données jaugées (en vert sur l'Illustration), les niveaux d'eau atteint au droit de l'échelle pour différents jeux de débits extrêmes :

Illustration 3: Courbe de tarage extrapolée (n'est représentée ici que la partie validée de l'extrapolation)
























export vers ArcMap :

Cartographie d'événements/débits extrêmes (Cf. Illustration n°4). Le résultat final propose une représentation du niveau d'eau atteint pour le débit extrême choisi. Toujours en utilisant la barre d'outils ArcGeoras mais cette fois-ci avec l'onglet [Ras Mapping], [Import] puis [Inundation mapping]. Dans l'exemple ci-dessous c'est un raster (image composée de pixels - rectangles ou carrées – chacun associé à une valeur) qui représente des hauteurs d'eau en mètres : plus la couleur bleue est sombre plus les hauteurs d'eau sont importantes.

Illustration 4: Cartographie d'un débit "extrême" à Saint Pourçain-sur-Sioule



































Cette méthode de cartographie, ici utilisé comme «valeur ajouté» à une étude portant sur l’extrapolation d'une courbe de tarage, est bien évidemment un outil puissant pour la cartographie des zones inondées dans le cadre d'un PPRi (Plan de Prévention des inondations) ou d'un AZI (Atlas des Zones Inondables) à partir du moment ou l'on dispose d'un MNT, d'une bathymétrie au droit de chaque profil en travers et de compétences en modélisation hydraulique.

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