Modélisation 1D par lit (ISM) d'un réseau hydraulique ramifié maillé. Application au contexte opérationnel de la prévision des fortes crues et des crues de dimensionnement d'ouvrages - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Improved 1D modeling (Independent Subsection Method - ISM) of a meshed branched hydraulic network. Application to the operational context of the forecasting of high flood events and design floods for structures

Modélisation 1D par lit (ISM) d'un réseau hydraulique ramifié maillé. Application au contexte opérationnel de la prévision des fortes crues et des crues de dimensionnement d'ouvrages

Résumé

The objective of this thesis is to operationalize an improved one-dimensional (1D+) modeling method for overflowing rivers, called Independent Sub-section Method (ISM). While classical 1D models solve the dynamic equation (Saint-Venant or Bernoulli) on the total cross-section of the overflowing river (or in a compound open-channel), the ISM solves a dynamic equation in each homogeneous subsection in terms of topography and roughness, i.e., in the main channel, the left-hand floodplain, or the right-hand floodplain of the overflowing river. In addition, the ISM explicitly models lateral mass transfer between subsections, as well as lateral momentum transfer. Prior to the thesis, this model was validated using uniform and non-uniform steady state experimental data. As a first step, the ISM was validated under transient conditions to ensure the modeling capabilities in the most typical hydrological situations of overflowing flows. For this purpose, a transient experiment was designed to acquire specific validation data. The processing methodology used was also the subject of an original work. This experiment was then modeled with the ISM and with a classical 1D model to compare the 1D+ and 1D approaches. It was concluded that the ISM reproduces the water heights better than the 1D, due to: (i) the consideration of the subsectional flow distribution in the upstream boundary conditions, (ii) the explicit modeling of lateral flow and momentum exchange between subsections. In addition, at the interface between subsections, lateral velocity and lateral flow are also well reproduced by 1D+. Thus, the hysteresis observed in the relationship between stage and lateral flow is reproduced throughout the hydrograph. In a second step, two methodological questions allowing to apply the ISM in operational conditions on a branched network are addressed. The first question seeks to reconstruct upstream boundary conditions for the ISM (1 flow per subsection) from the available data (1 single flow over the total section). It was then proposed to distribute the total upstream flow according to the same distribution as that obtained for the uniform regime calculated using the ISM equations. This distribution of the total upstream flow is compared to those given by different existing methods. The second issue concerns the modeling of confluences that were previously inaccessible to the ISM. The work carried out consisted in finding a solution to distribute the flows in the three subsections of each incoming branch on the three subsections of the outgoing branch of the confluence. An approach was then proposed to retain the flows from the outer floodplains of the inflow reaches into the floodplains of the outflow reach, and then sum the remaining flows from the inflow reaches into the main channel of the outflow reach. Although this method greatly simplifies the flow in the confluences, it provides an initial numerical implementation that is relatively easier to code. In all cases, numerical tests were performed to evaluate the impact of the simplifications made. Then, a field case was chosen to apply the ISM in operational conditions. Two situations were studied: a simple section model and a model with confluence. In both cases, the selected site has sufficiently representative floodplains and several documented floods. These configurations allowed to test the flow distribution method to build upstream boundary conditions, as well as the confluence treatment method. The modeling is performed with the Mage-8 code coupled with the ISM method (1D+), as well as with the CRUE 10 code coupled with the 1D DCM (Divided Channel Method) and the Mage-7 code coupled with the 1D Debord method. In this test case, the ISM reproduces the measured water levels better than the other models with lower maximum absolute biases than those obtained with the 1D DCM and Debord models. In the simulation with confluence, the maximum biases of Mage ISM are larger but remain within orders of magnitude generally accepted in the community. A proposal is suggested to improve the ISM simulation. In addition, ISM provides additional information not available in conventional 1D models such as the filling and emptying of floodplains. It also allows the analysis of the distribution of total flow between subsections or flow velocities per subsection, as well as the lateral exchange flow between subsections and the turbulent shear stress between subsections.
L'objectif de cette thèse est de rendre opérationnelle une méthode de modélisation unidimensionnelle améliorée (1D+) des rivières débordantes, appelée Independent Sub-section Method (ISM). Alors que les modèles 1D classiques résolvent l’équation dynamique (Saint-Venant ou Bernoulli) sur la section totale de l'écoulement débordant (ou en lit composé), l’ISM résout une équation dynamique dans chaque sous-section homogène en terme de topographie et de rugosité, i.e., dans le lit mineur, le lit majeur gauche, ou le lit majeur droit de la rivière débordante. De plus, l’ISM modélise explicitement le transfert latéral de masse entre sous-sections, ainsi que le transfert latéral de quantité de mouvement. Avant la thèse, ce modèle a été validé à partir de données expérimentales en régime permanent uniforme et non-uniforme. Dans un premier temps, l'ISM a été validée en régime transitoire afin de s'assurer des capacités de modélisation dans les situations hydrologiques les plus caractéristiques des écoulements débordants. Pour ce faire, une expérience en régime transitoire a été conçue pour acquérir des données de validation spécifiques. La méthodologie de traitement utilisée a aussi fait l'objet d'un travail original. Cette expérience a été ensuite modélisée avec l'ISM et avec un modèle 1D classique pour comparer les approches 1D+ et 1D. Il a été conclu que l'ISM reproduit mieux les hauteurs d’eau que le 1D, en raison : (i) de la prise en compte de la répartition des débits par sous-section dans les conditions aux limites amont, (ii) de la modélisation explicite du débit latéral et de l’échange de quantité de mouvement entre lits. De plus, à l'interface entre sous-sections, la vitesse latérale et le débit latéral sont également bien reproduits par le 1D+. Ainsi, l’hystérésis observée dans le lien entre hauteur d’eau et débit latéral est reproduite tout au long de l’hydrogramme. Dans un second temps, deux questions méthodologiques permettant d'appliquer l'ISM en conditions opérationnelles sur un réseau ramifié sont traitées. La première question cherche à reconstruire des conditions aux limites amont pour l'ISM (1 débit par sous-section) à partir des données disponibles (1 débit unique sur la section totale). On a alors proposé de répartir le débit total amont selon la même répartition que celle qui est obtenue pour le régime uniforme calculé à l'aide des équations de l'ISM. Cette répartition du débit total amont est comparée à celles données par différentes méthodes existantes. La deuxième question concerne la modélisation des confluences jusqu’ici inaccessible à l’ISM. Le travail réalisé a consisté à trouver une solution pour répartir les débits par lits de chaque branche entrante sur les trois lits de la branche sortante de la confluence. On a alors proposé une approche qui consiste à conserver les débits des lits majeurs extérieurs des biefs entrants dans les lits majeurs du bief sortant, puis de sommer le reste des débits des biefs entrants dans le lit mineur du bief sortant. Bien que cette méthode simplifie grandement l’écoulement dans les confluences, elle permet d’avoir une première implémentation numérique relativement plus facile à coder. Dans tous les cas, des tests numériques ont cherché à évaluer l'impact des simplifications apportées. Ensuite, un cas de terrain a été choisi pour appliquer l'ISM en conditions opérationnelles. Deux situations ont été étudiées : un modèle de tronçon simple et un modèle avec confluence. Dans les deux cas, le site retenu présente des lits majeurs suffisamment représentatifs et plusieurs crues y sont documentées. Ces configurations ont permis de tester la méthode de répartition de débit pour construire des conditions limites amont, ainsi que la méthode de traitement des confluences. La modélisation est réalisée avec le code Mage-8 couplé à la méthode ISM (1D+), ainsi qu'avec le code CRUE 10 couplé à la méthode 1D DCM et le code Mage-7 couplé à la méthode 1D Debord. Sur ce cas test, l’ISM reproduit mieux les cotes mesurées que les autres modèles avec des biais absolus maximaux plus faibles que ceux obtenus avec les modèles 1D DCM et Debord. Dans la simulation avec confluence, les biais maximaux de Mage ISM sont plus importants mais restent dans des ordres de grandeurs généralement acceptés dans la communauté. Une proposition est suggérée pour améliorer la simulation de l'ISM. Par ailleurs, l'ISM permet de fournir des informations supplémentaires inaccessibles aux modèles 1D classiques comme le remplissage et la vidange des lits majeurs. Elle permet aussi d'analyser la répartition du débit total entre les lits ou les vitesses débitantes par lit, ainsi que le débit latéral d’échange entre lits et le cisaillement turbulent entre sous-sections.
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Dates et versions

tel-03622133 , version 1 (28-03-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03622133 , version 1

Citer

Yassine Kaddi. Modélisation 1D par lit (ISM) d'un réseau hydraulique ramifié maillé. Application au contexte opérationnel de la prévision des fortes crues et des crues de dimensionnement d'ouvrages. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Claude Bernard Lyon 1, 2021. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03622133⟩

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