1
Modèle distribué à base physique pour simuler les processusModèle distribué à base physique pour simuler les processusdu ruissellement dans un milieu Péri-urbaindu ruissellement dans un milieu Péri-urbain
Application sur un bassin versant du département 94 (Val de Marne)
Eddy EL TABACHEddy EL TABACHPost doctorant, CEREVE-ENPCPost doctorant, CEREVE-ENPC
Conclusions et perspectives de l’étude.
11 Juin 2009
Problématique et but du travail.
Description du modèle développé.
Résultats de son application sur un sous bassin de Villecresnes-Département 94.
ProblématiqueProblématique
22
ExutoireDébordement
Ruissellement
EvapotranspirationPluie
EcoulementssouterrainsZone saturée
Zone non saturée
Urbanisation&
Changement climatique
Zone urbaine
Rivière
↑des surfaces imperméableslimitent très fortement lespossibilités d’infiltration del’eau dans le sol ce quientraînent une ↑ de volumed’eaux ruisselées.
Constitue unemenace de
diminution du stockd’E.P souterraines?
Insuffisanceréseau existant:
Inondations?
Mettre en danger la vie des êtresvivants.Peut causer des dommages etpertes financières
ObjectifObjectif
Développer un outil de modélisation numérique spatio-temporel
Prévoir les zones inondées.
Etudier l’évolution de la nappe.
Etudier la capacité du réseau séparatif d’eau pluvial.
Projet Européen ERA-Net CRUEProjet régional de recherche et de développement durable (R2D2-SYSTEO)
33
Evaluer la performance des solutions alternatives “SUDS”.
pour différents scénariosd’aménagements(changement climatique,occupation du sol, …).
Modèles numériques Rural/Urbain:
Watershed Modelling System (WMS)-(commercial).Two dimensional Runoff Erosion and eXport Model (TREX).Mike SHE (commercial).
Milieu ruralModèle distribué
Storm Water Management Model (SWMM),CANOE (commercial).
Milieu urbainModèle non distribué
Avantage: Calculs hydrauliques (présence de tuyaux).
Inconvénients: Découplage / couplage faible des processus de surface et desub-surface,Pas de prise en compte de la nappe ni de l’hétérogénéité du sol,
Avantage: Calcul d’hydrologie de surface et de sub-surface.
Inconvénients: Pas de calculs hydrauliques (pas de présence de tuyaux).
4
Constat de départConstat de départ
5
Mon modèle « Mon modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » ( » (Péri-urbainPéri-urbain))Modèle distribué à base physique sous Matlab.
Modélisation (quantifier) des processus de ruissellement dans un milieu péri-urbain entenant compte de l’infiltration de l’eau dans les différentes couches du sol non saturé et laquantité de l’eau entrant dans le réseau des eaux pluviales (à partir des avaloirs) suite à unévénement pluvieux.
Exutoire (amont)
y x
Réseau (tuyau) connectant tousles avaloirs dans la zone d’étude.
z
Ruissellement
Sol
Infiltration
Urbain
Rural Avaloir
Direction de l’eaudans le tuyau
Schéma d’un modèle conceptuel pourles surfaces péri-urbaines dans unecellule de grille et leur raccordementau réseau d’eau pluviale.
Représentation del’élévation des grilles.
Pluie spatialeet temporelle Réunion des avantages
de 3 logiciels publiques(TREX, VS2DT et SWMM)sous « Matlab ».
6
Description du modèle « Description du modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » »
Représentation topographique des écoulements desurfaces et dans les rivières (Jullien, 2002).
Méthodologie et hypothèse de calcul:
Sol 1
Sol n
Solsaturé
Subsurface PixelVS2DT
TREX
Pour avoir un bon échange entre la surface et le subsurface, on a attribué à chaquepixel, en utilisant le modèle VS2DT les différentes couches de sol et nappe.
Pluie spatialeet temporelle
Rural Péri-urbain
7
Description du modèle « Description du modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » »Two dimensional Runoff Erosion
and eXport Model (TREX).
Modèle distribué spatial(cycle de l’eau)
VS2DT (Healy, 1990)
(Infiltration d’un liquide dans unmilieu poreux à saturation d’eauvariable).
Equation de conservation demasses (Julien, 2002):
Wfiy
q
x
q
t
hn
yx +!="
"+
"
"+
"
"
h : Hauteur d’eau [L].
In : précipitation nette.
Equation de Saint Venant.
f: coefficient d’infiltration
Différence finies
Loi de conservation de masse etune forme non-linéaire de la loide Darcy.
1- Calcul des recharges deseaux dans les différentescouches de sols.
2- Suivi de l'évolution de lanappe. 7
( ) !"
#$%
&'(
)*+
,+
-
-.
-
-=
-
-1
zK
zt
/0
0
8
Sol imaginaireKaval: Perméabilité.Θ: Porosité.
Maille à « Avaloir »Qi(t)
Qo(t)
Qi(t) = f (Kaval, θ, Qx(t), Qy(t))
Kaval =↑ et θ ↑ → Avaloir enfonctionnement.Qi(t) = Qo(t) = Qx(t)+Qy(t)
Qx(t)
Qy(t)
Exutoire(amont)
yxz
Ruissellement
Soil
Infiltration
PluieAvaloir
Afin de tenir compte de la quantité de l’eau Q(t) quirentre dans le réseau des eaux pluviales à partir desavaloirs, on a remplacé le sol existant dans chaquemaille contenant un avaloir par un sol à très forteperméabilité et de porosité.
Description du modèle « Description du modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » »
9
Q1(t) Q2(t)
Q3(t)
Q4(t)
Q6(t)Q5(t)
Q8(t) Q7(t)
Q17(t)Q16(t)
Q15(t)
Avaloirs
Tuyau
Exutoire du tuyau
LégendeRésolution de l’équation del’écoulement de Saint Venant enutilisant la partie hydraulique dulogiciel SWMM (USEPA, 2007)
1) Évolution de la hauteur d’eaudans les tuyaux.
2) Capacité du tuyau à capterl’eau ruisselé.
Plan d’un réseaud’assainissement
Description du modèle « Description du modèle « Multi-HydroMulti-Hydro » »
10
ApplicationApplication
Contour dubassin deVillecresnes
Ville de Villecresnes.
Bassin étudié du Villecresnes.
Département de Val de Marne, France.
Vue aérienne de la zone d’étude.
Application au sous bassin de Villecresnes (département94)
Aire=712300m2.
High : 111.5
Low : 54.07
Elévation (m)
Parmi les données (DSEA94) nécessaire pour le modèlenumérique
11Carte de distribution spatiale del’altitude [m].
Carte de distribution spatiale du moded’occupation du sol.
Serre agriculture
Classe d’occupation du solForêtRouteverdureMaisonPiscineTennis
Avaloirs
8 classes
Traitement, analyse etpréparation desdonnées sous lelogiciel ArcGIS.
ApplicationApplication
12
t = 1 heure. t = 4,65 heures (pluie termineaprès 4,65 heures).
Résultats: Distribution spatiale de la hauteur d’eau à la surface du sol pourdifférents temps de calculs
Lame d’eau (m)
t = 5 heures.
ApplicationApplication
Zone inondée.
13
tuyau 31-32
Cap
acité
Temps (Heures)Evolution de la capacité duréseau d’eau pluvial existant
Avaloir
Plan du réseau d’eau pluvial
Aval
40%
Résultats
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 5 10 15 20 25
ApplicationApplication
14
Coordonnéesmaille
X = 613 280.140Y = 113 887.902
ApplicationApplicationSurface du sol
Prof
onde
ur(m
)
Lim
ons
Cra
ieC
raie
satu
rée
2m3m
Typologie du sol
Saturation en eau0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
t = 0 hour.
t = 2 hours.
t = 4.65 hours.
t = 6 hours.
t = 10 hours.
t = 12 hours.
Prof
onde
ur(m
)
Variation de la saturation en eau dansle profil du sol à une position fixe.
Étude de l’impact du changement du mode d’occupation du sol sur lesprocessus de ruissellement dans le sous bassin de Villecresnes.
Future distribution spatiale du moded’occupation du sol
15
Fôret Urbain
RouteverdureMaisonPiscineTerrain de tennisSerre agricultureAvaloirs
ApplicationApplication
16
ApplicationApplicationParmi les résultats: Changement de MOS.
t=3 heures t=4,65 heures t=5 heures
Distribution spatiale de la hauteur d’eau à la surface du sol pour différents temps de calculs
17
Étude de l’influence du changement d’occupation du sol
Temps (Heures)
Cap
acité
Avaloir.
Le tuyau est encore capable de capter l’augmentation de l’eau(15%) générée par ce nouveau mode d’occupation du sol.
ApplicationApplication
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 4 8 12 16 20 24
Normal
Scénario
18
Recherche Recherche (Post doc)(Post doc)
Conclusion
Un modèle numérique distribué à base physique qui permet de modéliser lesprocessus du ruissellement dans un milieu péri-urbain.
Cette étude nous a permis de mieux comprendre la réponse hydrologique du sousbassin de Villecresnes sous des condition météorologique sévères et des différentsscénarios du mode d’occupation du sol.
Ce modèle peut donner des informations utiles pour déterminer les endroitsexacts des inondations et de débordements du réseau.
Perspective
Validation du modèle numérique par des mesures expérimentales (Stage en coursavec Omar Mahmood).
Simuler la pluie spatiale.
Merci pour votre attentionMerci pour votre attention
19
Eddy EL TABACHEddy EL TABACH
11 Juin 2009
CollogueCollogue CNFSH CNFSH