ppt-braud

Vers une modélisation
hydrologique intégrée s’appuyant
sur la plate-forme LIQUID.
Concepts et premiers exemples
d’application
I. Braud, F. Branger, J. Dehotin, H. Hénine, Y. Nedelec:
CEMAGREF
S. Debionne, P. Viallet: HYDROWIDE
S. Anquetin, LTHE
Séminaire « Modélisation intégrée des hydro-systèmes »,
MinesParisTech, Paris, 23/04/2010
Plan de l’exposé
1. Contexte du travail et objectifs
1. Concepts de la plate-forme LIQUID
2. Exemples d’applications
• Echelle locale (parcelle)
• Echelle de petits bassins versants
(quelques km2)
• Echelle de bassins versants de 100 à 10 000
km2
2
Pourquoi une plate-forme de modélisation?
• Nouvelles demandes en terme de modélisation
 Approches distribuées nécessaires pour aborder les
questions de l’impact du changement global sur les
régimes hydrologiques et la ressources en eau
 Besoin de représenter la variabilité spatiale à l’intérieur
des bassins (occupation des sols, types de sols,
éléments anthropiques)
 Besoin de connaissances/résultats sur des bassins non
instrumentés (initiative PUB: Prediction of Ungauged
Basins)
 Besoin de simuler d’autres variables que les débits:
teneur en eau des sols, évapotranspiration, niveaux de
nappes
 Besoin de développer des approches couplées
(surface/souterrain, hydro-sédimentaires, hydro-bio-géochimie, surfaces continentales/atmosphère)
3
Différentes échelles pour les processus hydrologiques
Bilans hydrologiques de
long terme, sécheresses,
écosystèmes
Crues éclair
4
D’après Blöschl et Sivapalan, 1995
Enjeux scientifiques
• Question du découpage de l’espace pour la
modélisation : comment prendre en compte
l’hétérogénéité des paysages et du milieu en
fonction des échelles de travail
• Question du changement d’échelle dans la
description des processus hydrologiques
• Modélisation des fonctionnements couplés : hydrosédimentaire, hydro-bio-géochimique, etc..
• Intégration de données de source et de nature
différentes (données d’observatoires, télédétection,
SIG)
• Analyse de sensibilité, optimisation de paramètres,
assimilation de données
5
Enjeux en terme de modélisation
• Besoin d’outils de modélisation intégrés / plateforme de modélisation
 Mutualisation des pré-traitements (découpage de
l’espace) et lien avec SIG et bases de données
 Mutualisation des outils de post-traitement
 Besoin d’outils pour assembler les représentations de
différents processus et les coupler dans l’espace et le
temps
• Solution explorée
 Plate-forme de modélisation LIQUID (Cemagref, LTHE,
Hydrowide..) dans le cadre du plateau SOMME
(Synergie Observation Modélisation en Modélisation de
l’Environnement) –
6
Plateau de modélisation SOMME
•
Contexte
 Plateau mis en place dans le cadre du CPER de la région Rhône-Alpes
 Mutualisation des recherches sous forme de plateaux technologiques et de
modélisation
•
Objectifs de SOMME
 Développer une plate-forme de modélisation hydrologique intégrée des
bassins versants prenant en compte l’hétérogénéité des surfaces
continentales et des chemins de l’eau (plate-forme de modélisation LIQUID)
 Mutualiser les développements en hydraulique des rivières
 Utiliser au mieux les différentes sources d’informations existantes sur les
milieux (observations in situ, imagerie satellitale, etc..)
 S’appuyer au maximum sur les observatoires pour la mise au point et la
vérification des outils
•
Partenaires:
 Hydrologues, hydro-météorologues, hydrauliciens, informaticiens,
numériciens, ….
 Cemagref, LTHE, Hydrowide, CNR, SOGREAH, LGCIE, LJK
7
Plan de l’exposé
1. Contexte du travail et objectifs
1. Concepts de la plate-forme LIQUID
1. Exemples d’applications
• Echelle locale (parcelle)
• Echelle de petits bassins versants
(quelques km2)
• Echelle de bassins versants de 100 à 10 000
km2
8
Plate-forme LIQUID: organisation du projet
• LIQUID: “framework” pour la modélisation
hydrologique; développé par HYDROWIDE
 PME: 2 ingénieurs en génie logiciel et hydro-informatique
• Développements de modules de processus et de
modèles réalisés en collaboration avec des
laboratoires de recherche ou dans le cadre de thèses
et/ou de projets de recherche (ANR, EC2CO, EU)
9
Structure générale de la plate-forme LIQUID
LIQUID
Framework
Libraries
• Numerical analysis
• Geometry
• Data base/ GIS
System (LIQUID core)
• Scheduler
• Model build system
• Test framework
• Doc generator
•
•
Module
Model
Documentation
C++ ANSI code, Windows OS
LIQUID core:
 Editeur de lien
 Scheduler
 S’appuyant fortement sur la librairie Boost C++ library (www.boost.org)
•
•
10
Intégration de librairies tierces
Site web de travail collaboratif + CVS (gestionnaire de versions)
Les composantes de base : les modules
•
•
Chaque module est une entité autonome
Structure:
Module
 Schéma de données
Documentation
 Pre-processeur
 Solveur
Spatial data
scheme
Slots
Test cases
Pre-processor
User data base
(PostgreSQL/PostGIS)
•
Metadata
Solver
Signals
Schéma de données = paramètres, conditions initiales, conditions aux limites,
géométrie de calcul
 Géométrie vectorielle (lignes, polygones) => Hydro-paysages (Dehotin et Braud,
2008)
 Base de données PostreSQL/PostGIS (connexion ODBC)
• Pre-processeur: lit les données et initialise les solvers (création de fichiers .xml)
• Solver: calculs des processus hydrologiques
 Entrée du solver inputs = slots
11  Sorties du solveur = signaux
Gestion du temps: progression des simulations
• Scheduler: simulateur à événements discrets qui gère
l’exécution des modules. C’est un calendrier où les modules
viennent inscrire leur date d’exécution et ils sont activés à la
date correspondante pour s’exécuter
• Pas de temps
 Chaque module possède son propre pas de temps
 Action = exécution future d’un solver, inscrite dans un calendrier
partagé par tous les modules
 Chaque action peut être annulée et/ou reprogrammée à une autre
date
• Slots (inputs)
 1 slot pour chaque variable d’entrée
 Slot = objet LIQUID appelée quand la valeur d’entrée change
 La fonction permet de prévoir toutes les réactions possibles du
solver (réexécution immédiate ou différée, mise à jour simple des
variables, etc..)
• Signals (outputs)
 Peuvent être connectés aux slots
 1 signal pour chaque variable de sortie
 Les données sont envoyées à chaque exécution du solveur
12
Progression d’une simulation
• Illustration pour une série de pluie et un module d’infiltration
Input rain series
Scheduler
Slot= rain
Interruption
Soil Infiltration
Progression de la
simulation à pas de
temps variable
Prise en compte des
rétro-actions par une
définition appropriée
13 slots et signaux
des
Scheduler
Action cancelled
Interruption
Slot execution
= new action set
Scheduler
Slot execution
Action cancelled
= new action set
Utilisation pratique de LIQUID
• Pour développer un module
 Code C++ (mais intégration de modules écrits dans un autre
langage possible)
 Patrons de code pour faciliter la programmation
• Définition du schéma de données, des slots et des signaux
• Implémentation du pré-processeur, des slots et des fonctions de
calcul du solveur
• Pour construire un modèle
 Sélection des modules à intégrer
 Modules Input et Output à utiliser
 Connexion des slots et des signaux
 Fichier Xml (.model)
 Compilation -> .exe
14
Comment faire tourner un modèle
•
•
Modèle .exe indépendant de
LIQUID
Besoin d’une connexion à une
base de données
PostgreSQL/PostGIS
• 3 étapes
 Génération des bases de données
vide (Schéma de données de chaque
module 1 à 10 tables)
 Pre-processing des modules
(sérialization des modules et
génération de fichiers .xml)
 Simulation: fourniture des dates de
début et de fin
• Sorties: fichiers texte
 Visualisation et traitement des
données de sortie dans le logiciel
souhaité par l’utilisateur
15  En pratique: développements sous
Modules disponibles dans LIQUID
•
Infiltration et redistribution de l’eau dans les sols (Richards 1D)
(Ross, 2003; Varado et al., 2006)
Interception/évapotranspiration/extraction racinaire à partir de
l’ETP (Varado et al., 2006)
Ecoulements en parcelle drainée + pesticides (Branger et al., 2009)
Ecoulements en zone saturée (Dehotin et al., 2010, Hénine, 2010)
Ecoulement en rivière (onde cinématique, St-Venant)
GR4
Topsimple (intégration code Fortran encore en test)
Parcelle urbaine UBRS (Rodriguez et al., 2008)
Haies
Lacs/étangs
Interfaces flux zone saturée inter-parcelles, parcelle-rivière
Bilan d’énergie (en construction)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
16
• Avantages
Avantages et inconvénients de LIQUID
 Liberté et flexibilité dans le développement de modules pour les développeurs
• Pas de contrainte sur la géométrie, ni sur les modes de résolution
 Système de couplage efficace (synchronisation des pas de temps, échanges
spatiaux)
• Simulation de rétro-actions
• Temps de calcul assez rapides (mais pas encore de test sur de gros
problèmes)
• Inconvénients
 Convivialité encore à améliorer
• Une première interface homme machine dans la version 0.4
• Nécessité d’apprentissage sur différents outils (PostgreSQL/PostGIS)
 Fonctionnalités encore à construire
• Automatisation du pré-processing des modèles (notamment sur la
détermination de la géométrie à utiliser dans les modules) (travaux en cours
dans GRASS)
• Analyse de sensibilité, Optmisation des paramètres
 Modèle économique encore à inventer pour un respect mutuel des missions
des laboratoires de recherche et les contraintes d’une PME
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Plan de l’exposé
1. Contexte du travail et objectifs
2. Concepts de la plate-forme LIQUID
1. Exemples d’applications
• Echelle locale (parcelle)
• Echelle de petits bassins versants (1-100
km2): impact d’éléments anthropiques sur
les flux d’eau, crues éclair, impact de
l’urbanisation
• Echelle de bassins versants de 100 à 10 000
km2
18
PESTDRAIN: pesticides en parcelle drainée



3 modules couplés
SIDRA (Lesaffre & Zimmer, 1988)

Saturated zone

Boussinesq equation

Drain flow rate
SIRUP (Kao et al., 1998)
Unsaturated zone +
surface runoff

Capacity-based with
3 reservoirs


19
Surface runoff rate

SILASOL (Branger et al., 2009)

Pesticide transport

Transfer functions

Pesticide concentrations
Branger et al., Agri. Water Manag., 2009
PESTDRAIN: implementation dans LIQUID
•
Couplage bi-directionnel couplage de SIDRA et
SIRUP
 Rétro-actions
20
PESTDRAIN: resultats & applications
• Validation avec un jeu de données (drainage & pesticides)
(Branger et al., 2009)
• Amélioration et validation du modèle continuent
21
Interactions drainage réseau: ELIXIR-D2D model
• Thèse Hocine Henine, 2007-2010
• Drainage agricole: étude détaillée des interactions entre la
nappe et les réseaux de drainage
• Problème de drains qui se mettent en charge
• Modélisation à l’échelle de locale
 Representation de chaque tuyau de drainage
 D2D module = simulation niveau de nappe zone saturée
 ELIXIR module = flux d’eau en réseau
Drains
Nappe
Nappe
Drains
Collecteur
tertiaire
22
Collecteu
r tertiaire
Position des drains
Drains
Ecoulement vers le
réseau de collecteurs
secondaire
(a) Ecoulement couplé dans la
(b) Ecoulement de la nappe
(c)
Ecoulement
nappe et dans le réseau de
vers les drains
réseau de tuyaux
drainage
Thèse H. Hénine, 2010
dans
le
ELIXIR-D2D: résultats
0.003
0
Ecartement 7 m
Ecartement 10 m
Ecartement 20 m
Recharge
0.0025
3
P1 (m
/s/ha)
Débit spécifique à la sortie du collecteur
• Application à un petit bassin versant virtuel
• Simulation de différents espacements de drains et de
différents diamètres des drains principaux
0.002
5
10
0.0015
15
0.001
20
0.0005
25
0
30
0
5
10
15
Temsp (jours)
Elévation de la nappe à l'interdrain (m)
12
Ecartement 7 m
Ecartement 10 m
Ecartement 20 m
11.5
11
10.5
10
9.5
outflow
23
0
5
10
Temps (jours)
Thèse H. Hénine, 2010
15
20
Plan de l’exposé
1. Contexte du travail et objectifs
2. Concepts de la plate-forme LIQUID
1. Exemples d’applications
• Echelle locale (parcelle)
• Echelle de petits bassins versants (1-100
km2): impact d’éléments anthropiques sur
les flux d’eau, crues éclair, impact de
l’urbanisation
• Echelle de bassins versants de 100 à 10 000
km2
24
Impact de structures anthropiques sur les flux d’eau
N
SIDRA/SIRUP
Tile-drained zones
FRER1D
WTI
HEDGE
Non-drained
zones
Saturated flow
exchanges
Hedgerow
Drainage
discharge
WTRI
River-groundwater
flow exchanges
non-drained
agricultural fields
tile-drained
agricultural
hedgerows fields
river network
RIVER1D
Ditch and river
network
25
0
0.
2
0. k
4 m
Exemple de simulation
26
Modèle PUMMA des bassins péri-urbains
• Impact de l’urbanisation sur les flux d’eau et les régimes
hydrologiques de petits bassins versants (qqes km2)
• Thèse Sonja Jankowfsky, 2009-2011, projet ANR AVuPUR
• Poursuite des développements réalisés dans la thèse de F.
Branger
 Description des paysages par « hydro-paysages » et objets
géographiques (haies, parcelles, routes, réseaux..)
 Utilisation des mêmes modules de base
• Travail important sur le découpage de l’espace: complexité des
milieux péri-urbains, plusieurs exutoires et réseaux dans un
même bassin
 Zones urbaines, réseaux d’assainissement pluvial ou unitaire,
déversoirs d’orage, routes, fossés
 Nouveau module parcelle urbaine = URBS (Rodriguez et al., 2008)
 Module de lacs/étangs/bassins de rétention = SIMBA
27
Délimitation des sous-bassins: exemple du bassin de la
Chaudanne (4 km2)
28
Structure of the PUMMA model
Potential
evapotranspiration
Rainfall
FCA
FCA
Weighting
Weighting
VEGINT/ETPART/CRLINPG/ROLI
Interception, Transpiration, Vegetation
URBS
FRER1D
WTI
HEDGE
SIMBA
Urban cadastral
units
Infiltration
Saturated flow
exchanges
Hedgerows
Storage basins
WTRI
River-groundwater
flow exchanges
29
Thèse S. Jankowsky en cours
RIVER1D
TDSO
Ditch, river and
sewer network
Threshold Dependent
Stormwater Overflow
Modélisation des crues éclair sur BV non jaugés
• Comprendre et simuler les crues
éclair sur les petits bassins
versants (grande vulnérabilité)
• Bassins en général non jaugés
• Prise en compte de la variation
spatio-temporelle de la pluie:
pluie radar résolution 1km2, 5 mn
• Prise en compte de la variabilité
spatiale des sols: base de
données sol LanguedocRoussillon et fonctions de pédotransfert
• Modélisation spatialisée
s’appuyant sur l’observation
existante sans calibration
spécifique
30
Rainfall
FRER1D
Infiltration
PEF
Ponding
Transfer of ponding
Surface
runoff
RIVER1D
River network
INPUT DATA
Step 1: DTM map
SPATIAL
DISCRETIZATION
Step 1: River network
and sub-catchments
CVN PROCESS MODULES
1D kinematic wave
module
ponding
Layer 1
Infiltration
flux
Layer 2
Transfer
module
of
ponding
to the
river
(direct
transfer)
Homogenous
layers of soil
Layer 3
drainage flux
Step 2: Soil map
31
Step 2: Hydro-landscapes
Braud et al., J. Hydrology, 2010, in press
1D Richards’ equation
module
Sensibilité des résultats à la spécification de la pluie et à la représentation du sol
Rainfall uncertainty/variability and
soil variability can have the same
order of magnitude influence on the
simulated discharge
32
Anquetin et al., J.
Hydrology, 2010, submitted
Plan de l’exposé
1. Contexte du travail et objectifs
2. Concepts de la plate-forme LIQUID
1. Exemples d’applications
• Echelle locale (parcelle)
• Echelle de petits bassins versants (1-100
km2): impact d’éléments anthropiques sur
les flux d’eau, crues éclair, impact de
l’urbanisation
• Echelle de bassins versants de 100 à 10 000
km2
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Modélisation bilans d’eau grande échelle
Modélisation de
l’évapotranspira
tion
Modélisation des
transferts 1D
dans les sols
France
Simuler le bilan d’eau
sur un bassin versant
Interactions zone
non saturée- zone
saturée
Modélisation
des
transferts 2D dans la
34zone saturée
Interactions
nappe
rivière
Thèse J.Dehotin, 2007
Modélisation des transferts 1D
dans la rivière
Conclusions et perspectives
• Intérêt du concept maintenant acquis:
 Flexibilité dans les développements
 Géométrie irrégulière et pas de temps variables dans les
différents modules
 Modèles de plus en plus complexes
• Evolution de la plate-forme
 Passage de la version 0.3 à la version 0.4 en cours (première
interface homme-machine, plus grande généricité des
connexions entre modules)
 Projet d’étendre le travail pour permettre une meilleure
interaction entre les bases de données des observatoires et la
modélisation
• Projets
35
 Travaux sur le changement d’échelle (Ardèche, HyMeX) + couplage
modèle hydraulique
 Projets d’étendre la modélisation à la qualité et la prise en compte de
zones tampon
 Couplage bilans d’énergie, écoulements de sub-surface (thèse D.
Robert, LTHE, AMMA)
Production scientifique
•
3 thèses soutenues (F. Branger, 2007; J. Dehotin, 2007; H. Hénine, 2010) et une en cours (S. Jankowfsky,
2011)
6 publications dans des revues internationales
3 publications en révision
Une douzaine de communications orales, 3 posters, 6 conférences avec Proceedings, 3 conférences
invitées
Une douzaine de stages de niveau ingénieur ou master
•
•
•
•
Viallet, P., Debionne, S., Braud, I., Dehotin, J., Haverkamp, R., Saâdi, Z., Anquetin, S., Branger, F. and Varado, N., 2006. Towards multi-scale integrated
hydrological models using the LIQUID framework. In: J.C. Ph. Gourbesville, V. Guinot and S.Y. Liong (Eds) (Editor), 7th International Conference on
Hydroinformatics. Reserach Publishing, Nice, France, pp. 542-549.
Dehotin, J., Braud, I., 2008. Which spatial discretization for distributed hydrological models? Proposition of a methodology and illustration for medium to
large scale catchments, Hydrology and Earth System Sciences, 12, 769-796.
Branger, F., Tournebize, J., Carluer, N., Kao, C., Vauclin, M., Braud , I., 2009. A simplified modeling approach for pesticide transport in a tile-drained field: the
PESTDRAIN model, Agricultural Water Management, 9(3), 415-428. (IF 1.65)
Manus, C., Anquetin, S., Braud, I., Vandervaere, J.P., Viallet, P., Creutin, J.D., Gaume, E., 2009. A modelling approach to assess the hydrological response of
small Mediterranean catchments to the variability of soil characteristics in a context of extreme events, Hydrology and Earth System Sciences, 13, 7997.
Braud, I., Roux, H., Anquetin, S., Maubourguet, M.M., Manus, C., Viallet, P., Dartus D., 2010: The use of distributed hydrological models for the Gard 2002
Flash-Flood event. Analysis of associated hydrological processes, Journal of Hydrology, Flash Floods special issue, in press.
Branger, F., Braud, I., Debionne, S., Viallet, P., Dehotin, J., Hénine, H., Nédélec, Y., Anquetin, S., 2010. Towards multi-scale integrated hydrological models
using the LIQUID framework. Overview of the concepts and first application examples, Environmental Modeling & Software, in revision
Dehotin, J., Vazquez, R., Braud, I., Debionne, S., Viallet, P., 2010. Hydrological modeling using unstructured and irregular grids: the example of
2D groundwater modeling, Journal of Hydrologic Engineering, in revision.
Anquetin, S., Braud, I., Vannier, O., Viallet, P., Boudevillain B., Creutin, J.D., Manus, C., 2010. Sensitivity of the hydrological response to rainfall
fields estimation and soil variabilities in the context of flash floods, Journal of Hydrology, in revision for the Flash Floods special issue.
Branger, F., Jankowfsky, S., Vannier, O., Viallet, P., Debionne, S., Braud, I., 2010. Use of open-source GIS and data base software for the preprocessing of distributed hydrological models, Geospatial free and open source software in the 21rst century, Bocher, E., Neteler, M.
(Eds), Lecture notes in Geoinformation and Cartography, 12 pp.
Branger, F., Debionne, S., Viallet, P., Braud, I., Jankowfsky, S., Vannier, O., Rodriguez, F., Anquetin, S., 2010. Advances in integrated
hydrological modelling using the LIQUID® framework, Proceedings of the International congress on Environmental Modelling and
Software, iEMSs 2010, 5-8 July 2010, Ontario, Ottawa, Canada, 8 pp.
Jankowsky, S., Branger, F., Braud, I., Debionne, S., Viallet, P., Rodriguez, F., 2010. Development of a suburban catchment model within the
LIQUID® framework, Proceedings of the International congress on Environmental Modelling and Software, iEMSs 2010, 5-8 July 2010,
Ontario, Ottawa, Canada, 9 pp.
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