GARD É NIA - Les Editions du BRGM

Plaquette de
présentation du code
de calcul du BRGM
GARDÉNIA v8.1
Note technique
NT EAU 2011/05
octobre 2011
Dominique THIÉRY
Synthèse
Cette note présente les principales caractéristiques du code de calcul GARDÉNIA 8.1 pour la
modélisation hydrologique globale :
 Pluie – Débit de rivière,
 ou Pluie – Niveau aquifère,
 ou Pluie – Débit de rivière – Niveau aquifère,
avec possibilité de prendre en compte des prélèvements en nappe.
1
G A R D É N I A
MODÈLE
GLOBAL À RÉSERVOIRS POUR LA SIMULATION
NIVEAUX AQUIFÈRES
DE
DÉBITS
ET DE
1. PRINCIPES ET OBJECTIFS
Le logiciel GARDÉNIA permet de simuler les relations existant entre les chroniques :
 de débits d’un cours d’eau ou d’une source,
 et/ou de niveaux piézométriques en un point représentatif de la nappe sous-jacente,
et les épisodes pluviométriques concomitants sur le bassin versant associé.
Une chronique de prélèvements en nappe par pompages peut être prise en compte si nécessaire.
La modélisation des relations pluie-débit et/ou pluie-niveau fait intervenir 4 à 6 paramètres globaux
(réserve utile, temps de tarissement, etc.) définis pour un bassin versant ou une entité homogène
au sein d'un bassin versant. Ces paramètres doivent être ajustés sur une période d'observation
commune des pluies et des débits de cours d’eau (et/ou des niveaux aquifères). Cette phase de
calibration du modèle est réalisée automatiquement par le logiciel sous contrôle de l'utilisateur.
À l'issue de la calibration, GARDÉNIA permet :
 d'établir un bilan hydrologique sur le bassin : évapotranspiration réelle, ruissellement, infiltration,
recharge (dont certains termes peuvent être utilisés dans un modèle maillé de simulation de
nappes) ; ce bilan peut contribuer à l'évaluation de la recharge naturelle des aquifères ;
 de réaliser une extension de données de débits, de niveaux piézométriques ou de recharges
pendant une longue période durant laquelle les précipitations et l'évapotranspiration potentielle
sont connues. Ces longues séries de débits et/ou de niveaux peuvent ensuite être utilisées :
 pour effectuer des prévisions de niveaux ou de débits pour le dimensionnement d'ouvrages ;
 pour l'étude de phénomènes particuliers, tels que remontées de nappe, occurrence
d'inondations ou de sécheresses. Études de l’influence du changement climatique ;
 pour l'étude de l’influence du changement climatique.
2. SCHÉMATISATION DU BASSIN VERSANT
Le modèle GARDÉNIA simule le cycle de l'eau, depuis les précipitations sur un bassin versant
jusqu'au débit à l'exutoire et/ou au niveau aquifère en un point. Ce modèle est global, car il
considère une "entrée" globale (une "lame d'eau" sur le bassin et une évapotranspiration potentielle)
et une "sortie" unique qui est, suivant le cas, le débit à l'exutoire et/ou le niveau piézométrique en un
point de la nappe sous-jacente. L’analogie entre l'allure exponentielle de la vidange d’un réservoir et
celle du tarissement d’une rivière ou d’une source, ou encore de la baisse des niveaux d’une nappe
souterraine, permet de représenter le comportement hydraulique d'un bassin versant par un
ensemble de réservoirs se vidant les uns dans les autres. Des fonctions de transfert non linéaires
sont utilisées pour améliorer cette schématisation.
Notice d'utilisation :
Systèmes d’exploitation :
Rapport BRGM/RP-52832-FR
Windows NT 2000, XP, Vista, Seven
32 bits ou 64 bits
Version :
Français, Anglais
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G A R D É N I A
GARDÉNIA simule le cycle de l'eau par un système de 3 à 4 réservoirs en cascade qui représentent
globalement respectivement :
 les premières dizaines de centimètres du sol, siège des phénomènes d’évapotranspiration (zone
d'influence des racines de la végétation) ;
 une zone intermédiaire générant de d’écoulement rapide ;
 une ou deux zones aquifères générant de l’écoulement souterrain lent et retardé.
3 - CALIBRATION DU MODELE
La calibration consiste à ajuster les paramètres du modèle de telle sorte qu'ils permettent de
calculer des chroniques de débit et/ou de niveaux piézométriques aussi proches que possible de
celles qui ont été effectivement observées.
La calibration se fait par une méthode semi-automatique. L'utilisateur fournit un jeu de paramètres
initiaux et indique ceux qui doivent être optimisés selon un algorithme non-linéaire adapté de la
méthode de Rosenbrock. Le logiciel fait alors varier ces paramètres jusqu’à trouver un jeu
fournissant la meilleure adéquation entre séries calculées et observées.
Les résultats fournis par GARDÉNIA consistent en :
 un bilan des différentes composantes de l'écoulement (évapotranspiration, écoulement rapide,
écoulement lent,…). Le partage entre écoulement rapide et écoulement lent doit être interprété
avec précaution et peut dans une certaine mesure être assimilé au partage entre ruissellement et
écoulement souterrain ;
 une représentation graphique permettant de comparer observations et simulations ;
 des critères numériques d'évaluation de la qualité de l'ajustement.
3
G A R D É N I A
4 – DONNÉES ET PARAMÈTRES
4.1 – Données nécessaires
 une chronique continue de précipitations (lame d'eau) ;
 une chronique continue d'évapotranspiration potentielle (ETP), qui peut être obtenue auprès des
services de Météorologie, ou bien éventuellement calculée à partir d'une série continue d'insolation
et de température de l'air (et d'humidité relative si nécessaire) ;
 une ou deux chroniques d’observations, pouvant présenter des lacunes, de :
o débit à l'exutoire du bassin
o et/ou de niveau en un piézomètre représentatif situé dans le bassin.
 une éventuellement chronique de prélèvements en nappe (pompages).
Ces différentes chroniques correspondent à des séries de données échelonnées à pas de temps
régulier : journalier, pentadaire (5 j), décadaire (10 j), ou mensuel.
Il est également possible d’utiliser un pas de temps régulier quelconque (5 mn, 1 heure, 60 jours etc.)
Toutes les chroniques utilisées doivent correspondre à la même période. Le pas de temps de chaque
chronique n’est pas forcément identique (par exemple : pluie journalière et ETP décadaire).
4.2 – Paramètres hydrologiques
Ils sont généralement au nombre de 4 à 6 et au maximum au nombre de 8 dans le cas général (15 si
l’on tient compte des précipitations sous forme de neige).
5. DOMAINES D’APPLICATION
 Pour un bassin versant déterminé, reconstitution des valeurs manquantes dans une chronique de
débit (de rivière ou source), ou de niveau piézométrique (nappe). Les séries ainsi complétées
peuvent être utilisées dans d’autres calculs ou modélisations.
 Calcul des termes du bilan du cycle hydrologique à un pas de temps choisi (de journalier à
mensuel).
 Simulation des débits ou des niveaux de nappe résultant d’épisodes climatiques exceptionnels.
Ces simulations permettent le dimensionnement d’ouvrages tels que retenues pour l’irrigation,
aménagement de sources, fondations de bâtiments, niveaux de sous-sols, etc.
 Extension de débits ou de niveaux piézométriques sur une longue période, à partir de différents
scénarios climatiques.
 Études de l’influence du changement climatique.
6. RÉFÉRENCE
D. Thiéry (2003) - Logiciel GARDÉNIA version 6.0 - Guide d’utilisation. Rapport BRGM/RP-52832-FR
7. CONTACTS
Dominique THIERY : BRGM / Service EAU
[email protected]
4
G A R D É N I A
Schémas de principes
Modélisation Pluie - Débit
Recharge
Écoulement
Souterrain
Modélisation Pluie - Niveau
Représentation schématique des éléments du bilan hydrologique d’un bassin versant.
Surface du bassin versant
PLUIE
ETP
RUMAX déficit maximal du sol
PLUIE EFFICACE
RUIPER Hauteur d'équi
Ruissellement Percolation
THG Temps ½ percolation
Débit Q
Niveau Piézom. NP
Q = SURF * EC + Qo
Percolation
(RECHARGE de la nappe)
NP = G / S + NB
Écoulement total
(DEBIT du cours d'eau)
Principe du modèle hydrologique global GARDÉNIA pour la simulation du débit d’un cours d’eau et/ou
d’un niveau piézométrique.
5
G A R D É N I A
Exemple d’application n°1 : Sources de Wignacourt (Île de Malte)
Simulation Pluie - Débit : Comparaison entre les débits moyens mensuels calculés et observés sur la
source. Très bonne simulation sur la période 1884 -1910 non influencée.
Simul.
Sources de Wignacourt (Malte) - Calage
Wignacourt Springs (Malta) - Calibration
Obser.
100
Débit (Flow) l/s
80
60
40
20
0
1880
1885
1890
1895
1900
1905
1910
Date
Extension de la période de simulation sur la même source. Mise en évidence de l’impact de
pompages sur le débit de la source.
Les débits observés (trait noir) soumis aux pompages à partir de 1910 deviennent significativement
plus faibles que les débits prévus à partir des pluies (trait rouge).
Sources de Wignacourt (Wignacourt Springs)
Extension
Simul.
Obser.
Calibr
100
Débit (Flow) l/s
80
60
40
20
0
1880
1890
1900
1910
Date
6
1920
1930
1940
G A R D É N I A
Exemple d’application n°2 : Sources de la Voulzie (Provins)
Simulation Pluie - Débit : Comparaison entre les débits moyens mensuels calculés et observés sur la
source pendant une période de 30 ans contrastée : basses eaux en 1975-1976 et 1990-1994 ; hautes
eaux en 1981-1985 et 1999-2002.
Simul.
Observ.
La Voulzie à Jutigny (GARDENIA)
5
Débit (Flow) m3/s
4
3
2
1
0
1974
1977
1980
1983
1986
1989
1992
1995
1998
2001
2004
Exemple d’application n°3 : Piézomètre du CIEH (Ouagadougou – Burkina Faso)
Simulation Pluie - Niveau : GARDÉNIA est calé sur la période de 8 ans très déficitaire 1978 -1985. Le
modèle avait permis dès 1986 de prévoir une remontée des niveaux piézométriques si les
précipitations redevenaient plus abondantes. Contrôle a posteriori en 1991 (trait bleu) que la
calibration était fiable et permettait de simuler les niveaux à partir des pluies excédentaires
effectivement observées.
Simul.
Observ.
Obs. (Control)
Piézomètre CIEH à Ouagadougou (GARDENIA)
-6
Profondeur (depth) m
-7
-8
Prévision
-9
-10
Calibration
-11
1977
1979
1981
1983
7
1985
1987
1989
1991
G A R D É N I A
Exemple d’application n°4 : Piézomètre de Saint Martin de Chennetron (Calcaires de Champigny)
Simulation Pluie - Niveau : Comparaison entre les niveaux calculés et observés sur la source pendant
une période de 30 ans très contrastée.
Simul.
Observ.
Niveau St-Martin de Chennetron (GARDÉNIA)
145
m NGF
135
125
115
1974
1977
1980
1983
1986
1989
1992
1995
1998
2001
2004
Extension de données sur la période 1993-2004 (12 ans), après calibration sur la période 1974-1992
(19 ans). Cette application montre la robustesse du modèle qui permet d’extrapoler correctement les
niveaux, en particulier les hautes eaux de 2001-2002, à partir des seules données climatiques (trait
rouge comparé au trait bleu).
Simul.
Observ.
Obs. (Extens.)
Niveau St-Martin de Chennetron (GARDÉNIA)
145
m NGF
135
125
Calibration
Extension
115
1974
1977
1980
1983
1986
1989
8
1992
1995
1998
2001
2004
G A R D É N I A
Exemple d’application n°5 : Simulation des débits à l’exutoire de bassins de l’île de la Réunion
en réaction à des pluies cycloniques très violentes.
250
Simul.
Modèle GARDENIA : pas de temps = 1/2 heure
Corrélation = 0.93
Observ.
Cyclone du 17 - 20 Février 2006
1400 mm de pluie
200
Débit (m3/s)
Ile de La Réunion : Bassin du BUTOR
150
100
50
0
17/02/2006
00:00
17/02/2006
12:00
18/02/2006
00:00
18/02/2006
12:00
19/02/2006
00:00
19/02/2006
12:00
20/02/2006
00:00
Temps
Simulation au pas de temps de ½ heure des débits du bassin du Butor de l’île de la Réunion lors
du cyclone de février 2006.
Rivière des Mats : 6 cyclones 2000-2003
Modèle GARDENIA : pas de temps = 1 heure
Corrélation = 0.97
Observ.
Simul.
Separ
1000
Ando
01/2001
Dina
01/2001
Débit (m3/s)
800
11/2002
Connie
01/2000
600
04/2003
2
400
7-9
01/2002
200
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Date en heures
Simulation au pas de temps horaire des débits du bassin de la « Rivière des Mats » de l’île de la
Réunion lors de six cyclones de 2000 à 2003.
Ces exemples d’application sur des crues violentes, montrent que le code GARDÉNIA permet de
modéliser efficacement les crues avec des pas de temps fins inférieurs à 1 jour.
9
G A R D É N I A
Exemple d’application n°6 : Simulation des débits le l’Isère à Val d’Isère (altitude 1850 m) avec
prise en compte de la fonte de la neige.
Simulation GARDENIA du débit de l'Isère à Val d'Isère
10
Simul.
Débit (m3/s)
8
Observ.
6
4
2
0
1995
1996
1996
1997
1999
2000
2000
2001
2003
2004
2004
2005
Simulation au pas de temps mensuel des débits de l’Isère à Val d’Isère de 1995 à 2005.
On voit nettement que les forts débits se produisent généralement de Mai à Août lors de la fonte de la
neige. Le modèle GARDÉNIA avec prise en compte de la fonte de la neige permet une bonne
simulation des pointes de débits, mais aussi des étiages hivernaux qui ont une grande importance car
ils surviennent pendant les périodes de fortes demandes.
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