Développement des outils de modélisation ProSe/CaWaQS

Développement des outils de modélisation
P RO S E /C AWAQS : mise en cohérence et validation de la
version 4.0 de ProSe
Stéphanie E VEN1 , Nicolas F LIPO2
1
: [email protected]
Centre de Géosciences, Groupe Hydrodynamique et Réactions, École des Mines de Paris,
35 rue Saint-Honoré, 77 305 FONTAINEBLEAU cedex,
2
: Stanford University, Geological & Environmental Sciences,
1. Introduction
1
2. Le bassin du grand Morin
2.1. La validation hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Modélisation du périphyton et biogéochimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2
2
3. La Seine à la traversée de l’agglomération parisienne
5
4. Conclusion
6
1. Introduction
Le modèle ProSe est développé depuis les débuts du PIREN Seine et simule l’hydrodynamique, le
transport et les réactions biogéochimiques au sein d’un réseau hydrographique complexe. Le modèle
ProSe prend en compte tout type de rejets urbains, de temps sec (permanents) et de temps de pluie
(transitoires), ainsi que les apports diffus (Even et al. 1998; Even et al. 2004; Even et al. 2005).
Afin d’améliorer la prise en compte des pollutions diffuses d’origine agricole, la plate-forme de
modélisation C AWAQS a été développée durant cette phase du PIREN S EINE (Flipo 2005; Flipo
et al. 2004; Flipo et al. 2005). CaWaQS consiste dans le couplage des modèles ProSe (écoulement
en rivière), NEWSAM (écoulement pseudo-3D en aquifères), d’hydrologie de surface (REPSUR) et
d’agronomie (STICS) ; l’ensemble de cette plateforme est couplée à des bases de données gérées sous
SIG pour toutes les informations concernant le bassin (Flipo 2005). Tous les éléments du bassin
sont pris en compte dans le modèle : sous-bassins versants élémentaires, sol, zone non-saturée,
aquifères et rivières. Le modèle CaWaQS a été appliqué au Grand Morin sur la période 1986-2001
pour l’hydrologie et 1977-1996 pour les nitrates.
Le développement de la plateforme CaWaQS succède au travail réalisé par Éric Gomez, qui avait
appliqué le modèle couplé MODCOU/STICS sur l’ensemble du bassin de la Seine (Gomez 2002; Gomez
et al. 2003). Le travail réalisé avec CaWaQS consiste en une étude plus fine à petite échelle d’une part.
C-1
D’autre part, l’avancée de ce travail a consisté à prendre en compte une représentation plus réaliste
des cours d’eau à l’aide du modèle ProSe.
L’architecture du modèle CaWaQS s’est appuyée en grande partie sur le modèle ProSe, version
3.4. Des améliorations ont dues être apportées au logiciel P RO S E pour simuler le fonctionnement
écologique de cours d’eau peu profonds et remonter jusqu’aux têtes de bassin d’un réseau hydrographique.
Nous mentionnons le fait que l’approche C AWAQS prévoit une utilisation modulaire, c’est à dire
que le logiciel P RO S E peut toujours y être utilisé indépendamment du couplage avec le bassin versant
(utilisation « classique »).
Parallèlement, les développements sur le logiciel P RO S E seul se sont poursuivis, en terme d’interfaçages
(pré- et post-traitements) et de processus à prendre en compte dans la rivière. Nous en sommes
actuellement à la version 3.5. Le travail réalisé pour l’interfaçage de P RO S E a permis de développer
un outil de génération automatique d’interface, l’outil GABI. Cet outil permet de générer automatiquement un éditeur de format de données pour tout logiciel de calcul basé sur des parsers. Il est à noter
que les développements réalisés pour C AWAQS ont adopté cette approche.
Nous disposons aujourd’hui de deux versions de développement pour P RO S E, situation qu’il n’est
pas souhaitable de prolonger. Une mise en cohérence du logiciel ProSe a donc été réalisée. Par
rapport à la version 3.5, le modèle hydraulique y a été modifié pour représenter les écoulements
dans des cours d’eau peu profonds (ordres de strahler inférieurs à 3). Des bilans sont réalisés dans
chaque compartiment (eau, périphyton, vase) et non plus seulement pour la colonne d’eau. Le modèle
de périphyton avait déjà été implanté dans la version 3.5. Par ailleurs la version 3.4 de ProSe ne
bénéficiait pas des modifications apportées au logiciel en vue d’un couplage avec l’interface de ProSe,
ni des nouvelles variables (silice, phosphore inorganique) et processus qui avait été ajoutés dans le
cadre de l’étude DCE pour assurer un couplage satisfaisant avec les modèles d’estuaire et de baie de
Seine.
La nouvelle version 4.0 de ProSe a été testée sur des cas standards pour lesquels les logiciels
P RO S E et C AWAQS ont été mis en œuvre : Seine en aval de Paris, périphyton sur le Grand Morin,
simulation de l’ensemble du bassin du Grand Morin. L’objectif de ce travail n’est pas de réaliser
une analyse des résultats, mais de s’assurer que les résultats obtenus avec la nouvelle version restent
cohérents avec les versions antérieures.
2. Le bassin du grand Morin
2.1. La validation hydraulique
Nous avons repris la période de simulation 1986-1996 ayant servi au calage hydrologique du modèle
C aW aQS. La mise en cohérence des deux versions de ProSe ayant conduit à des modifications majeures pour que le modèle d’hydraulique fonctionne dans tous les cas, nous nous assurons ici que les
résultats restent inchangés. Les débits dans les rivières sont validés par comparaison avec les débits
mesurés aux stations de jaugeage (tableau 1).
Les résultats sont présentés sur la figure 1. Ils sont tout à fait cohérents avec les résultats obtenus
avec la version précédente de CaWaQS (Flipo 2005).
2.2. Modélisation du périphyton et biogéochimie
Le modèle périphytique de ProSe a été validé sur le Grand Morin. Le contexte de la simulation est
décrit plus en détail dans (Flipo et al. 2004; Flipo 2005). Le domaine simulé correspond au 40 km
C-2
Tableaux 1: Stations de jaugeage de débit sur le bassin du Grand Morin pour lesquelles existent des
mesures entre 1986 et 1996.
Montry
Theil
107
Mélarchez
Avenelles
Meilleray
Pommeuse
108
106
Lavanderie
Station
Mélarchez
Les Avenelles
Le Theil
Lavanderie
Pommeuse
Crécy la Chapelle
Montry
109
Rivière
Ru du Fossé Rognon
Ru des Avenelles
Ru de l’Orgeval
Aubetin
Grand Morin
Grand Morin
Grand Morin
C-3
110
Surface (km2 )
7,1
24,7
104
270
770
1070
1190
Origine
CEMAGREF
CEMAGREF
CEMAGREF
CGE
Banque HYDRO
Banque HYDRO
Banque HYDRO
Débits décadaires à Avenelles
3.5
1
3
2.5
0.8
Débit (m3/s)
Débit (m3/s)
Débits décadaires à Mélarchez
1.2
0.6
0.4
2
1.5
1
0.2
0.5
0
0
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
0
500
Débits décadaires au Theil
1000 1500 2000 2500 3000 3500
Débits décadaires Lavanderie
8
12
7
10
Débit (m3/s)
Débit (m3/s)
6
5
4
3
8
6
4
2
2
1
0
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
Débits décadaires Pommeuse
Débits décadaires Crecy
45
60
40
50
Débit (m3/s)
30
25
20
15
10
40
30
20
10
5
0
0
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
Débits décadaires Montry
70
60
Débit (m3/s)
Débit (m3/s)
35
50
40
30
20
10
0
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500
Observations
Simulation
Figure 1: Débits simulés aux stations de jaugeage pour la période 1986-1996.
C-4
Marn
e
Scale
0
P5
5 km
North
P4
Orgeval
P1
Échantillonnage du périphyton
Echantillonnage colonne d’eau
Singularités (moulins, seuils,...)
STEP
POMMEUSE
Aubeti
n
P3
P2
LA BRETONNIERE
Grand Morin
Figure 2: Carte du secteur aval du Grand Morin, échantilloné en 2001. Positionnement des ouvrages
(seuils), STEPs et points de prélèvements.
aval du Grand Morin (figure 2). Les résultats du modèle sont confrontés aux mesures réalisées in situ
entre le premier mai 2001 et le 30 août 2001 (figure 3).
Les résultats obtenus avec ProSe 4.0 pour la chlorophylle a, l’ammoniaque, l’oxygène et la
biomasse périphytique sont reportés sur la figure 4.
Les courbes présentées ici sont tout à fait cohérentes avec les résultats présentés dans des travaux
antérieurs (Flipo et al. 2004; Flipo 2005). Une des modifications apportées au logiciel ProSe est
relative à la prise en compte des apports/rejets dès les premières mailles des biefs, contrairement aux
versions précédentes. Ceci explique les écarts de valeurs entre mesure et simulations dès l’amont,
la présence de l’Orgeval à 100 m de l’amont conduisant à une dilution de certaines variable (ici :
ammoniaque).
3. La Seine à la traversée de l’agglomération parisienne
Pour tester les applications urbaines de ProSe (secteurs urbains), nous avons retenu des scénarios
de la Directive Cadre Européenne sur le bassin de la Seine et plus particulièrement les scénarios pour
l’année de référence 1996, particulièrement critique, compte tenu de la faiblesse des débits (Even et al.
2003).
Le secteur simulé s’étend de Choisy le Roi sur la Seine amont et Neuilly sur Marne jusqu’à
Poses. L’impact de l’ensemble des rejets urbains, de temps sec et de temps pluie, de l’agglomération
parisienne sont ainsi pris en compte.
Sur la figure 8 sont présentés les résultats du modèle ProSe pour le débit à Austerlitz et cotes
de plan d’eau aux principaux barrages à la traversée de l’agglomération parisienne. Les barrages de
Suresnes, Chatou/bougival et Andrésy/Dénouval étant tous situés sur des îles, les cotes de plan d’eau y
sont calculées par le modèle ProSe à partir du fonctionnement simulé au barrage. Nous vérifions ainsi
que les caractéristiques hydrodynamiques calculées par ProSe sont correctes. Pour tous les autres
barrages, une loi simple de cote constante imposée est prise en compte.
Pour la biologie, les résultats sont présentés sur les figures 9 et 10, qui sont deux points de contrôle
majeurs de la Seine aval : Chatou, à la sortie de l’agglomération parisienne et Poses, avant l’entrée
dans l’estuaire. Les résultats obtenus sont tout à fait cohérents avec les résultats déjà publiés (Even
C-5
35
26/7
16/8
30/8
débit en m3/s
30
6/6
23/5
25
19/6
18/7 24/7
4/7
27/6
1/8
28/8
10/7
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130
date en jours
Figure 3: Hydrogramme à Pommeuse (jour 0 est le premier mai 2001) et dates d’échantillonages.
Barres noires : échantillonage de la colonne d’eau ; barres grises : échantillonage de l’épilithon.
et al. 2003; Even et al. 2005).
4. Conclusion
La version 4.0 de ProSe prenant en compte l’ensemble des développements récents a été mise
au point et donne des résultats satisfaisants sur l’ensemble des cas testés. Nous disposons donc
aujourd’hui d’une version unique de ProSe, à même de traiter tous les secteurs d’un réseau hydrographique. Certains processus ont été développés et sont aujourd’hui intégrés dans ProSe afin
d’obtenir une représentation correcte de l’hydrodynamique et de la qualité de l’eau sur des linéaires
de cours d’eau très contrastés.
Les développements doivent cependant être poursuivis sur de nombreux aspects pour améliorer la
robustesse et la validité de l’outils dans ses nouveaux champs d’application.
Bibliographie
Even, S., J.-M. Mouchel, M. Seidl, P. Servais, et M. Poulin, 2004. Oxygen deficits in the Seine
river downstream of combined sewer overflows: importance of the suspended matter transport.
Ecological modelling 173(2-3): 177–196.
Even, S., J. M. Mouchel, P. Servais, N. Flipo, M. Poulin, S. Blanc, M. Chabanel, C. Paffoni, et
S. Duchesnes, 2005. Modeling the impacts of Combined Sewer Overflows on the river Seine
water quality. Sciences of the Total Environment. Accepté.
Even, S., M. Poulin, J. Garnier, G. Billen, P. Servais, A. Chesterikoff, et M. Coste, 1998. River
ecosystem modelling: application of the PROSE model to the Seine river (France). Hydrobiologia 373: 27–37.
Even, S., M. Poulin, et B. Thouvenin, 2003. Evolution prospective de la qualité des eaux de surface. Scénario tendanciel de la Directive Cadre Européenne de l’agglomération parisienne à
C-6
27 juin 2001
µgchla.l−1
µgchla.l−1
19 juin 2001
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
960
966
972
978
984
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
960
990
966
972
978
984
990
984
990
984
990
984
990
km
km
4 juillet 2001
10 juillet 2001
16
12
14
10
8
µgchla.l−1
µgchla.l−1
12
10
8
6
6
4
4
2
2
0
0
960
966
972
978
984
990
960
966
972
km
km
18 juillet 2001
26 juillet 2001
6
4
µgchla.l−1
µgchla.l−1
5
3
2
1
0
960
966
972
978
984
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
990
960
966
km
1 août 2001
µgchla.l−1
µgchla.l−1
8
6
4
2
0
16
14
12
10
8
6
4
2
0
960
972
978
28 août 2001
10
966
972
km
12
960
978
978
984
990
966
972
978
km
km
Chla totale
Mesures (Chla totale)
Chlorophycées
Diatomées
Algues détachées
Figure 4: Chlorophylle a totale dans la colonne d’eau entre la Bretonnière et la confluence avec
la Marne (jour 0 est le premier mai 2001) dans les axes principaux et annexes. Comparaison des
résultats de simulation et des mesures. Distinction des biomasses de chlorophycées, diatomées et
C-7
algues benthiques détachées.
27 juin 2001
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
954
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
954
mgN.l−1
966
972
978
984
990
996
960
966
960
966
960
966
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
954
960
966
972
978
km
km
4 juillet 2001
11 juillet 2001
mgN.l−1
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
954
960
972
978
984
990
996
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
954
960
966
972
978
km
km
18 juillet 2001
24 juillet 2001
mgN.l−1
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
954
972
978
984
990
996
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
954
960
966
972
978
km
km
1 août 2001
28 août 2001
mgN.l−1
mgN.l−1
mgN.l−1
mgN.l−1
mgN.l−1
19 juin 2001
972
978
km
Simulations
984
990
996
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
954
960
966
972
978
984
990
996
984
990
996
984
990
996
984
990
996
km
Figure 5: Ammoniaque dans la colonne d’eau dans le cours principal et les bras annexes entre la
Bretonnière et la confluence avec la Marne (jour 0 est le premier mai 2001). Comparaison des
résultats de simulation et des mesures.
C-8
27 juin 2001
14
14
12
12
10
10
mgO2.l−1
mgO2.l−1
19 juin 2001
8
6
8
6
4
4
2
2
0
954
960
966
972
978
984
990
0
954
996
960
966
972
km
12
12
10
10
8
6
2
2
978
984
990
0
954
996
960
966
972
km
12
10
10
mgO2.l−1
12
8
6
984
990
996
6
4
2
2
972
996
8
4
966
990
24 juillet 2001
14
978
984
990
0
954
996
960
966
972
km
978
km
1 août 2001
mgO2.l−1
mgO2.l−1
18 juillet 2001
960
978
km
14
0
954
984
6
4
972
996
8
4
966
990
11 juillet 2001
14
mgO2.l−1
mgO2.l−1
4 juillet 2001
960
984
km
14
0
954
978
14
12
10
8
6
4
2
0
954
960
966
972
978
984
990
996
km
Simulations
Mesures surface
Mesures fond
Figure 6: Oxygène dans la colonne d’eau entre la Bretonnière et la confluence avec la Marne (jour 0
est le premier mai 2001). Comparaison des résultats de simulation et des mesures.
C-9
16 août 2001
1400
1200
1200
1000
1000
mgchla.m−2
mgchla.m−2
26 juillet 2001
1400
800
600
800
600
400
400
200
200
0
954
960
966
972 978
km
984
990
0
954
996
960
966
972
978
984
990
996
km
mgchla.m−2
30 août 2001
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
954
960
966
972 978
km
Simulation
Mesures min
984
990
996
Mesures max
Figure 7: Chlorophylle a périphytique entre la Bretonnière et la confluence avec la Marne (jour 0
est le premier mai 2001), dans le cours principal et les bras annexes. Comparaison des résultats de
simulation et des mesures.
C-10
Débit à Austerlitz
1000
900
800
700
Q (m3/s)
600
500
400
300
200
100
0
J
F
M
A
M
J
J
A
S
Simulations
O
N
D
Mesures
Cotes à Suresnes
Cotes à Chatou
27.5
25.5
27
25
26.5
24.5
Amont
24
23.5
Cotes (m)
Cotes (m)
26
25.5
25
Amont
23
22.5
22
24.5
21.5
Aval
24
Aval
21
23.5
20.5
23
20
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
J
F
Cotes à Bougival
M
A
M
J
J
A
O
N
D
Cotes à Andrésy
26
21
20.5
25
20
Cote (m)
24
Cotes (m)
S
Amont
23
22
Amont
19.5
19
18.5
18
Aval
21
Aval
17.5
17
J
20
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
F M A M
J
J
A
S
O
N D
Mesures
Simulations
Figure 8: Comparaison des résultats de simulation avec ProSe, v4.0 et les mesures de débit à Austerlitz et des cotes amont et aval de Barrage à Suresnes, Chatou, Bougival et Andrésy pour l’année
1996.
C-11
Chatou 1996 : Chla
Chatou 1996 : O2
14
Concentrations (mgO2/l)
Concentrations (ugchla/l)
100
80
60
40
20
12
10
8
6
4
2
0
J
F M A
M
J
J
A
S
O
N
D
0
J
F M A M
J
J
A
S
O
N D
Mesures SIAAP
Chatou 1996 : MOP
80
8
70
7
Concentrations (mgC/l)
Concentrations (mg/l)
Chatou 1996 : MES totales
60
50
40
30
20
10
6
5
4
3
2
1
0
0
J
F M A
M
J
J
A
S
O
N
D
J
F
Chatou 1996 : NH4
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
Chatou 1996 : biomasse bactérienne totale
0.3
Concentrations (mgC/l)
2
Concentrations (mgN/l)
Simulations
1.5
1
0.5
0
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
J
F M A M
J
J
A
S
O
N D
J
Simulations
F M A M
J
J
A
S
O
N D
Mesures
Figure 9: Comparaison des résultats de simulation avec ProSe, v4.0 et les mesures à Chatou pour
l’année 1996.
C-12
Poses 1996 : O2
Concentrations (mgO2/l)
Concentrations (mg/l)
Poses 1996 : MEStot
80
70
60
50
40
30
20
10
0
14
12
10
8
6
4
2
0
J
J
F M A
M
J
J
A
S
O
N
F M A
M
J
D
J
A
S
O
N
D
O
N D
Temps
Temps
Mesures continues
Mesures ponctuelles
Simulations
Poses 1996 : PO4
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
2
Concentrations (mgP/l)
Concentrations (ugchla/l)
Poses 1996 : Chla
1.5
1
0.5
0
J
F M A M
J
J
A
S
O
N D
J
F M A M
J
Temps
8
7
7
6
5
4
3
2
1
0
6
5
4
3
2
1
0
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
J
F
M
A
M
Temps
J
J
A
S
O
N
D
O
N
D
Temps
Poses 1996 : NH4
Poses 1996 : NO3
10
Concentrations (mgN/l)
10
Concentrations (mgN/l)
S
Poses 1996 : MOP
8
Concentrations (mgC/l)
Concentrations (mgC/l)
Poses 1996 : MOD
J A
Temps
8
6
4
2
8
6
4
2
0
0
J
F M A
M
J
J A
Temps
Simulations
S
O
N
D
J
F M A
M
J
J
A
S
Temps
Mesures
Figure 10: Comparaison des résultats de simulation avec ProSe, v4.0 et les mesures à Poses pour
l’année 1996.
C-13
l’estuaire. Rapport technique, PIREN Seine. http://www.sisyphe.jussieu.fr/internet/piren/.
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