Modélisation spatialement distribuée et physiquement basée d’écoulements hydrologiques et hydrodynamiques pour l’aide à la gestion d’ouvrages hydrauliques

Abstract

La gestion des ressources en eau constitue une préoccupation qui prend une place de plus en plus importante dans nos sociétés. Les événements climatiques extrêmes subis ces dernières années (pluies diluviennes mais également sécheresses) montrent toute la nécessité d’une meilleure compréhension des phénomènes en cause afin de mettre en place une gestion efficace des ressources. Ces études passent notamment par le développement de logiciels de simulation basés sur des modèles hydrologiques et hydrodynamiques fiables capables de représenter correctement les phénomènes réels mis en jeu. Cette thèse contribue à la mise en place d’un outil de modélisation spatialement distribuée et physiquement basée d’écoulements hydrologiques et hydrodynamiques, destiné notamment à fournir une aide précieuse pour la gestion d’ouvrages hydrauliques. Chaque composante de modélisation du circuit hydrologique, depuis la pluie jusqu’à l’exutoire de la rivière, est examinée. Des améliorations ou développements plus fondamentaux sont alors proposés pour améliorer la qualité de modélisation. Entre autres, cette thèse aborde en profondeur des sujets tels que la prise en compte de la microtopographie dans la représentation des phénomènes de surface (stockage dans les dépressions, écoulement en ruisselets, relations hauteurs-section-volume…), le calcul de l’infiltration (modèle à fronts multiples, effet de l’occupation du sol…) ou l’écoulement dans la couche hypodermique (écoulement saturé/non saturé, mise en pression…). Les recherches et développements portent également sur l’écoulement dans les axes de concentration (création d’un réseau de rivières cohérent à la fois avec le modèle numérique de terrain et les levés précis sur site, exploitation adéquate des données de section, modélisation efficace des ouvrages en charge ou non…). La modélisation des surfaces imperméables (avec séparation des zones égouttées ou non) est également abordée de façon détaillée, dans le cadre d’une application sur un bassin versant instrumenté de 130 km². Cette application envisage aussi bien la modélisation d’un événement ponctuel que des simulations à long terme. Enfin, l’étude d’un bassin peu instrumenté permet de montrer la large applicabilité et sa capacité à servir de support efficace dans la gestion des rivières et des ouvrages hydrauliques associés.

Abstract (AI English translation)

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The management of water resources is a concern that is taking an increasingly important place in our societies. The extreme climatic events experienced in recent years (torrential rains but also droughts) demonstrate the need for a better understanding of the phenomena involved in order to implement effective resource management. These studies include the development of simulation software based on reliable hydrological and hydrodynamic models capable of correctly representing the real phenomena involved. This thesis contributes to the establishment of a spatially distributed and physically based modeling tool. hydrological and hydrodynamic flows, intended in particular to provide valuable assistance for the management of hydraulic structures. Each modeling component of the hydrological circuit, from rain to the river outlet, is examined. More fundamental improvements or developments are then proposed to improve the quality of modeling. Among other things, this thesis addresses in depth subjects such as the taking into account of microtopography in the representation of surface phenomena (storage in depressions, flow in rivulets, height-section-volume relationships, etc.), the calculation of the infiltration (multiple front model, effect of land use, etc.) or flow in the hypodermic layer (saturated/unsaturated flow, pressurization, etc.). Research and development also concerns flow in the axes of concentration (creation of a river network consistent with both the digital terrain model and precise on-site surveys, adequate exploitation of section data, effective modeling of works in charge or not…). The modeling of impermeable surfaces (with separation of drained or non-drained zones) is also addressed in detail, within the framework of an application on an instrumented watershed of 130 km². This application considers both the modeling of a one-off event and long-term simulations. Finally, the study of a poorly instrumented basin makes it possible to show the broad applicability and its capacity to serve as an effective support in the management of rivers and associated hydraulic structures.