Journées de la Modélisation au Cemagref

1. L’OUTIL DE MODÉLISATION HYDROLOGIQUE SPATIALISEEPOWER :CONCEPTS SCIENTIFIQUES ET INSERTION DANS UNE PLATE-FORME DE MODÉLISATION INTÉGRÉE Clermont-Ferrand 03 - 04 Octobre 2005 Journées de la Modélisation au Cemagref UR Hydrologie - Hydraulique (Lyon) Equipe: Hydrologie Groupe thématique: Processus Hydrologiques et Modélisation Spatialisée J. Dehotin, I. Braud, N. Varado, S. Desbionne, P. Viallet, F. Branger, Z. Saâdi, R. Haverkamp Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

2. SOMMAIRE • Introduction • Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER • Cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques • Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power. • La plate forme de modélisation intégrée LIQUID. • Environnement et architecture informatique • Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage • Intégration de processus à différentes échelles spatio-temporelles. • Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

3. SOMMAIRE • INTRODUCTION • Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER • Cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques • Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power. • La plate forme de modélisation intégrée LIQUID. • Environnement et architecture informatique • Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage • Intégration de processus à différentes échelles spatio-temporelles. • Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

4. INTRODUCTION Pourquoi la modélisation hydrologique spatialisée? • Nouveaux enjeux issus d’une demande des décideurs • simulation de différentes variables (débits, teneur en eau des sols, niveau des nappes, transpiration des végétaux, évaporation des sols, etc..) de manière spatialisée dans le bassin • prise en compte de l’hétérogénéité de l’espace (types de sol, occupation des sols, itinéraires techniques, ouvrages) • Meilleure gestion des ressources en eau (qualité et quantité) en tenant compte des changements climatiques et anthropiques, • Un contexte d’enrichissement en données d’origine spatiale décrivant les surfaces continentales permettant d’espérer étendre les procédures d’assimilation à la modélisation des surfaces continentales Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

5. INTRODUCTION Principes de la modélisation • Réalisation d’un modèle hydrologique spatialisée intégrée • modulaire • évolutive • permettant de coupler différents processus • Représentation spatio-temporelle intégrée des processus hydrologiques: • Le paysage est découpé en objets pertinents d’un point de vue des processus hydrologiques (sous-bassin, tronçons de rivière, parcelles.) • Chaque processus est représenté dans un module avec une géométrie et un pas de temps qui lui sont propres • Les différents modules communiquent entre eux via une plate forme adaptée. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

6. INTRODUCTION Pour réaliser ces objectifs, le développement de l’outil de modélisation hydrologique POWER a été inspiré par le cadre théorique proposé par Reggiani et al (1998, 1999, 2000) pour la représentation des systèmes hydrologiques. L’outil POWER (Planner Oriented evaluative Watershed model for Environmental and socio-economic Responses ) est en cours de développement en partenariat entre le Cemagref, le LTHE et HYDROWIDE. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

7. SOMMAIRE • INTRODUCTION • Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER • Cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques • Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power. • La plate forme de modélisation intégrée LIQUID. • Environnement et architecture informatique • Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage • Intégration de processus à différentes échelles spatio-temporelles. • Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

8. SOMMAIRE • Introduction • CONCEPTS SCIENTIFIQUES DE L’OUTIL DE MODÉLISATION POWER • Cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques • Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power. • La plate forme de modélisation intégrée LIQUID. • Environnement et architecture informatique • Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage • Intégration de processus à différentes échelles spatio-temporelles. • Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

9. Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 1- Le cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques Le cadre théorique de description des systèmes hydrologiques proposé par Reggiani et al (1998, 1999, 2000) repose sur deux principes de base: • Une discrétisation spatiale basée sur des sous-bassins (REW) et une définition de volumes de contrôle à l’intérieur des REW. • La formulation des équations de conservation moyennées à l’échelle des volumes de contrôle. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

10. Zone C Zone O Rivière Zone U Zone S Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 1- Le cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques a- Discrétisation spatiale basée sur les REW (sous-bassins) autour du réseau hydrographique Les REW ou sous-bassins sont générés à partie d’une analyse du modèle numérique de terrain et du réseau hydrographique. On définit différents volumes de contrôle représentant différentes zones d’écoulement au sein des REW.Reggiani et al(1998) ont proposé 5 volumes de contrôle au sein des REW Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

11. R d Apport extérieur å re S = + + + s s sAi su so sr ( y w ) e e e e G Production interne dt i s y Épaisseur de la zone saturée S Surface projetée du sous-bassin s w Fraction de surface occupée par la zone saturée Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 1- Le cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques b- Forme générale des équations de conservation au sein des volumes de contrôle Zone S : Zone saturée Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

12. Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 1- Le cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques c- Le modèle REW 4.0 Mise au point d’un prototype de modèle: Le modèle REW 4.0 (Reggiani et al, 1998, 1999) • Ce modèle a été mis en œuvre sur le bassin de la Donga (Bénin) dans le cadre de la thèse de Noémie VARADO (2004). • Une formulation plus fine des zones d’écoulement à l’intérieur des sous-bassins permettrait d’améliorer les composantes du cycle hydrologique à travers: • La prise en compte l’hétérogénéité de surface, des processus d’écoulement latéral et des écoulements dans la nappe. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

13. Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 2- La Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power Objectifs des travaux en cours sur le modèle POWER: • L’identification de volumes élémentaires du paysage pertinents au sein des REW pour une représentation plus fine des processus hydrologiques, et la formulation de termes d’échange entre ces entités élémentaires • Au niveau de la zone non saturée: Amélioration des écoulements de surface, des écoulements verticaux (en tenant compte de l’hétérogénéité vertical) des écoulements latéraux et hypodermiques. • Au niveau de la zone saturée: Une meilleure prise en compte des écoulements dans la nappe, et des échanges entre la nappe et la rivière. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

14. Occupation du sol Unités de sols Géologie Entités hydrogéologiques Pente Colonnes de sol (REC) De Condappa, 2005 Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 2- La Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power a- Découpage spatial plus fin En plus du premier niveau de discrétisation spatiale en sous-bassins, deux niveaux supplémentaires de discrétisations spatiale ont été proposés dans POWER : Un découpage des sous-bassins en REC (Representative Elementary Columns) à partir des informations sur l’occupation du sol, la pédologie, et la géologie. Un découpage des REC en Cellules (CELL) pour la prise en compte de l’hétérogénéité verticale de la matrice du sol. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

15. Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 2- La Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power b- Amélioration de la description de la zone saturée Le découpage des sous-bassins en REC et des REC en Cellules (CELL) permet d’affiner la description de la zone non saturée. Précisément, ce découpage permettra d’affiner la description des processus d’écoulements de surface, d’écoulements latéraux et verticaux. Afin d’améliorer les écoulements dans la zone saturée, la prise en compte des entités hydrogéologiques a été préconisée. La description et l’extension de ces entités hydrogéologiques peuvent être précisées à partir de référentiels existant. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

16. RECs appartenant au REW i REW i Nappe Substratum Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 2- La Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power b- Amélioration de la description de la zone saturée Intégration des entités hydrogéologiques dans la description du bassin versant Les colonnes élémentaires (REC) seront drainées par des entités hydrogéologiques où des aquifères peuvent être ou non différentiés. Dans une première version, seules les entités hébergeant des nappes alluviales seront modélisées. La nappe serait considérée comme une surface continue d’eau libre dans le sous-sol Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

17. Écoulements latéraux Ruissellement Infiltration Rivière Percolation Remontée de nappe Colonne de sol (REC) Écoulement de base Recharge de nappe Nappe Substratum Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 2- La Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power c- Géométrie des volumes de contrôle et processus hydrologiques considérés Les volumes élémentaires ainsi définies échangent différents flux de masse et d’énergie en fonction de divers processus hydrologiques. Pluie ETP Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

18. Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER 2- La Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power c- Géométrie des volumes de contrôle et processus hydrologiques considérés Afin de représenter ce système hydrologique la plate forme de modélisation utilisée permet d’intégrer sur les volumes élémentaires différents processus à leurs échelles spatio-temporelles propres. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

19. SOMMAIRE • Introduction • CONCEPTS SCIENTIFIQUES DE L’OUTIL DE MODÉLISATION POWER • Cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques • Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power. • La plate forme de modélisation intégrée LIQUID • Environnement et architecture informatique • Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage • Intégration de processus à différentes échelles spatio-temporelles. • Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

20. SOMMAIRE • Introduction • Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER • Cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques • Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power. • LA PLATE FORME DE MODÉLISATION INTÉGRÉE LIQUID • Environnement et architecture informatique • Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage • Intégration de processus à différentes échelles spatio-temporelles. • Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

21. La plate forme de modélisation intégrée LIQUID 1 - Environnement et architecture informatique POWER repose sur une plate-forme de modélisation intégrée, Développée par Hydrowide: La plate forme LIQUID • La plate-forme LIQUID a été développée avec le langageC++ et intègre un certain nombre de librairies et fonctionnalités adaptées aux besoins de modélisation du paysage: • Librairies scientifiques (Lapack, BLAS…) • Librairies Connexion à des sources de données (OTL) • Fonctionnalités développées pour faciliter l’intégration de divers modèles au sein d’une même plate-forme (Scheduler). • Librairies spécialisées en C++ (Boost, STL…) Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

22. GIS LIQUID module solver • user data • grid • shape • tables signals slots preprocesseur data set meta data (HYDROWIDE, 2005) La plate forme de modélisation intégrée LIQUID 2 – Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage On définit au sein de la plate-forme LIQUID la notion de module qui permet une représentation souple et ‘sur mesure’ du bassin versant Description d’un module au sens de la plate-forme LIQUID Slots: Fonction exécutée à la réception d’un signal. Chaque solveur a son propre comportement pour chaque slot Signals: Données émises d’un solver vers d’autres solveurs. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

23. Time Series Gauges Gauges qrain qinlet qEP hponding qrunoff Surface River qoutlet Soil qrain - qinfiltr LogHdf5 qlateral HYDROWIDE, 2005 La plate forme de modélisation intégrée LIQUID 2 – Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage Principe de la description figée du bassin versant avec différents modules Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

24. input rain slot soil time step time Interruption Interruption Timer Interruption La plate forme de modélisation intégrée LIQUID 2 – Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage Principe de la description dynamique et intégrée du fonctionnement des modules: Rôle du Scheduler (HYDROWIDE, 2005) Solveur Pluie envoie un signalservant de Slots au solveur Sol (ce qui déclenche au sein de ce solveur un réajustement du pas de temps de calcul) Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

25. La plate forme de modélisation intégrée LIQUID 3 – Intégration de processus à différentes échelles spatio-temporelles Les modules servent à décrire des entités du paysage et/ou des processus ayant leurs propres pas de temps et leurs propres géométries. Les échanges de flux entre entités sont matérialisées par la connexion entre les modules. Un timer commun doté de diverses fonctionnalités (Scheduler) permet de gérer les actions des modules dans le temps. Ainsi, chaque module est capable de programmer ses actions (suivant son échelle spatio-temporelle propre sans avoir recours à des interpolations temporelles) en plaçant des interruptions dans le scheduler. Ces différents concepts et fonctionnalités de la plate formepermettent (à travers des principes demodélisation dite "comportementale")d’implémenter les objets, les concepts et le fonctionnement du bassin versant tels que perçus par l’hydrologue. Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

26. SOMMAIRE • Introduction • Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER • Cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques • Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power. • LA PLATE FORME DE MODÉLISATION INTÉGRÉE LIQUID • Environnement et architecture informatique • Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage • Intégration de processus à différentes échelles spatio-temporelles. • Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

27. SOMMAIRE • INTRODUCTION • Concepts scientifiques de l’outil de modélisation POWER • Cadre théorique de représentation des systèmes hydrologiques • Description des systèmes hydrologiques proposée dans Power. • La plate forme de modélisation intégrée LIQUID • Environnement et architecture informatique • Concepts permettant une modélisation intégrée du paysage • Intégration de processus à différentes échelles spatio-temporelles. • REPRÉSENTATION DES SYSTÈMES HYDROLOGIQUES AU SEIN DE LA PLATE FORME LIQUID Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

28. Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Schéma des volumes élémentaires et des flux dus aux principaux processus hydrologiques Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

29. Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Représentation possible du système hydrologique décrit dans la plate forme LIQUID Atmosphère (Pluie, ETP) BASSIN Surface NSat qRuissellement qRuissellement Réseau Hydro qReflux Surf Saturée h RECs (Colonne de Sol) qPercolation Yr CELL Rivière Yr q Écoule Latté q Infiltration qRemontée Cap Hnappe qIn Hnappe qOut Nappe qEcBase Recharge REW qEcoul Nappe Aquifère Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

30. LIQUID Base de données PostgreSQL/Postgis Time Sequencer UN MODULE POWER Données Géographiques Data set Pré processeur Bibliothèques Connections BD Requêtes  Tables d’entrées du Solveur Données Géométriques Solveur Données Tabulaires Description des processus Autres Modules SIG Autres sources Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Schéma général de POWER au sein de la plate forme LIQUID Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

31. Représentation des systèmes hydrologiques au sein de la plate forme LIQUID Application prévue: Bassin versant de la Saône amont Une importante banque d’informations existe sur ce bassin versant: Informations sur les sols, le sous-sol, différentes stations hydrométriques et météorologiques. Elle servira à la mise en œuvre du modèle sur ce bassin versant. Un groupe de travaila été créé pour l’amélioration de l’outils POWER. Il regroupe des chercheurs du Cemagref et du LTHE, et des informaticiens de la société Hydrowide. (site web de la plate-forme de travail: http://forge.hydrowide.com ) Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005

32. FIN Merci Journées de la Modélisation au Cemagref 3-4 Oct 2005