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Assimilation de données ensembliste et couplage de modèles hydrauliques 1D-2D pour la prévision des crues en temps réel. Application au réseau hydraulique "Adour maritime"

Barthélémy, Sébastien (2015) Assimilation de données ensembliste et couplage de modèles hydrauliques 1D-2D pour la prévision des crues en temps réel. Application au réseau hydraulique "Adour maritime". (Ensemblist data assimilation and 1D-2D hydraulic model coupling for real-time flood forecasting. Application to the "Adour maritime" hydraulic network.)

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Résumé

Les inondations sont un risque naturel majeur pour les biens et les personnes. Prévoir celles-ci, informer le grand public et les autorités sont de la responsabilité des services de prévision des crues. Pour ce faire ils disposent d'observations in situ et de modèles numériques. Néanmoins les modèles numériques sont une représentation simplifiée et donc entachée d'erreur de la réalité. Les observations quant à elle fournissent une information localisée et peuvent être également entachées d'erreur. Les méthodes d'assimilation de données consistent à combiner ces deux sources d'information et sont utilisées pour réduire l'incertitude sur la description de l'état hydraulique des cours d'eau et améliorer les prévisisons. Ces dernières décennies l'assimilation de données a été appliquée avec succès à l'hydraulique fluviale pour l'amélioration des modèles et pour la prévision des crues. Cependant le développement de méthodes d'assimilation pour la prévision en temps réel est contraint par le temps de calcul disponible et par la conception de la chaîne opérationnelle. Les méthodes en question doivent donc être performantes, simples à implémenter et peu coûteuses. Un autre défi réside dans la combinaison des modèles hydrauliques de dimensions différentes développés pour décrire les réseaux hydrauliques. Un modèle 1D est peu coûteux mais ne permet pas de décrire des écoulement complexes, contrairement à un modèle 2D. Le simple chainage des modèles 1D et 2D avec échange des conditions aux limites n'assure pas la continuité de l'état hydraulique. Il convient alors de coupler les modèles, tout en limitant le coût de calcul. Cette thèse a été financée par la région Midi-Pyrénées et le SCHAPI (Service Central d'Hydrométéorolgie et d'Appui à la Prévisions des Inondations) et a pour objectif d'étudier l'apport de l'assimilation de données et du couplage de modèles pour la prévision des crues. Elle se décompose en deux axes : Un axe sur l'assimilation de données. On s'intéresse à l'émulation du filtre de Kalman d'Ensemble (EnKF) sur le modèle d'onde de crue. On montre, sous certaines hypothèses, qu'on peut émuler l'EnKF avec un filtre de Kalman invariant pour un coût de calcul réduit. Dans un second temps nous nous intéressons à l'application de l'EnKF sur l'Adour maritime avec un modèle Saint-Venant. Nous en montrons les limitations dans sa version classique et montrons les avantages apportés par des méthodes complémentaires d'inflation et d'estimation des covariances d'erreur d'observation. L'apport de l'assimilation des données in situ de hauteurs d'eau sur des cas synthétiques et sur des crues réelles a été démontré et permet une correction spatialisée des hauteurs d'eau et des débits. En conséquence, on constate que les prévisions à court terme sont améliorées. Nous montrons enfin qu'un système de prévisions probabilistes sur l'Adour dépend de la connaissance que l'on a des forçages amonts ; un axe sur le couplage de modèles hydrauliques. Sur l'Adour 2 modèles co-existent : un modèle 1D et un modèle 2D au niveau de Bayonne. Deux méthodes de couplage ont été implémentées. Une première méthode, dite de "couplage à interfaces", combine le 1D décomposé en sous-modèles couplés au 2D au niveau frontières liquides de ce dernier. Une deuxième méthode superpose le 1D avec le 2D sur la zone de recouvrement ; le 1D force le 2D qui, quand il est en crue, calcule les termes d'apports latéraux pour le 1D, modélisant les échanges entre lit mineur et lit majeur. Le coût de calcul de la méthode par interfaces est significativement plus élevé que celui associé à la méthode de couplage par superposition, mais assure une meilleure continuité des variables. En revanche, la méthode de superposition est immédiatement compatible avec l'approche d'assimilation de données sur la zone 1D. L'apport, sur la zone 2D, de l'assimilation des observations in situ des hauteurs d'eau sur la zone 1D a été mis en évidence pour un fort événement de crue de la Nive en Janvier 2014. ABSTRACT : Floods represent a major threat for people and society. Flood forecasting agencies are in charge of floods forecasting, risk assessment and alert to governmental authorities and population. To do so, flood forecasting agencies rely on observations and numerical models. However numerical models and observations provide an incomplete and inexact description of reality as they suffer from various sources of uncertianties. Data assimilation methods consists in optimally combining observations with models in order to reduce both uncertainties in the models and in the observations, thus improving simulation and forecast. Over the last decades, the merits of data assimilation has been greatly demonstrated in the field of hydraulics and hydrology, partly in the context of model calibration or flood forecasting. Yet, the implementation of such methods for real application, under computational cost constraints as well as technical constraints remains a challenge. An other challenge arises when the combining multidimensional models developed over partial domains of catchment. For instance, 1D models describe the mono-dimensional flow in a river while 2D model locally describe more complex flows. Simply chaining 1D and 2D with boundary conditions exchange does not suffice to guarantee the coherence and the continuity of both water level and discharge variables between 1D and 2D domains. The solution lies in dynamical coupling of 1D and 2D models, yet an other challenge when computational cost must be limited. This PhD thesis was funded by Midi-Pyrénées region and the french national agency for flood forecasting SCHAPI. It aims at demonstrating the merits of data assimilation and coupling methods for floof forecasting in the framework of operational application. This thesis is composed of two parts : A first part dealing with data assimilation. It was shown that, under some simplifying assumptions, the Ensemble Kalman filter algorithm (EnKF) can be emulated with a cheaper algorithm : the invariant Kalman filter. The EnKF was then implemented ovr the "Adour maritime" hydraulic network on top of the MASCARET model describing the shallow water equations. It was found that a variance inflation algorithm can further improve data assimlation results with the EnKF. It was shown on synthetical and real cases experiments that data assimilation provides an hydraulic state that is in great agreement with water level observations. As a consequence of the sequential correction of the hydraulic state over time, the forecasts were also greatly improved by data assimilation over the entire hydraulic network for both assimilated and nonassimilated variables, especially for short term forecasts. It was also shown that a probabilistic prediction system relies on the knowledge on the upstream forcings ; A second part focusses on hydraulic models coupling. While the 1D model has a great spatial extension and describes the mono-dimensional flow, the 2D model gives a focus on the Adour-Nive confluence in the Bayonne area. Two coupling methods have been implemented in this study : a first one based on the exchange of the state variables at the liquid boundaries of the models and a second one where the models are superposed. While simple 1D or chained 1D-2D solutions provide an incomplete or discontinuous description of the hydraulic state, both coupling methods provide a full and dynamically coherent description of water level and discharge over the entire 1D-2D domain. On the one hand, the interface coupling method presents a much higher computational cost than the superposition methods but the continuity is better preserved. On the other hand, the superposition methods allows to combine data assimilation of the 1D model and 1D-2D coupling. The positive impact of water level in-situ observations in the 1D domain was illustrated over the 2D domain for a flood event in 2014.

Département ou laboratoire:Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique - CERFACS (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Thual, Olivier et Ricci, Sophie
Mots-clés:Filtre de Kalman d'ensemble - Prévision des crues - Adour - Couplage de modèles. KEYWORDS : Data assimilation - Ensemble Kalman filter - Model coupling - Flood forecasting - Probabilistic forecasts
Sujets:Informatique
Mathématiques appliquées
Hydraulique > Sciences de la Terre et environnement
Déposé le:21 Septembre 2015

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