Cerfacs Entrez dans le monde de la haute performance...

Hydrologie et hydraulique

Contexte
➤ La gestion de la ressource en eau et du risque naturel lié à la dynamique des eaux continentales représente un enjeu crucial pour la société avec des conséquences financières significatives. Cette gestion nécessite une solide capacité d’anticipation des changements du système qui repose sur la compréhension et la prévision de la dynamique des écoulements fluides. ➤ Malgré les avancées notables dans les domaines de la modélisation numérique, l’hydrodynamique est décrite avec une gamme d’incertitude considérable liée à la description approximative des paramètres hydrauliques, des données météorologiques, hydrologiques et géo-morphologiques qui  se traduisent inévitablement en erreurs sur hauteurs et débits simulés.
➤ L’assimilation de données offre un cadre méthodologique pour la réduction des incertitudes dans les modèles hydrauliques et hydrologiques, en tirant le meilleur partie de sources diverses de données observées de télédetection ou in-situ.
➤ L’activité Hydrologie et hydraulique s’insère dans le défi MODEST. Cette activité se trouve à la croisée des axes transverses « Assimilation de données » et « Quantification des incertitudes » au CERFACS.

image1

Amélioration de la prévision à +12h du débit sur la Marne avec assimilation de données pour la correction des débits d’apport pour le modèle 1D. PhD J. Habert 2016

assim_couple_Adour

Correction de la hauteur d’eau sur l’Adour avec assimilation de données in situ et couplage 1D/2D. PhD S. Barthélémy 2015

Objectifs

Les objectifs de l’axe de recherche « Hydrologie et hydraulique » sont les suivants :

➤ Améliorer la prévision des crues et la gestion de la ressource en eau avec assimilation de données pour la modélisation hydraulique et hydrologique.
➤ Investiguer l’utilisation des données d’observation spatiales pour la modélisation en hydraulique et en hydrologie, notamment celles de la future mission SWOT (CNES, NASA).

capt2

Nuage de points de données synthétiques d’erreur sur la hauteur d’eau de type SWOT pour la Garonne. (CNES,JPL, LEGOS, CERFACS)

➤ Fournir un cadre méthodologique pour le couplage des modèles multi-dimensionnels (1D et 2D) en hydraulique pour décrire les écoulements complexes en limitant les coûts de calcul à l’aide du logiciel OpenPALM (CERFACS/ONERA) en combinant couplage et assimilation de données.
➤ Combiner les méthodes de quantification des incertitudes et les méthodes d’assimilation de données, par exemple en utilisant des modèles approchés pour l’estimation stochastique des statistiques d’erreur. Ces travaux reposent sur l’utilisation des logiciels OpenPALM et OpenTurns (EDF/EADS).

 

Outils développés

La plate-forme DAMP co-developpée par le SCHAPI, le LNHE, le CEREMA et le CERFACS repose sur un algorithme d’assimilation de données de type filtre de Kalman étendu implémenté autour du code d’hydraulique 1D MASCARET. Ce système permet de corriger séquentiellement l’état hydraulique, les forçages amonts et latéraux et les coefficients de frottements. Une plateforme dérivée de DAMP est dédiée à la quantitification des incertitudes.

 

Faits Marquants

  • 2016 : Soutenance de thèse de Johan Habert, 6 Janvier 2016 :  Prévision des crues en temps réel sur le bassin de la Marne :
    assimilation in situ pour la correction du modèle hydraulique 1D Mascaret
  • 2015 : Soutenance de thèse de Sébastien Barthélémy, May 12th, 2015 : 2015 : Implémentation d’un Filtre de Kalman d’Ensemble sur MASCARET pour la correction de l’état hydraulique avec MASCARET sur l’Adour et couplage avec un modèle 2D sur la zone de confluence Nive/Adour.
hydro

Couplage multi-dimensionnel 1D/2D en hydraulique, avec assimilation de données sur le bassin versant de l’Adour. PhD S. Barthélémy, 2015

 

  • 2014 : Passage à l’opérationnel de DAMP au SPC SAMA (Thèse Johan Habert) et portage de DAMP au sein de la POM au SCHAPI.
  • 2013 : Correction du champ de salinité dans l’étang de Berre avec un algorithme variationnel appliqué à TELEMAC3D.
  • 2010 : Premiers développements de DAMP et application sur l’Adour, la Marne et la Garonne

 

Partenaires

Collaborateurs

EDF-LNHE CNES CNRM CEREMA
SCHAPI HSM IRSTEA LEGOS
LHSV UPMC JPL WSP
INRIA Univ. Ohio

Groupes scientifiques

GIS HEDD (Groupement d’Intérêt Scientifique, « Hydraulique pour l’Environnement et le Développement Durable »)

GdR EGRIN (Groupement de Recherche, « Ecoulements Gravitaires et RIsques Naturels »).

GdR MASCOT-NUM (Groupement de Recherche, « Méthodes d'Analyse Stochastique des COdes et Traitements NUMériques »).

 

Projets

LEFE-MANU

TOSCA-SWOT

EoCoE (H2020)

Contrat SCHAPI

 

Publications

Articles de journaux

2015

  • Johan Habert, Sophie Ricci, Olivier Thual, Etienne Le Pape, Andrea Piacentini, Nicole Goutal, Mélanie Rochoux, Reduction of the uncertainties in the water level-discharge relation of a 1D hydraulic model in the context of operational flood forecasting. Journal of Hydrology, HYDROL20865, DOI : 10.1016/j.jhydrol.2015.11.023, , vo. 532, p52–64, 2016.
  • Vincent Häflinger, Eric Martin, Aaron Boone, Florence Habets, Cédric H. David, Pierre-A. Garambois, Hélène Roux, Sophie Ricci, Lucie Berthon, Anthony Thévenin, and Sylvain Biancamaria, 2015: Evaluation of Regional-Scale River Depth Simulations Using Various Routing Schemes within a Hydrometeorological Modeling Framework for the Preparation of the SWOT Mission. J. Hydrometeor, 16, 1821–1842. doi: http://dx.doi.org/10.1175/JHM-D-14-0107.1
  • S. Barthélémy, S. Ricci, A. Piacentini, O. Thual, O. Panneckouke, P.-O. Malaterre: Emulation of a Kalman filter algorithm on a flood wave propagation model. Journal of Hydrology. In review.

2014

  • V. Borrell Estupina., P.-O. Malaterre, S. Ricci, P. Fleury, O. Thual, C. Bouvier, A. Marchandise, M. Jay-Allemand, M. Coustau, E. Harader, M. Guilhalmene, J.-C. Maréchal (2014): Flood part II: Genesis, propagation and forecasting of flooding at Montpellier city. Karstologia. Accepted.
  • V. Pedinotti, A. Boone, S. Ricci, S. Biancamaria, N. Mognard: Assimilation of satellite data to optimize large scale hydrological model parameters: a case study for the SWOT mission. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 11, 4477-4530, 2014

2013

  • Coustau M., Ricci S., Borrell-Estupina V., Bouvier C. and O.Thual , 2013: Benefits and limitations of data assimilation for discharge forecasting using an event-based rainfall-runoff model.Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 13, 583-596. DOI 10.5194/nhess-13-583-2013. http://www.nat-hazards-earth-syst-sci.net/13/583/2013/nhess-13-583-2013.html

2012

  • E. Harader, V. Borrell Estupina, S. Ricci, M. Coustau, O. Thual, A. Piacentini, C. Bouvier : Correcting the radar rainfall forcing of a hydrological model with data assimilation:application to flood forecasting in the Lez Catchment in Southern France. Hydrol. Earth. Syst. Sci. Discuss., 9, 3527-3579, 2012. http://www.hydrol-earth-syst-sci-discuss.net/ç/3527/2012 doi:10.5194/hessd-9-3527-2012, 2012.

2011

  • S. Ricci, A. Piacentini, O. Thual, E. Le Pape, G. Jonville : Correction of upstream flow and hydraulic state with data assimilation on the context of flood forecasting. Submitted to Hydrol. Earth Syst. Sci, 15, 3555-3575, 2011.

2010

  • G. Thirel, E. Martin, J.-F. Mahfouf, S. Massart, S. Ricci, F. Habets : A past discharges assimilation system for ensemble streamflow forecasts over France. Part 1: Description and validation of the assimilation system. Hydrol. Earth Syst. Sci., 14, 1623-1637, 2010.
  • G. Thirel, E. Martin, J.-F. Mahfouf, S. Massart, S. Ricci, F. Regimbeau, F. Habets, 2010: A past discharge assimilation system for ensemble streamflow forecasts over France. Part 2: Impact on the ensemble streamflow forecasts. Hydrol. Earth Syst. Sci., 14, 1639-1653, 2010.

Thèses

  • Johan Habert. Prévisions des crues en temps réel sur le bassin de la Marne: assimilation in-situ pour la correction du modèle hydraulique mono-dimensionnel Mascaret. INP, à venir Dec. 2015-2016.
  • Sébastien Barthélémy. 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 ». INP, Mai 2015.
  • Elizabeth Harader. L'impact du changement climatique sur les événements hydrologiques extrêmes des petits bassins versants méditerranéens : le cas du bassin versant du Lez, UPS, Janvier 2015.
  • Mathieu Coustau. Contribution à la prévision des crues sur le bassin du Lez : modélisation de la relation pluie-débit en zone karstique et impact de l'assimilation des débits, SIBAGHE, 2011.

Articles de conférences

  • J. Habert, S. Ricci, E. Le Pape, A. Piancentini, O. Thual, G. Joinville, N. Goutal, F. Zaoui, R. Ata : Towards Real-Time Flood Forecasting in Hydraulics: Merits of in Situ Discharge and Water Level Data Assimilation for the Modeling of the Marne Catchment in France. Advances in Hydroinformatics – SIMHYDRO 2012 – New Frontiers of Simulation
    Séries : Springer Hydrogeology – Goubersville Philippe, Cunge Jean, Caignaert Guy (Eds.) 2014, X, 405p. 324, 2014.
  • V. Borrell-Estupina, B. Ladouche, P.-O. Malaterre, S. Ricci, Y. Caballero, M. Coustau, N. Dorfliger, P. Fleury, M. Jay-Allemand, J.-C. Maréechal, O. Thual : Forecasting and mitigation of flooding in a Mediterranean karstic watershed. Hydrology in a Changing World: Environmental and Human Dimensions. Proceedings of Friend-Water 2014, Hanoi, Vietnam, February 2014, IAHS Publ. 36x, 2014.
  • Ricci, S., Piacentini, A., Weaver, A., Ata, R., Goutal, N., (paper, oral), Variational data assimilation with telemac. Proof of concept for model state correction on the berre lagoon 3d-model, 11th International Conference on Hydroinformatics, HIC 2014, New York City, USA
  • K. Andreadis, S. Biancamaria, S. Ricci : Preparing for the assimilation of continental water surface elevation imagery from upcoming satellite mission. Hydrologic Data Assimilation for the SWOT mission meeting; Toulouse, France, 12-13 November 2013, Paper 2014ES004574R, EOS, American Geophysical Union, 2013.