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Etude hydrologique et hydraulique sur le bassin versant de l’Huveaune Page 154

Etude hydrologique et hydraulique sur le bassin versant de l’Huveaune Page 154 Version 1 Chapitre 5 - Modélisations hydrauliques 1 Choix des types de modélisation 1.1 Choix du type de logiciel La modélisation de rivière est un exercice complexe qui demande une bonne connaissance du terrain et des écoulements. Les logiciels hydrauliques sont des outils informatiques qui permettent de simuler les écoulements d’un cours d’eau et sont donc utilisés pour modéliser les rivières. Dans le cadre de la modélisation de rivière, il existe différents type de logiciel hydraulique : · les logiciels 1D, · les logiciels 2D, · et également les logiciels qui couplent les modèles 1D et 2D. Pour cette étude les grands cours d’eau ont été modélisés en 1D lit mineur couplé 2D lit majeur qui permettent une modélisation fine des écoulements complexes en lit mineur et majeur : · L’Huveaune de Saint Zacharie à son embouchure, · Le Merlançon · La plaine de la Maïre et du Fauge · Le Merlançon d’Aubagne · Le Jarret · La Gouffone aval Note : Pour la suite de l’étude, pour plus de simplicité, on parlera de modèle 2D et non plus de modèle 1D couplé 2D. La modélisation fine avec un modèle 2D se justifie dans les sites d’étude pour : · acquérir des résultats de vitesses plus précis (au droit des ouvrages par exemple) ; · représenter un système hydraulique spécifique (surverse, écoulements sur les routes, confluence, défluence, ruptures de digues), · représenter des écoulements complexes générés par les écoulements en site urbain dense, · apporter des précisions indispensables sur les conditions locales d’écoulement. Etude hydrologique et hydraulique sur le bassin versant de l’Huveaune Page 155 Version 1 Le reste des cours d’eau (petits affluents non pérennes), où les enjeux sont moindres en termes de population exposée, ont été modélisés en 1 dimension (lits mineur et majeur). En effet ces affluents ne possèdent pas de zone de défluence ou confluence majeure, permettant de justifier la mise en œuvre d’un modèle 2D. 1.2 Choix du régime d’écoulement Le régime permanent (modélisation à débit constant) est basé sur l’hypothèse que la pointe de crue est suffisamment étalée pour que s’instaure au paroxysme de la crue un régime d’écoulement à débit constant. Il ne permet pas de modéliser les laminages de crue par stockage dans les champs d’inondation. Il est donc applicable sur des petits cours d’eau, sur lesquels les champs d’inondations sont limités. Le régime transitoire intègre le facteur temps et permet de ce fait de travailler sur la réalité d’un événement de crue à travers la prise en compte d’un hydrogramme. Peuvent ainsi être mis en évidence sur les paramètres hydrauliques, les phénomènes de : - stockage dans le champ d’inondation, - laminage de la pointe de crue, De plus, et par définition, le facteur durée de submersion peut être introduit dans l’analyse de l’aléa inondation en tant que critère de caractérisation du risque. Il faut noter que l‘analyse des crues antérieures a fait ressortir un laminage important des crues de l’Huveaune sur une grande partie de son linéaire, notamment dans la plaine d’Aubagne-Gemenos mais aussi en aval au niveau de la Penne sur Huveaune. Seule l’application d’un régime transitoire sur ces secteurs permettra de rendre compte de ce phénomène. Le régime transitoire est donc utilisé pour l’Huveaune et ses principaux affluents (les Merlançons, la Gouffone, le Fauge, la Maïre et le Jarret) pour permettre de quantifier les amortissements des crues dans les zones d’expansion. Les petits affluents, sans réelle zone d’expansion des crues, ont été modélisés en régime permanent. La cartographie en page suivante illustre les différents types de modèles utilisés : · En bleu les modèles 2D transitoires · En rose les modèles 1D permanents Egis Eau Etude hydrologique et hydraulique sur le bassin versant de l’Huveaune Page 156 Version 1 Etude hydrologique et hydraulique sur le bassin versant de l’Huveaune Page 156 Version 1 Figure 53 : Modélisations réalisées 2D (en bleu) et 1D (en rose) Limite de commune Limite de bassin versant Mordeau Rascous Amandier Oule Routabou Escombes Gouffone Tonneau Pré Gaillard Grand Pré Destrousse u Basseron Vède Fenouilloux u Les Barres Légion Liguières Charrel Aumône Beaudinard u Joinville Huveaune Jarret Merlançon Fauge Maïre Merlançon d’Aubagne Les Playes Etude hydrologique et hydraulique sur le bassin versant de l’Huveaune Page 157 Version 1 2 Outil de modélisation Dans ces conditions, l’outil de modélisation utilisé est le logiciel INFOWORKS RS et ICM qui permettent la modélisation en régime permanent ou transitoire et prennent en compte des écoulements filaires multidirectionnels pouvant être ramifiés ou maillés (1D, 2D ou 1D couplé 2D). Ce logiciel a été développé par HR WALLINGFORD et est commercialisé en France par la société GEOMOD. Le modèle INFOWORKS est basé sur la résolution des équations de St Venant : ¶S/¶t + ¶Q/¶x = q Equation de continuité exprimant la conservation des volumes. ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ Q t Q S x gS Z x / ( / ) ( + = - + 2 J) Equation dynamique exprimant la conservation de la quantité de mouvement. La résolution de ces équations repose sur la connaissance de lois empiriques de pertes de charge établies expérimentalement pour des écoulements filaires (ex : formules de Manning Strickler, ou de Chézy, lois de seuils,...). Z cote de la surface libre Q débit a apport ou perte au m2 x abscisse S section mouillée J gradient de charge hydraulique Le logiciel INFOWORKS utilise le schéma numérique de PREISSMANN pour la résolution des équations de St-Venant. La schématisation du site d’étude est décrite dans une base de données au moyen d’une série de profils en travers et d’ouvrages tels que ponts, gués au niveau des lits mineurs étudiés auxquels on associe un maillage de Modèle Numérique de Terrain (MNT) pour représenter le lit majeur. Il permet notamment d’établir des cartes de zones inondables, d’optimiser les débouchés des ouvrages hydrauliques, les protections qui leur sont associés, et d’analyser le fonctionnement des systèmes hydrauliques complexes. Le module 2D utilise le principe de discrétisation de la zone inondable sous forme de mailles triangulaires et résout les équations de St Venant pour la hauteur et la vitesse en deux dimensions Un module 2D a été développé pour permettre de modéliser les écoulements de surface complexes en zones inondables par un maillage bidimensionnel. La zone inondable est alors représentée par des mailles triangulaires. Les hauteurs d’eau et vitesses sont calculées localement pour chaque maille triangulaire. Etude hydrologique et hydraulique sur le bassin versant de l’Huveaune Page 158 Version 1 La solution utilise la méthode des volumes finis, basée sur le programme de Gudonov et le solveur de Riemann. Le modèle de résolution est semi-implicite. Le couplage 1D/2D permet de représenter le lit mineur de façon classique en 1D (permettant une bonne représentation bathymétrique des sections hydrauliques des cours d’eau, ainsi que les ouvrages en rivière) et les zones inondables en 2D, ce qui permet une représentation précise des obstacles aux écoulements (digues, remblais, bâtis…) à partir d’un module numérique de terrain. Le champ d’inondation est représenté alors par un maillage triangulaire avec des tailles de maille adaptée au terrain naturel et à l’occupation des sols. Dans le cadre de l’étude, les lit mineurs des cours d’eau sont modélisés en filaire, ce qui permet de représenter correctement leur section hydraulique difficile à représenter en 2D, et les pertes de charge dans les ouvrages en charge. INFOWORKS RS permet la modélisation de nombreux types d’ouvrages : ponts, orifice, seuil, vannes mobiles, siphon. La zone inondable, hors lit mineur, est modélisée en 2D. Le maillage du modèle est adapté à la configuration de la zone d’étude. La densité du maillage résulte de contraintes de représentation des écoulements et de la bathymétrie, tout en conservant des temps de calcul acceptables pour les simulations. Les zones 2D modélisées sont représentées par des mailles triangulaires dont les sommets sont les points de donnée topographique. Il s’agit donc de prendre en compte de façon suffisamment précise la topographie, tout en conservant des temps de calculs « raisonnables ». Le maillage s’appuie donc sur l’utilisation de « lignes de contrainte », c'est-à-dire des lignes topographiques utilisées obligatoirement dans le maillage : cas des fossés, digues, et des remblais en lit majeurs (route, …). Les lignes de « contrainte » sont des lignes de forçage du maillage afin que la donnée topographique souhaitée (dans le cas de remblai ou de fossé) soit utilisée dans le maillage. Rappelons qu’un modèle 2D n’utilise la donnée topographique qu’aux points de calcul des mailles (contrairement aux modèles filaires ou à casiers, pour lesquels la densité de points topographique entrée dans la modélisation est beaucoup plus importante que le nombre de point de calcul). Les lignes de contraintes utilisées sont entre autres les grandes infrastructures routières, autoroutières et ferroviaires de la zone d’étude. Le module RS, dédié aux écoulements en rivière, est utilisé sur tout le linéaire modélisé, hormis la Gouffone aval. En effet, la Gouffone aval passe par un réseau pluvial souterrain et a été modélisée avec le module uploads/Litterature/ 1-rapport-phase5-dossier-global-partie3.pdf