Module MERCEDES

MERCEDES (Maillage Elémentaire Régulier Carré pour l'Etude Des Ecoulements Superficiels) est une plate-forme de modélisation spatialisée pour l'étude de la transformation pluie-débit.MERCEDES propose ainsi un grand nombre de fonctions de production et de transfert, applicables dans un environnement homogène et convivial. 

MERCEDES est basé sur la discrétisation spatiale du bassin en mailles carrées régulières, qui permet de prendre en compte aisément la variabilité spatiale des principaux facteurs qui déterminent les écoulements. Les données requises sont de nature hydro-climatiques (pluies, débits, températures ...) ou géographiques (sols, relief, géologie).

MERCEDES est conçu pour l'analyse et la prévision des écoulements dont la composante prépondérante est d'origine superficielle. MERCEDES a été à ce jour appliqué à des bassins très divers: bassins urbains de quelques hectares à quelques dizaines de kilomètres carrés; petits bassins montagneux de quelques dizaines à quelques centaines de kilomètres carrés; moyens et grands bassins, de plus de quelques milliers de kilomètres carrés.

Les applications de MERCEDES portent sur la prévision des crues, la gestion de la ressource en eau, les études d'impact liés à des changements géographiques ou anthropiques. 

 Modèles de production et de transfert

Les modèles proposés dans ATHYS sont orientés vers la simulation des écoulements de surface et comportent aussi des modules de subsurface. Parmi les modèles de production, on trouve SCS, Green&Ampt, TopModel ainsi que différentes combinaisons de réservoirs. Parmi les modèles de transfert : Lag and Route, Onde cinématique, Darcy. Ces modèles opèrent sur la base des mailles carrées régulières d’un MNT, en mode continu ou événementiel. Les mailles sont de taille indifférente. Les données hydrométéorologiques en entrée des modèles sont organisées à pas de temps fixe, de la seconde à 24h.

 Exemple : modèle production SCS

Modèle de production type SCS. Le modèle SCS de base a été adapté et complété par une vidange qui autorise le ressuyage des sols et la réduction du coefficient de ruissellement lors des périodes non pluvieuses survenant au cours d'un épisode. Une partie de la vidange du réservoir est récupérée comme écoulement retardé à l'exutoire du bassin. Il est possible d'intégrer une reprise évaporatoire à ce schéma, comme à tous les schémas de production présents dans MERCEDES.

 Exemple : modèle transfert Lag and Route

Le modèle Lag and Route combine un opérateur de stockage (Lag) assimilé à un réservoir linéaire et un opératuer de translation (Route). Dans Mercedes, ce modèle opère en mode spatialisé, et est appliqué à chaque maille du bassin, qui produit un hydrogramme élémentaire calculé à l'aide de 2 variables : Tm et Km, respectivement le temps de transfert et temps  de diffusion au cours de la trajectoire de la maille à l'exutoire du bassin. Plusieurs formulations sont disponibles pour calculer Tm et Km. Les hydrogrammes élémentaires produits par chacune des mailles sont finalement sommés pour obtenir l'hydrogramme complet à l'exutoire du bassin.

 Exemple : modélisation couplée surface/subsurface

MERCEDES propose des modèles de différentes complexités spatiale et numérique. L'exemple présenté ici combine écoulement de surface et écoulement de subsurface dans les 2 directions verticale et horizontale. Le modèle de production utilisé est Green& Ampt, avec une capacité limitée de stockage dans le sol pour représenter la saturation et/ou l'exfiltration. Les modèles de transfert sont Onde Cinématique pour les écoulements à surface libre, et Darcy pour les écoulements de subsurface latéraux.

 Procédures de calage

ATHYS dispose de différents algorithmes de calage des modèles (Simplex, BLUE), et propose de nombreuses options permettant d’affiner le calage des modèles : calage séparé ou simultané de la production et du transfert, calage sur un événement ou un groupe d’événements, calage sur tout ou partie de la crue, choix des critères, méthodes locales (minimisation du critère) ou globale (variabilité du critère autour de la valeur minimale).

 Données d'entrée

ATHYS s’appuie sur une information de base fournie par un MNT, complété par tout type d’information géographique (nature et occupation des sols, géologie, barrage et ouvrages de stockage, réseaux divers…). ATHYS intègre les données hydrométéorologiques (pluies – pluviomètres, radar, satellite –, températures, évapotranspirations) à pas de temps fixe, de la seconde à la journée. ATHYS permet donc de construire et de comparer différents modèles pluie-débit pour une large gamme de bassins.

Injection des débits en entrée

MERCEDES autorise la modélisation débit-débit, combinée avec la modélisation pluie-débit. Il est possible d'injecter n'importe quel débit en amont, et de réserver la modélisation pluie-débit à un sous-bassins particulier.

Impact des barrages

Mercedes simule l'impact des barrages sur les écoulements. Chaque barrage est associé à une maille unique, et son fonctionnement est défini par une loi hauteur-volume-débit tabulée, s'adaptant à tous types de fonctionnements.

Types de sortie

ATHYS fournit différents types de sorties : hydrogrammes de crue observés et simulés, cartes des temps de transfert, niveaux dans les réservoirs, cartes des débits hauteurs vitesses.

Combinaison de modèles pour simulation des débordements du réseau en milieu urbain

MERCEDES permet de simuler les débits sur l'ensemble d'une agglomération urbaine à une échelle fine, mailles de 5 à 10 m de largeur, avec des temps de calcul courts adaptés à la surveillance en temps réel. Les débits de débordement sont calculés par différence entre débits simulés et capacité maximale des ouvrages. Christophe Bouvier, Nanée Chahinian, Marko Adamovic, Claire Cassé, Anne Crespy, Agnès Crès, Matias Alcoba, 2017. Large-scale gis-based urban flood modelling: a case study on the city of Ouagadougou. SimHydro 2017: Choosing the right model in applied hydraulics, 14-16 June 2017, Sophia Antipolis. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01621501/document

Application du modèle SCS-LR en mode événementiel au Real Collobrier (France)

Application du modèle SCS-LR en mode événementiel au Real Collobrier (71 km2, Dt = 5 mn, Dx = 25m). Le modèle reproduit bien les hydrogrammes observés, et le paramètre S du modèle SCS est bien corrélé au débit de base en début d’épisode, intégrateur des conditions d’humidité initiale. Son Nguyen & Christophe Bouvier (2019) Flood modelling using the distributed event-based SCS-LR model in the Mediterranean Real Collobrier catchment, Hydrological Sciences Journal, 64:11, 1351-1369, DOI: 10.1080/02626667.2019.1639715.

Application du modèle SCS-LR en mode continu sur le bassin Raghay (Tunisie)

Application du modèle SCS-LR en mode continu au bassin Raghay (362 km2, Dt = 24h, Dx = 30m). Le modèle reproduit bien les hydrogrammes observés, mais les décrues sont trop rapides et pourraient être mieux prises en compte par la reprise de vidange du réservoir sol dans le modèle. Ahlem Gara, Khouloud Gader, Slaheddine Khlifi, Marnik Vanclooster, Donia Jendoubi, Christophe Bouvier, 2019. The added value of spatially distributed meteorological data for simulating hydrological processes in a small Mediterranean catchment. Acta Geophysica https://doi.org/10.1007/s11600-019-00379-y