Gardénia Presentation

Plaquette de présentation du code de calcul du BRGM GARDÉNIA v8.1 Note technique NT EAU 2011/05 octobre 2011 Dominique THIÉRY 1 Synthèse Cette note présente les principales caractéristiques du code de calcul GARDÉNIA 8.1 pour la modélisation hydrologique globale : ? Pluie – Débit de rivière, ? ou Pluie – Niveau aquifère, ? ou Pluie – Débit de rivière – Niveau aquifère, avec possibilité de prendre en compte des prélèvements en nappe. 2 G A R D É N I A MODÈLE GLOBAL À RÉSERVOIRS POUR LA SIMULATION DE DÉBITS ET DE NIVEAUX AQUIFÈRES 1. PRINCIPES ET OBJECTIFS Le logiciel GARDÉNIA permet de simuler les relations existant entre les chroniques : ?? de débits d’un cours d’eau ou d’une source, ?? et/ou de niveaux piézométriques en un point représentatif de la nappe sous-jacente, et les épisodes pluviométriques concomitants sur le bassin versant associé. Une chronique de prélèvements en nappe par pompages peut être prise en compte si nécessaire. La modélisation des relations pluie-débit et/ou pluie-niveau fait intervenir 4 à 6 paramètres globaux (réserve utile, temps de tarissement, etc.) définis pour un bassin versant ou une entité homogène au sein d'un bassin versant. Ces paramètres doivent être ajustés sur une période d'observation commune des pluies et des débits de cours d’eau (et/ou des niveaux aquifères). Cette phase de calibration du modèle est réalisée automatiquement par le logiciel sous contrôle de l'utilisateur. À l'issue de la calibration, GARDÉNIA permet : ? d'établir un bilan hydrologique sur le bassin : évapotranspiration réelle, ruissellement, infiltration, recharge (dont certains termes peuvent être utilisés dans un modèle maillé de simulation de nappes) ; ce bilan peut contribuer à l'évaluation de la recharge naturelle des aquifères ; ? de réaliser une extension de données de débits, de niveaux piézométriques ou de recharges pendant une longue période durant laquelle les précipitations et l'évapotranspiration potentielle sont connues. Ces longues séries de débits et/ou de niveaux peuvent ensuite être utilisées : ? pour effectuer des prévisions de niveaux ou de débits pour le dimensionnement d'ouvrages ; ? pour l'étude de phénomènes particuliers, tels que remontées de nappe, occurrence d'inondations ou de sécheresses. Études de l’influence du changement climatique ; ? pour l'étude de l’influence du changement climatique. 2. SCHÉMATISATION DU BASSIN VERSANT Le modèle GARDÉNIA simule le cycle de l'eau, depuis les précipitations sur un bassin versant jusqu'au débit à l'exutoire et/ou au niveau aquifère en un point. Ce modèle est global, car il considère une "entrée" globale (une "lame d'eau" sur le bassin et une évapotranspiration potentielle) et une "sortie" unique qui est, suivant le cas, le débit à l'exutoire et/ou le niveau piézométrique en un point de la nappe sous-jacente. L’analogie entre l'allure exponentielle de la vidange d’un réservoir et celle du tarissement d’une rivière ou d’une source, ou encore de la baisse des niveaux d’une nappe souterraine, permet de représenter le comportement hydraulique d'un bassin versant par un ensemble de réservoirs se vidant les uns dans les autres. Des fonctions de transfert non linéaires sont utilisées pour améliorer cette schématisation. Notice d'utilisation : Rapport BRGM/RP-52832-FR Systèmes d’exploitation : Windows NT 2000, XP, Vista, Seven 32 bits ou 64 bits Version : Français, Anglais 3 G A R D É N I A GARDÉNIA simule le cycle de l'eau par un système de 3 à 4 réservoirs en cascade qui représentent globalement respectivement : ?? les premières dizaines de centimètres du sol, siège des phénomènes d’évapotranspiration (zone d'influence des racines de la végétation) ; ?? une zone intermédiaire générant de d’écoulement rapide ; ?? une ou deux zones aquifères générant de l’écoulement souterrain lent et retardé. 3 - CALIBRATION DU MODELE La calibration consiste à ajuster les paramètres du modèle de telle sorte qu'ils permettent de calculer des chroniques de débit et/ou de niveaux piézométriques aussi proches que possible de celles qui ont été effectivement observées. La calibration se fait par une méthode semi-automatique. L'utilisateur fournit un jeu de paramètres initiaux et indique ceux qui doivent être optimisés selon un algorithme non-linéaire adapté de la méthode de Rosenbrock. Le logiciel fait alors varier ces paramètres jusqu’à trouver un jeu fournissant la meilleure adéquation entre séries calculées et observées. Les résultats fournis par GARDÉNIA consistent en : ?? un bilan des différentes composantes de l'écoulement (évapotranspiration, écoulement rapide, écoulement lent,…). Le partage entre écoulement rapide et écoulement lent doit être interprété avec précaution et peut dans une certaine mesure être assimilé au partage entre ruissellement et écoulement souterrain ; ?? une représentation graphique permettant de comparer observations et simulations ; ?? des critères numériques d'évaluation de la qualité de l'ajustement. 4 G A R D É N I A 4 – DONNÉES ET PARAMÈTRES 4.1 – Données nécessaires ?? une chronique continue de précipitations (lame d'eau) ; ?? une chronique continue d'évapotranspiration potentielle (ETP), qui peut être obtenue auprès des services de Météorologie, ou bien éventuellement calculée à partir d'une série continue d'insolation et de température de l'air (et d'humidité relative si nécessaire) ; ?? une ou deux chroniques d’observations, pouvant présenter des lacunes, de : o débit à l'exutoire du bassin o et/ou de niveau en un piézomètre représentatif situé dans le bassin. ?? une éventuellement chronique de prélèvements en nappe (pompages). Ces différentes chroniques correspondent à des séries de données échelonnées à pas de temps régulier : journalier, pentadaire (5 j), décadaire (10 j), ou mensuel. Il est également possible d’utiliser un pas de temps régulier quelconque (5 mn, 1 heure, 60 jours etc.) Toutes les chroniques utilisées doivent correspondre à la même période. Le pas de temps de chaque chronique n’est pas forcément identique (par exemple : pluie journalière et ETP décadaire). 4.2 – Paramètres hydrologiques Ils sont généralement au nombre de 4 à 6 et au maximum au nombre de 8 dans le cas général (15 si l’on tient compte des précipitations sous forme de neige). 5. DOMAINES D’APPLICATION ?? Pour un bassin versant déterminé, reconstitution des valeurs manquantes dans une chronique de débit (de rivière ou source), ou de niveau piézométrique (nappe). Les séries ainsi complétées peuvent être utilisées dans d’autres calculs ou modélisations. ?? Calcul des termes du bilan du cycle hydrologique à un pas de temps choisi (de journalier à mensuel). ?? Simulation des débits ou des niveaux de nappe résultant d’épisodes climatiques exceptionnels. Ces simulations permettent le dimensionnement d’ouvrages tels que retenues pour l’irrigation, aménagement de sources, fondations de bâtiments, niveaux de sous-sols, etc. ?? Extension de débits ou de niveaux piézométriques sur une longue période, à partir de différents scénarios climatiques. ?? Études de l’influence du changement climatique. 6. RÉFÉRENCE D. Thiéry (2003) - Logiciel GARDÉNIA version 6.0 - Guide d’utilisation. Rapport BRGM/RP-52832-FR 7. CONTACTS Dominique THIERY : BRGM / Service EAU gardenia@brgm.fr 5 G A R D É N I A Schémas de principes Représentation schématique des éléments du bilan hydrologique d’un bassin versant. Principe du modèle hydrologique global GARDÉNIA pour la simulation du débit d’un cours d’eau et/ou d’un niveau piézométrique. Modélisation Pluie - NiveauÉcoulementSouterrainModélisation Pluie - DébitRechargeRUMAX déficit maximal du solRUIPER Hauteur d'équiRuissellement PercolationTHG Temps ½ percolationPercolation(RECHARGE de la nappe)PLUIE EFFICACEQ = SURF * EC + Qo NP = G / S + NBÉcoulement total(DEBIT du cours d'eau)Niveau Piézom. NPDébit QPLUIE ETPSurface du bassin versant6 G A R D É N I A Exemple d’application n°1 : Sources de Wignacourt (Île de Malte) Simulation Pluie - Débit : Comparaison entre les débits moyens mensuels calculés et observés sur la source. Très bonne simulation sur la période 1884 -1910 non influencée. Extension de la période de simulation sur la même source. Mise en évidence de l’impact de pompages sur le débit de la source. Les débits observés (trait noir) soumis aux pompages à partir de 1910 deviennent significativement plus faibles que les débits prévus à partir des pluies (trait rouge). Sources de Wignacourt (Malte) - CalageWignacourt Springs (Malta) - Calibration0204060801001880 1885 1890 1895 1900 1905 1910DateDébit (Flow) l/s Simul. Obser.Sources de Wignacourt (Wignacourt Springs)Extension0204060801001880 1890 1900 1910 1920 1930 1940DateDébit (Flow) l/s Simul. Obser. Calibr7 G A R D É N I A Exemple d’application n°2 : Sources de la Voulzie (Provins) Simulation Pluie - Débit : Comparaison entre les débits moyens mensuels calculés et observés sur la source pendant une période de 30 ans contrastée : basses eaux en 1975-1976 et 1990-1994 ; hautes eaux en 1981-1985 et 1999-2002. Exemple d’application n°3 : Piézomètre du CIEH (Ouagadougou – Burkina Faso) Simulation Pluie - Niveau : GARDÉNIA est calé sur la période de 8 ans très déficitaire 1978 -1985. Le modèle avait permis dès 1986 de prévoir une remontée des niveaux piézométriques si les précipitations redevenaient plus abondantes. Contrôle a posteriori en 1991 (trait bleu) que la calibration était fiable et permettait de simuler les niveaux à partir des pluies excédentaires effectivement observées. La Voulzie à Jutigny (GARDENIA)0123451974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004Débit (Flow) m3/s Simul. Observ. Piézomètre CIEH à Ouagadougou (GARDENIA)-11-10-9-8-7-61977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991Profondeur (depth) m Simul. Observ. Obs. (Control)CalibrationPrévision8 G A R D É N I A Exemple d’application n°4 : Piézomètre de Saint Martin de Chennetron (Calcaires de Champigny) Simulation Pluie - Niveau : Comparaison entre les niveaux calculés et observés sur la source pendant une période de 30 ans très contrastée. Extension de données sur la période 1993-2004 (12 ans), après calibration sur la période 1974-1992 (19 ans). Cette application montre la robustesse du modèle qui permet d’extrapoler correctement les niveaux, en particulier les hautes eaux de 2001-2002, à partir des seules données climatiques (trait rouge comparé au trait bleu). Niveau St-Martin de Chennetron (GARDÉNIA)1151251351451974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004m NGF Simul. Observ. Niveau St-Martin de Chennetron (GARDÉNIA)1151251351451974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004m NGF Simul. Observ. Obs. (Extens.)Calibration Extension9 G A R D É N I A Exemple d’application n°5 : Simulation des débits à l’exutoire de bassins de l’île de la Réunion en réaction à des pluies cycloniques très violentes. Simulation au pas de temps de ½ heure des débits du bassin du Butor de l’île de la Réunion lors du cyclone de février 2006. Simulation au pas de temps horaire des débits du bassin de la « Rivière des Mats » de l’île de la Réunion lors de six cyclones de 2000 à 2003. Ces exemples d’application sur des crues violentes, montrent que le code GARDÉNIA permet de modéliser efficacement les crues avec des pas de temps fins inférieurs à 1 jour. Ile de La Réunion : Bassin du BUTORModèle GARDENIA : pas de temps = 1/2 heureCorrélation = 0.9305010015020025017/02/200600:0017/02/200612:0018/02/200600:0018/02/200612:0019/02/200600:0019/02/200612:0020/02/200600:00TempsDébit (m3/s) Simul. Observ. Cyclone du 17 - 20 Février 20061400 mm de pluie Rivière des Mats : 6 cyclones 2000-2003Modèle GARDENIA : pas de temps = 1 heureCorrélation = 0.97020040060080010000 100 200 300 400 500 600 700 800Date en heuresDébit (m3/s) Observ. Simul. SeparAndo01/20017-901/2002Dina01/200111/200204/20032Connie01/200010 G A R D É N I A Exemple d’application n°6 : Simulation des débits le l’Isère à Val d’Isère (altitude 1850 m) avec prise en compte de la fonte de la neige. Simulation au pas de temps mensuel des débits de l’Isère à Val d’Isère de 1995 à 2005. On voit nettement que les forts débits se produisent généralement de Mai à Août lors de la fonte de la neige. Le modèle GARDÉNIA avec prise en compte de la fonte de la neige permet une bonne simulation des pointes de débits, mais aussi des étiages hivernaux qui ont une grande importance car ils surviennent pendant les périodes de fortes demandes. Simulation GARDENIA du débit de l'Isère à Val d'Isère02468101995 1996 1996 1997 1999 2000 2000 2001 2003 2004 2004 2005Débit (m3/s) Simul. Observ.