Modélisation pluie/débit sur le bassin versant du Lez pour la gestion des crues

Modélisation pluie/débit sur le bassin versant du Lez pour la gestion des crues

 Les données hydrologiques 

Les données pluies ponctuelles 

Les données proviennent d’achat sur Internet à partir du site de Météo France  pluviographes situées sur le bassin versant du Lez et autour ont été sélectionnés. Ces stations appartiennent uniquement aux départements du Gard et de l’Hérault. Les chroniques sont parfois incomplètes ou inexistantes pour certaines stations. Suivant l’épisode, on a au pire 25 stations possédant des données complètes et 51 stations dans le meilleur des cas. Ainsi on s’assure d’avoir suffisamment de données pour spatialiser les pluies. Les hauteurs de pluie journalières et horaires ont été récupérées pour l’étude des six épisodes de crues retenus. Figure 8 : Carte des pluviographes .

Les données radar 

Les images radar sont gérées par Météo France. La DIREN a mis à notre disposition ces données radar pour cinq des six épisodes. Ces données sont exploitées à l’aide du logiciel Calamar. Le radar gérant la météorologie montpelliéraine est situé à Nîmes. L’imagerie radar fournit des données brutes spatialisées au pas d’espace 1 km! et au pas de temps 5 minutes. Vincent Montel (SPC- Carcassonne) a mis à notre disposition, les pluies de bassin de temps de 5 minutes ainsi que les coefficients de calibration des pluies radar /pluies sol. 

Les données limnimétriques

Les données sur le débit du Lez sont exploitées à partir de 3 stations d’enregistrement appartenant à la DIREN : Source du Lez, Lavalette et Pont de Garigliano. Ces stations fonctionnent au pas de temps variable. Station Source du Lez Lavalette Pont Garigliano Code station Figure 9 : Liste des stations limnimétriques (données Banque Hydro) 

 Les données géographique

s Les limites du bassin versant topographique et hydrogéologique nous ont été transmises par Axel Roesch, ancien contractuel à la Maison des Sciences de l’Eau à Montpellier. Son travail s’inscrivait dans le Projet Lez. Hydrogéologue de formation, son sujet portait sur le karst, il a pu extraire la portion de karst qui participe aux écoulements du bassin versant du Lez. Ces limites étaient à superposer à la BD Topo fournie par IGN pour accéder aux altitudes. Enfin, la carte d’utilisation des sols a été obtenue à l’aide de la base de données CORINE Land Cover datant de 2000 fournie par l’Institut Français de l’ENvironnement (IFEN). 3. Sélection des épisodes de crues Six événements ont été choisis, tous compris entre 2001 et 2005. Dans un premier temps, en étudiant les chroniques de débit, toutes les crues de débit de pointe supérieure à 80 m 3 /s avaient été retenues. Puis, seuls les épisodes les plus importants et les plus récents ont été sélectionnés, car ils disposaient du plus grand nombre d’informations : la station de Garigliano est très intéressante car elle permet de considérer l’influence d’une pluie qui serait tombée plutôt sur l’aval du bassin versant, or elle n’est ouverte que depuis 1998 et les images radar ne sont disponibles que depuis 2001. On remarque très nettement que les crues les plus fortes et à plusieurs pics se retrouvent à la fin de l’automne lorsque le sol est saturé en eau à la suite des pluies importantes de la saison. Les événements intervenant tôt dans la saison (en septembre) sont plus brefs.  Nous avons utilisé l’indice de pluie antérieure I10 sur les 10 jours précédents afin de le comparer à la hauteur de pluie réelle tombée les 10 jours précédents la crue (Sylvain Payraudeau, 1998). Cet indice permet de donner de plus en plus de poids à la pluie au fur et à mesure qu’on se rapproche de la date de l’événement. On le calcule de la façon suivante : I 10 = p ! exp((1″ t) ! k) t =1 n # I : indice de pluie cumulée (mm) p : pluie du jour t (mm) k = 0,5 n = 10 Date de l’épisode 09/10/2001 08/09/2002 12/12/2002 22/09/2003 03/12/2003 06/09/2005 Date de début de montée à 16h à 13h le 10 à 18h à 11h à 3h à 6h Durée de la crue (h) 9 37 ~72 15 ~41 25 Pluie le jour de la crue (mm) 115,6 123,2 107 120 149,6 210 Nb de jours secs précédant la pluie 2 13 0 14 0 0 Pluie du jour précédent (mm) 0,4 0 81 0 42 100 Pluie des 3 jours précédents (mm) 12,6 0,8 154 0 107,6 100,2 Pluie des 10 jours précédents (mm) 86,8 2,8 162 0 166,6 110,2 Indice des pluies antérieures (10j) 7,3 0,6 119,4 0 77,5 100,2 Pluie des 20 jours précédents (mm) 140,8 158,6 246 49 266,6 110,4 Pluie des 30 jours précédents (mm) 141,2 158,6 281,2 55,8 305,2 118,2 Débit de base (m3/s) 4 0,4 ~11 0,13 27 0,2 Débit de pointe (m3/s) 292 116 387 94,2 440 487 Figure 10 : Les six événements de crues retenus. Les données de pluie sont issues de la station de Prades-le-Lez et les débits de la station de Lavalette Les hyétogrammes, hydrogrammes et cartes des cumuls journaliers pour chaque épisode sont présentées en annexe 1. Trois stations limnimétriques existent déjà sur le Lez, mais aucun enregistrement de débit sur les sous-bassins versants amont du Lez n’est connu, ce qui a justifié l’implantation d’une station de mesure en sortie du karst sur le Lirou.

CONTRIBUTION A LA MISE EN PLACE D’UNE NOUVELLE STATION DE MESURE 

La modélisation des débits d’un cours d’eau consécutifs à des précipitations nécessite un calage des paramètres du modèle sur des données existantes. Il faut donc connaître ces débits par une mesure directe ou indirecte. Le dispositif le plus courant est un capteur limnimétrique installé sur un bief où il est possible d’établir une courbe de tarage hauteur d’eau-débit. En général, on essaie de faire beaucoup de mesures de débit pour obtenir cette courbe. Ici, on a choisi de passer par un modèle pour avoir une idée de la forme de la courbe de tarage, car ce qui est particulier ici est que les mesures de débit sont difficiles, les crues sont rapides et le reste du temps, le cours d’eau est à sec. Pour établir cette courbe, on utilise un logiciel de modélisation des écoulements à surface libre mis au point par le CEMAGREF, SIC. La zone d’étude se concentre sur un tronçon du Lirou, cours d’eau qui prend sa source sur la commune des Matelles et dont la confluence avec le Lez a lieu sur la commune de Prades-le-Lez. La source du Lirou, située en amont de la source du Lez, est non pérenne et sert de trop plein au système aquifère de la source du Lez. 

La reconnaissance du terrain

 La délimitation de la zone d’étude 

Le travail a été accompli sur une portion de 500 m du Lirou. Cette zone a été choisie en raison de la présence d’un seuil, en amont duquel a été installé un capteur de pression (par application de l’hydrostatique, on accède ainsi à la hauteur d’eau). Notre zone d’étude commence au niveau du pont de la D112 des Matelles, à 230 m en amont du seuil, et s’arrête environ 500 m en aval après un deuxième seuil. Figure 11 : Lit mineur du Lirou en regardant vers l’amont en direction du pont de la D112 des Matelles ENSHMG Stage de 2ème REA CEMAGREF Agathe Boronkay 12 juin – 8 septembre 2006 AGRO M 19 Figure 12 : Zone d’étude en jaune (IGN) 

 Le recueil des données topographiques

 Nous avons exécuté sur le terrain des relevés topographiques à l’aide d’un tachéomètre. Nous avons ainsi réalisé un profil en long de la zone étudiée et 14 profils en travers. Les cartes de nivellement et de repères géodésiques mises à disposition par l’IGN sur Internet ont été consultées préalablement afin de savoir quelles étaient les bornes NGF les plus proches de la zone sur lesquelles on pouvait se caler (explication sur l’utilisation du tachéomètre en annexe). Les enregistrements ont ensuite été traités sur le logiciel de topographie COVADIS afin d’être exploités. Il est rare d’utiliser tel quel les profils, il faut le plus souvent les extrapoler en dehors du lit mineur ou projeter des points sur la section qui ne se trouvent pas dans l’alignement. 

 La rugosité 

La rugosité a été estimée à priori par les observations du terrain et les valeurs indicatives conseillées dans la littérature. Nous utilisons la formulation de Manning-Strickler pour le calcul des pertes de charge linéaires. Tronçon Nature K estimé entre le pont et le 1er seuil galets et herbes sèches 20/30 sur 50 m en aval du 1er seuil nombreux arbres 7 jusqu’au 2ème virage galets 20/30 lit moyen vignes et arbres 10/20 .

 Les caractéristiques des ouvrages 

Il y a 3 ouvrages sur la section étudiée, un pont et 2 seuils. Dans la pratique, on a choisi de commencer notre zone d’étude juste en aval du pont. La largeur et la hauteur des seuils ont été mesurées à l’aide du tachéomètre. Le coefficient de débit a également été choisi à partir de tables prises dans la littérature. D’après leur aspect, ils provoquent une perte de charge conséquente, d’où des coefficients de débit compris entre 0,30 et 0,35.

 La condition aval

 Tant que le 1er seuil est dénoyé, l’écoulement de régime fluvial en amont de celui-ci sera contrôlé par la loi du déversoir, c’est la condition aval pour ce tronçon. Il en est de même jusqu’au 2ème seuil, à partir du moment où celui-ci est dénoyé. Mais en période de crue si un des seuils ou même les deux se retrouvent noyés, l’écoulement ne sera plus influencé par la loi du déversoir mais par ce qui se passe plus en aval des 2 déversoirs. Il faut donc imposer une condition aval, soit une courbe de tarage, au niveau de la dernière section de notre zone d’étude. Cette courbe de tarage est calculée pour une section trapézoïdale dans laquelle le régime uniforme est atteint. 

 Les débits 

Il n’existe aucune donnée sur les débits du Lirou, d’où cette étude. On peut essayer d’estimer les débits maximums atteints en se penchant sur les débits du Lez, dont le Lirou est le principal affluent dans la partie amont du bassin. Sachant que le débit le plus important mesuré sur le Lez depuis que la station de Lavalette existe est de 539 m3/s, on estime que le débit du Lirou peut atteindre le tiers de cette valeur, compte tenu de la taille relative de leurs bassins versants. On sait cependant d’ors et déjà que le débit minimum est de 0 m3/s, étant donné que le cours d’eau est complètement à sec en été. De plus, il n’y a pas eu d’événement pluvieux significatif pendant la durée de ce stage, nous privant d’effectuer des mesures de débit. Par conséquent, le calage des modèles effectués restent à faire. 

La construction du modèle 

Un modèle monodimensionnel nous permet de modéliser les écoulements en régime fluvial. Pour reconstituer les courbes de tarage, nous simulons les hauteurs d’eau obtenues pour différents débits, en régime permanent. Cette modélisation se déroule en 2 étapes : d’abord constitution de la géométrie du cours d’eau (définition des sections, des nœuds, des biefs et des branches), puis calcul de la ligne d’eau avec la définition des paramètres hydrauliques (coefficient de débit au niveau des seuils, coefficient de Strickler et condition aval). La rive droite de la zone d’étude est recouverte de vignes. Elle constitue le lit moyen du Lirou ; lors d’une crue, cette zone participe aux écoulements. Figure 14 : Débordement du Lirou en rive droite lors d’une crue (le trajet de l’eau est représenté par des flèches bleues) La complexité est de savoir comment modéliser ce débordement en rive droite, cela nous a amené à essayer 3 modèles. 1. Un seul bief avec 2 seuils : l’écoulement dans le lit mineur est modélisé entièrement, mais la partie qui déborde est perdue, car elle ne repart pas dans l’écoulement. 2. Un seul bief et 3 seuils en considérant qu’au niveau du 1er seuil : on a 2 seuils côte à côte, le deuxième étant en réalité une portion de la rive droite qui déverse dans le lit moyen. Le débit qui passe par-dessus ce 2ème seuil est repris tout de suite après par l’écoulement majeur. 3. 4 biefs avec 4 seuils répartis en 2 branches : le lit moyen constitue un bief à part entière où l’écoulement entre à l’amont du 1 er seuil et retourne dans le lit mineur à la fin de la zone d’étude.