EAU803 Séminaire de doctorat Charles Gignac Jeudi le 26 mars 2015 Étudiant PhD en sciences de leau INRS Eau Terre Environnement Plan de présentation ID: 790316
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Intégration et évaluation des impacts d’affluents modélisés au sein d’un modèle hydrodynamique du Fleuve Saint-Laurent
EAU803 – Séminaire de doctorat
Charles Gignac
Jeudi le 26 mars 2015Étudiant Ph.D en sciences de l’eau INRS – Eau Terre Environnement
Slide2Plan de présentation
Mise en contexte du projet.
Données et outils utilisés pour la réalisation.Processus de création des structures de simulation.
Conditions et résultats de simulation hydrodynamique.Conditions de simulationRésultats par affluent.Impacts sur les niveaux d’eau du Fleuve.Forces et faiblesses de l’approche proposée.Conclusions26/03/2015EAU803 - Séminaire de doctorat2
Slide3Contexte du projet dirigé
Plusieurs affluents du Fleuve Saint-Laurent sont instrumentés par des stations hydrométriques mais peu d’informations sur leur morphologie s’avèrent disponibles, rendant ainsi leur
intégration aux modèles hydrodynamiques difficile.
Le structure originale de calcul du modèle Saint-Laurent, ne permet pas d’évaluer les impacts hydrodynamiques liant le Fleuve et ses affluents de manière réaliste.26/03/2015EAU803 - Séminaire de doctorat3LargeurPente
Substrat
Profondeur
Niveaux d’eau et débits
Propagation de la marée
Obstacles
Débit
CARACTÉRISTIQUES DESCRIPTIVES
VARIABLES HYDRODYNAMIQUES
Slide4L’estuaire fluvial du Saint-Laurent
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Il s’étend de l’extrémité est du Lac Saint-Pierre jusqu’à la pointe est de l’Île d’Orléans.
Largeur variant de 870m au pont de Québec, à 15km à la pointe de l’Île d’Orléans.
La marée est importante, par exemple, elle peut atteindre jusqu’à 6m à Québec.
Aucun ouvrage hydraulique important présent dans l’estuaire fluvial.
Entre Cornwall et Baie-Comeau, le débit moyen annuel du Saint-Laurent passe de 7800 m
3
/s à 16 800 m
3
/s grâce à la contribution de ses principaux
tributaires (SODES, 2015).
Slide5Objectifs du projet dirigé
Développer une procédure
permettant de modéliser une structure de simulation hydrodynamique simplifiée pour un cours d’eau et l’appliquer
à des affluents majeurs de l’estuaire fluvial.Annexer les structures de simulation simplifiées au modèle Saint-Laurent.Estimer l’impact de l’annexion des structures sur l’hydrodynamique du modèle Saint-Laurent.26/03/2015EAU803 - Séminaire de doctorat5
Slide6Données utilisées
Pour l’estimation de la pente
: Données Numériques d’Élévation du CanadaPour l’estimation de la
largeur :Réseau Hydrographique NationalPour la détection des obstacles :Serveur de cartes WMS ToporamaPour l’information sur les substrats :Plan directeur de l’eau des OBVPour les mesures de débits :Débits reconstitués (Bouchard et Morin, 2000)26/03/2015EAU803 - Séminaire de doctorat6
DNEC
RHN
Toporama
Plan directeur de l’eau
Débits reconstitués
Slide7Premières observations…
Les OBV ne possèdent pas beaucoup d’informations morphologiques sur les cours d’eau qu’ils surveillent.
Aucun OBV n’a été en mesure de fournir de l’information sur le substrat ou la bathymétrie de son cours d’eau.
Pour cette raison, l’utilisation d’un substrat uniforme a été utilisé pour chaque rivière modélisée.26/03/2015EAU803 - Séminaire de doctorat7
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Débits reconstitués
André Bouchard et Jean Morin (2000) ont procédé à le reconstitution des débits en utilisant une approche basée sur l’étude des régressions observables entre rivières situées à proximité l’une de l’autre.Période communeQM Rivière A1954-2004QM Rivière B1967-2014
Q
A
Q
B
Q
A
= a * Q
B
+ b
Q
C
Rivière A
1954-2014
Q
M
= Débit mesuré
Q
C
= Débit calculé
Slide9Création des structures de simulation
La procédure proposée repose sur :
L’acquisition des données de rives et du débit moyen annuel du cours d’eau à simuler.
La numérisation d’un support de calcul vectoriel sur un logiciel SIG (ArcGIS ou QGIS).Le calcul et l’imposition des caractéristiques d’écoulement via un logiciel de calcul numérique (Matlab ou Octave).La transformation des fichiers du format Matlab vers Modeleur.26/03/2015EAU803 - Séminaire de doctorat9
Slide10Création des structures de simulation
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DonnéesNumérisation
Calcul de la pente
Calcul des profondeurs
Traits tracés dans l’ordre suivant :
Rive gauche (RG)
Cuve gauche (CG)
Talweg (TW)
Cuve droite (CD)
Rive droite (RD)
Procédure:
Pente régulière
pour les points
sur la rive.
Pente variable
pour les points
situés en cuve.
Vitesse : 1m/s
H =
Q
ma.ex
/(LR/LC)
1/2
Pour calculer la profondeur :
Q
ma.ex
= Débit moyen annuel à l'exutoire (m
3
/s)
LR
= Largeur de la rivière (en mètres)
LC
= Largeur de la cuve (en mètres)
H
= Élévation en mètres en rapport au
NMM
P.S. La vitesse d’écoulement est fixée à 1m/s
Slide11Pourquoi une pente régulière ?
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Source des données d’élévation : DNEC.Données gratuites…mais !Données d’élévation à résolution grossière de ~30m (x et y) et à précision inconstante en z.Variations locales de la pente indiscernables dans les jeux de données.Le LiDAR constituerait la solution idéale mais s’avère très dispendieuse.
Slide12Rivières-test pour l’étude
Quatre rivières-test ont été sélectionnées dans le cadre de ce projet en fonction des critères suivants :
Absence d’ouvrage hydraulique directement à l’exutoire.
Débit annuel moyen supérieur à 50m3/s.Participe d’une bonne répartition géographique sur l’estuaire fluvial.Données vectorielles de rives et données d’élévations disponibles.26/03/2015EAU803 - Séminaire de doctorat12
Slide13Rivières sélectionnées pour l’étude
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RivièreDébit moyen annuel (m3/s)Saint-Maurice785,5Chaudière232,7Batiscan
99,7
Sainte-Anne
89,9
Jacques-Cartier
62,2
Etchemin
58,5
Examen visuel pour la
détection d’ouvrages
hydrauliques.
Vérification d’un débit supérieur à 50m
3
/s.
Slide14Transfert vers MODELEUR
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Une série de scripts sous Matlab permettent de transférer les fichiers simulés en format compatible MODELEUR.
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Chaudière
Sainte-Anne
Batiscan
Jacques-Cartier
Les rivières sélectionnées
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Pourquoi pas la Saint-Maurice ?
Le développement des approches visant à créer des structures de calcul simulés ont débutés par la rivière Saint-Maurice, cette dernière étant la rivière avec le débit moyen annuel le plus élevé. Sa complexité rend l’intégration des diverses branches complexe, entre autre, de par le problème de répartition des débits.
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Conditions de simulation
Simulation du 16 juin 2009 à 03 :35 :00 Local jusqu’au 21 juin 2009 03 :30 :00 LocalPas de simulation : 5 minutes.Substrat fixe : Gravier 100%Vitesse d’écoulement fixe : 1m/sHydrodynamique régie par les équations de Saint-Venant 2D.Conditions initiales en amont des sections de rivières (1 débit calculé par jour) et aux extrémités de l’estuaire fluvial (Niveau d’eau aux 5 minutes.).
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Simulations sur la Chaudière
Pente forte~7m/kmModèle de penteZ = 6.9565*kme+4Longueur modélisée2.3kmPoint d’arrêtChutes et barrage
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Simulations sur la Jacques-Cartier
Pente forte~7.6m/kmModèle de penteZ = 7.6471*kme+10Longueur modélisée1.7kmPoint d’arrêtBarrage (Détruit par lacrue le 18 mai 2014)
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Simulations sur la Sainte-Anne
Pente très faible~0.7m/kmModèle de penteZ = 0.7143*kme+5Longueur modélisée7kmPoint d’arrêtDistance
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EAU803 - Séminaire de doctorat21
Simulations sur la Batiscan
Pente très faible~0.13m/kmModèle de penteZ = 0.1299*km+8Longueur modélisée15.5kmPoint d’arrêtDistance
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Impacts aux marégraphes
Dans tous les cas, l’intégration d’affluents modélisés améliore les estimations de niveaux d’eau aux marégraphes. C’est particulièrement le cas à proximité des rivières à faibles pentes et sans ouvrages hydrauliques qui présentent une morphologie propice à la propagation interne de la marée.
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Impacts aux marégraphes
MarégrapheErreur moyenne Sim. Av. débitsErreur moyenne Sim. Av. Affl.Bécancour1.3998m0.4924m
Batiscan
0.9062m
0.046m
Deschaillons
0.3627m
-0.3312m
Portneuf
0.0479m
0.0472m
Neuville
-0.2062m
-0.2046m
Lauzon *
0.0716m
0.0759m
* Le facteur de correction ZC vers NMM provient de la station 03248- Vieux-Québec.
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Faiblesses et Forces
Faiblesses:Ajustement des jonctions Exutoires/Saint-Laurent.Pente régulière tout le long de l’affluent.Granulométrie constante pour chaque affluent.Vitesse d’écoulement fixe.En somme, les faiblesses découlent du fait que c’est un travail de généralisation.Forces:Approche facilement transposable
aux rivières avec données disponibles.
Applicable via des plateformes open-source gratuites.
Permet d’améliorer les résultats de modélisation en intégrant une composante dynamique importante.
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Conclusion
Approche permettant, avec peu de moyens, de reconstituer une structure de simulation hydrodynamique cohérente.Totalement libre de toute plateforme logicielle payante.Reproductible sur tout cours d’eau avec les données disponibles.Amélioration de l’estimation des niveaux d’eau dans le Fleuve.Suggestions :Prolonger les sections jusqu’à la station hydrométrique la plus rapprochée, connectant ainsi le modèle à une donnée mesurée.Mettre sur pied une approche de distribution du débit parmi les branches d’une rivière comme la Saint-Maurice.Questions ?