Quantification d'incertitudes et assimilation de données pour la modélisation hydrodynamique bidimensionnelle : application au modèle de prévision des hautes eaux de l’estuaire de la Gironde

Uncertainty quantification and data assimilation for bidimensional hydrodynamics : application to the Gironde Estuary high levels forecast numerical model

• Auteur / Autrice : Vanessya Laborie
• Direction : Nicole Goutal, Sophie Ricci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 13/01/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hydraulique Saint-Venant (Chatou, Yvelines)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Thual
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicole Goutal, Sophie Ricci, Benoît Laignel, Emmanuel Cosme, Paul Bates
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benoît Laignel, Emmanuel Cosme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gironde (France ; estuaire)

Modélisation des données (informatique)

Marées

Mots clés libres

Analyse de sensibilité globale

Estuaire de la Gironde

Assimilation de données

Variables fonctionnelles

Filtre de Kalman d'Ensemble

Global sensitivity analysis

Data assimilation

Gironde Estuary

Ensemble Kalman Filter

Time-Dependant forcings

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement de techniques d'assimilation de données dans les codes de calcul bidimensionnels d'hydraulique à surface libre et, plus particulièrement, de l'évaluation des possibilités d'amélioration de la prévision des hautes eaux sur l'estuaire de la Gironde par le développement et l'utilisation de ces méthodes. Les caractéristiques principales de ces travaux concernent le caractère instationnaire de l'hydrodynamique, liée à la fois à la propagation de la marée et à l'événement hydrométéorologique considéré, et la corrélation entre les observations des différentes stations de mesures disponibles. Les travaux réalisés pendant la première partie de la thèse ont porté sur la proposition d'une méthodologie de traitement des incertitudes par analyse globale de sensibilité par décomposition de variance pour un code d'hydrodynamique alimenté par des variables fonctionnelles. Cette méthodologie a permis la classification des sources d'incertitudes à partir d'un échantillon des réalisations du modèle Telemac2D de prévision des hautes eaux de l'estuaire de la Gironde, dans le but de hiérarchiser l'influence des forçages et des paramètres du modèle. Dans un second temps, en lien avec les résultats de l'étude précédente, une méthodologie a été proposée pour développer une chaîne de simulation intégrant le code de calcul étudié et une méthode ensembliste d'assimilation de données fondée sur le Filtre de Kalman d'Ensemble, dans l'objectif de réduire les incertitudes du modèle liées à ses forçages fonctionnels et à sa paramétrisation par l'utilisation d'observations. Dans un premier temps, cette méthodologie a été appliquée au modèle Telemac2D de l'estuaire de la Gironde sous la forme d'un protocole d'expériences jumelles dont l'objectif est, d'une part, de procéder à sa validation et, d'autre part, de déterminer de manière optimale le vecteur de contrôle, le réseau de mesures et les paramètres liés à la méthodologie proposée. Les gains de la méthodologie proposée sont ensuite évalués en utilisant les observations disponibles pour plusieurs événements réels

The accuracy of predictions is a major stake of flood forecast. This thesis deals with the development of data assimilation techniques in bidimensional numerical codes based on shallow water equations and, more specifically, the assessment of possible improvements in high water forecasting in the Gironde estuary through the development and use of these methods. The main characteristics of this work concern the unsteadiness of hydrodynamics, linked to both tidal propagation and the hydrometeorological event, and the correlation between the observations of the different available observation stations.The work carried out during the first part of the thesis focused on the proposal of a methodology for the treatment of uncertainties by global sensitivity analysis and variance decomposition for a code fed by time-dependent variables. This methodology made it possible to classify the sources of uncertainty based on a sample of the achievements of the Telemac2D numerical model for forecasting high water levels in the Gironde estuary, in order to prioritize the influence of the model's forcings and parameters.In a second step, in connection with the results of the previous study, a methodology was proposed to develop a simulation chain integrating the numerical code and an ensemblist data assimilation method, based on an Ensemble Kalman Filter, in order to reduce the uncertainties of the model related to its time-dependent forcings and parameterization. First, this methodology was applied to the Telemac2D model of the Gironde estuary with a twin experiment protocol whose objective is, on the one hand, to validate it and, on the other hand, to optimally determine the control vector, the measurement network and the parameters related to the proposed methodology. The gains for the forecast of water levels in the Gironde estuary are then evaluated using the observations available for several real events