Thèse soutenue

Modélisation 1D par lit (ISM) d’un réseau hydraulique ramifié maillé : application au contexte opérationnel de la prévision des fortes crues et des crues de dimensionnement d’ouvrages

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Auteur / Autrice : Yassine Kaddi
Direction : Sébastien ProustJean-Baptiste FaureFrançois-Xavier Cierco
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides
Date : Soutenance le 15/10/2021
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
Laboratoire : RiverLy (Lyon ; 2018-....)
Jury : Président / Présidente : Mário Jorge Franca
Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Proust, François-Xavier Cierco, Hélène Roux, Carole Delenne, Didier Bousmar, Sandra Soares-Frazão, Ivana Vinkovic
Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Roux, Carole Delenne

Résumé

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L'objectif de cette thèse est de rendre opérationnelle une méthode de modélisation unidimensionnelle améliorée (1D+) des rivières débordantes, appelée Independent Sub-section Method (ISM) [Proust et al., 2009]. Alors que les modèles 1D classiques résolvent l’équation de Saint-Venant ou de Bernoulli sur la section totale de l'écoulement débordant (ou en lit composé), l’ISM résout une équation de quantité de mouvement dans chaque sous-section. De plus, l’ISM modélise explicitement le transfert latéral de masse entre sous-sections, ainsi que le transfert latéral de quantité de mouvement. Avant la thèse, ce modèle a été validé à partir de données expérimentales collectées dans différents laboratoires, en régime permanent uniforme et non-uniforme [Proust et al., 2009, 2010; Bousmar et al., 2016; Proustet al., 2016]. Dans un premier temps, l'ISM a été validée en régime transitoire. Ainsi, une expérience en régime transitoire a été conçue pour acquérir des données de validation spécifiques. Cette expérience a été ensuite modélisée avec l'ISM et avec un modèle 1D classique pour comparer les approches 1D+ et 1D. Il a été conclu que l'ISM reproduit mieux les hauteurs d’eau que le 1D, en raison : (i) de la prise en compte de la répartition des débits par sous-section aux conditions limites amont, (ii) de la modélisation explicite tout au long du canal du débit latéral entre lits, (iii) de l’échange de quantité de mouvement par les structures turbulentes quasi-2D, et (iv) de l’échange de quantité de mouvement par le débit latéral entre lits (lorsque les vitesses en lit mineur et lit majeur diffèrent). De plus, à l'interface entre sous-sections, la vitesse latérale et le débit latéral sont également bien reproduits par le 1D+.Dans un second temps, deux questions méthodologiques permettant d'appliquer l'ISM en conditions opérationnelles sont traitées. La première question cherche à reconstruire des conditions aux limites amont pour l'ISM (1 débit par sous-section) à partir des données disponibles (1 débit unique sur la section totale). On a alors proposé de répartir le débit total amont selon la répartition du régime uniforme calculé avec l'ISM. Cette répartition du débit total amont est comparée à celles données par différentes méthodes existantes. La deuxième question concerne la modélisation des confluences jusqu’ici inaccessible à l’ISM. Le travail réalisé a consisté à trouver une solution pour répartir les débits par lits de chaque branche entrante sur les trois lits de la branche sortante de la confluence. On a alors proposé une approche qui consiste à conserver les débits des lits majeurs extérieurs des biefs entrants dans les lits majeurs du bief sortant, puis de sommer le reste des débits des biefs entrants dans le lit mineur du bief sortant. Ensuite, un cas de terrain a été choisi pour appliquer l'ISM en conditions opérationnelles. Deux situations ont été étudiées : un modèle de tronçon simple et un modèle avec confluence. La modélisation de ces cas est réalisée avec le code Mage-8 ISM (1D+), ainsi qu'avec le code 1D CRUE10 et le code Mage-8 Debord [Nicollet and Uan, 1979]. Dans l’état actuel de l’implémentation de l’ISM, les simulations ont permis de mettre en évidence la nécessité d’avoir un débordement sur tous les lits majeurs du bief de rivière étudié en raison de problèmes de fronts secs. Une proposition est faite pour forcer le débordement tout au long du bief, ce qui a permis de faire tourner le calcul, dans l’attente d’un traitement plus satisfaisant de ce problème. Sur ce cas test, l’ISM reproduit mieux les cotes mesurées que les autres modèles avec des biais absolus maximaux plus faibles que ceux obtenus avec les modèles 1D DCM et Debord. Dans la simulation avec confluence, les biais maximaux de Mage ISM sont plus importants mais restent dans des ordres de grandeurs généralement acceptés dans la communauté.