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Hydrobox (HU) : Différence entre versions

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(Éditeur et notion de squelette de modèle)
 
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Plate forme générique de développement de modèles hydrologiques mise au point au laboratoire DEEP de l'INSA de Lyon.
 
Plate forme générique de développement de modèles hydrologiques mise au point au laboratoire DEEP de l'INSA de Lyon.
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==Principes==
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Hydrobox est constituée de deux parties :
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* un éditeur de modèles qui permet la création simplifiée de [[Modèle à réservoir (HU)|modèles hydrologiques à réservoir]] à partir de boites et de flux types paramétrables ;
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* un solveur qui résout à chaque pas de temps l'ensemble des équations par un schéma explicite de différences finies.
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Hydrobox est également doté de fonctions graphiques qui facilitent la création des modèles (éditeur graphique) et la visualisation des résultats.
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===Boites et flux===
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Les boites représentent les différents composants d'un système hydrologique. Elles sont uniquement régies par [[Equation de conservation (HU)|l’équation de conservation]] de la masse (la variation du stock dans un réservoir entre le début et la fin d'un pas de temps est égale à la différence entre les stocks entrant et sortant du réservoir pendant ce pas de temps). Elles sont caractérisées à chaque pas de temps par un volume ou une hauteur d’eau.
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Les flux sont de deux types :
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* des flux matériels représentant les débits échangés entre deux boites, qui se divisent eux-mêmes en deux sous-types :
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:* les flux de type amont ou aval qui représentent les échanges entre le système étudié et son environnement (e.g. exutoire atmosphère) ces flux représentent donc des conditions aux limites amont ou aval et sont portés par une seule boite ; 
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:* Les flux inter-boites (type amont/aval) qui correspondent aux échanges entre deux boites ; la fonction mathématique décrivant cet échange est quelconque mais doit impérativement être uniquement dépendante de l'information connue dans les boites amont et/ou aval et/ou du temps ; Hydrobox propose une grande diversité de flux types paramétrables capables de représenter la plupart des processus hydrologiques ;
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* des "flux d'information" qui permettent à une boite quelconque de connaître l'état (hauteur ou volume) d'une autre boite ; ces flux permet par exemple de représenter des dispositifs de gestion en temps réel dans lesquels le flux échangé entre deux réservoirs directement connectés dépend de l'état d'un troisième réservoir potentiellement lointain.
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===Méthode de résolution===
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Hydrobox représente l'évolution temporelle du système hydrologique par un schéma itératif explicite conformément à la ''figure 1'' : A chaque pas de temps on commence par calculer tous les flux en fonction de l'état des boites au pas de temps précédent, puis connaissant les valeurs des flux on calcule le nouvel état des boites au même pas de temps.
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[[File:hydrobox 1.JPG|600px|center|thumb|<center>''<u>Figure 1</u> : Organigramme général du solveur d'Hydrobox.''</center>]]
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La stabilité du schéma numérique est obtenue en choisissant un pas de temps de calcul court par rapport à la dynamique des phénomènes représentés. Ce pas de temps est variable (entre 1 minute et 1 heure) et s'ajuste automatiquement en fonction de la vitesse d'évolution de l'état dans les boites.
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===Éditeur et notion de squelette de modèle===
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Hydrobox est doté d'un éditeur graphique qui permet de construire simplement les boites et les flux qui les relient (''figure 2''). Cet éditeur est en particulier disponible dans le logiciel [[Canoe (HU)|Canoe]].
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[[File:hydrobox 2.JPG|800px|center|thumb|<center>''<u>Figure 2</u> : Exemple de modèle hydrobox construit à partir de l'éditeur graphique : la couleur des boites indique leur nature (vert : boite standard ; violet : CL amont ; jaune : CL aval ; rouge : pertes ; les numéros correspondent aux différents flux utilisés.''</center>]]
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Hydrobox utilise également la notion de squelette pour représenter des systèmes hydrologiques génériques : le schéma d'un squelette est fixe mais les valeurs numériques des variables affectés aux boites et aux flux sont paramétrables. Par ailleurs les flux non utiles peuvent être désactivés pour gagner du temps calcul. La ''figure 3'' représente à titre indicatif un squelette hydrobox représentant un bassin versant péri-urbain ; une version simplifiée de ce squelette est utilisée dans le logiciel [[Canoe (HU)|Canoe]].
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[[File:hydrobox 3.JPG|600px|center|thumb|<center>''<u>Figure 3</u> : Squelette d'un modèle hydrobox d'un bassin versant péri-urbain ; la signification des différentes abréviations est la suivante : SIRRA : Surface imperméable directement raccordée au réseau d'assainissement ; SIRR : Surface imperméable directement raccordée à la rivière ; SIRTAS : Surface imperméable raccordée à une technique alternative stockante ; SIRTAI : Surface imperméable raccordée à une technique alternative infiltrante ; SIRSP : Surface imperméable raccordée à une surface perméable ; SP : Surface perméable ; SS : sous-sol ; N : Nappe ; RA : réseau d'assainissement ; R : rivière ; DO : déversoir d'orage ; A : atmosphère ; ERA : exutoire réseau assainissement ; ER : exutoire rivière.''</center>]]
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==Intérêt et domaine d'utilisation==
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Hydrobox peut être utilisé pour représenter un grand nombre de systèmes hydrologiques, notamment des bassins versants, mais pas uniquement.
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===Utilisation pour représenter des bassins versants===
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Comme indiqué précédemment hydrobox est utilisé de façon générique dans Canoe pour représenter les bassins versants. Il peut également faire l'objet d'utilisation plus spécifique. Dorval (2011) l'a par exemple utilisé pour étudier le rôle des différentes composantes (eau usée, eau de ruissellement et eau d'infiltration) dans les crues sur un réseau unitaire. On profite dans ce cas de la possibilité de simuler dans le temps des phénomènes ayant des dynamiques temporelles très différentes et de pouvoir éditer les flux échangés entre tous les compartiments du système étudié (''figure 4'').
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[[File:hydrobox 4.JPG|800px|center|thumb|<center>''<u>Figure 4</u> : Décomposition d'un hydrogramme de crue en différentes composantes dans un réseau unitaire ; <u>Source</u> : Dorval (2011).''</center>]]
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===Utilisation pour représenter des ouvrages ===
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Hydrobox permet également de représenter des dispositifs hydrauliques ayant un fonctionnement complexe comme par exemple une chaine constituée de plusieurs ouvrages alternatives de gestion des eaux pluviales : par exemple toiture végétalisée associée à des ouvrages infiltrants, ou dans un registre différent, filtre planté de roseaux utilisé pour le traitement des rejets d'un déversoir d'orage (projet segteup) pu système de biorétention (''figure 5'').
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[[File:hydrobox 5.JPG|600px|center|thumb|<center>''<u>Figure 5</u> : Schéma de principe du modèle hydrobox d'un ouvrage de biorétention ; <u>Source</u> : Bonneau ''et al'' (2021).''</center>]]
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<u>Bibliographie</u> :
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* Bonneau, J., Lipeme Kouyi, G., Lassabatere, L., Fletcher, T. (2021) : ''Field validation of a physically-based model for bioretention systems'' ; Journal of Cleaner Production 312; pp
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* Dorval, F. (2011) : Mise au point de techniques de traitement de données en continu pour l’identification des composantes de débit à l’exutoire des bassins versants urbains : Etude de cas des bassins versants Django Reinhardt et Ecully ; thèse de doctorat, INSA Lyon ; disponible sur : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00679819/document
  
 
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]
 
[[Catégorie:Dictionnaire_DEHUA]]
 
[[Catégorie:Logiciels_et_outils_(HU)]]
 
[[Catégorie:Logiciels_et_outils_(HU)]]

Version actuelle en date du 16 novembre 2022 à 14:00

Dernière mise à jour : 16/11/2022

Plate forme générique de développement de modèles hydrologiques mise au point au laboratoire DEEP de l'INSA de Lyon.

Sommaire

[modifier] Principes

Hydrobox est constituée de deux parties :

  • un éditeur de modèles qui permet la création simplifiée de modèles hydrologiques à réservoir à partir de boites et de flux types paramétrables ;
  • un solveur qui résout à chaque pas de temps l'ensemble des équations par un schéma explicite de différences finies.

Hydrobox est également doté de fonctions graphiques qui facilitent la création des modèles (éditeur graphique) et la visualisation des résultats.

[modifier] Boites et flux

Les boites représentent les différents composants d'un système hydrologique. Elles sont uniquement régies par l’équation de conservation de la masse (la variation du stock dans un réservoir entre le début et la fin d'un pas de temps est égale à la différence entre les stocks entrant et sortant du réservoir pendant ce pas de temps). Elles sont caractérisées à chaque pas de temps par un volume ou une hauteur d’eau.

Les flux sont de deux types :

  • des flux matériels représentant les débits échangés entre deux boites, qui se divisent eux-mêmes en deux sous-types :
  • les flux de type amont ou aval qui représentent les échanges entre le système étudié et son environnement (e.g. exutoire atmosphère) ces flux représentent donc des conditions aux limites amont ou aval et sont portés par une seule boite ;
  • Les flux inter-boites (type amont/aval) qui correspondent aux échanges entre deux boites ; la fonction mathématique décrivant cet échange est quelconque mais doit impérativement être uniquement dépendante de l'information connue dans les boites amont et/ou aval et/ou du temps ; Hydrobox propose une grande diversité de flux types paramétrables capables de représenter la plupart des processus hydrologiques ;
  • des "flux d'information" qui permettent à une boite quelconque de connaître l'état (hauteur ou volume) d'une autre boite ; ces flux permet par exemple de représenter des dispositifs de gestion en temps réel dans lesquels le flux échangé entre deux réservoirs directement connectés dépend de l'état d'un troisième réservoir potentiellement lointain.

[modifier] Méthode de résolution

Hydrobox représente l'évolution temporelle du système hydrologique par un schéma itératif explicite conformément à la figure 1 : A chaque pas de temps on commence par calculer tous les flux en fonction de l'état des boites au pas de temps précédent, puis connaissant les valeurs des flux on calcule le nouvel état des boites au même pas de temps.


Figure 1 : Organigramme général du solveur d'Hydrobox.

La stabilité du schéma numérique est obtenue en choisissant un pas de temps de calcul court par rapport à la dynamique des phénomènes représentés. Ce pas de temps est variable (entre 1 minute et 1 heure) et s'ajuste automatiquement en fonction de la vitesse d'évolution de l'état dans les boites.

[modifier] Éditeur et notion de squelette de modèle

Hydrobox est doté d'un éditeur graphique qui permet de construire simplement les boites et les flux qui les relient (figure 2). Cet éditeur est en particulier disponible dans le logiciel Canoe.


Figure 2 : Exemple de modèle hydrobox construit à partir de l'éditeur graphique : la couleur des boites indique leur nature (vert : boite standard ; violet : CL amont ; jaune : CL aval ; rouge : pertes ; les numéros correspondent aux différents flux utilisés.

Hydrobox utilise également la notion de squelette pour représenter des systèmes hydrologiques génériques : le schéma d'un squelette est fixe mais les valeurs numériques des variables affectés aux boites et aux flux sont paramétrables. Par ailleurs les flux non utiles peuvent être désactivés pour gagner du temps calcul. La figure 3 représente à titre indicatif un squelette hydrobox représentant un bassin versant péri-urbain ; une version simplifiée de ce squelette est utilisée dans le logiciel Canoe.


Figure 3 : Squelette d'un modèle hydrobox d'un bassin versant péri-urbain ; la signification des différentes abréviations est la suivante : SIRRA : Surface imperméable directement raccordée au réseau d'assainissement ; SIRR : Surface imperméable directement raccordée à la rivière ; SIRTAS : Surface imperméable raccordée à une technique alternative stockante ; SIRTAI : Surface imperméable raccordée à une technique alternative infiltrante ; SIRSP : Surface imperméable raccordée à une surface perméable ; SP : Surface perméable ; SS : sous-sol ; N : Nappe ; RA : réseau d'assainissement ; R : rivière ; DO : déversoir d'orage ; A : atmosphère ; ERA : exutoire réseau assainissement ; ER : exutoire rivière.

[modifier] Intérêt et domaine d'utilisation

Hydrobox peut être utilisé pour représenter un grand nombre de systèmes hydrologiques, notamment des bassins versants, mais pas uniquement.

[modifier] Utilisation pour représenter des bassins versants

Comme indiqué précédemment hydrobox est utilisé de façon générique dans Canoe pour représenter les bassins versants. Il peut également faire l'objet d'utilisation plus spécifique. Dorval (2011) l'a par exemple utilisé pour étudier le rôle des différentes composantes (eau usée, eau de ruissellement et eau d'infiltration) dans les crues sur un réseau unitaire. On profite dans ce cas de la possibilité de simuler dans le temps des phénomènes ayant des dynamiques temporelles très différentes et de pouvoir éditer les flux échangés entre tous les compartiments du système étudié (figure 4).


Figure 4 : Décomposition d'un hydrogramme de crue en différentes composantes dans un réseau unitaire ; Source : Dorval (2011).

[modifier] Utilisation pour représenter des ouvrages

Hydrobox permet également de représenter des dispositifs hydrauliques ayant un fonctionnement complexe comme par exemple une chaine constituée de plusieurs ouvrages alternatives de gestion des eaux pluviales : par exemple toiture végétalisée associée à des ouvrages infiltrants, ou dans un registre différent, filtre planté de roseaux utilisé pour le traitement des rejets d'un déversoir d'orage (projet segteup) pu système de biorétention (figure 5).


Figure 5 : Schéma de principe du modèle hydrobox d'un ouvrage de biorétention ; Source : Bonneau et al (2021).

Bibliographie :

  • Bonneau, J., Lipeme Kouyi, G., Lassabatere, L., Fletcher, T. (2021) : Field validation of a physically-based model for bioretention systems ; Journal of Cleaner Production 312; pp
  • Dorval, F. (2011) : Mise au point de techniques de traitement de données en continu pour l’identification des composantes de débit à l’exutoire des bassins versants urbains : Etude de cas des bassins versants Django Reinhardt et Ecully ; thèse de doctorat, INSA Lyon ; disponible sur : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00679819/document
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