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Hydrobox (HU)

De Wikibardig

Dernière mise à jour : 02/05/2022

mot en chantier

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

Sommaire

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.

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 le réservoir est égale à la différence entre les stocks entrant et sortant). 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.

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.

Editeur 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.

Intérêt et domaine d'utilisation

Hydrobox peut être utilisé pour représenter un grand nombre de systèmes hydrologiques. Comme indiqué précédemment il est utilisé de façon générique dans Canoe pour représenter les bassins versants. Dorval (2011) l'a utilisé pour étudier le rôle des différentes composantes (eau usée, eau de ruissellement et eau d'infiltration) dans les crues sur un réseau unitaire (figure 4)

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