Écoulements en rivière

Exemple de carte de dynamique de l'inondation

Compréhension des écoulements à différentes échelles

Mesures expérimentales dans un canal composé en présence d'épi

Champ de vitesses et de niveaux au voisinage de l'obstacle (placé en x=4,5 m)

L'équipe s'intéresse spécifiquement à deux types d'écoulements :

  • Les écoulements débordants en lit majeur en régime non-uniforme
  • Les écoulements au sein de carrefours

Sur le premier point, les travaux de recherche visent une meilleure compréhension des écoulements débordants (dits "en lit composé") lorsque la largeur de l'écoulement varie. Jusqu'à ce jour, 7 configurations d'écoulement ont été explorées : les écoulements dans les plaines d'inondation convergentes (variations linéaire ou brusque), divergentes, les écoulements à proximité d'épis situés dans le lit majeur (type remblais routier), les écoulements avec élargissement brusque de la plaine d'inondation, les régimes non-uniformes en lit droit, et enfin, les écoulements avec plaine d'inondation convergente en rive droite et divergente en rive gauche. Les analyses s'appuient sur des expériences conduites en canal de laboratoire (Compagnie Nationale du Rhône, INSA de Lyon, et Université catholique de Louvain) et des données expérimentales issues de la littérature (expériences dans le Flood Channel Facility du HR Wallingford). Les écoulements en lit composé sont caractérisés par une structure tridimensionnelle (3D) complexe, qui dépend à la fois de la géométrie de la rivière (section en travers et évolution dans le plan) et des paramètres hydrauliques tels que le débit total ou la hauteur de débordement.

Or, les outils de l'hydraulique fluviale pour l'ingénieur utilisent essentiellement des équations unidimensionnelles (1D), ou bidimensionnelles (2D). Il s'agit donc de confronter les modélisations numériques classiques aux données expérimentales afin d'évaluer la pertinence (ou la non-validité) des hypothèses formulées dans chaque modèle. On s'intéresse notamment à la capacité des codes à modéliser trois types distincts de perte d'énergie : les frottements au fond ; les pertes par diffusion turbulente ; et les pertes par transfert de masse entre lit mineur et lit majeur. Dans ce cadre, une nouvelle modélisation a été développée : l'Independent Subsections Method (ISM). L'ISM juxtapose des équations de Saint-Venant formulées dans chacun des lits et reliées entre elles par des termes de transfert de masse et de quantité de mouvement.

Sur le second point, une approche similaire est développée. Elle vise à décrire les écoulements au sein d'un carrefour à quatre branches lors d'écoulements rapides (transcritiques ou torrentiels). Les modèles numériques testés sont des codes bidimensionnels ou des lois de répartition des débits entre branches.

Risques d'inondation et ondes de rupture de barrage et de digue

 

graphique

L'équipe participe ou a participé au développement de méthodes d'estimation ou de réduction des risques d'inondation, en particulier, "Inondabilité" permettant de croiser aléa et vulnérabilité et "ralentissement dynamique" visant à installer des aménagements en lit majeur ou dispersés sur le bassin versant. Par ailleurs, l'équipe a été impliquée dans des projets européens (CADAM et IMPACT) visant à valider des méthodes de calcul hydraulique pour les crues extrêmes, en particulier lorsqu'elles résultent de la rupture d'un ouvrage hydraulique (barrage ou digue). Les méthodes développées portent sur l'érosion de remblais en terre (méthodes simplifiées pour obtenir l'hydrogramme au droit de l'ouvrage), sur la propagation des ondes provoquées par de telles ruptures (écoulements à la fois torrentiels et fluviaux) et sur la modélisation d'écoulements complexes (lits composés, obstacles). En relation avec l'équipe « barrages » d'Irstea à Aix œuvrant sur l'entretien et la stabilité des ouvrages, elle participe au PATOUH (pôle d'appui technique aux ouvrages hydrauliques) qui conseille les services de l'État.

Dans le même objectif opérationnel, plusieurs chercheurs sont rapporteurs auprès du Comité Technique Permanent des Barrages pour les Plans Particuliers d'Intervention des grands barrages. Ils peuvent aussi établir ou collaborer à l'établissement d'études portant sur ces PPI barrages ou, plus généralement, sur les risques d'inondation.

Modélisation numérique

L'équipe développe des logiciels de simulation numérique des écoulements à surface libre. Il s'agit des écoulements en rivière ou en canal. Ces codes de calcul sont utilisés comme outils par les ingénieurs pour tester des scénarios d'aménagement ou des stratégies de prévention des inondations, déterminer les limites de zones inondables ou préparer des plans d'alerte ou de gestion de crise.

Les codes de calcul sont construits autour de la résolution numérique des équations de Barré de Saint-Venant (1871) qui régissent les écoulements à surface libre quasi-horizontaux.
 
L'unité développe les logiciels suivants :

  • MAGE pour les écoulements unidirectionnels en réseau complexe ; il prend en compte les débordements en lit majeur ou en casier ;
  • RUBAR3 pour les écoulements unidirectionnels rapides (torrentiels), en particulier ceux provoqués par la rupture d'un barrage ;
  • RUBAR20 pour les écoulements sans direction privilégiée (bidimensionnels), éventuellement torrentiels ; il s'applique aux écoulements issus d'une rupture de digue ou aux écoulements en zone urbaine ;
  • ADIS, couplé à MAGE, pour la modélisation 1D , donc à grande échelle, de la propagation et de la dispersion de polluant en rivière. La dernière version d'ADIS est actuellement intégrée au système ROSALYE (Burgéap 2002) du Grand-Lyon pour la protection des captages AEP.

Des développements sont réalisés autour de ces codes de calculs :

  • Méthodes de calage des paramètres ;
  • Estimation des incertitudes des résultats
  • Couplages de codes 1D et 2D

écran ordinateur avec graphique