Plate-forme Aqui-FR

Simulation de systèmes karstiques

Janvier 2016

Dominique THIÉRY

Direction D3E

. > 2

Méthode

> Adaptation du fonctionnement du modèle analogique GARDÉNIA aux spécificités des écoulements karstiques.

> Intégration du code de calcul dans la plateforme AquiFR avec couplage openPALM.

> Calculs au pas de temps journalier.

> Utilisation des données SAFRAN : Pluie, Précipitation Neigeuses, Température, ETP.

> Adaptions en cours pour utiliser les données Surfex : « Ruissellement » et « Drainage » et évaluation.

. > 3

Les systèmes karstiques modélisés

et intégrés dans AquiFR

Les données de débits mesurés et de localisation des bassins versants nous ont été fournis par

S. Lanini, J.B. Charlier, Y. Caballero (BRGM D3E/NRE)

> Source du Doubs.

> Fontaine de Vaucluse.

> Les Gillardes (La Souloise).

> Les Cent-Fonts (Fontanilles).

> La Loue.

> Le Lison.

. > 4

Critères de simulation (Débits journaliers)

Période

Nash

Racine

Nash

Logar

Nash

Natur

Source du Doubs 1979-2014 0.816 0.809 0.788

Fontaine de Vaucluse 1990-2013 0.904 0.892 0.889

Gillardes (Souloise) 1968-2014 0.807 0.797 0.778

Cent-Fonts 1998-2014 0.891 0.883 0.854

Lison 1975-2014 0.911 0.883 0.903

Loue 1994-2014 0.908 0.912 0.890

. > 5

Modèle de calcul de production (Validation par mesures physiques en zone non saturée)

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0 50 100 150 200 250

Cu

m.

Vo

lum

e (

mm

)

Days after 20 Apr. 1993

Bare plot at Côte St André: Apr - Dec 1993

Potential EvapoTranspiration

Evapo + Transpiration

Drainage

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0 50 100 150 200 250

Cu

m. V

olu

me

(m

m)

Days after Sowing 1993

Corn plot at Côte St André: Sowing = 20 Apr 1993

Potential EvapoTranspiration

Evapo + Transpiration

Drainage

Site de St André, année 1993 : Cumuls de l’évaporation + transpiration réelle et du drainage.

À gauche : sol nu ; à droite parcelle de maïs.

Symboles = Observations du LTHE; Traits = simulations GARDÉNIA.

. > 6

Modèle de calcul de production (Validation par mesures physiques en zone non saturée)

Données d’un grand lysimètre soumis à des cultures de céréales pendant 2 ans (1989 & 1990)

À gauche : Cumul de l’évaporation + transpiration réelle

À droite : Cumul du drainage.

Symboles = Observations ; Traits = simulations GARDÉNIA et Simulations MARTHE + équat. Richards.

Herbst et al. (2005) : doi.org/10.2136/vzj2004.0070

Thiéry, D. (2015) - Validation du code de calcul GARDÉNIA par modélisations physiques comparatives. BRGM/RP-64500-FR, 48 p., 28 fig.

http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-64500-FR.pdf.

0

200

400

600

800

1000

11

/19

88

01

/19

89

03

/19

89

05

/19

89

07

/19

89

09

/19

89

11

/19

89

01

/19

90

03

/19

90

05

/19

90

07

/19

90

09

/19

90

mm

Évapotranspiration réelle

Gardénia Marthe Mesures

0

25

50

75

100

125

150

175

11

/19

88

01

/19

89

03

/19

89

05

/19

89

07

/19

89

09

/19

89

11

/19

89

01

/19

90

03

/19

90

05

/19

90

07

/19

90

09

/19

90

mm

Débit de percolation

Gardénia Marthe Mesures

. > 7

1 : Source du Doubs

> Période 1979-2014 (35 ans)

> Forte composante nivale

Affichage des débits observés et simulés moyen mensuels pour une meilleure visibilité

Les forts débits et les étiages sont bien simulés

Nash (racine carrée Débits journalier) = 0.816

. > 8

Source du Doubs

> Période 1980-2014

Valeurs journalières interannuelles : très bonne simulation ; Écart-type bien simulé

Débits maxi en Avril et Mai (Fonte de neige)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

01

/01

01

/02

01

/03

01

/04

01

/05

01

/06

01

/07

01

/08

01

/09

01

/10

01

/11

01

/12

01

/01

Dé

bit

(m

3/s

)

Débit Source du Doubs

Moyenne_Sim

Moyenne_Obs

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

01

/01

01

/02

01

/03

01

/04

01

/05

01

/06

01

/07

01

/08

01

/09

01

/10

01

/11

01

/12

01

/01

Écar

t-ty

pe

Dé

bit

(m

3/s

)

Débit Source du Doubs

Écart_Type_Sim

Écart_Type_Obs

Débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

Écart-type du débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

. > 9

2 : Fontaine de Vaucluse

> Période 1990-2013 (23 ans)

Modélisation initiale : pointes de débits fortement surestimées

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Dé

bit

(m

3/s

)

Fontaine de Vaucluse (GARDÉNIA)

Simul. Observ.

Schéma amélioré pour les karsts : les pointes de débits journaliers sont bien simulées

Nash (racine carrée Débits journalier) = 0.904

. > 10

Fontaine de Vaucluse

> Période 1992-2013

Valeurs journalières interannuelles : bonne simulation ; Écart-type bien simulé

Débits maxi en hiver et en Mai-Juin

Débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

Écart-type du débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

0

5

10

15

20

25

30

01

/01

01

/02

01

/03

01

/04

01

/05

01

/06

01

/07

01

/08

01

/09

01

/10

01

/11

01

/12

01

/01

Dé

bit

(m

3/s

)

Fontaine de Vaucluse 1992-2013

Moyenne_Sim

Moyenne_Obs

0

5

10

15

20

25

01

/01

01

/02

01

/03

01

/04

01

/05

01

/06

01

/07

01

/08

01

/09

01

/10

01

/11

01

/12

01

/01

Écar

t-ty

pe

Dé

bit

(m

3/s

)

Fontaine de Vaucluse 1992-2013

Écart_Type_Sim

Écart_Type_Obs

. > 11

3 : Les Gillardes : La Souloise

> Période 1968-2014 (46 ans)

Affichage des débits observés et simulés moyen mensuels pour une meilleure visibilité

Les forts débits et les étiages sont simulés correctement

Nash (racine carrée Débits journalier) = 0.807

. > 12

Les Gillardes : La Souloise

> Période 1968-2014 (46 ans)

Visualisation des débits journaliers : difficile appréciation de la qualité

0

20

40

60

80

100

1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

Déb

it (

m3/

s)

Gillardes (La Souloise) : Simul GARDÉNIA ; avec neige

Simul. Observ.

. > 13

Les Gillardes : La Souloise

> Période 1968-2014 (46 ans)

Visualisation de la racine carrée des débits (moins asymétrique et plus homoscédastique)

Montre que les étiages sont bien simulés

0

1

2

3

4

5

6

1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

Dé

bit

(m

3/s

)

Gillardes (La Souloise) : Simul GARDÉNIA ; avec neige

Rac(Simul_Mens)Rac(Obs_Mens)

. > 14

Les Gillardes : La Souloise

> Période 1970-2013

Valeurs journalières interannuelles : bonne simulation ; Écart-type bien simulé

Très forte influence de la neige (débits maxi en Mai et Juin)

Débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

Écart-type du débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

01

/01

01

/02

01

/03

01

/04

01

/05

01

/06

01

/07

01

/08

01

/09

01

/10

01

/11

01

/12

01

/01

Dé

bit

(m

3/s

)

Débit Gillardes 1970-2013

Moyenne_Sim

Moyenne_Obs

. > 15

4 : Système karstique des Cent-Fonts

> Période 1998-2014 (16 ans)

Affichage du logarithme des débits observés et simulés pour une meilleure visibilité

Les étiages en particulier sont très bien simulés avec ce module

0

5

10

15

20

25

30

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Déb

it (

L/s)

Cent-Fonts (sqrt)

Simul. Observ.

0.1

1

10

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Déb

it (L

/s)

Cent-Fonts (Sqrt)

Simul. Observ.

Nash (racine carrée Débits journalier) = 0.891

. > 16

Système karstique des Cent-Fonts

> Période 2000-2013

Valeurs journalières interannuelles : bonne simulation ; Écart-type bien simulé

Débits maximaux en Novembre-Décembre. Étiage Juillet à Septembre

Débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

Écart-type du débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

01

/01

01

/02

01

/03

01

/04

01

/05

01

/06

01

/07

01

/08

01

/09

01

/10

01

/11

01

/12

01

/01

Dé

bit

(m

3/s

)

Cent Fonts 2000-2013

Moyenne_Sim

Moyenne_Obs

. > 17

5 : Source du Lison à Nans-sous-Sainte-Anne (Lison seul, sans Sarrazine)

> Période 1975-2014 (39 ans)

Affichage des débits observés et simulés moyens mensuels pour une meilleure visibilité

Bonne simulation de toute l’amplitude

Nash (racine carrée Débits journalier) = 0.911

0

5

10

15

20

25

19

76

19

77

19

78

19

79

19

80

19

81

19

82

19

83

19

84

19

85

19

86

19

87

19

88

19

89

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

Dé

bit

(m

3/s

)

Débit Lison : Simul GARDÉNIA ; avec neige

Simul_Mens

Obs_Mens

. > 18

Source du Lison à Nans-sous-Sainte-Anne (Lison seul, sans Sarrazine)

> Période 1975-2014 (39 ans)

débits journaliers observés et simulés moyens

Nash (racine carrée Débits journalier) = 0.911

0

10

20

30

40

50

60

70

19

76

19

77

19

78

19

79

19

80

19

81

19

82

19

83

19

84

19

85

19

86

19

87

19

88

19

89

19

90

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

Dé

bit

(m

3/s)

Débit Lison : Simul GARDÉNIA ; avec neige

Simul.

Observ.

. > 19

Source du Lison à Nans-sous-Sainte-Anne

> Période 1977-2013

Valeurs journalières interannuelles : très bonne simulation ; Écart-type bien simulé

Débits maximaux en Décembre - Janvier

Débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

Écart-type du débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

0

2

4

6

8

10

12

01

/01

01

/02

01

/03

01

/04

01

/05

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/08

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/09

01

/10

01

/11

01

/12

01

/01

Dé

bit

(m

3/s

)

Débit Lison (seul) 1977-2013

Moyenne_Sim

Moyenne_Obs

0

2

4

6

8

10

12

01

/01

01

/02

01

/03

01

/04

01

/05

01

/06

01

/07

01

/08

01

/09

01

/10

01

/11

01

/12

01

/01

Écar

t-ty

pe

Dé

bit

(m

3/s

)

Débit Lison (seul) 1977-2013

Écart_Type_Sim

Écart_Type_Obs

. > 20

Source du Lison à Nans-sous-Sainte-Anne (Lison seul, sans Sarrazine)

> Période 1975-2014 (39 ans)

Lison

Lis

on

+ S

arr

azin

e

. > 21

6 : La Loue à Mouthier (sans effet perte Buège)

> Période 1994-2014 (30 ans)

Affichage des débits observés et simulés moyens mensuels pour une meilleure visibilité

Très bonne simulation de toute l’amplitude

Nash (racine carrée Débits journalier) = 0.911

Nash (racine carrée Débits journalier) = 0.908

. > 22

La Loue à Mouthier

> Période 1995-2013

Valeurs journalières interannuelles : bonne simulation ; Écart-type bien simulé

Débits maximaux en Décembre en Décembre … et en Mars

Débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

Écart-type du débit moyen journalier

(jour 1 à 365)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

01

/01

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/03

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/10

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/11

01

/12

01

/01

Dé

bit

(m

3/s

)

Débit Loue Mouthier (nat)

Moyenne_Sim

Moyenne_Obs

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

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/01

01

/02

01

/03

01

/04

01

/05

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/06

01

/07

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/08

01

/09

01

/10

01

/11

01

/12

01

/01

Écar

t-ty

pe

Dé

bit

(m

3/s

)

Débit Loue Mouthier (nat)

Écart_Type_Sim

Écart_Type_Obs

. > 23

Conclusion

> Couplage opérationnel de la simulation des systèmes karstiques dans AquiFR

> Les 6 systèmes karstiques sont introduits dans la plateforme AquiFR : avec les données SAFRAN

> En cours de couplage avec les données Surfex :

1er essai avec en entrée la somme (Ruissel + Drainage)

Thiéry, D. (2015) - Validation du code de calcul GARDÉNIA par modélisations physiques comparatives. BRGM/RP-64500-FR, 48 p., 28 fig.

http://infoterre.brgm.fr/rapports/RP-64500-FR.pdf.

.

La LOIRE …

Merci pour votre attention