Présentation

Durée : 6 mois

Sujet : Reconstruction bathymétrique par assimilation de données pour les codes de calcul hydrodynamique bidimensionnels : application au modèle Telemac 2D de prévision des hautes de l’estuaire de la Gironde.

Contexte :

La Prévision des Crues sur l’estuaire de la Gironde

Le service de Prévision des Crues Gironde – Adour – Dordogne (SPC-GAD) assure une mission de vigilance et de prévision des crues sur un ensemble de tronçons réglementaires. Ceux-ci représentent un linéaire de plus de 2000 kilomètres répartis sur les bassins versants de la Dordogne, de l’Adour, de la Garonne et de l’estuaire de la Gironde. Cette mission se matérialise par l’émission biquotidienne d’un bulletin de vigilance « crue » à destination des préfectures, des services de la sécurité civile et du grand public qualifiant la situation des prochaines 24 heures sur une échelle de gravité : vert, jaune, orange et rouge (voir le site d’information : https://www.vigicrues.gouv.fr/).

Le SPC-GAD a pour mission de fournir la prévision des niveaux d’eau sur chacune des stations marégraphiques réglementaires situées dans l’estuaire de la Gironde. Ces zones subissent l’influence de la marée, des conditions météorologiques qui conditionnent les surcotes météorologiques en entrée des estuaires, des débits et de la bathymétrie des cours d’eau, de la topologie du terrain (pour les zones inondables), etc.

La réalisation de la prévision sur l’estuaire de la Gironde s’appuie sur un modèle opérationnel d’hydrodynamique à surface libre 2D fondé sur Telemac2D [12] ainsi que sur des abaques élaborés par les experts prévisionnistes du SPC GAD. Lors de la construction de la prévision, plusieurs facteurs interviennent. : la temporalité des tempêtes (durée, heure de passage, phasage avec les pleines mers, …), la disponibilité des derniers calculs déterministes des modèles hydrauliques, les biais systématiques des différents modèles, les incertitudes de prévision des champs de forçage météorologique, les incertitudes des débits prévus, sur la bathymétrie, etc.

Le prototype d’assimilation de données appliqué au modèle de prévision des crues de l’estuaire de la Gironde

Dans le cadre de la thèse de V. Laborie [7] (co-encadrement : Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant (LHSV) (N. Goutal ) / Cerfacs-Ceci (S. Ricci)), un prototype d’assimilation de données a été développé et appliqué au modèle de prévision des Hautes eaux de l’estuaire de la Gironde pour améliorer la prévision des niveaux d’eau.

Il permet à l’aide des mesuresin situ de réduire l’incertitude liée aux forçages temporels aux frontières liquides (frontière maritime au large de l’embouchure et frontières fluviales à l’amont des deux rivières Garonne et Dordogne) du modèle numérique de prévision des hautes eaux de l’estuaire de la Gironde fondé sur Telemac2D grâce à une technique ensembliste d’assimilation de données, le filtre de Kalman d’ensemble [12]. Les variables de contrôle corrigées sont les coefficients de frottement du modèle, le coefficient d’influence du vent et les conditions aux limites fluviales et maritimes contrôlées en utilisant une approche heuristique. Ainsi, ces entrées fonctionnelles (dépendantes du temps) sont contrôlées à l’aide d’une décomposition de Karhunen-Loève de la fonction d’autocorrélation du signal temporel. En revanche, les champs spatio-temporels bidimensionnels de type forçage météorologique ou bathymétrie ne sont pas encore inclus dans le vecteur de contrôle, donc contrôlés.

Réduction de l’incertitude liée à la bathymétrie

Les modèles numériques utilisés pour la prévision sont généralement à « fond fixe », c’est-à-dire que la bathymétrie qui représente le fond de l’estuaire/ du cours d’eau n’évolue par au cours du temps.

Il est proposé, dans le cadre de ce projet, après analyse de l’état de l’art en la matière ([3], [4], [9], [10], [11], par exemple), d’étendre lesprototypesde quantification d’incertitudes etd’assimilation de données pour la prise en compte des incertitudes de la bathymétrie sur la prévision des niveaux d’eau en adoptant la même approche heuristique que pour les forçages temporels (1D). Le stagiaire étendranotammentle vecteur de contrôle du filtre de Kalman d’Ensemble du prototype au champ spatio-temporel 2D que constitue la bathymétrie du modèle numérique.

Le stagiaire sera accueilli au sein du Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant (LHSV) dont les trois tutelles sont EDF R&D, École des Ponts et le Cerema (https://www.saint-venant-lab.fr/). Le LHSV possède une expertise sur le développement de modèles hydrauliques, en particulier dans les estuaires, ainsi que dans le domaine de la quantification d’incertitudes ([1], [2], [5], [8]) et de l’assimilation de données appliquée aux modèles bidimensionnels ([7]). Dans le cadre de la thèse de V. Laborie ([6]), en particulier, une analyse globale de sensibilité a permis de mettre en lumière les paramètres et forçages temporels prédominants du modèle de prévision des hautes eaux de l’estuaire de la Gironde fondé sur Telemac2D selon la phase de la marée (flot ou jusant).

[1]Bernardara, P., de Rocquigny, E., Goutal, N., Arnaud, A., & Passoni, G. (2010). Uncertainty analysis in flood hazard assessment: hydrological and hydraulic calibration.Canadian Journal of Civil Engineering,37(7), 968-979.

[2]Bozzi, S., Passoni, G., Bernardara, P., Goutal, N., & Arnaud, A. (2015). Roughness and discharge uncertainty in 1D water level calculations.Environmental Modeling & Assessment,20(4), 343-353.

[3]GHORBANIDEHNO, Hojat, LEE, Jonghyun, FARTHING, Matthew,et al.Novel data assimilation algorithm for nearshore bathymetry.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2019, vol. 36, no 4, p. 699-715.

[4]HARPER, Spencer H. Data Assimilation using Synthetic-Aperture Radar Imagery for Bathymetry Inversion at the Mouth of the Columbia River. 2020.

[5]El Moçayd, N. (2017).La décomposition en polynôme du chaos pour l'amélioration de l'assimilation de données ensembliste en hydraulique fluviale(Doctoral dissertation).

[6]Laborie, V., Ricci, S., De Lozzo, M., Goutal, N., Audouin, Y., & Sergent, P. (2020). Quantifying forcing uncertainties in the hydrodynamics of the Gironde estuary. Computational Geosciences, 24(1), 181-202.

[7] LABORIE, Vanessya. Quantification d'incertitudes et assimilation de données pour la modélisation hydrodynamique bidimensionnelle: application au modèle de prévision des hautes eaux de l’estuaire de la Gironde. 2020. Thèse de doctorat. Université Paris-Est.

[8]Roy, P. T., El Moçayd, N., Ricci, S., Jouhaud, J. C., Goutal, N., De Lozzo, M., & Rochoux, M. C. (2018). Comparison of polynomial chaos and Gaussian process surrogates for uncertainty quantification and correlation estimation of spatially distributed open-channel steady flows.Stochastic Environmental Research and Risk Assessment,32(6), 1723-1741.

[9]MOURRE, Baptiste, DE MEY, Pierre, LYARD, Florent,et al.Assimilation of sea level data over continental shelves: an ensemble method for the exploration of model errors due to uncertainties in bathymetry.Dynamics of atmospheres and oceans, 2004, vol. 38, no 2, p. 93-121.

[10]MOGHIMI, S., ÖZKAN-HALLER, H. T., WILSON, G. W.,et al.Data assimilation for bathymetry estimation at a tidal inlet.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2016, vol. 33, no 10, p. 2145-2163.

[11]FROLOV, Sergey, BAPTISTA, António M., LEEN, Todd K.,et al.Fast data assimilation using a nonlinear Kalman filter and a model surrogate: An application to the Columbia River estuary.Dynamics of Atmospheres and Oceans, 2009, vol. 48, no 1-3, p. 16-45.

[12]EVENSEN, Geir.Data assimilation: the ensemble Kalman filter. Springer Science & Business Media, 2009.

[13] https://www.smiddest.fr/-l-outil-rig-referentiel-inondation-gironde.html#:~:text= L'outil RIG (Référentiel Inondation Gironde) 1,les grands équilibres entre les zones... More

Objectifs généraux :

Le projet d’étude proposé comporte quatre volets.

1°) étude préliminaire : état de l’art et synthèse bibliographique sur les différentes méthodes de correction de la bathymétrie dans le domaine de l’hydrodynamique à surface libre, en particulier bidimensionnelle et estuarienne (voir notamment [4] et [5], [9], [10], [11]).

2°) recueil des campagnes bathymétriques sur l’estuaire et des données d’entrée (champs météo (pression, vitesse du vent), débits, mesures marégraphiques) et de sortie (niveaux d’eau, surcotes et courants le long de l’estuaire considéré) correspondantes

3°) sur la base des étapes précédentes, analyse de sensibilité globale incluant l’influence de la bathymétrie et définition/proposition d’une méthodologie heuristique d’inférence bathymétrique ; test et développement informatiques pour la prévision des hautes eaux en domaine estuarien.

4°) rédaction du rapport technique.

Travaux prévus :

• Prise en main du modèle 2D (suivant le secteur d’étude)

• Proposition d’une méthodologie heuristique d’inférence bathymétrique

• Analyse de la sensibilité des différentes grandeurs qui influencent la hauteur du plan d’eau (pression, surcote, intensité et orientation des vents, débits des cours d’eau, bathymétrie…) [6], qui propose déjà une analyse de sensibilité globale pour les variables fonctionnelles en excluant les champs spatio-temporels 2D, sera complétée par l’identification des zones dans lesquelles la bathymétrie a une influence sur la prévision des niveaux d’eau

• Développement d’un démonstrateur pour réaliser la prévision des niveaux d’eau

• Rédaction du rapport de stage

• Valorisation éventuelle des travaux par une communication, congrès, …

Profil recherché :

Formation ingénieur(e) ou/et master 2

Connaissances souhaitées :

• Python 3 et/ou R

• Statistiques

• Apprentissage profond

• Hydraulique à surface libre / hydrologie /

• si possible, outils de modélisation hydrodynamique à surface libre type Telemac2D

Conditions :

Lieu du stage : région parisienne : Chatou

Laboratoire Hydraulique Saint-Venant, 6 quai Watier, 78000 Chatou

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• Indemnité de stage :gratification sur la base de15 % du plafond mensuel de la sécurité sociale indiqué dans l'arrêté du 18 novembre 2009 (environ515euros mensuels) 

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• Durée : si possible 6 mois du 01/03/2021 au 31/08/2021

Remarque : quel que soit le lieu du stage, des réunions d’avancement hebdomadaires (au minimum) sont à prévoir pendant toute la durée du stage entre Margny et Chatou.