Cours et analyse

Cours Gaia¶

Assurez-vous que le dossier de simulation (par exemple /gaia2d-tutorial/) contient au moins les fichiers suivants (ou similaires, selon le cas de simulation) :

• Un maillage informatique, par exemple, sous la forme de qgismesh.slf.

• Un fichier de définitions des limites hydrodynamiques, par exemple, sous la forme de boundaries.cli.

• Une définition des limites Gaia, par exemple, sous la forme de boundarys-gaia.cli.

• A results file of a Telemac2d/3d simulation for a hotstart initialization, for example, for 35 m$^3$/s in the form of r2dsteady.slf (result of the dry-initialized steady run ending at t=15000).

• Un fichier de direction Telemac2d, comme steady2d-gaia.cas.

• Un fichier de direction Gaia, comme gaia-morphodynamique.cas.

/------------------------------------------------------------------/
/ Gaia in TELEMAC
/ GAIA STEERING FILE
/ file name: gaia-morphodynamics.cas
/
/------------------------------------------------------------------/
/                    COMPUTATION ENVIRONMENT
/------------------------------------------------------------------/
/
BOUNDARY CONDITIONS FILE : boundaries.cli
GEOMETRY FILE : qgismesh.slf
RESULTS FILE : rGaia-steady2d.slf
VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS : B,E,M,MU,N,P,QSBL,TOB
MASS-BALANCE : YES
/
/ NUMERICAL OPTIONS
/------------------------------------------------------------------/
FINITE VOLUMES : NO
/------------------------------------------------------------------/
/
/------------------------------------------------------------------/
/ RIVERBED COMPOSITION
/------------------------------------------------------------------/
/
/ SEDIMENT
CLASSES TYPE OF SEDIMENT : NCO;NCO;NCO / CO-cohesive or NCO-non-cohesive
CLASSES SEDIMENT DIAMETERS : 0.0005;0.02;0.1 / in m
CLASSES SEDIMENT DENSITY : 2680;2680;2680 / in kg per m3
/
/ RIVERBED LAYERS - manual section 3.2.1
ACTIVE LAYER THICKNESS : 0.3 / multiple of D90 - default is 10000
NUMBER OF LAYERS FOR INITIAL STRATIFICATION : 3 / default is 1
LAYERS INITIAL THICKNESS : 1.5 / m - default is 100
/
/------------------------------------------------------------------/
/ BEDLOAD
/------------------------------------------------------------------/
/
/ BOUNDARIES
PRESCRIBED SOLID DISCHARGES : 10.;0.
/
BED LOAD FOR ALL SANDS : YES / deactivate with NO
BED-LOAD TRANSPORT FORMULA FOR ALL SANDS : 1 / MPM - see table for more
CLASSES SHIELDS PARAMETERS : 0.047;0.047;0.047
MPM COEFFICIENT : 8
/
/ BEDLOAD DIRECTION - manual sec. 3.1.4-3.1.7
SLOPE EFFECT : YES / default is YES - set to NO to disable
FORMULA FOR DEVIATION : 1 / use 2 for talmon-1995 approach
FORMULA FOR SLOPE EFFECT : 1 / default is 1 (koch-flokstra) change to 2 for soulsby
BETA : 1.3 / only with koch-flokstra - default is 1.3
/
/ SECONDARY CURRENTS - manual sec. 3.1.7
SECONDARY CURRENTS : YES / default is NO
SECONDARY CURRENTS ALPHA COEFFICIENT : 0.8 / default is 1.
/
/ FRICTION
SKIN FRICTION CORRECTION : 1 / set 0 to disable correction in shallow waters
RATIO BETWEEN SKIN FRICTION AND MEAN DIAMETER : 3. / default is 3.
/
/------------------------------------------------------------------/
/ SUSPENDED LOAD
/------------------------------------------------------------------/
/
SUSPENSION FOR ALL SANDS : YES / deactivate with NO
/
SUSPENSION TRANSPORT FORMULA FOR ALL SANDS : 1
/
/ NUMERICAL PARAMETERS
SCHEME FOR ADVECTION OF SUSPENDED SEDIMENTS : 14
/
/ ADDITIONAL SEDIMENT - manual section 4.2
CLASSES SETTLING VELOCITIES : -9;-9;-9 / use Gaia defaults
CLASSES CRITICAL SHEAR STRESS FOR MUD DEPOSITION : 1000;1000;1000 / N per m2
LAYERS PARTHENIADES CONSTANT : 1.E-03 / in kg per m2 per s - default is 1.E-03

Avec ces fichiers disponibles, ouvrez Terminal, allez dans le dossier de configuration TELEMAC (p. ex. ~/telemac/v9.0.0/configs/), et chargez l’environnement (p. ex. pysource.openmpi.sh - utilisez la même chose que pour compiler TELEMAC).

cd ~/telemac/v9.0.0/configs
source pysource.openmpi.sh

Avec l’environnement TELEMAC chargé, passez au répertoire où vit la simulation TELEMAC Gaia (par exemple, /home/telemac/v9.0.0/mysimulations/gaia2d-tutorial/) et lancez le fichier *.cas en l’appelant avec le script telemac2d.py (il saura automatiquement qu’il doit utiliser Gaia quand il lit la ligne COUPLING WITH : 'GAIA').

cd ~/telemac/v9.0.0/mysimulations/gaia2d-tutorial/
telemac2d.py steady2d-gaia.cas

Un calcul réussi devrait se terminer par les lignes (ou similaires) suivantes dans Terminal:

[...]
                    *************************************
                    *    END OF MEMORY ORGANIZATION:    *
                    *************************************

CORRECT END OF RUN

ELAPSE TIME :
                             1  HOURS
                             4  MINUTES
                            34  SECONDS
... merging separated result files

... handling result files
       moving: r2dsteady-gaia.slf
       moving: rGaia-steady2d.slf
       moving: r-control-sections.txt
... deleting working dir

My work is done

TELEMAC écrira les fichiers r2dsteady-gaia.slf, rGaia-steady2d.slf et r-control-sections.txt dans le dossier de simulation. Ces fichiers de résultats sont également disponibles dans le dépôt de modélisation de ce eBook pour accomplir le tutoriel post-traitement:

• Télécharger r2dsteady-gaia.slf (résultats hydrodynamiques)

• Télécharger rGaia-steady2d.slf (résultats morphodynamiques)

• Télécharger r-control-sections.txt (flux de section de contrôle)

Traitement après¶

Flux de section de contrôle¶

Le control sections permet d’avoir des idées sur l’adaptation correcte du flux aux limites amont et aval (préciser Q seulement). Figure 1 montre les débits modélisés où les courbes Inflow boundary et Outflow boundary convergent après environ 10000 pas de temps. Notez que le graphique montre des nombres absolus alors que la sortie originale dans r-control-sections.txt est négative en raison de l’ordre des définitions de nœuds dans control-sections.txt. L’initialisation hotstart fait que les flux fluctuent autour du flux prescrit de 35 m$^{3}$/s dès le début. L’augmentation du débit Extrait boundary vers la fin de la simulation peut être attribuée à l’érosion des sédiments et au type de limite en aval du flux libre (544-4).

Visualisation avec QGIS¶

Les résultats de la simulation Gaia peuvent être visualisés et des instantanés de temps exportés vers des formats raster (par exemple, GeoTIFF) ou shapefile en utilisant le plugin PostTelemac dans QGIS de la même manière que dans le steady2d tutorial. La dernière version de QGIS permet en outre le chargement d’un fichier maillé Selafin (résultats) (ici: r2dsteady-gaia.slf) en tant que couche maillé QGIS, qui peut ensuite être visualisé dans le port de vue et exporté vers une vidéo avec le plugin Crayfish. À cette fin, ** lancer QGIS**, ** mettre le project CRS à EPSG:25833** (ETRS89 / zone UTM 33N), et enregistrer le nouveau projet dans le dossier gaia2d-tutorial/ (ou où jamais les fichiers de simulation Gaia vivent). Dans le panneau Browser de QGIS, trouvez le dossier Project Home, élargissez-le et faites glisser-déposer les deux mailles de résultats de simulation (r2dsteady-gaia.slf et rGaia-steady2d.slf) vers le panneau Layers.

Double-cliquez sur r2dsteady-gaia.slf ou rGaia-steady2d.slf pour ouvrir leurs propriétés de la couche Mesh, puis allez à l’onglet Source pour basculer les paramètres hydrodynamiques (p. ex. profondeur d’eau ou fluidrate scalaire m2s) ou morphodynamiques Gaia (p. ex. qs bedload kg(ms)) respectivement, à différents moments. Figure 2 montre la fenêtre des propriétés des calques QGIS maillage de la simulation rGaia-steady2d.slf résultats géométrie où les cases rouges mettent en évidence les étapes pour basculer les variables de sortie et les temps de visualisation. En outre, l’onglet Symbologie fournit des options pour les échelles de couleur de valeur ou les représentations vectorielles (par exemple, pour les vecteurs de vitesse dans r2dsteady-gaia.slf).

Notez que seuls les paramètres définis avec les VARIABLES POUR PRINTOUTS GRAPHIQUES dans les fichiers de pilotage hydrodynamique (steady2d-gaia.cas) et morphodynamique (gaia-morphodynamics.cas) peuvent être tracés dans QGIS.

Pour exporter une vidéo des résultats de simulation, utilisez le plugin Crayfish :

• Dans QGIS, assurez-vous que le plugin Crayfish est installé (appelez le QGIS instructions).

• Dans le panneau Layer, sélectionnez rGaia-steady2d (ou r2dsteady-gaia).

• Avec rGaia-steady2d (ou r2dsteady-gaia) sélectionné, allez à Mesh (menu déroulant supérieur) > Crayfish > Exporter l’animation ... (si le calque n’est pas surligné, un message d’erreur apparaît : Veuillez sélectionner un calque Mesh pour exporter).

• Dans la fenêtre Export Animation, allez dans l’onglet General et définissez un nom de fichier de sortie en cliquant sur le bouton ... (par exemple, velocity-video.avi).

• Adaptation facultative des paramètres Layout et Video.

• Cliquez sur OK pour démarrer l’export vidéo.

Pour la première fois qu’une vidéo est exportée, Crayfish devra définir un encodeur vidéo FFmpeg et guider l’installation (si nécessaire). Suivez les instructions et recommencez à exporter la vidéo. La vidéo suivante a été exportée avec Crayfish pour visualiser les vecteurs de vitesse:

Video: Sebastian Schwindt @ Hydro-Morphodynamics channel on YouTube.

Notez comment les vecteurs de vitesse évoluent au fil du temps et que des vitesses d’écoulement élevées se produisent aux rampes/sills dans la section de la rivière (p. ex., les deux maxima transversal proches de la limite amont ou le maximum transversal près de la limite aval). En conséquence, le transport des charges de lit aux rampes devrait également être prononcé. La vidéo suivante montre qs bedload pour vérifier si le modèle a obtenu le lien physique entre la vitesse d’écoulement et la charge de lit droite.

Video: Sebastian Schwindt @ Hydro-Morphodynamics channel on YouTube.

Après avoir regardé la vidéo, on peut conclure que la relation entre les vitesses d’écoulement et la charge de lit est approximativement correcte, mais le modèle peut nécessiter une certaine correction en adaptant magnitude and direction parameters. La section suivante illustre par exemple comment la solidité physique du modèle peut être analysée et améliorée.

Plausibilité¶

Les résultats ci-dessus montrent des charges de lit en état d’équilibre et des charges suspendues dans une section de rivière blindée à un débit bas de 35 m$^{3}$/s. La comparaison de la vitesse d’écoulement et des vidéos de transport des sédiments suggère que les taux de transport des sédiments les plus élevés se produisent là où la vitesse d’écoulement est élevée. Trois classes de taille des sédiments ont été définies dans le Basic Setup of Gaia avec un diamètre moyen de 0,0005 m, 0,02 m et 0,1 m. La simulation prévoit que seule la classe de granulométrie la plus fine se déplacera au débit de base (p. ex. dans la sortie de console pendant la simulation). Cette classe de sédiments fins de 0,5 mm de diamètre (sable) est transportée sous forme de lit et en suspension sans effet mesurable sur l’élévation du lit. On peut donc supposer que le modèle est essentiellement raisonnable physiquement, en particulier si l’on considère qu’on ne modélise presque pas l’élévation du lit de rivière malgré le pic de transport local des sédiments fins. Néanmoins, pour vérifier la plausibilité physique d’un modèle morphodynamique, il faut simuler des décharges plus élevées (inondations). Ensuite, les grains plus grossiers de 0,02 m (grave) et de 0,1 m (cobble) devraient aussi se déplacer.

Aussi la profondeur de l’eau, la vitesse du débit (vecteurs) et Topographic change devraient être analysées (en QGIS ou BlueKenue) puisque Gaia modifie les élévations du lit de rivière. Par exemple, si le modèle prédit Topographic change sous la forme d’une érosion profonde de 10 m au débit de base, les définitions de mots clés pour le riverbed devraient être révisées. De même, les paramètres hydro-morphodynamiquement pertinents tels que friction, ou direction and magnitude (bedload) correcteurs doivent être vérifiés.

Lorsqu’un modèle est finalement et approximativement significatif physiquement, le modèle peut être calibrated avec des données d’observation. La section suivante fournit une liste de mots-clés qui peuvent être utilisés pour étalonner Bedload et/ou Suspended load simulations avec Gaia.

Étalonnage¶

Cette section suppose que le modèle est déjà étalonné hydrodynamiquement (par exemple, en ce qui concerne le frottement) comme décrit dans le steady modeling section. Gaia peut ensuite être utilisé pour modéliser un hydrographe d’inondation avec un unsteady (quasi-steady) simulation. Le calibrage exige que les mesures de l’élévation du lit de rivière avant et après l’inondation soient disponibles (c.-à-d. une carte Topographic change).

Paramètres d’étalonnage de la charge de lit¶

La liste suivante de paramètres peut être envisagée pour l’étalonnage de la charge en lit dans Gaia:

• Representative roughness length $k'_{s}$ (cf. Equation (11)) with the keyword RATIO BETWEEN SKIN FRICTION AND MEAN DIAMETER $\alpha_{ks}$ (default: $\alpha_{ks}$=3.). Note that this keyword is a multiplier of the mean grain diameter $D_{50}$; thus: $k'_{s}= \alpha_{ks} \cdot D_{50}$ (goes into Equation (11)):

  • Pour utiliser ce paramètre d’étalonnage, assurez-vous que SKIN FRICTION CORRECTION : 1.

  • On dune-form sand riverbeds, start with $\alpha_{ks}$=37. Mendoza et al., 2017.

  • In alternating bar riverbeds, start with $\alpha_{ks}$=3.6 Mendoza et al., 2017.

  • Augmenter $\alpha_{ks}$ augmente la friction cutanée et donc les taux de transport de la charge de lit.

• Pour les modèles basés sur la formule Meyer-Peter and Müller (c.-à-d. utilisant un Shields parameter pour le mouvement des sédiments naissants), le mot-clé CLASSES PARAMETERS peut être modifié :

  • Si l’érosion est surestimée, augmenter CLASSES PARAMÈTRES.

  • Si l’érosion est sous-estimée, réduisez les paramètres **.

  • Portée typique : 0,03-0,06 pour les sédiments uniformes, jusqu’à 0,07 pour les lits blindés.

• Le MPM COEFFICIENT peut être ajusté (par défaut: 8):

  • Valeur originale de Meyer-Peter et Müller: 8

  • Correction de Wong-Parker pour les lits d’avion: 3.97 (avec CLASSES SHIELDS PARAMETERS : 0.0495)

  • Réduire pour diminuer les taux globaux de transport de la charge de lit.

• Avec la correction de pente activée et en utilisant les formules de correction Koch & Flokstra (1980), adapter le mot-clé BETA de l’équation (12) (par défaut est BETA : 1.3):

  • Si l’érosion dans les sections courbes du chenal est surestimée, diminuer BETA.

  • Si l’érosion dans les sections courbes du chenal est sous-estimée, augmenter BETA.

  • Plage typique: 1.0-2.0.

• Pour ajuster le profil de dépôt et d’érosion dans les courbes (riverbends), activer le mot-clé CURRENTS SECONDAIRES et modifier la valeur CURRENTS SECONDAIRES ALPHA COEFFICIENT (cf. Secondary Currents):

  • Par défaut : 1.0 (lit mou)

  • Pour les lits difficiles: 0.75

  • Influe sur l’intensité du flux hélicoïdal et donc sur la redistribution latérale des sédiments.

• Le mot clé HIDING FACTOR FORMULA (pour les sédiments multiclasses) contrôle la façon dont les particules plus fines sont cachées par les particules plus grossières:

  • 0: facteur de cache constant (default), qui exige que les valeurs par classe soient données avec le mot clé CLASSES HIDING FACTOR

  • 1: Formule Egiazaroff

  • 2: Formule Ashida & Michiue

  • 4: formule Karim, Holly & Yang

  • Influe sur la mobilité relative des différentes classes de sédiments.

Paramètres d’étalonnage de charge suspendus¶

La liste suivante de paramètres peut être prise en compte pour l’étalonnage du transport en suspension et du profil d’érosion des dépôts à Gaia:

• CLASSES SETTLING VELOCITIES :

  • Réduire pour augmenter la longueur du transport et réduire les taux de dépôt

  • Augmentation pour raccourcir les trajectoires de transport et améliorer les dépôts

  • Réglez à -9 pour utiliser le calcul automatique de Gaia en fonction de la taille du grain

• CLASSES CRITICAL SHEAR STRESS FOR MUD DEPOSITION :

  • Réduire pour maintenir les sédiments en suspension plus longtemps (déposition seulement à des contraintes de cisaillement plus faibles)

  • Augmentation pour permettre le dépôt à des contraintes de cisaillement plus élevées

  • Par défaut 1000 N/m2 désactive efficacement le seuil de dépôt

• LAYERS PARTHENIADES CONSTANT (constante du taux d’érosion $M$):

  • Augmentation des taux d ’ érosion

  • Réduire les taux d’érosion

  • Gamme typique: 1.E-04 à 1.E-02 kg/(m2·s)

• LAYERS STRESS DE CRITIQUE D’ÉROSION DU MUD:

  • Augmentation pour réduire l’érosion (seuil plus élevé)

  • Diminution pour accroître l’érosion (seuil inférieur)

  • Variables avec consolidation des sédiments; plage typique: 0,01-1,0 N/m2

• ** COEFFICIENT POUR LA DIFFUSION DES SEDIMENTS SUPPLÉMENTAIRES** (ou s’appuyer sur le modèle de turbulence; par défaut 1.E-6 m2/s):

  • Des valeurs plus élevées augmentent la propagation latérale des sédiments en suspension

  • Les valeurs inférieures concentrent les panaches de sédiments

Et ensuite?

Le modèle étalonné devra également être validé. La validation nécessite un autre ensemble de mesures de l’altitude du lit de rivière avant et après une autre inondation (c.-à-d. une autre carte spécifique à l’événement Topographic change). Hélas, les cartes Topographic change sont chères et il est rare d’avoir au moins trois DEMs de différents points dans le temps pour une section de rivière, ce qui permettrait la création de deux cartes Topographic change. Pour cette raison, l’ensemble de données d’étalonnage est souvent divisé en pratique. Par exemple, les 2/3 d’une carte Topographic change peuvent être utilisés pour l’étalonnage des modèles et les 1/3 pour la validation des modèles. Toutefois, ce partage fait que les deux ensembles de données ne sont pas statistiquement indépendants et que les chiffres de qualité de validation seront biaisés.