Assimilation de données variationnelle pour la modélisation hydrologique distribuée des crues à cinétique rapide

Dans la région Méditerranéenne les crues « éclair » représentent un risque des plus destructeurs ayant coûté la vie à de nombreuses personnes et entraînant des dommages matériels importants ces dernières années (Nîmes en 1988, Vaison-la-Romaine en 1992, Aude en 1999, Gard en 2002). Le groupe HydroEco de l'IMFT (Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse) a développé le code MARINE (Modélisation de l'Anticipation du Ruissellement et des Inondations pour des évéNements Extrêmes) qui est un modèle hydrologique distribué à base physique pour la prévision de ce type de crues. Une méthode d'assimilation variationnelle de données, la méthode de l'état adjoint, est implémentée dans le modèle MARINE. Cette méthode considère les paramètres d'entrée comme des variables de contrôle du modèle et les optimise en minimisant les écarts entre les observations et les simulations par l'intermédiaire d'une fonction coût. Le bassin d'étude est le bassin versant du Gardon d'Anduze sur lequel nous disposons d'une base de données d'évènements extrêmes. Une analyse de sensibilité préliminaire permet d'identifier les paramètres les plus sensibles du modèle afin de réduire l'équifinalité. Une première application de la méthode de l'état adjoint est alors utilisée pour la calibration du modèle. Elle permet de tester la validité des hypothèses physiques en évaluant les performances du modèle puis de suggérer des pistes d'amélioration. Un jeu de paramètres consistant, cohérent avec les résultats de simulations utilisant une méthode de Monte Carlo, est alors identifié. Les hydrogrammes de crues obtenus sont compris dans une plage d'incertitude réduite. La seconde application de cette méthode s'intéresse à la prévision des crues par l'emploi de deux stratégies différentes. La première consiste à utiliser les informations à l'exutoire pendant la phase de montée de crue pour prédire ce pic de crue. La seconde consiste à utiliser les observations d'une station intermédiaire à l'amont du bassin pour prédire le débit à l'exutoire. Ces deux stratégies permettent une anticipation du pic de crue de quelques heures, résultat essentiel d'un point de vue opérationnel

The Groundwater Drought Initiative (GDI): analysing and understanding groundwater drought across Europe

In Europe, it is estimated that around 65 % of drinking water is extracted from groundwater. Worryingly, groundwater drought events (defined as below normal groundwater levels) pose a threat to water security. Groundwater droughts are caused by seasonal to multi-seasonal or even multi-annual episodes of meteorological drought during which the drought propagates through the river catchment into the groundwater system by mechanisms of pooling, lagging, and lengthening of the drought signals. Recent European drought events in 2010–2012, 2015 and 2017–2018 exhibited spatial coherence across large areas, thus demonstrating the need for transboundary monitoring and analysis of groundwater level fluctuations. However, such monitoring and analysis of groundwater drought at a pan-European scale is currently lacking, and so represents a gap in drought research as well as in water management capability. To address this gap, the European Groundwater Drought Initiative (GDI), a pan-European collaboration, is undertaking a large-scale data synthesis of European groundwater level data. This is being facilitated by the establishment of a new network to co-ordinate groundwater drought research across Europe. This research will deliver the first assessment of spatio-temporal changes in groundwater drought status from ∼1960 to present, and a series of case studies on groundwater drought impacts in selected temperate and semi-arid environments across Europe. Here, we describe the methods used to undertake the continental-scale status assessment, which are more widely applicable to transboundary or large-scale groundwater level analyses also in regions beyond Europe, thereby enhancing groundwater management decisions and securing water supply

Computing and Restoring Global Inverse Consistency in Interactive Constraint Satisfaction

International audienceSome applications require the interactive resolution of a constraint problem by a human user. In such cases, it is highly desirable that the person who interactively solves the problem is not given the choice to select values that do not lead to solutions. We call this property global inverse consistency. Existing systems simulate this either by maintaining arc consistency after each assignment performed by the user or by compiling offline the problem as a multi-valued decision diagram. In this article, we define several questions related to global inverse consistency and analyze their complexity. Despite their theoretical intractability, we propose several algorithms for enforcing and restoring global inverse consistency and we show that the best version is efficient enough to be used in an interactive setting on several configuration and design problems

Data Assimilation Methodology

This chapter contains sections titled: Representation of the system ; Taking errors into account ; Simplified approach to optimum static estimation theory ; Generalization in the multidimensional case ; The different data assimilation techniques ; Sequential assimilation method: the Kalman filter ; Extension to non-linear models: the extended Kalman filter ; Assessment of the Kalman filter ; Variational methods ; Discreet formulation of the cost function: the 3D-VAR ; General variational formalism: the 4D-VAR ; Continuous formulation of the cost function ; Principle of automatic differentiation ; Summary of variational methods ; A complete application example: the Burgers equation ; Feedback on the notion of a model and the need for calibration ; Bibliography. RESUME EN FRANCAIS : Ce traité d'hydraulique environnementale étudie le cycle de l'eau depuis la météorologie jusqu'à la morphodynamique littorale, en passant par l'hydraulique des rivières, l'hydrogéologie ou encore par l'hydraulique maritime. Il décrit ces processus physiques, depuis les bassins versants jusqu'à la mer. Il dresse un inventaire des instruments de mesure terrain qui fournissent des données d'entrée aux outils de modélisation. Les modèles mathématiques décrivant chaque domaine sont détaillés par processus sous la forme de systèmes d'équations. Ces derniers sont résolus par la mise en œuvre de méthodes numériques adaptées à leurs caractéristiques. Plusieurs outils de modélisation utilisés de manière opérationnelle par les ingénieurs sont ensuite décrits. Enfin, de nombreux exemples d'application sur des cas réels illustrent l'ensemble de la démarche. Cet ouvrage accompagne le lecteur depuis l'observation en nature des processus physiques jusqu'aux études d'ingénierie menées par les bureaux d'études pour résoudre les problèmes complexes que posent les usages de l'eau dans notre quotidien. Le traité d'hydraulique environnementale concerne les domaines suivants : processus hydrologiques et fluviaux, processus estuariens et littoraux - systèmes d'acquisitions des données, modèles mathématiques en hydrologie et en hydraulique fluviale, modèles mathématiques en hydraulique maritime et modèles de transport, modélisation numérique - différences, éléments et volumes finis, approches spectrales, et assimilation de données, exemples d'applications des modèles numériques en ingénierie, logiciels d'ingénierie du cycle de l'eau

Justice familiale : tribunaux à l'arrêt, inégalités aggravées

De l’hôpital à l’école en passant par la recherche et la police, les services publics jouent un rôle majeur dans la crise du covid-19. Pour la première fois depuis longtemps, le pouvoir exécutif appelle même à renforcer leurs capacités, affaiblies par les réformes successives, menées au nom de la réduction de leurs coûts. La justice est une autre institution fragilisée par ces réformes néolibérales. Notre société en a pourtant fort besoin dans la période actuelle

Méthodologie de l'assimilation de données

Ce traité d'hydraulique environnementale étudie le cycle de l'eau depuis la météorologie jusqu'à la morphodynamique littorale, en passant par l'hydraulique des rivières, l'hydrogéologie ou encore par l'hydraulique maritime. Il décrit ces processus physiques, depuis les bassins versants jusqu'à la mer. Il dresse un inventaire des instruments de mesure terrain qui fournissent des données d'entrée aux outils de modélisation. Les modèles mathématiques décrivant chaque domaine sont détaillés par processus sous la forme de systèmes d'équations. Ces derniers sont résolus par la mise en œuvre de méthodes numériques adaptées à leurs caractéristiques. Plusieurs outils de modélisation utilisés de manière opérationnelle par les ingénieurs sont ensuite décrits. Enfin, de nombreux exemples d'application sur des cas réels illustrent l'ensemble de la démarche. Cet ouvrage accompagne le lecteur depuis l'observation en nature des processus physiques jusqu'aux études d'ingénierie menées par les bureaux d'études pour résoudre les problèmes complexes que posent les usages de l'eau dans notre quotidien. Le traité d'hydraulique environnementale concerne les domaines suivants : processus hydrologiques et fluviaux, processus estuariens et littoraux - systèmes d'acquisitions des données, modèles mathématiques en hydrologie et en hydraulique fluviale, modèles mathématiques en hydraulique maritime et modèles de transport, modélisation numérique - différences, éléments et volumes finis, approches spectrales, et assimilation de données, exemples d'applications des modèles numériques en ingénierie, logiciels d'ingénierie du cycle de l'eau

Apport de la mesure piézométrique sur la connaissance et la gestion des étiages. Exemples sur la nappe de la Craie en Champagne Ardennes

Contribution of piezometric measurement on knowledge and management of low water levels. Examples on the chalk aquifer in the Champagne Ardennes region. This article is based on a BRGM study on piezometric indicators, threshold values of discharges and groundwater levels for the assessment of potentially pumpable volumes of chalky watersheds. A method for estimating low water levels from groundwater levels is presented from three examples of chalk aquifer ; the first one is located in Picardy and the two other in the Champagne Ardennes region. Piezometers with “ annual” cycles, used in these examples, are supposed to be representative of the aquifer hydrodynamics. The analysis leads to relatively precise and satisfactory relationships between groundwater levels and observed discharges for this chalky context. These relationships may be useful for monitoring, validation, extension or reconstruction of the low water flow. On the one hand, they allow defining the piezometric levels corresponding to the different alert thresholds of river discharges. On the other hand, they clarify the distribution of low water flow from runoff or drainage of the aquifer. Finally, these correlations give an assessment of the minimum flow for the coming weeks. Nevertheless these correlations cannot be used in order to optimize the value of pumpable volumes because it seems to be difficult to integrate the value of the effective rainfall that could occur during the draining period. Moreover, these relationships are not exploitable for multi-annual systems. Thus, in these cases, the solution seems to lie on the realization of a rainfall-runoff-piezometric level model.Cet article s’appuie sur une étude du BRGM portant sur les indicateurs piézométriques, les valeurs seuils de débits et de niveaux de nappes pour in fine permettre une évaluation des volumes potentiellement prélevables sur les bassins versants crayeux. Une méthode permettant d’estimer les débits d’étiage à partir des niveaux piézométriques est présentée à partir de trois exemples de la nappe de la craie, en Picardie pour le premier et en Champagne Ardennes pour les deux autres. Les piézomètres à cycles «annuels » utilisés dans ces exemples sont considérés comme représentatifs du fonctionnement de leur nappe associée. L’analyse réalisée a permis d’établir, dans ce contexte crayeux, des relations univoques et relativement satisfaisantes entre niveaux piézométriques et débits observés. Ces relations peuvent être utiles à des fins de contrôle, validation, d’extension voire de reconstitution des débits d’étiage d’un cours d’eau. Elles permettent d’une part de définir les cotes piézométriques correspondant aux différents seuils d’alerte de débit des cours d’eau ; d’autre part de préciser la répartition du débit d’étiage provenant du ruissellement ou de la vidange de l’aquifère et finalement d’évaluer le débit minimal le plus critique des semaines à venir à l’aide de la vitesse de vidange de l’aquifère. Néanmoins l’utilisation de ces corrélations ne permettent pas d’optimiser la valeur des volumes potentiellement prélevables dans la mesure où il apparait difficile d’y intégrer le montant de la pluie efficace pouvant survenir durant la période de vidange. En outre, ces relations ne sont pas exploitables avec des systèmes à cycles pluri-annuels. La solution semble donc, dans ces cas-là, passer par la réalisation d’un modèle pluiedébit-niveau piézométrique.Stollsteiner Philippe, Nicolas Jérôme, Allier Delphine, Bessière Hélène. Apport de la mesure piézométrique sur la connaissance et la gestion des étiages. Exemples sur la nappe de la Craie en Champagne Ardennes. In: 35es journées de l’hydraulique de la Société Hydrotechnique de France. Hydrométrie 2013. Paris, 15-16 mai 2013. 2013

« MétéEAU Nappes » : un site Internet contenant des services utiles à la gestion des étiages

Le site Internet « MétéEAU Nappes » offre un ensemble de services permettant le suivi du comportement actuel et futur des aquifères en France et ainsi la disponibilité de la ressource en eau par anticipation. Il est possible, pour les points de surveillance actuellement proposés et associés à un modèle global, de visualiser les mesures les plus récentes issues du réseau piézométrique national. Ces données sont représentées sous forme de cartes et de courbes issues de travaux de modélisation et de prévision des niveaux des nappes en basses eaux en lien avec des problématiques de sécheresse. Ces prévisions, lancées sur 6 mois, sont comparées à des seuils piézométriques de sécheresse issus des arrêtés préfectoraux de restriction d'usage en cours. Des données météorologiques, hydrologiques et piézométriques sont mises en ligne en temps réel et en format interopérable sur 10 sites représentatifs de France métropolitaine. Les moyens technologiques employés afin d'aboutir à ces services sont : la technologie GPRS (à ce jour déployée sur près de 1400 stations du réseau piézométrique national) permettant de mettre à disposition quotidiennement les données mesurées, ainsi qu'une architecture technique dédiée s'appuyant sur des standards internationaux et sur des technologies récentes permettant le croisement de données temps réel de sources différentes et la valorisation de modélisations déjà effectuées. Le site Internet public ouvrira vraisemblablement en 2020

Influence de la variabilité basse-fréquence des niveaux piézométriques sur l’occurrence et l’amplitude des extrêmes

International audienc