Aide à la décision en situation de crue: le cas du Rhône en Valais

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1 Forum für Wissen 2007: Aide à la décision en situation de crue: le cas du Rhône en Valais Frédéric Jordan 1, Jean-Louis Boillat 2, Javier García Hernández 2, Jérôme Dubois 3 et Anton J. Schleiss 2 1 e-dric.ch Eau Energie Environnement, Grand Chemin 73, CH-1066 Epalinges 2 Laboratoire de Constructions Hydrauliques, Ecole Polytechnique Fédérale Lausanne, Station 18, CH-1015 Lausanne 3 HydroCosmos SA, Grand-Rue, Case postale, CH-1904 Vernayaz fred.jordan@e-dric.ch, jean-louis.boillat@epfl.ch, javier.garciahernandez@epfl.ch, jerome.dubois@hydrocosmos.ch, anton.schleiss@epfl.ch 1 Introduction L influence des aménagements hydro - électriques sur les débits lors des crues peut être déterminante (JORDAN et al. 2005a). Lorsque les surfaces drainées par les retenues d accumulation sont importantes et que les volumes disponibles dans les retenues sont suffisants, l effet de laminage produit par les aménagements peut fortement réduire les dommages sur le réseau des cours d eau aval. Cependant, cette influence dépend fortement des opérations de régulation des retenues réalisées par les exploitants, en particulier le turbinage et l utilisation des vidanges de fond (JORDAN et al. 2005b). Afin d optimiser l effet de protection des retenues d accumulation lors des crues, le recours à un système de prévision des débits fournit au décideur toute l information utile sur la situation hydrologique du bassin versant ainsi qu une vue générale de l évolution des débits dans le réseau hydrographique (DU PLESSIS 2002). Lorsque le modèle de prévision des débits est couplé à un modèle d optimisation, le système met en évidence les variables clés du problème et contribue à la décision des interventions à entreprendre (TURCOTTE et al. 2004). Les opérations préventives optimales des turbines et des vannes de vidange lors des crues sont effectuées dans le but d augmenter la capacité de stockage des retenues d accumulation avant la pointe de la crue. En effet, si les retenues sont presque pleines avant une crue, leur effet de laminage est réduit. Cette situation résulte des règlements d urgence des retenues qui, à partir d un certain niveau, imposent de relâcher un débit au moins équivalent au débit entrant. En conséquence, une vidange préventive des retenues avant la crue permet d augmenter le volume de stockage disponible et d optimiser l effet de laminage. Si les volumes libres avant la crue sont importants, il est alors possible de minimiser les rejets lors de la pointe de crue et de ne pas être contraint par le règlement d urgence (JORDAN 2007). La décision d abaisser préventivement le niveau des retenues avant une crue est généralement basée sur une prévision hydrologique, dont l incertitude peut être relativement élevée dans certaines situations. Par conséquent, le risque de pertes d exploita - tion suite à une vidange préventive inutile existe. En effet, le turbinage dans les périodes où le prix de l électricité est bas ne peut pas être totalement compensé si la retenue n est pas pleine à la fin de la crue. D autre part, la décision de ne pas turbiner ou de ne pas ouvrir les vannes de vidange lors de la pointe de la crue peut conduire à une réduction de la sécurité du barrage. Il est donc nécessaire de valider chaque décision en comparant les prévisions effectuées et les observations sur le terrain. Cette procédure permet de vérifier si la situation prévue se réalise effectivement. Un nouveau modèle de prévision et de gestion des crues a été développé pour le Rhône en Valais. Ce bassin versant alpin est caractérisé par la présence de nombreux aménagements hydroélectriques avec retenues d accumulation. La surface drainée par ces aménagements représente près de 30 % de la surface totale du bassin versant. Les récentes études ont montré qu une réduction de 10 % des débits de pointe avait été observée lors des trois dernières crues de 1987, 1993 et 2000 sous l effet du laminage par les rete - nues (BOILLAT et al. 2002; RABOUD et al. 2001). Néanmoins, si les turbines et vannes de vidange avaient été utilisées de manière optimale, une protection supplémentaire du bassin versant aurait pu être réalisée et les débits de pointe du Rhône plus fortement réduits. Cet article présente le concept général et le fonctionnement du nouveau système de prévision et de gestion des crues du Rhône appelé MINERVE, avec son modèle d aide à la décision, ainsi qu un exemple d application lors de l alarme eau de septembre Le système de prévision et de gestion des crues MINERVE Le modèle MINERVE (Modélisation des Intempéries de Nature Extrême, des Retenues Valaisannes et de leurs Effets) est un système de prévision et de gestion des crues du Rhône à l amont du Léman. Les objectifs de ce système sont la prévision des débits 72 heures en avance en tout point du bassin versant d une surface totale de 5520 km 2. Le système fournit également des recommandations pour l exploitation des aménagements hydroélectriques à accumulation situés sur le bassin versant lors des crues. En outre, il permet la visualisation de la situation météorologique et hydrologique du bassin versant. Comme illustré à la Figure 1, le bassin versant du Rhône en amont du Léman est caractérisé par la présence de nombreux aménagements hydro - électriques dont la répartition spatiale est homogène ce qui offre une certaine souplesse pour le stockage des volumes écoulés et le contrôle des crues pour des situations hydro-météorologiques diverses. Le fonctionnement général du système MINERVE est présenté schématiquement à la Figure 2. Les prévisions météorologiques sont issues du modèle

2 80 Forum für Wissen 2007 Fig. 1. Le bassin versant du Rhône à l amont du Léman, les principaux aménagements hydroélectriques ainsi que les surfaces drainées vers des retenues d accumulation. Finalement, les débits prévus en certains points de contrôle du réseau hydrologique sont utilisés comme entrée du modèle d optimisation. Ce dernier exploite également les niveaux des retenues ainsi que l état de fonctionnement des différents ouvrages (turbines, pompes, prises d eau, vidanges de fond). Grâce à ces données, le modèle d optimisation calcule le programme des opérations de vidange par turbinage ou par ouverture des organes de vidange, de manière à contrôler au mieux le débit des cours d eau aval. A la fin de cette procédure, les opérations de vidange préventive proposées par le modèle sont applicables jusqu à la prochaine prévision météorologique (12 heures plus tard) ou jusqu à la prochaine mise à jour du modèle. Actuellement, seules des prévisions météorologiques déterministes sont exploitées par le système. Toutefois, l usage de prévisions probabilistes est en cours de développement dans le cadre du projet MINERVE. 3 Aide à la décision en situa tion de crue Fig. 2. Fonctionnement général du modèle de prévision et de gestion des crues MINERVE. Q (débit), P (précipitations), T (température), ETP (évapo-transpiration potentielle), ETR (évapo-transpiration réelle), AmHydro (aménagements hydroélectriques) utilisés en entrée du modèle. COSMO-7 de MétéoSuisse. Les précipitations (P), les températures (T) et l évapo-transpiration potentielle (ETP) sont fournies 72 heures en avance avec une résolution de 7 km 7 km. Les précipitations et l évapo-transpiration potentielle sont fournies au sol, tandis que les températures sont disponibles à différentes altitudes avec une résolution verticale de 100 m. Le modèle de simulation hydrologique est alimenté par les données ou prévisions de précipitation, température et évapo-transpiration potentielle. Le modèle conceptuel semi-distribué simule les processus de fonte de neige, de fonte de glace ainsi que l infiltration et le ruissellement (SCHÄFLI et al. 2005). Les cours d eau ainsi que les ouvrages hydrauliques (prises d eau, retenues, turbines, pompes, déversoirs) sont également modélisés. Les résultats des simulations hydrologiques sont ensuite comparés avec les mesures de débit en différents points de contrôle du modèle et ce dernier est automatiquement mis à jour par une procédure de filtrage des conditions initiales du modèle hydrologique. Après la mise à jour du modèle, les prévisions météorologiques issues du modèle COSMO-7 sont utilisées en entrée et une prévision hydrologique est effectuée pour les 72 prochaines heures. L utilisation des aménagements hydroélectriques pour le contrôle des crues est une opération risquée. Si les objectifs du décideur sont prioritairement de limiter les débits dans les cours d eau à une valeur acceptable, ils doivent aussi considérer l économie des moyens. Il s agit ainsi de limiter les pertes économiques liées aux opéra - tions préventives lors des crues. On sait que les prévisions hydro-météoro - logiques quantitatives sont d une pré - cision limitée, en particulier pour ce qui concerne les précipitations. Il n est donc pas recommandable d utiliser ces données sans autre contrôle. Heureusement, l utilisation simultanée d un outil de prévision hydrologique et de systèmes d information en temps réel offre une complémentarité qui permet au décideur de bénéficier d une base solide. Le processus général lié à la prise de décision en situation de crue suit un déroulement logique, tel que schématisé à la Figure 3. Lorsqu une alarme eau est émise par MétéoSuisse, la procé - dure démarre. Une première prévision hydrologique est effectuée, basée sur la

3 Forum für Wissen Application du système lors de l alarme de septembre 2006 Fig. 3. Procédure de décision en situation de crue. La comparaison entre prévisions et observations aux points critiques du bassin versant est à la base de toute décision. prévision météorologique la plus récente. Un diagnostic de la situation hydrologique du bassin versant est alors posé, afin de mettre en évidence les points critiques sur le réseau hydrographique. A cet instant, il est important de bien noter quelles conditions hydrométéorologiques mènent à d éventuels problèmes dans le bassin versant. Il convient en particulier de noter quelles sont les valeurs moyennes des précipitations et températures qui conduisent à des débits prévisionnels élevés dans certains cours d eau du bassin versant. Tant que la situation n est pas critique, il est nécessaire d attendre quelques heures jusqu à la prochaine prévision météorologique ou jusqu à la prochaine mise à jour du modèle hydrologique. Les débits, mais aussi et surtout les précipitations et températures prévues et observées doivent être comparés. Les différences entre valeurs prévues et observées doivent alors être consignées. De plus, le temps de réponse du bassin versant ainsi que les délais requis pour les opérations préventives doivent être connus. Toutes ces informations conditionnent le délai nécessaire pour que l application des opérations de vidange préventive produise les effets escomptés: en cas de surestimation (des précipitations par exemple), il est possible d attendre avant de procéder à des opérations de vidange préventive, éventuellement jusqu à la prochaine prévision ou au moins jusqu à l apparition de précipitations plus fortes, toujours en considérant le temps de réponse du bassin versant. en cas de sous-estimation des débits, précipitations ou températures, la situation devient critique plus tôt que prévu. Une première raison à cet état de fait peut être le décalage des prévisions météorologiques. Une autre raison peut résulter de la sous-estimation des précipitations et/ou des températures. Dans ce cas, les observations radar peuvent contribuer à déterminer s il s agit d un décalage temporel ou d une sous-estimation des valeurs météorologiques. Il est alors nécessaire de préparer les procédures d urgence (opérations de vidange préventive, alarmes, information, évacuations, etc.) pour la réduction des dommages dans le bassin versant, et de procéder au plus vite à de nouvelles prévisions de débit. Dès qu une nouvelle information est disponible (nouvelle observation, nouvelle prévision), la procédure de déci - sion doit à nouveau être appliquée, et ceci jusqu à ce que l alerte soit terminée. La première application opération - nelle du système MINERVE a été effectuée suite à une alarme délivrée par MétéoSuisse, le 13 septembre Selon le message délivré, de fortes précipitations venant du Sud, associées à des températures élevées, étaient attendues pour la période du 14 septembre à midi au 15 septembre 2006 à midi. Les régions les plus touchées devaient être les vallées des Vièges, de Conches ainsi que le bassin d Aletsch. Le temps de réponse du bassin versant est évalué à environ 12 heures à Sion et 30 heures à l exutoire dans le lac Léman. En outre, le délai opéra - tionnel pour des opérations de vidange préventive varie entre 18 et 30 heures, selon les études menées lors du développement du système (JORDAN 2007). Selon l information à disposition, l heure d apparition du débit de pointe était prévue le 15 septembre vers midi. Afin de réduire les débits de pointe dans le Rhône en effectuant des opérations préventives sur les retenues d accumulation, il était nécessaire de les initier le 14 septembre à midi. Il était donc possible d attendre jusqu au 14 septembre dans la matinée avant d utiliser réellement les ouvrages de vidange des retenues, ce qui permettait la mise en place simultanée d autres mesures d urgence (information, préparation de dispositifs de protection mobiles, etc.). Le 14 septembre à midi, la dernière information prévisionnelle disponible était la simulation COSMO-7 du 14 septembre à minuit. Cette prévision a été utilisée pour lancer une simulation avec les conditions initiales du 14 septembre 2006 à midi. Les résultats ont montré que le point de contrôle critique était situé à Sion (Fig. 4). A cet endroit, les hydrogrammes prévus atteignaient des débits de pointe de 1100 m 3 /s en faisant abstraction de l influence des retenues d accumula - tion, 950 m 3 /s en considérant l effet des aménagements hydroélectriques et 800 m 3 /s en introduisant l opération préventive optimale des aménagements. Pour atteindre cette réduction du débit dans le Rhône, les opérations

4 82 Forum für Wissen 2007 de vidange préventives devaient débuter le 14 septembre à midi. Comme présenté à la Figure 4, il était suffisant d effectuer des opérations de vidange préventive 24 heures avant l arrivée probable de la pointe de crue à Sion. Ces opérations devaient permettre de limiter le débit de pointe endessous de la capacité du cours d eau. De plus, le système montrait que la contribution principale au débit de pointe provenait du bassin versant des Vièges, important contributeur à l amont de Sion. Pour cette raison, il devenait indispensable de focaliser l attention sur l évolution des condi - tions hydro-météorologiques sur cette région. Dans le bassin des Vièges, de fortes précipitations étaient attendues avant le 14 septembre à midi, comme présenté à la Figure 5. Toutefois, il fut observé que les fortes précipitations prévues n avaient pas encore débuté dans la matinée du 14 septembre, et que les débits mesurés restaient à leurs valeurs habituelles. Tous les indices montraient donc que les prévisions hydro-météorologiques étaient surestimées, ou du moins décalées dans le temps (en avance). Il était donc possible d attendre avant de décider du lancement d opérations de vidange préventive, au moins jusqu à la prochaine prévision météorologique COSMO-7. Comme les précipitations avaient au moins 12 heures de retard, les opérations de vidange préventives pouvaient être décalées d autant. Lorsque la prévision COSMO-7 du 15 septembre à minuit a été disponible, il a pu être décidé de ne pas effectuer d opérations préventives des retenues d accumulation bien que celles-ci aient été relativement pleines. En fait, malgré les fortes intensités prévues, aucune précipitation importante n avait été observée durant les dernières 24 heures sur le bassin versant, ce qui confirmait que les prévisions météorologiques étaient largement surestimées. incertitudes associées aux prévisions quantitatives des précipitations et consécutivement aux prévisions de débit placent le décideur dans une situation délicate. S il est vrai que les retenues d accumulation offrent un important potentiel de protection, la décision de lancer des opérations de vidange préventive doit être prise sur la base de prévisions, en raison d un délai opéra - tionnel important. Pour cette raison, le décideur a besoin de plusieurs indices fiables et de natures différentes pour évaluer la fiabilité des prévisions de débit fournies par le système d information. Comme présenté dans cet article, le diagnostic de la situation hydrologique Fig. 4. Hydrogrammes prévisionnels le long du Rhône à Sion. Comparaison entre hydrogrammes sans aménagement hydroélectrique, avec aménagements et avec opérations préventives optimales des aménagements. Les rejets optimaux sont également présentés. Fig. 5. Comparaison entre précipitations prévues et observées (axe de droite), débits prévus et observés à l exutoire du sous-bassin versant des Vièges (axe de gauche). 5 Discussion et conclusions La prise de décision en situation de crue est une tâche compliquée, en particulier dans les régions où se trouvent de nombreux aménagements hydro - électriques à accumulation. Les fortes Fig. 6. Observations Radar du à 3h50. Les précipitations observées sont localiséees dans la partie sud-est du bassin versant du Rhône.

5 Forum für Wissen du bassin versant, ainsi que la comparaison entre prévisions et observations sont des tâches de première importance. Une telle analyse contribue à la définition d une stratégie efficace permettant de limiter les incertitudes liées aux modèles prédictifs. En tenant compte du temps de réponse du bassin versant ainsi que des délais opérationnels de vidange préventive, il est pos - sible d attendre avant de prendre la décision qui s impose. Une autre source d informations très utile provient des mesures radar, qui aident à visualiser la localisation et l intensité des précipitations en temps réel. Les observations radar du 14 septembre 2006 à 16h, présentées sur la Figure 6, montrent clairement que les précipitations ne se produisaient pas dans les sous-bassins versants censés les subir. L utilisation de prévisions globales ou probabilistes ouvre des pistes prometteuses pour réduire l incertitude (KIM et al. 2006; KOMMA et al. 2006). Il est actuellement possible d exploiter des prévisions quantitatives probabi - listes des précipitations pour calculer les prévisions de débit. Avec de tels outils, il sera possible d associer une probabilité de succès à chaque décision de régulation d un aménagement hydro électrique. Les objectifs de la recherche actuellement en cours sur le bassin versant du Rhône à l amont du Léman sont de développer cette pré - vision probabiliste et de fournir au décideur toute l information nécessaire à une meilleure évaluation de la fiabi - lité et de l efficacité probable de chaque décision. Remerciements L article présente les derniers développements du projet MINERVE, financé par l Office Fédéral de l Environnement et le Canton du Valais. Les pré - visions météorologiques numériques sont gracieusement fournies par MétéoSuisse. 6 Références BOILLAT, J.-L.; DUBOIS, J.; SCHLEISS, A., 2002: Flood Modeling and Prevention in the Rhone Basin upstream of Lake Geneva, in Proceedings of International Conference on Flood Estimation, Bern. DU PLESSIS, L.A., 2002: A review of effective flood forecasting, warning and response system for application in South Africa. Water Sa 28, 2: Abstract Real-time decision-making during floods: application to the upper rhone river in Switzerland The influence of hydroelectricity multireservoir systems on the peak discharge in rivers during floods can be significant. When the surfaces drained by the accumulation reservoirs and their own available storage volume before the flood are important, the reservoir routing effect can reduce the flood damages along the water courses downstream. However, the reduction of the peak flow during such events strongly depends on the water releases through turbines, bottom outlets or spillways achieved by the dam operators. In order to optimize the protection effect due to reservoir routing during floods, the use of a discharge forecast system gives the required information about the hydrological situation in the catchment area and provides to the decision-maker a general view and a predicted evolution of the discharges in the river network. When coupled to an optimization tool, it is possible to directly highlight the keyvariables of the system and to decide which release or storage operations at the reservoirs have to be made. A new tool for forecast and management of floods was developed for the Upper Rhone River basin in Switzerland. The goals of the system are to provide the decision-maker relevant information about the meteorological and hydrological situation and to propose an optimal preventive operating strategy for the existing hydropower schemes in the catchment area. The functioning of the tool is presented with the example of a flood alert delivered in September 2006 by MeteoSwiss. Keywords: flood forecast, multireservoir systems, storage hydropower plants, decision-making, reservoir routing, Switzerland JORDAN, F.; BOILLAT, J.-L.; DUBOIS, J.; SCHLEISS, A., 2004: MINERVE, a tool for flood prediction and management of the Rhone river catchment area, in Pro - ceedings of Risks in Design and Management of Rivers and Reservoirs, Dresden, TU Dresden JORDAN, F.; BOILLAT, J.-L.; DUBOIS, J.; SCHLEISS, A., 2005a: Real-time flood management by preventive operations on multiple alpine hydropower schemes, in Proceedings of the 31 th IAHR Congress, Seoul. IAHR JORDAN, F.; BOILLAT, J.-L.; DUBOIS, J.; SCHLEISS, A., 2005b: Prévision et gestion des crues par opérations préventives sur les retenues alpines, in Proceedings of 22th Congress of Large Dams, Barcelone, CIGB/ICOLD JORDAN, F., 2007: Flood forecast and flood management model Optimization of the operation of storage power plants for flood routing, Ph.D. thesis report n 3711, Ecole Polytechnique Fédérale Lausanne. KIM, Y.-O.; JEONG, D.; KO, I.H., 2006: Combining Rainfall-Runoff Model Outputs for Improving Ensemble Streamflow Prediction. J. Hydrol. Eng. 11, 6: KOMMA, J.; RESZLER, C.; BLÖSCHL, G.; HAIDEN, T., 2006: Ensembleprognosen von Hochwasserabflüssen, in Pro - ceedings of Hochwasservorhersage- Erfahrung, Entwicklungen & Realität, Vienna, Wiener Mitteilung, TU Wien. Band 199: RABOUD, P.-B.; DUBOIS, J.; BOILLAT, J.-L.; COSTA, S.; PITTELOUD, P.-Y., 2001: Projet MINERVE-Modélisation de la contri - bution des bassins d accumulation lors des crues en Valais, Wasser Energie Luft- Eau Energie Air, 93. Jahrgang, 11/12, RESZLER, C.; BLÖSCHL, G.; KOMMA, J., 2006: Simulation der Kraftwerkssteuerung für den Kamp, in Proceedings of Hochwasservorhersage- Erfahrung, Entwicklungen & Realität, Vienna, Wiener Mitteilung, TU Wien. Band 199: SCHÄFLI, B.; HINGRAY, B.; NIGGLI, M.; MUSY, A., 2005: A conceptual glacio-hydro - logical model for high mountainous catchments. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discussions 2: TURCOTTE, R.; LACOMBE, P.; DIMNIK, C.; VILLENEUVE, J.P., 2004: Distributed hydrological forecast for the management of public dams in Quebec. Can. J. Civ. Eng. 31, 2:

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