SIMBA LE SIMULATEUR DE BARRAGE POUR LA FORMATION DES EXPLOITANTS A LA GESTION DES OUVRAGES HYDRAULIQUES EN CRUE Dam simulator for training operators in the management of hydraulic structures during a flood Laurent Del Gatto, Pierre Mazingue EDF DPIH, Centre d'ingénierie Hydraulique Le Bourget du Lac Tél: +33 (0)4 79 60 61 13, e-mail: laurent.del-gatto@edf.fr, pierre.mazingue@edf.fr Eric Demay EDF R&D, Laboratoire National d Hydraulique et Environnement Chatou Tél: +33 (0)1 30 87 78 22, e-mail: e.demay@edf.fr La gestion d un aménagement hydraulique en période de crue est une activité soumise à de forts enjeux ; notamment de sûreté et juridiques. Il est donc essentiel que les exploitants soient bien préparés à cette situation exceptionnelle. Fruit d'une collaboration étroite entre l'ingénierie Hydraulique, la R&D, et le Service de la Formation Professionnelle d'edf, le simulateur de barrage SIMBA à été conçu pour répondre à ce besoin. The management of a hydraulic structure during a flood is an activity where there is a lot at stake, especially with regard to safety and legal implications. It is therefore essential that operators are well-prepared for this exceptional situation. The SIMBA program, the result of close collaboration between EDF's Hydraulic Engineering, R&D and the Professional Training Division, enables the operator to practise the application of flood safety procedures under realistic conditions and to deal with various flood scenarios. I INTRODUCTION L'activité de gestion des aménagements hydrauliques en période de crue est une activité exceptionnelle pour un exploitant de barrage. «Activité exceptionnelle» sous-entend que, plus cette activité de conduite en période de crue est différente de l'activité quotidienne de l'agent ou mobilise des connaissances qui ne sont pas utilisées de manière régulière, plus elle sera difficile pour l'agent en question. De plus, cette activité vient interrompre l'activité quotidienne de l'agent d'exploitation en devenant une tâche prioritaire soumise à forts enjeux : enjeux de sûreté, enjeux juridiques, enjeux liés à l'image de l'entreprise donnée à l'extérieur. En la matière, une bonne préparation est de rigueur. Cette préparation passe en premier lieu par la mise au point pour chaque ouvrage de procédures d exploitation spécifiques à la situation de crue : les «consignes de crue» définissent ainsi tant d un point de vue organisationnel que technique les objectifs à respecter lors du passage d une crue, ainsi que les moyens mis en oeuvre pour les atteindre. Au delà, la formation et l entraînement régulier des exploitants à l application de ces consignes sont nécessaires. Il s agit pour lui de s approprier les documents, de se familiariser avec les gestes et calculs qui doivent être réalisés lors de la conduite en manuel des vannes, de se préparer à la gestion d évènements rares : crue exceptionnelle, défaillance de matériel, etc.
Pour ce faire EDF a développé le simulateur de conduite barrage SIMBA, reproduisant l environnement matériel et le comportement des retenues en période de crue, et sur lequel l exploitant peut s entraîner à conduire son aménagement en crue dans des situations normales ou exceptionnelles. II PRINCIPES DE CONDUITE EN PERIODE DE CRUE Pendant un épisode de crue intéressant son barrage, le responsable d exploitation doit poursuivre deux objectifs vitaux (doctrine EDF) : Empêcher la submersion de l ouvrage afin de maintenir son intégrité : en pratique, la cote dite des plus hautes eaux (PHE) ne devra pas être dépassée. Assurer la transparence de l ouvrage : les conséquences de la crue ne devront pas être aggravées par rapport à celles qui auraient été relevées en l absence d ouvrage. En pratique, ce principe général se traduira principalement comme suit : o à l aval de l ouvrage le débit maximal en sortie du barrage relevé pendant l'épisode de crue en cours ne doit pas dépasser le débit maximal entrant constaté pendant la crue ; le gradient maximal de débit en sortie ne doit pas dépasser de plus de 50% celui relevé pour le débit entrant (pour le cas des évacuateurs vannés). o à l amont de l ouvrage l inondation éventuelle des berges due à la crue ne doit pas être augmentée par la présence du barrage. Les principes opérationnels de conduite qui en découlent dépendent en grande partie de la nature de l ouvrage concerné. Ils sont résumés ci-dessous. II.1 Aménagements capacitifs Ces aménagements sont en général constitués d un barrage fixe, équipé d évacuateurs de crue de surface. Le réservoir présente une capacité de stockage importante. Dans la retenue les lignes d eau sont sensiblement horizontales. Le niveau d eau y reste indépendant du débit entrant : son évolution ne dépend que de la différence entre le débit entrant et le débit sortant (stockage du volume). En conséquence l équilibrage entre débit sortant Q s et débit entrant Q e est suffisant pour respecter les contraintes énoncées plus haut. Figure 1 : barrage de Bort-les-Orgues En général cet équilibre est assuré au moyen d un mode de gestion dit «de type Dordogne», à l aide notamment d abaques fournissant les lâchures à réaliser au barrage (incrément de Q s ) en fonction de la cote de la retenue z et de sa variation z pendant une période de temps donnée. Ces abaques sont établies de sorte que Q s augmente progressivement pour que l égalité Q s = Q e soit atteinte (puis maintenue tant que toutes les vannes ne sont pas ouvertes) lorsque z atteint la cote maximale de rétention RN.
II.2 Aménagements en rivière Figure 2 : barrage de La Croux Il s agit d aménagements de moindre hauteur, constitués par un «Barrage Mobile en Rivière» (ou BMR). Ce dernier comporte souvent des vannes de fond et de surface et peut être totalement effacé. Ces aménagements créent des retenues de faible capacité où les contraintes en période de crue sont souvent complexes (dynamique des lignes d'eau, influencement des ouvrages par l'aval...). En particulier les lignes d eau en crue ne sont plus horizontales, et la pente de l écoulement augmente avec le débit transitant dans le bief (phénomène de basculement des lignes, illustré par les lignes d eau bleu et rouge de la Figure 3). Le respect des contraintes de niveau à l amont de l ouvrage nécessite alors de baisser la retenue, au fur et à mesure que le débit entrant augmente (abaissement illustré par la ligne d eau verte de la Figure 3). La conduite en crue est alors essentiellement basée sur la mise en œuvre d'une loi d'abaissement (ou de maintien) d'une cote en un ou plusieurs points de la retenue, z c = f(q e ). Le débit entrant est mesuré (station de mesure en amont, hors du remous de la retenue). Le débit sortant Q s est alors asservi à l écart z - z c entre la cote réelle et la cote de consigne, soit en manuel par l exploitant, soit par un automate : une loi de conduite permet de déterminer, à intervalles de temps réguliers, le débit sortant à évacuer. Amont 245 240 2500 m 3 /s Point critique (pont) 235 200 m 3 /s Niveau [m NGF] 230 225 220 Barrage 215 210-3000 -2000-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Distance [m] Figure 3 : exemple de lignes d eau à l amont d un BMR (Lacroux - Tarn)
Dans les deux cas (retenues capacitives et BMR) le débit sortant à réaliser doit être réparti sur les différentes vannes de l ouvrage. Les abaques de débitance des vannes permettent alors de déterminer (en fonction du niveau amont barrage et souvent aval barrage pour les BMR) les ouvertures à réaliser. III LE SIMULATEUR DE CONDUITE SIMBA 2.0 Depuis plusieurs années, EDF a accompli un travail important pour renforcer et formaliser les bases scientifiques et la méthodologie permettant d'élaborer les procédures de conduite en crue : standardisation de la conduite de type «Dordogne», élaboration des lois d'abaissement en période de crue, détermination du débit à évacuer et des ouvertures des vannes, etc. Au-delà de ce travail méthodologique, il est essentiel que l'exploitant soit bien préparé à la situation exceptionnelle qu'est la gestion de son barrage en condition de crue, et qu il soit formé à la mise en œuvre de ses consignes de crue. Le simulateur de barrage SIMBA a été conçu pour répondre à ce besoin. Fruit d'une collaboration étroite entre l'ingénierie Hydraulique, la R&D, et le Service de la Formation Professionnelle d'edf, cette plate-forme de simulation offre à l'exploitant un modèle complet des différents systèmes composant son aménagement et de leurs interactions (Figure 1). Consignes de crue Position des vannes Hydrogramme de crue Débit entrant Ouverture Fermeture Modèle des vannes Débit sortant Modèle hydraulique du bief Elève en formation Loi hauteur/débit aval Niveau aval barrage Ligne d'eau dans le bief Niveau amont barrage Niveaux aux limnimètres (points de réglage, points critiques) Figure 4 : schéma de principe de la modélisation d un aménagement dans SIMBA III.1 Modélisation hydraulique du bief Pour les aménagements capacitifs la résolution de l équation de continuité (bilan de volume) permet, via les courbes de capacité de la retenue de déterminer à chaque instant la cote du plan d eau. Dans le cas des Barrages Mobiles en Rivière, la dynamique des écoulements et l évolution des lignes d eau doivent être simulées de manière plus fine. Pour ce faire le simulateur SIMBA utilise le code d hydraulique transcritique 1D Mascaret, qui permet de résoudre les équations de Saint-Venant en régime non permanent. Ce logiciel permet de prendre en compte : des géométries complexes (cf. Figure 5) : lits composés (mineur, majeur, zones de stockage), réseaux ramifiés ou maillés, «casiers» de débordement. une grande variée de singularités hydrauliques (pertes de charges, seuils noyés ou dénoyés, déversoirs latéraux, etc.).
Figure 5 : exemple de réseau hydraulique modélisé (Fudaa-Mascaret, bief de Gerstheim - Rhin) La mise en œuvre de tels modèles hydrauliques déjà bien répandue pour la réalisation d études s effectue ici dans un contexte proche de celui des modèles embarqués. La simulation dans SIMBA du couplage «temps réel» entre modèles de vannes, modèle d écoulement 1D et action de l exploitant sur les ouvrages (cf. Figure 4) n est pas envisageable avec un code d hydraulique «stand-alone», pour lequel l ensemble des conditions aux limites (débits entrant et sortant) doit être fourni par avance sur toute la durée de la simulation. Un effort important a donc été réalisé pour rendre Mascaret inter-opérable, et le pourvoir d une API informatique permettant un pilotage complet du calcul par une plate-forme externe. Mascaret se présente pour SIMBA comme une «boite noire» (fonctionnellement très voisine de la représentation des systèmes sous forme d état, bien connue en automatique) offrant différents services auquel SIMBA peut faire appel au cours de la simulation globale de l aménagement : l importation d un modèle hydraulique (ImportMascaret) l initialisation d une ligne d eau (InitMascaret) l exécution d un ou plusieurs pas de temps de calcul (RunMascaret) Bien entendu la modélisation et le calage du bief sont effectuées au préalable, hors de SIMBA. III.2 Modélisation des ouvrages SIMBA permet de représenter un large champ d organes de production et d évacuation des crues, réglables ou non : des groupes de production (commandés en débit ou en puissance) ; des déversoirs libres, clapets ou vannes automatiques ; des vannes de surface, de 1/2 fond, de fond. des clapets sur vannes à commande séparée ou commune. Chacun de ces ouvrages peut être rattaché à une des limites du modèle hydraulique. Chaque ouvrage est paramétré par ses abaques de débitance (ouvertures / cotes / débits). L influence éventuelle de la cote aval est traitée (noyage des vannes inférieures des aménagements BMR). Par ailleurs les principaux paramètres régissant la dynamique de manœuvre sont également représentés : vitesses d ouverture, pas de crantage, etc. (cf. Figure 6).
III.3 Figure 6 : fenêtre de paramétrage SIMBA d un ouvrage de type «clapet sur vanne» (barrage de Labrioulette - Garonne) IHM de commande Pour chaque aménagement, une IHM représentant le panneau de commande du barrage est créée. C est à travers cette IHM que l exploitant en formation pourra simuler la conduite de ses ouvrages. La création de cette IHM s effectue de manière graphique (par copier-coller de différents composants élémentaires disponibles dans une palette : affichage de valeurs, actionneurs, alarmes). Elle est donc facilement configurable, d où une représentation très réaliste de l environnement de conduite de l exploitant (cf. exemple de la Figure 7). Figure 7: représentation sous synoptique SIMBA (à gauche) et photographie (à droite) du tableau de commande des EVC du barrage de La Croux (Tarn) Outre l aspect graphique, le comportement de cette IHM peut également être configuré de manière précise. Chaque élément graphique actif (bouton, afficheur...) est associé à un «repère».
Ces repères pointent en fait vers une base de données temps réel où sont stockées (et partagées) l ensemble des variables décrivant l évolution de l état du système (position des vannes, cotes d eau calculées par le modèle hydraulique, débits, ordres tout ou rien de manœuvre, etc.). Un «serveur de formule» permet si nécessaire de représenter des comportements plus élaborés et de les associer à un élément graphique de l IHM. Par exemple on peut voir Figure 8 un script associé à un bouton de commande d une passe : lors de l appui (clic) sur ce bouton en cours de simulation, un ordre d ouverture ne sera effectivement envoyé au simulateur que si l aménagement est en commande manuelle ; cet ordre concernera la vanne inférieure si le clapet supérieur est ouvert au maximum (vannes accrochées), sinon le clapet lui même. Figure 8 : serveur de formules - exemple de script associé à un bouton de l IHM. A noter qu il est tout à fait possible de créer sur le même principe d autres IHM, certaines pouvant être masquées à l exploitant pendant la formation (et accessibles uniquement au formateur). III.4 Restitutions Durant la simulation un ensemble de restitutions est généré, et consultable en temps réel ou différé. Il s agit principalement : de restitutions textuelles, constituant un «journal» des actions réalisées par l exploitant ; de restitutions graphiques (courbes d évolution des niveaux, des débits, des ouvertures des vannes, etc.), avec des possibilités de paramétrage aussi souples que pour la création d IHM (Figure 9) ; d une vue animée des lignes d eau durant la crue (seulement pour les BMR, Figure 10). Pour une formation proche de la réalité, ces restitutions ne sont en principe pas visibles de l exploitant durant la simulation (ce dernier ne dispose sur le panneau de commande que des mesures aux points équipés de limnimètres, des ouvertures de vanne, des alarmes...) ; sauf si pour des raisons pédagogiques le formateur le souhaite. Dans tous les cas elles permettent a posteriori une analyse riche et rapide de la simulation du passage de l évènement de crue, et des actions de l exploitant.
Figure 9 : restitutions graphiques. Figure 10 : vue animée de la ligne d eau. Ainsi, au-delà de la mise en situation réelle, SIMBA restitue le comportement de l'aménagement BMR de manière complète sur l'ensemble de la rivière, permettant ainsi à l'exploitant d'appréhender concrètement l'interaction entre ses manœuvres au barrage et des phénomènes hydrauliques à plus grande échelle. III.5 La simulation SIMBA permet de définir des scénarios de simulation très complets, en choisissant : des hydrogrammes de crues (débits entrant dans l aménagement) observés ou théoriques ; d éventuelles pertes d information, par exemple sur les niveaux mesurés ; différents types d incident (déclenchement de groupe, défaut sur une vanne...) qui peuvent être immédiats ou sur manœuvre. Les simulations peuvent se dérouler en temps réel et/ou accéléré (cette dernière possibilité étant par exemple utilisée une fois que le barrage est effacé, jusqu à reprise de la conduite par l exploitant). Lors de l entraînement d un exploitant, la simulation se déroule en mode manuel, l exploitant manœuvrant au fur et a mesure du temps ses ouvrages via l IHM du panneau de commande. Il existe également un mode dit «démonstration» permettant d appliquer de façon automatique une loi de conduite préalablement configurée pour l aménagement dans le simulateur. Cette loi de conduite est basée (cf. II) : sur une conduite en débit de type «Dordogne» pour les aménagements capacitifs ; sur une régulation de niveau de type PI (avec terme de tendance sur le débit amont et parfois d anticipation sur la consigne issue de loi d abaissement) pour les aménagements BMR. Concernant ce mode démonstration il est important de préciser que SIMBA est un outil d entraînement des exploitants utilisé hors période de crue pour des besoins de formation, et qu il n a pas vocation à assister l exploitant pendant le passage des crues, ni à reproduire le fonctionnement d un automate de conduite. Néanmoins le mode démonstration est utile lorsqu il s agit de piloter rapidement le bief et ses ouvrages vers un état déterminé (par exemple avant la pointe de crue), avant de rendre la main à l exploitant. Il peut également servir à l Ingénierie, en complément de modèles et d études hydrauliques plus classiques, afin d optimiser des consignes de crue ou vérifier que les objectifs de ces consignes sont bien respectés.
IV DEPLOIEMENT Le simulateur SIMBA (version 1) a été conçu pour les aménagements capacitifs à partir de 1999. La quasi totalité des aménagements de ce type au sein du parc EDF en sont dotés pour la formation de leurs exploitants, qui suivent régulièrement des sessions de recyclage. L extension du simulateur SIMBA aux ouvrages BMR a été réalisée en 2006 (version 2.0), et le déploiement de l outil sur plus de 70 ouvrages de ce type (sur la période 2006-2009).est bien avancé. Pour chaque barrage ce déploiement comprend : la collecte des données (consignes de crues, caractéristiques de l aménagement, bathymétrie, crues types, abaques de débitances, etc.) complétée le plus souvent par une visite du terrain et des installations ; la modélisation hydraulique et la configuration des ouvrages et des IHM ; une première session de formation réalisée sur site. Ces sessions de formation à la conduite des BMR se déroulent sur plusieurs jours et traitent de l ensemble des principes et règles d exploitation en période de crue (générales et spécifiques à l aménagement). Le simulateur SIMBA constitue le volet «appliqué» de cette formation ; après éventuels ajustements suite aux retours de l exploitant, la configuration SIMBA est installée sur un serveur. En complément de sessions de recyclage organisées régulièrement, l exploitant peut à tout moment se connecter à ce serveur et s entraîner à passer une crue. V DEVELOPPEMENTS ULTERIEURS SIMBA version 2.0 ne traite que d un aménagement pris isolément. Son extension au cas de plusieurs aménagements enchaînés (de quelques aménagements en cascade à l ensemble d une vallée) est prévue dans la version 2.1, en cours de développement. Cette version : permettra de connecter plusieurs aménagements (capacitifs et/ou BMR), certains pouvant être simulés en mode manuel, d autres en mode démonstration ; implémentera des modèles hydrauliques de propagation-diffusion (type Hayami) à coefficients variables. Ce modèle pourra être utilisé pour calculer le transfert de débit soit à partir d une station de mesure située sur un affluent non modélisé, soit entre deux aménagements consécutifs éloignés ; Améliorera divers points concernant l ergonomie (visualisation des lignes d eau) ou la souplesse du paramétrage (utilisation généralisée du serveur de formules). Cette nouvelle version permettra, à partir de 2010, de former et d entraîner les exploitants à gérer les ouvrages en crue dans des conditions encore plus réalistes.