LA PREVISION DES HAUTEURS D EAU DANS L ESTUAIRE DE LA GIRONDE

LA PREVISION DES HAUTEURS D EAU DANS L ESTUAIRE DE LA GIRONDE UN EXEMPLE DE PARTAGE D EXPERTISES HYDROMETEOROLOGIQUES DANS UN CADRE OPERATIONNEL Réginald SARRALDE Service Central d Hydrométéorologie et d Appui à la Prévision des Inondations (SCHAPI) 1

1. PRESENTATION DE L ESTUAIRE: GEOMETRIE Dimensions de l estuaire 76 kms de long 20 kms de large à l embouchure 11 kms (à l endroit le plus large) 635 km² Le plus vaste d Europe occidentale Dimensions des fleuves Garonne: 478 kms, BV de 57000 km² Dordogne: 484 kms, BV de 24000 km² 2

1. PRESENTATION DE L ESTUAIRE: LES PRINCIPAUX ENJEUX Royan Le Verdon Meschers sur Gironde Le Verdon - Môle d'escale Richard Mortagne sur Gironde Port Maubert De vastes zones inondables Lamena Port de Vitrezay Pauillac Centrale électrique du Blayais Le Blayais: Centrale nucléaire Fort-Médoc diffusion de prévisons expertisées points complémentaires (non expertisés) observations effectives Presqu île Ambès: infrastructures pétrolières complexe chimique Bordeaux Bec d'ambèsambès Ambès Le Marquis Saint Vincent de Paul Le Marquis Saint Vincent de Paul Saint Louis de Montferrand Saint Louis de Bassens Montferrand Bassens Bordeaux Bordeaux (Quais) Bordeaux Bordeaux Bègles (Quais) Bègles Libourne Libourne Cadillac Cadillac La Réole diffusion de prévisons expertisées points complémentaires (non expertisés) Langon La Réole observations effectives Langon 3

1. PRESENTATION DE L ESTUAIRE: LES PRINCIPAUX ENJEUX Royan (Marégraphe DDE 17) 17 Le Verdon - Môle d'escale Mortagne sur Gironde 16 Lamena (Marégraphe PABx) Port de Vitrezay Centrale électrique du Blayais Pauillac (Marégraphe PABx) Bec d'ambès Ambès 33 Le Marquis Libourne 24 Bordeaux Bordeaux (Quais) Cadillac Diffusion de prévisions à court terme Diffusion de prévisions à long terme zones inondables Langon 47 4

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1. PRESENTATION DE L ESTUAIRE: LES PRINCIPAUX ENJEUX 6

1. PRESENTATION DE L ESTUAIRE: LES PRINCIPAUX ENJEUX 7

1. PRESENTATION DE L ESTUAIRE: LES PRINCIPAUX ENJEUX 8

2. LA MISE EN PLACE DU PROJET DE PREVISION DES HAUTEURS D EAU CONTEXTE: Nombreuses études sur les hauteurs d eau en Gironde depuis 1985 Tempête du 27 décembre 1999 Nécessité d améliorer les systèmes de prévision et d alerte, pour les Services de l État et pour le CNPE du Blayais () Un premier modèle développé sur l estuaire par /LNHE en 2003 Création des Services de Prévision des Crues LES ACTEURS: Maître d ouvrage : DDE17 (SPC Littoral Atlantique) Maître d œuvre : Météo-France (DPrévi Mar et DIRSO) Organismes participants: SPCLA, SCHAPI, Météo France, /LNHE, CETMEF, Gd Port de Bordeaux, SPC Garonne. Réalisation des études: CETMEF (+SPCLA, SCHAPI et MF pour les tests de sensibilité du modèle aux données d entrée) DEROULEMENT DU PROJET: Lancement : fin 2005 (signature de la convention de partenariat) Phases d études: 1 ères évaluations du modèle et changement des conditions aux limites: 2 ème semestre 2006 Phases de calage: 2007 Implémentation de la chaîne opérationnelle: 2008 Test de sensibilité et évaluation sur évènements débordants: 2009 Utilisation pré-opérationnelle: fin 2009 Utilisation opérationnelle (intégration dans la vigilance «crues»: 2010-2011) 9

3. LA MODÉLISATION DES HAUTEURS D EAU CARACTERISTIQUES IMPORTANTES DE L ESTUAIRE La forme particulière (fort rétrécissement au Bec d Ambès) et la remontée des fonds ont un impact sur son comportement hydrodynamique: L amplitude du signal de marée augmente de l aval vers l amont l estuaire est dit hypersynchrone L onde de marée se déforme au fur et à mesure que l on s éloigne de la mer (le flot devient plus rapide que le jusant) Quelques chiffres: Le rapport entre le volume d eau stocké dans l estuaire à marée montante et le volume d eau douce déversé par les fleuves est de l ordre de 12 (rapport du prisme de marée). Le marnage peut atteindre 5 m (estuaire macrotidal) Temps de transfert de la marée entre l embouchure et Bordeaux: 2 h Débits caractéristiques: Garonne: Q 10 =5700 m 3 /s Q 50 =7100 m 3 /s Q 100 =7700 m 3 /s Dordogne: Q 5 =2200 m 3 /s Q 10 =2650 m 3 /s 10

29/03/2006 00:00 29/03/2006 12:00 30/03/2006 00:00 30/03/2006 12:00 31/03/2006 00:00 31/03/2006 12:00 01/04/2006 00:00 Hauteur en m 3. LA MODÉLISATION DES HAUTEURS D EAU CARACTERISTIQUES IMPORTANTES DE L ESTUAIRE 7 Bordeaux Le Verdon 6 5 4 3 2 1 0 Déformation de l onde de marée dans l estuaire Evènement de mars 2006 11

3. LA MODÉLISATION DES HAUTEURS D EAU LE MODELE Reprise d un modèle développé initialement par - LNHE suite à l incidence de la tempête de 1999 sur la centrale du Blayais La houle et les débordements ne sont pas pris en compte Emprise du modèle: - Aval: 25 km de l embouchure - Amont : limite d influence de la marée à La Réole et Pessac Maillage: mailles triangulaires - 50 m dans les parties fluviales -100 m à 2000m à la frontière maritime. Une bathymétrie provenant de plusieurs sources et de différentes périodes /LNHE 175 Kms modélisés 7350 nœuds 12837 éléments 12

3. LA MODÉLISATION DES HAUTEURS D EAU LES FORÇAGES PRIS EN COMPTE SURCOTE (modèle Météo France) + MARÉE (logiciel Predit SHOM) Les surcotes calculées par le modèle océanique de MF sont imposées à la frontière maritime. La marée à la frontière maritime issue du logiciel Predit du SHOM (calculée avec 143 harmoniques). Le vent et la pression sont imposés sur tous les nœuds du maillage à chaque pas de temps (les données de MF sont ensuite interpolées sur le maillage du modèle). Les débits fluviaux sont imposés aux limites amont du modèle. Débit (prévisions et observations du SPC) Vent et Pression atmosphérique (interpolés en tout point du maillage) 13

4. LE CALAGE DU MODELE METHOLOGIE 10 évènements retenus (1981 à 2006) dont: - 4 évènements non débordants pour le calage (2003, 2004 et mars et avril 2006) - 6 autre évènements pour la validation 2 critères de calage comparés: - L Erreur Quadratique Moyenne (EQM) : hauteurs prévues Avec hauteurs observées et Hi les i variant de 0 à 7 jours au pas de temps de 10 mn Avantage: critère homogène Inconvénient: intègre le déphasage du signal - Le critère de Nash sur les Pleines Mers rephasées N(%) 100 1 n i 1 n i 1 Hˆ Hˆ i i H Hˆ i i 2 2 Avec Ĥ i moyenne des hauteurs observées Avantage: spécifique aux pleines mers Inconvénient: critère «forçé» Les coefficients de Strickler obtenus: 70,75,70,60 et 60,60,50,40 (retenu) 14

4. LE CALAGE DU MODELE LES RESULTATS OBTENUS Station de Laména 4 3 18 cm 13 cm 2 1 0 150000 160000 170000 180000 190000 200000 210000 2200-1 -2 30 cm -3 Observation Calage EQM Calage Nash 15

4. LE CALAGE DU MODELE LES RESULTATS OBTENUS Station de Bordeaux 6 5 23 cm 4 3 2 1 0 60000 170000 180000 190000 200000 210000 220000 230000 1 1 m 2 Observation Calage EQM Calage Nash 16

5. LES PRINCIPAUX TESTS DE SENSIBILITE EFFECTUES 1. Influence du vent imposé sur l estuaire a. Combien de temps met la surcote pour s établir quand le vent commence à souffler? b. En faisant varier l intensité et la direction d un vent uniforme, pour une marée de coef. 90, sans surcote océanique et avec un débit constant sur les parties fluviales (module). c. En faisant varier le coef. de marée pour le vent le plus défavorable possible. 2. Etude de la propagation d une surcote imposée à la frontière maritime (FM) a. En faisant varier la valeur imposée de 0 à 1,20m, avec des conditions de vent nulles sur l estuaire, un débit fixé égal au module sur les parties fluviales et un coef. de marée de 90. b. Pour une surcote océanique nulle ou égale à 0,5m, sans vent, et avec un débit égal au module, en faisant varier le coef. de marée c. Pour une surcote océanique nulle ou égale à 0,5m, avec un coef. de marée de 90 et un débit égal au module, en faisant varier l intensité du vent (pour la direction la plus défavorable). 3. Influence du débit imposé sur les parties fluviales a. En faisant varier les conditions de débit sur la Garonne et la Dordogne, sans surcote océanique, sans vent et pour une marée de coef. 90. b. En faisant varier la surcote maritime de 0 à 0,5m et le débit de l étiage au débit décennal en passant par le module, avec des conditions de vent nulles et un coef. de marée de 90. 17

5. LES PRINCIPAUX TESTS DE SENSIBILITE EFFECTUES IMPACT DU VENT erdon 315 Surcote max si DD=330 Pauillac 340 Bec d Ambes Pauillac Bordeaux Bordeaux 18

6. LA CHAINE TEMPS REEL BATIE AUTOUR DU MODELE Lancement 1 fois par jour, sur le réseau de 0h, pour une prévision à 48h d échéance. Chaîne mise en place : récupération des flux de données en entrée (observations temps réel, forçages, résultats de runs précédents) et production des sorties attendues (fichiers numériques, graphiques, bulletins ) archivage dans des bases opérationnelles Alimentation des outils (site web, supervision) Calcul automatique quotidien de scores (veille) Mécanisme de reprise en cas de manque de certaines données d entrée Chaîne mise en place à Météo France sur un cluster Linux, environ 40 de calcul pour 48h d échéance. Résultats disponibles vers 06H00 TU chaque jour (au plus tôt). 19

6. LA SUPERVISION 20

7. LE PARTAGE D EXPERTISE ENTRE METEOROLOGUES ET HYDROLOGUES Objectifs Identifier les situations à risque. Suivre leurs évolutions et qualifier les répercussions des éventuels changements de prévisions sur la surcote et le vent prévus. Echanger avec le SPC afin qu il adapte son expertise de la hauteur d eau prévue et produise les alertes pertinentes sur l estuaire. Comment? A partir d un certain seuil (6m de hauteur d eau observée au Verdon). Rédaction d un bulletin spécifique à destination du SPC et du SCHAPI Contact régulier pendant toute la situation entre Météo France (DIR) et le SPC Quelles informations sont échangées? Le modèle météorologique privilégié (seul ALADIN, l un des 3 modèles disponibles, est implanté dans le système actuel de prévision des hauteurs d eau). Chronologie et trajectoire de l évènement attendu: quelles intensités et directions du vent sont prévisibles (conformes ou pas avec le modèle ALADIN)? Quelle pression atmosphérique? Quelle valeur de surcote est attendue au Verdon. Son phasage avec la pleine mer. 21

5. CONCLUSION : La suite du projet 1. Valorisation de toute la matière scientifique produite Rédaction d un rapport de synthèse Création d abaques reprenant les éléments principaux des tests de sensibilité 2. L utilisation opérationnelle dans le cadre du système de vigilance «crues» Définition de critères de vigilance à partir des résultats du modèle, de l analyse du territoire et de l expertise des prévisionnistes. Publication des prévisions de hauteurs d eau 3. La production d une 2 nde exécution par jour 4. La suite des développements sur le modèle Améliorations du modèle (calage, maillage) Prise en compte des débordements (adéquation avec les contraintes fortes de l opérationnel à prendre en compte) 22

Eléments complémentaires 23

3. LA MODÉLISATION DES HAUTEURS D EAU LE CODE DE CALCUL Le logiciel TELEMAC-2D, développé au LNHE, résout les équations de Saint-Venant bidimensionnelles sur un domaine de calcul en plan. Ses résultats principaux sont la hauteur d'eau et la vitesse moyennée sur la verticale en tout point du domaine. TELEMAC-2D est capable de prendre en compte les phénomènes suivants : - Frottement sur le fond, - Force de Coriolis, - Influence des phénomènes atmosphériques (pression et vent), - Turbulence, - Écoulements torrentiels et fluviaux, - Bancs découvrants (zones sèches dans le domaine de calcul). 24

LA SURCOTE Surcote à pleine mer Surcote Maximum Surcote à basse mer Courbe rouge: marée La surcote max. en 12/1999: Courbe bleue: hauteur d eau totale Courbe noire: surcote 1,50m au Verdon 2,50m à Bordeaux 25

3. LES PARAMETRES DU MODELE TELEMAC Le coefficient de frottement du vent fixé à 2,57.10-6 4 zones différentes pour les coefficients de Strickler (60, 60, 50, 40) 26

L IMPORTANCE DU PAS DE TEMPS DU VENT 27

3. LE MODELE TELEMAC - GIRONDE Partie océanique Cartes SHOM (1990) Verdon Libourne Verdon Bordeaux Port Autonome de Bordeaux (1998) Libourne Pessac SN 24 / EPIDOR (1999-2000) Bordeaux- La Réole SN 31 (1995-1996) 28

DETAIL DES EVENEMENTS RETENUS 29

3. LE MODELE TELEMAC - GIRONDE 30

3. LE MODELE TELEMAC - GIRONDE Les observations Les prévisions issues du modèle Aladin 31

3. LE MODELE TELEMAC - GIRONDE 2 affluents de la Dordogne (L isle et la Dronne) arrivent à Libourne. Il n y a pas de point de sortie à Libourne Le débit correspondant est ré-injecté à Pessac. Le modèle est forçé par: des observations à Pessac (Q pessac +Q Abzac +Q Coutras ) et La Réole des prévisions à Pessac (6h) et La Réole (10h) 32

4. LE CALAGE DU MODELE 2- Les deux types de calage envisagés Méthodologie employée: - Objectif: minimiser le critère retenu EQM = 0,5 EQM 2003 + 0,15 EQM 2004 + 0,2 EQM 2006_1 + 0,15 EQM 2006_2 - En procédant zone par zone 1. La valeur du coefficient de Strickler est imposée à l identique dans toutes les zones. Elle est choisie pour minimiser l erreur sur toutes les stations. 2. Cette valeur est retenue pour la zone aval, les autres zones sont alors modifiées simultanément pour minimiser l erreur sur les zones situées en amont de la première zone. La valeur est retenue pour la zone 2. 3. L opération est répétée pour les 2 autres zones. Les jeux de coefficient de Strickler obtenus EQM Zone Ks 1 70 2 75 3 70 Nash Zone Ks 1 60 2 60 3 50 4 60 4 40 33

4. LE CALAGE DU MODELE LES RESULTATS OBTENUS 34

4. LE CALAGE DU MODELE LES RESULTATS OBTENUS EQM Nash 1,9 EQM Nash 14,8 15,1 35

Synthèse Initialisation: Moins de 10 cm d erreur après ½ marée. Propagation de la marée: Il y a des différences notables entre la réponse du modèle et le calcul théorique du SHOM dans les stations de l estuaire: prudence lorsque l on parle de surcote: par rapport à quoi? Vent instaure une pente constante de la ligne d eau de pleine mer, presque indépendante du coefficient de marée. Phase transitoire avant équilibre limitée à 6h. une fois l équilibre établi, la surcote varie durant le cycle avec un maxi en début de flot. La surcote due au vent sur l estuaire est proportionnelle à l intensité du vent au carré (l ordre de grandeur de la surcote de PM à Bordeaux pour un vent de 100 km/h soufflant de manière constante pendant plusieurs heures est de 2.30 m). En aval de Richard, le vent d Ouest est le plus défavorable; entre Richard et Laména ce sont les vents locaux d Ouest à Nord-Ouest (270 à 330 ) qui sont les plus défavorables avec des impacts presque identiques; à Pauillac les vents de 300 à 330 sont les pires et en amont la direction Nord Ouest (330 ) est la plus contraignate. 36

Synthèse Propagation d une surcote depuis la frontière maritime: Le maximum de hauteur d eau est toujours légèrement postérieur au pic de surcote (entre 1h et 2h après selon la valeur imposée à la FM et le pic considéré) et antérieur à la PM de la marée astronomique. Amplification faible (de la surcote de PM) mais caractérisée (environ 18% entre le Verdon et Bordeaux). Influence des Débits: négligeable au milieu de l estuaire, variations à prendre en compte à Bordeaux en particulier dans les situations de débits faibles (50 cm pour un delta Q de 3000 m3). Incidence traduite par une simple loi de proportionnalité, sauf à Bordeaux. Incidence caractérisée des débits de la Dordogne sur les cotes de la Garonne Superposition des contributions Les contributions des différentes sources de surcotes (maritimes, vents et débits) suivent globalement, pour un endroit donné de l estuaire, le principe de superposition. Preuve d un certain découplage des phénomènes physiques? 37