Deterministic hydrological, hydraulic and hydrogeological modeling for real-time decision support systems : application to the Paillons catchment, France
Modélisation hydrologique, hydraulique et hydrogéologique déterministes pour les systèmes d'aide à la décision en temps réel : application au bassin versant des Paillons, France
Résumé
In the southeastern region of France, floods and droughts affect the mountainous catchments including the Paillons and the Var on the east and west of Nice city, France. The Var valley is one of the main freshwater resource of the Nice metropolis (or Metropole Nice Côte d'Azur (MNCA)). The Paillons river is covered and crosses the dense urban centre. On the French Riviera, as in many Mediterranean coastal cities, urbanization and economic development are on the rise and can be deeply affected during extreme convective events such as the Alex storm recorded in October 2020 or the major flood of 2019. On top of that, demand for water resources is increasing.This situation motivated the development of the AquaVar decision support system since 2014. Four main needs were to be met: represent the hydrological characteristics of the Var, be useful for predicting the impacts of future construction projects on the river and groundwater hydraulics, implement long-term scenarios for climate changes impacts, forecast the impacts of extreme hydrological events and consider pollutant leakage into the river or unconfined aquifer. To achieve those goals, three deterministic models were implemented. A hydrological model based on the DHI MIKE SHE was calibrated to represent complex hydrogeological processes in the entire catchment. Using observed or estimated discharges from the hydrological model, a hydraulic model was designed with the DHI MIKE21FM to simulate surface flow and river-aquifer exchange in the lower Var valley. And the flow in the unconfined aquifer located in the lower Var valley was modelled with FEFLOW to accurately represent river-aquifer exchange. This tool successfully coupled hydrological, hydraulic and groundwater modules to optimize management of collected data and provide useful information for real-time management of water hazards and resources. To this date, the system has been used in several technical applications related to groundwater resources and extreme floods management in the Var catchment. However, other parts of the MNCA including the Paillons facing similar issues are not covered. Hence, the tool can be extended to the Paillons to address the risk of urban flooding and fill the gap in knowledge of the dynamics of the unconfined aquifer.In this study, the surface and subsurface flow processes in the Paillons catchment are assessed with three deterministic models to meet the specific needs in the Paillons catchment. MIKE SHE represents the hydrological processes of the whole catchment. MIKEPLUS's overland and river network modules model the surface flow processes and FEFLOW captures the groundwater dynamics. A modeling strategy was designed to achieve the assessment in 6-minute, hourly and daily time intervals. For MIKEPLUS, the model is calibrated and validated with events selected in 2017 and 2019. Available video recording were used to provide alternative real-time quantification of flood events. MIKE SHE was calibrated in 2011-2014 and validated in 2016-2020. Subsequently Artificial neural network (ANN) was applied to optimize MIKE SHE outputs. FEFLOW was assess by varying the empiric parameters and using recharge and water depths from MIKE SHE simulations in 2009-2013 without any observed data. To optimize the growth in video monitoring records, an image-based method is tested with Fudaa-LSPIV to estimate discharge and suggest the approach to be included in real time management of floods in the Paillons.The three deterministic models are the main parts of the AquaPaillons DSS. The study could confirm the application of AquaVar architecture and modelling process to the Paillons. Moreover, the AquaPaillon adds new quantification methods to the existing AquaVar architecture applied to the Paillons. Therefore, The tools could be used to reproduce flow events in real time and forecast extreme events.
Dans la région sud-est de la France, les inondations et les sécheresses affectent les bassins versants montagneux, notamment les Paillons et le Var à l'est et à l'ouest de la ville de Nice, en France.Cette situation a motivé le développement du système d'aide à la décision AquaVar depuis 2014. Quatre besoins principaux devaient être satisfaits: représenter les caractéristiques hydrologiques du Var, être utile pour prédire les impacts des futurs projets de construction sur l'hydraulique fluviale et souterraine, mettre en œuvre à long terme des scénarios d'impacts des changements climatiques, prévoir les impacts des événements hydrologiques extrêmes et envisager les fuites de polluants dans la rivière ou l'aquifère libre. Pour atteindre ces objectifs, trois modèles déterministes ont été mis en œuvre. Un modèle hydrologique basé sur le DHI MIKE SHE a été calibré pour représenter les processus hydrogéologiques complexes dans l'ensemble du bassin versant. À partir des débits observés ou estimés du modèle hydrologique, un modèle hydraulique a été conçu avec le DHI MIKE21FM pour simuler les écoulements de surface et les échanges rivière-aquifère dans la basse vallée du Var. Et l'écoulement dans l'aquifère libre situé dans la basse vallée du Var a été modélisé avec FEFLOW pour représenter avec précision les échanges rivière-aquifère. Cet outil permet d' optimiser la gestion des données collectées et fournir des informations utiles pour la gestion en temps réel des risques et des ressources en eau. À ce jour, le système a été utilisé dans plusieurs applications techniques liées aux ressources en eaux souterraines et à la gestion des crues extrêmes dans le bassin versant du Var. Cependant, d'autres parties du MNCA, y compris les Paillons confrontés à des problèmes similaires, ne sont pas couvertes. Ainsi, l'outil peut être étendu aux Paillons pour répondre au risque d'inondation urbaine et combler le manque de connaissance de la dynamique de l'aquifère libre.Dans cette étude, les processus d'écoulement de surface et souterrain dans le bassin versant des Paillons sont évalués avec trois modèles déterministes pour répondre aux besoins spécifiques du bassin versant. MIKE SHE représente les processus hydrologiques de l'ensemble du bassin versant. Les modules de réseau terrestre et fluvial de MIKEPlus modélisent les processus d'écoulement de surface et FEFLOW capture la dynamique des eaux souterraines. Une stratégie de modélisation a été conçue pour réaliser l'évaluation dans des intervalles de temps 6-minute, horaires et quotidiens. Pour MIKEPlus, le modèle est calibré et validé avec des événements sélectionnés en 2017 et 2019. Les enregistrements vidéo disponibles ont été utilisés pour fournir une quantification alternative en temps réel des événements d'inondation. MIKE SHE a été calibré en 2011-2016 et validé en 2016-2020. Un réseau de neurone artificiel (ANN) a été utilisé pour optimiser les résultats issus de MIKESHE. FEFLOW a été évalué en faisant varier les paramètres empiriques et en utilisant la recharge et le niveau d'eau dans le cours d'eau calculés avec MIKE SHE entre 2009 et 2013 sans possibilité de comparaison effective avec des données observées. Afin d'optimiser la croissance des enregistrements de vidéosurveillance des crues, une méthode basée sur l'image est testée avec Fudaa-LSPIV pour estimer le débit et proposer l'intégration de l'approche dans la gestion en temps réel des crues des Paillons.Les trois modèles déterministes sont les pièces maîtresses du système AquaPaillons. L'étude pourrait confirmer l'application de l'architecture et du processus de modélisation AquaVar aux Paillons. En plus, AquaPaillons ajoute de nouvelles méthodes de quantification à l'architecture AquaVar existante appliquée aux Paillons. Finalement, les outils pourraient être utilisés pour reproduire les événements de débit en temps réel et prévoir les événements extrêmes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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