SIC^2 : Logiciel de Simulation Intégrée des Canaux et de leur Contrôle

Calculs hydrauliques avec Cassiopée

David Dorchies — 2022-02-02T15:33:39Z

Le logiciel Cassiopée a été développé par le pôle R&D écohydraulique regroupant l'OFB (Office Français de la Biodiversité) et l'IMFT (Institut de mécanique des fluides de Toulouse) et par l'UMR G-EAU (UMR Gestion de l'Eau, Acteurs, Usages).

Il regroupe des outils d'aide à la conception des dispositifs de franchissement piscicoles pour la montaison et la dévalaison ainsi que des outils de calcul hydraulique utiles pour l'ingénierie en environnement et agriculture.

Import de géométrie à partir d'un MNT ou d'un relevé de géomètre

David Dorchies — 2019-10-22T11:27:22Z

Nous proposons un outil en ligne permettant d'extraire des profils en travers et de créer un fichier d'importation au format texte de SIC à partir d'un MNT ou d'un relevé de géomètre :

http://sic.g-eau.fr/sic_tools/import_xyz.html

Deux méthodes d'extractions des profils en travers sont proposées : l'une est plus adaptée à des relevés homogènes de points tels que les MNT, l'autre est plus adaptée à des relevés de géomètres où des profils en travers ont été relevés.

Format du fichier d'importation des points à coordonnées (X, Y, Z)

Le fichier d'importation est un fichier au format texte contenant 3 colonnes représentant l'abscisse, l'ordonnée et l'altitude dans un repère orthonormé et métrique des points de géométrie relevés sur le terrain (Par exemple des points référencés dans le système de coordonnées Lambert pour la France). Les séparateurs acceptés pour les colonnes sont la tabulation, le point-virgule et la virgule. Le caractère utilisé pour les décimales est le point.

Exemple de fichier de points en coordonnées Lambert avec séparateur tabulation :

Il est conseillé de mettre l'outil directement en plein écran avant d'effectuer l'importation du fichier. L'importation consiste à choisir le fichier sur son disque dur à l'aide du bouton "Parcourir..." et de cliquer sur le bouton "Process file".

Tracé de la ligne centrale d'écoulement

Une fois le fichier importé, il faut indiquer où se trouve le cours d'eau à numériser en dessinant à la souris la ligne centrale d'écoulement. Cela se fait en posant, par un clic de souris, des noeuds qui vont former un ensemble de segments.

Le point kilométrique (pK) est indiqué à chaque noeud tracé. Il est possible de recommencer son tracé en cliquant sur le bouton "Reset route".

Extraction de profils en travers à partir d'un MNT

Cet outil permet d'extraire des profils en travers à intervalles réguliers en transformant le relevé de point en un modèle numérique de terrain par la méthode de triangulation de Delaunay.

L'accès à cet outil se fait par le bouton "Export for SIC²". Les paramètres de l'outil sont les suivants :

Space step (m) : le pas d'espace désiré entre chaque section en travers (en mètres) ;
Section width (m) : la largeur maximale de la section (en mètres). Au delà de cette distance par rapport à la ligne centrale, les intersections de la section avec les arêtes des triangles de Delaunay seront ignorées ;
Max length of triangle edges (m) : Longueur maximale des arêtes des triangles de Delaunay.

Un appui sur le bouton "Generate section profiles" lance l'outil avec les paramètres choisis. Le résultat s'affiche graphiquement et produit un texte à copier-coller dans l'outil d'import de sections et de profils en travers au format texte d'EdiSIC. L'opération peut prendre du temps et il faut patienter même si le navigateur indique qu'un script bloque le fonctionnement de l'application.

Extraction de profils en travers à partir d'un relevé de profils en travers de géomètre

Cet outil permet de créer automatiquement les sections pour SIC à l'emplacement où ont été effectués des relevés de profils en travers. L'algorithme convertit les coordonnées des points dans un repère correspondant au tracé de la ligne centrale d'écoulement (axe pK). Il regroupe ensuite les points proches par section.

L'accès à l'outil se fait par le bouton "Export pK coords for SIC²". Les paramètres de l'outil sont les suivants :

Max Length between points (m) : distance maximale selon l'axe pK entre deux points pour un regroupement dans une même section (en mètres) ;
Max width of cross profiles (m) : largeur maximale des sections en travers (en mètres). Au delà de cette largeur, les points sont ignorés.
Min number of points in section : nombre minimum de points pour constituer une section en travers. Si un regroupement de points n'atteint pas cette limite minimale, la section est ignorée.

Le résultat s'affiche graphiquement et produit un texte à copier-coller dans l'outil d'import de sections et de profils en travers au format texte d'EdiSIC. L'opération peut prendre du temps et il faut patienter même si le navigateur indique qu'un script bloque le fonctionnement de l'application.

Import de fichier de géométrie au format Mike 11

David Dorchies — 2019-10-22T09:27:34Z

Le logiciel Mike 11 (https://www.mikepoweredbydhi.com/products/mike-11) est un code de modélisation hydraulique monodimensionnelle à surface libre, basé sur les équations de Saint-Venant développé par DHI (Dansk Hydraulisk Institut).

Pour importer un fichier au format Mike 11, il faut utiliser l'outil en ligne de conversion de fichier au format Mike 11 vers le format d'import de sections et de profils en travers au format texte de SIC : http://sic.g-eau.fr/sic_tools/import_mike11.html

Une autre option est, sous Mike 11, d'exporter les sections dans un fichier txt en mode raw data, puis de lancer une routine sous Matlab (script mike2sic.m) qui va convertir ce fichier dans un autre fichier txt au format d'importation de SIC, et enfin d'importer les données de ce fichier dans un bief. En option on peut convertir le format des sections de abscisse-cote en largeur-cote (routine ac2lc), ainsi que de réduire le nombre de point de description (routine F_Approx_Sections_v6). Ces routines sont disponibles sur simple demande.

Les sections en travers de MIKE11 peuvent être exportées en suivant les étapes ci-dessous :

Ouvrir MIKE Zéro
Ouvrez le .xns11 via Ouvrir (ou glisser-déposer)
Sélectionnez Fichier >> Exporter toutes les sections >> Exporter les données brutes…
Enregistrez les sections transversales sous forme de fichier .txt

Détachement Algual en réponse à une chasse

David Dorchies — 2017-11-07T11:47:02Z

Définition

Le taux de détachement accidentel de biomasse fixée est calculé, en chaque section comme suit :

$ {\frac{\partial B}{\partial t} (x,t) = - \frac{1}{\delta }\left ( \frac{\tau_{0}(x,t) - \tau_{0,cr}(x)}{\tau_{ref}(x)} - s_B \right )^\eta B(x,t) $ , si $ \frac{\tau_{0}(x,t) - \tau_{0,cr}(x)}{\tau_{ref}(x)} > s_B} $

$ {\frac{\partial B}{\partial t} = 0} $ , sinon

Avec :

$ {B(x,t)} $ : la biomasse fixée en kg m^-1
$ {\tau _ 0(x,t)} $ : la contrainte de cisaillement à la paroi en N m^-2
$ {\tau_{0,cr}(x)} $ : la valeur critique de cisaillement qui intègre l'effet mémoire des algues dans leur capacité de résistance.
$ {\tau_{ref}(x)} $ : la valeur de référence du cisaillement
$ {s_B} $ : le seuil de sensibilité qui prend en compte les fluctuations antérieures à la chasse
$ {\delta} $ : une constante de temps en secondes
$ {\eta} $ : un exposant adimensionnel

Caractéristiques

Identifiant de la loi : 201
Nombre de classes intervenant : 1
Nombre de paramètres : 5

Classes intervenantes :

$ {B} $

Paramètres fonction de l'abscisse :

$ {\tau_{0,cr}} $
$ {\tau_{ref}} $

Paramètres éventuellement fonction du temps

$ {s_B} $
$ {\delta} $
$ {\eta} $

Les conditions aux limites

David Dorchies — 2017-09-24T10:20:43Z

Les prises sont obligatoirement pourvues d'une condition aux limites. Les conditions aux limites disponibles sont :

Débit imposé (Pompe) : Q(t)
Cote fixe : Z(t)
Débit fonction de la cote (tabulée) : Q(Z) (ou plutôt Z(Q))
Fonction Q puissance alpha : $Q(t)=Q_{ref} [(Z(t)-Z_{0})/(Z_{ref}-Z_{0})]^{\alpha}$

Les nœuds amont et aval sont considérés également comme des endroits où il faut définir des "prises", qui seront utilisées comme conditions aux limites dans les algorithmes de calcul hydraulique. La terminologie peut sembler abusive mais il faut bien choisir un terme générique. Cela est défendable, dans le sens où ce sont les points qui permettent d'injecter ou retirer du débit dans le réseau hydraulique, aussi bien aux nœuds amont et aval, qu'aux nœuds intermédiaires.

Les conditions aux nœuds amont et aval peuvent être choisis dans cette liste. Les détails donnés pour les noeuds aval sont donc applicables aussi ici pour un noeud amont ou intermédiaire.

Toutes les combinaisons sont possibles en régime transitoire.

Quelques combinaisons sont impossibles en régime permanent : Q(t) à l'amont et à l'aval. En effet dans ce cas soit il n'y a pas de solution, soit il y a une infinité de solutions. La configuration la plus classique est Q(t) à l'amont et Q(Z) à l'aval. Les autres options qui n'indiquent pas le débit à l'amont de manière explicite impliqueront des itérations du programme de calcul Fluvia afin de trouver le débit qui satisfait la conditions amont choisie.

Rappel : les débits entrants ou sortants, dans SIC, suivent une convention de signe qui est que les débits entrants sont positifs et les débits sortants sont négatifs. Cela est valable généralement aux conditions aux limites externes (amont et aval), internes (prises) et les infiltrations ou apports répartis le long des sections. Mais, pour éviter les erreurs classiques qu'on rencontrait souvent avec des utilisateurs, on fait des exceptions à cette convention quand il n'y a pas d'ambiguïté. Par exemple une condition limite aval de type Q(Z) ne peut être que sortante, et on attend donc des débits positifs aux interfaces de saisie des données alors que selon la convention il faudrait les choisir négatifs. La calculette les choisira positifs, mais ce seront bien des débits sortants.

Initialisation du calcul aux diffluences

David Dorchies — 2017-09-24T09:57:24Z

Sur un réseau pourvu de diffluences (cas courant sur les canaux d'irrigation contrairement aux rivières), le calcul de la ligne d'eau en régime permanent effectue des itérations pour distribuer le débit provenant de l'Amont dans chaque Bief Aval diffluent.

Par défaut, la répartition est initialisée à partir de la surface des biefs situés à l'aval de la diffluence. Dans le cas où cette répartition par défaut provoquerait des débits initiaux négatifs dans certaines Branches du réseau, l'utilisateur peut modifier ces paramètres en double-cliquant sur le Nœud posant problème et modifier la répartition du débit entre les Biefs à l'Aval du Nœud.

Définition du mode de calcul au noeud

David Dorchies — 2017-09-24T09:46:46Z

La résolution du calcul de la ligne d'eau aux nœuds peut se faire selon deux modes :

égalité des cotes (mode par défaut)
égalité des charges

Dans le cas de l'égalité des charges, il est possible de définir une perte de charge à l'entrée du nœud (pour les biefs Amont arrivant à ce nœud) et à la sortie du nœud (pour les biefs Aval quittant ce nœud). Il est possible d'avoir pour le même nœud des biefs arrivant à ou partant de ce nœud avec des modes différents (cote pour certains et charge pour d'autres). Dans ce cas d'une perte de charge une équation de type Borda (proportionnelle à la vitesse au carré) est utilisée.

Remarque : Dans le cas où l'écoulement à un nœud est en régime torrentiel sur un ou plusieurs des biefs arrivant ou partant de ce nœud, le mode de calcul sera basculé automatiquement en mode "égalité des charges", même si c'était le mode "égalité des cotes" qui avait été choisi ici. C'est en effet plus réaliste physiquement. Pour que les calculs en régime torrentiel soient autorisés il faut activer l'option correspondante dans les paramètres de calcul permanent.

Format du fichier .par

David Dorchies — 2016-10-14T16:56:32Z

Un fichier des variables paramétrées est par créé par scénario (et contenant les informations également pour ses variantes éventuelles) et est par défaut mis à jour automatiquement lors de l'enregistrement du scénario dans EdiSic. Le fichier se nomme [Nom du projet XML]_[N° de scénario].par.

Dans le nom du fichier ci-dessus, nous avons fait le choix de conserver le nom du projet initial [Nom du projet XML] dans le nom, même si le nom du projet est ensuite modifié, que ce soit par la commande "enregistrer sous" d'EdiSic, ou à la main sous Windows ou sous Dos. Si vous avez une routine générant ce fichier pour des exécutions automatiques, vous n'aurez donc pas à la modifier même si le nom du fichier projet est ensuite modifié.

C'est un fichier texte contenant des lignes et des colonnes. Les séparateurs acceptés pour les colonnes sont les espaces, la tabulation, le point-virgule et la virgule. Le format est le suivant :

Les lignes ne commençant ni par « L » ni par « X » sont ignorées. Par convention, les lignes de commentaires commencent par le double symbole « // ».
Les lignes commençant par X1, X2, X3, ... Xn servent à définir la valeur de la variable paramétrée
Les lignes commençant par L1, L2, L3, ... Ln servent à définir la localisation d'une variable paramétrée dans le réseau

EdiSic permet de définir la localisation des variables paramétrées à partir des interfaces de saisie du mode hydraulique (cf. gestion des variables paramétrées). Mais il est aussi possible de définir de nouvelles variables paramétrées directement dans le fichier .par en définissant leur localisation dans le réseau à l'aide des lignes commençant par L.

Une fois que des variables ont été définies comme variables paramétrées dans l'interface EdiSic, des noms (X1, X2, etc) sont affectés automatiquement en prenant le premier nom disponible non utilisé, par ordre croissant. Il n'est pas possible ensuite de les modifier dans la version actuelle d' EdiSic (sauf éventuellement en retouchant directement le fichier xml à la main).

Syntaxe des lignes commençant par X

Pour une valeur fixe, la syntaxe sera :
X[n] [Valeur]
Exemple :
X1 0.25

Par une valeur évoluant en fonction du temps (Loi fonction du temps), la syntaxe sera

X[n] LOI [E ou R]

X[n] [Temps en secondes] [Valeur]

X[n] [Temps en secondes] [Valeur]

...

Le paramètre [E ou R] permet de choisir entre le mode échelon [E] ou le mode rampe [R].

Exemple pour un tour d'eau évoluant à 0, 1 et 2 heures :

// Loi fonction du temps en mode "E" Echelon

X1 LOI E

X1 0 -0.1

X1 3600 -0.2

X1 7200 -0.1

Syntaxe des lignes commençant par L

Les lignes commençant par L contiennent un ensemble de colonnes avec des couples [Type d'objet]=[Valeur]. La signification des types d'objet est la suivante :

BF : n° du Bief
ND : n° du Noeud
PR : n° de la Prise
ST : n° de la Structure d'ouvrage
OUV : n° d'Ouvrage
SN : n° de Section
PBF : n° de la Portion de bief (pour les Strickler et les infiltrations)
CAR : Variable à paramétrer sur l'objet (voir la liste des variables ci-dessous)

Le numéro des biefs, des noeuds et des sections est visible dans l'infobulle qui apparaît lorsqu'on passe la souris sur les différents objets du réseau dans la vue arborescente d'EdiSic. Le fichier .par écrit par EdiSic comporte la ligne « L » en commentaire pour chaque variable définie à titre d'exemple de syntaxe.

Il est possible de définir plusieurs localisations pour un seule variable. Un avertissement sans conséquence s'affichera lors de la simulation et la même valeur sera appliquée aux différentes localisation demandée.

Voici différents exemple de localisation pour différents objets du réseau :

Type d'objet	Syntaxe de la ligne
Débit de la prise n°1 du noeud n°1	`L1 ND=1 PR=1 CAR=Q`
Ouverture de la vanne de l'ouvrage du premier niveau de structure de la prise n°1 du noeud n°2	`L2 ND=2 PR=1 ST=1 OUV=1 CAR=W`
Coefficient de débit de la vanne de l'ouvrage n°1 de la structure en travers située dans la section n°4 du bief n°1	`L3 BF=1 SN=4 OUV=1 CAR=CoefQR`
Strickler de la première portion de Strickler du bief n°1	`L4 BF=1 PBF=1 CAR=KMin`

La liste des variables disponibles par le paramètre CAR est la suivante (attention les minuscules et majuscules sont importants) :

Variable	Signification	Localisation possible
Q	Débit ou débit objectif	Prise avec une condition limite en débit ou avec un débit objectif contrôlant un ouvrage (`ND=... PR=... CAR=Q`)
Z	Cote de l'eau	Prise avec une condition limite en cote (`ND=... PR=... CAR=Z1`)
KMin	Strickler du lit mineur	Portion de bief (`BF=... PBF=... CAR=KMin`)
KMoy	Strickler du lit moyen	Portion de bief (`BF=... PBF=... CAR=KMoy`)
Inf	Infiltration	Portion de bief (`BF=... PBF=... CAR=Inf`)

Aux interfaces d'EdiSic les frottements sont indiqués en Strickler en Français et en Manning en Anglais et en Espagnol. Mais de manière interne, ces frottements sont écrits dans les fichiers .xml ainsi que dans les fichiers .par en Strickler. Si vous êtes plutôt anglo-saxon et avez l'habitude de manipuler des Manning il faudra cependant penser à les convertir (Ks = 1/n) en Strickler si vous les écrivez dans un fichier .par.

On pourra aussi piloter des paramètres d'ouvrages en travers (BF=... SN=... OUV=...) et les ouvrages de prises (ND=... PR=... ST=... OUV=...). Les variables disponibles sont les suivantes :

Variable	Signification	Type d'ouvrage possible
CoteRadier	Cote du radier	Tous les ouvrages
Largeur	Largeur	Toutes les vannes et seuils sauf vanne circulaire et tube
Ouverture	Ouverture de vanne	Toutes les vannes sauf GEC-Alsthom
CoefQR	Coefficient de débit rectangulaire	Toutes les équations de vannes et seuil sauf Goussard
SurverseHauteur	Hauteur de la pelle	Toutes les vannes
CoefQSurverse	Coefficient de débit de la surverse	Toutes les vannes avec surverse au dessus de la pelle
TanAl	Fruit des berges	Vannes et seuils trapézoïdaux, vannes GEC-Alsthom
CoefQT	Coefficient de débit triangulaire	Vannes et seuils trapézoïdaux et vannes GEC avec équation CEM02
CoteAxe	Cote de l'axe	Vannes GEC-Alsthom
Rayon	Rayon de la vanne	Vannes GEC-Alsthom
D	Caractéristique "D" de la loi de Goussard	Vannes AMIL
JMax	Perte de charge maximale	Vannes GEC-Alsthom
S1S2	Rapport des surfaces pour le filtrage	Vannes AVIS, AVIO, Mixtes
Decal	Décalage de prise	Vannes AVIS, AVIO, Mixtes
Decrement	Décrément	Vannes AMIL, AVIS, AVIO
CoteAmont	Cote amont max.	Vannes AMIL

Exemple de fichier .par

// Localisation définie par EdiSic

//Nd : OFF 3 > Pr : Prise1 > CL Débit 

// L1 Nd=3 Pr=1 Car=Q

// Loi fonction du temps en mode "E" Echelon

X1 LOI E

X1 0 -0.1

X1 3600 -0.2

X1 7200 -0.1

// Ajout par l'utilisateur de Nd : DAM > Pr : Prise 1 > CL Débit

L2 Nd=1 pr=1 car=Q

// Loi fonction du temps en mode "R" Rampe

X2 LOI R

X2 0 2.5

X2 3600 3

X2 7200 2.5 

// Ajout par l'utilisateur des Nd 3 et 5 Prise 1 avec débit fixe de 0.4 m3/s

L3 Nd=3 Pr=1 Car=Q

L3 Nd=5 Pr=1 Car=Q

X3 -0.4

Modification du graphe du réseau

David Dorchies — 2016-01-12T08:53:21Z

Cet outil permet de redessiner le graphe du réseau en conservant les proportions liées aux abscisses des sections dans les biefs.

Cette option ne fonctionne pas encore de manière satisfaisante sur les réseaux maillés et ou ramifiés

Modification des paramètres de la section

David Dorchies — 2016-01-12T08:28:41Z

Cet onglet permet de modifier les paramètres liés à la fente de Preissmann utilisée dans le cas de sections fermées en charge.

Pour les sections sélectionnées, on peut ainsi définir :

une largeur de fente fixée ;
une largeur calculée pour chaque section à partir d'une célérité des ondes fixée.